CN112899467B - 一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了本发明提供了一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，包括同步装置、激光装置、超声冲击装置、工作平台和控制系统；所述上壳体通过第二液压缸支撑在底座上；所述支承梁通过第二液压缸安装在上壳体底部，所述限位滑轨通过第一液压缸安装在上壳体底部；2个所述超声冲击装置通过同步装置连接，用于所述超声冲击装置同步移动和同步转动；所述激光装置用于产生激光束穿过上壳体所述照射在工件表面；所述控制系统控制所述激光装置延时于超声冲击装置进行激光冲击。本发明调节超声冲击装置的起始时间、旋转角度与速度，实现超声波方向与波阵面位置的动态控制，实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合的装置及方法。
背景技术
激光冲击技术，利用纳秒脉冲激光与材料相互作用产生的冲击波，实现金属材料表面强化与成形加工。但单一激光束诱导的冲击波压力幅值低、时间短，导致零件表面残余压应力幅值低、晶粒细化程度低，强化/成形效果及其可控性较差。
中国发明专利提出了一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法，该发明专利将激光冲击强化技术与振动时效处理相结合，使表层晶粒细化、内部残余应力均匀化。但存在以下缺点：(1)采用激振器对试样整体进行时效处理，无法实现局部区域强化处理；(2)激光冲击与振动时效分开，无法改善激光冲击波压力幅值低、时间短的技术缺陷，塑性变形与残余压应力低，强化效果较差。
中国发明专利提出了一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，该发明专利实现了超声振动波和激光冲击波同轴传播，促进材料的动态再结晶行为，使材料表面获得超细晶粒。该发明虽然实现了超声冲击波和激光冲击波的同轴传播，但由于激光冲击波传播速度远高于超声冲击波的传播速度，因此该发明无法实现激光冲击波与超声冲击波的实时耦合，因此无法改善激光冲击波压力幅值低、时间短的技术缺陷，塑性变形与残余压应力较低。
中国发明专利提出了一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，该方法利用超声诱导高频振动波，在激光冲击波传播路径上形成周期性原子密集区域和疏松区域，促进材料晶粒细化，形成超细晶表层。该发明可以在激光冲击波传播路径上形成原子密集区域和疏松区域，促进晶粒细化，但存在以下缺点：(1)无法弥补激光冲击波与超声冲击波的传播速度差，不能实现激光冲击波与超声冲击波实时耦合，导致激光冲击波路径上存在周期性的原子疏松区；(2)原子疏松区会降低激光冲击波压力幅值，虽可以促进晶粒细化，但会降低塑性变形与残余压应力，进而削弱强化效果。
中国发明专利提出了一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法，该发明专利通过施加超声振动防止激光喷丸强化后冲击区域产生凹凸不平，超声振动与激光冲击波相互作用，可以在材料表面形成合理的残余压应力分布。但是该发明无法弥补激光冲击波与超声冲击波的传播速度差，不能实现激光冲击波与超声冲击波实时耦合，无法改善激光冲击波压力幅值低、时间短的技术缺陷，塑性变形与残余压应力较低。
发明内容
针对现有技术无法弥补激光冲击波与超声冲击波的传播速度差、不能实现激光冲击波与超声冲击波实时耦合的技术缺陷，本发明提供了一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置及方法，通过调节超声冲击装置的起始时间、旋转角度与速度，实现超声波方向与波阵面位置的动态控制，进而弥补超声波与激光冲击波的传播速度差，最终实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合，有效改善激光冲击波压力幅值低、时间短的技术缺陷，进而增加金属材料组织/应力强化或成形加工效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，包括同步装置、激光装置、超声冲击装置、工作平台和控制系统；
所述工作平台包括上壳体、第一液压缸、第二液压缸、限位滑轨和底座，所述底座上装夹可水平移动的工件，所述上壳体通过第二液压缸支撑在底座上；所述支承梁通过第二液压缸安装在上壳体底部，2个所述支承梁通过滑动副与限位滑轨连接，所述限位滑轨通过第一液压缸安装在上壳体底部；任一所述支承梁上设有传递桩；2个所述超声冲击装置安装在上壳体内，且2个所述超声冲击装置通过同步装置连接，用于所述超声冲击装置同步移动和同步转动；所述激光装置用于产生激光束穿过上壳体所述照射在工件表面；所述控制系统控制所述激光装置延时于超声冲击装置进行激光冲击，用于实现实时耦合。
进一步，所述同步装置包括驱动装置、齿条、第一滑动装置、第二滑动装置、摆动液压缸和液压系统；2个所述第一滑动装置分布在上壳体内，每个所述第一滑动装置上滑动安装摆动液压缸，所述摆动液压缸的输出轴直接或间接与超声冲击装置连接，所述液压系统用于同步控制2个所述摆动液压缸的转动；2个所述第二滑动装置安装在壳体内，每个所述第二滑动装置上滑动安装齿条，所述驱动装置输出端安装外齿轮，所述外齿轮分别与2个所述齿条啮合；每个所述齿条一端内安装轴承，所述摆动液压缸的输出轴穿过轴承，通过齿条的同步移动使所述摆动液压缸同步移动。
进一步，所述超声冲击装置包括冲击头、变幅杆和换能器；所述换能器直接或者间接与所述摆动液压缸的输出轴传动连接，所述换能器底部安装变幅杆，所述变幅杆末端安装冲击头，通过第一液压缸使冲击头与传递桩高副接触，通过同步装置使冲击头绕传递桩圆心转动。
进一步，设所述冲击头与工件表面之间初始夹角为α1，冲击头与工件表面之间终止夹角为αn，冲击头在初始夹角与终止夹角之间冲击n次，在超声冲击装置工作△T时间后，所述控制系统控制所述激光装置进行激光冲击，其中△T表达式为：
其中：S为两个所述传递桩的中心距；
αi为第i次冲击时所述冲击头与工件表面之间夹角，1＜i≤n；
R为所述传递桩；
L为超声冲击装置的总长度；
VL为激光冲击波在工件中的传播速度；
VU1为超声冲击波在工件内部和传递桩中的传播速度；
VU2为超声冲击波在变幅杆和振动头中的传播速度。
进一步，所设冲击头旋转角速度ω的表达式为：
进一步，所述传递桩的材质与工件相同或近似，用于避免超声冲击波在传播过程中发生折射。
进一步，所述齿条上安装电磁装置，用于锁定齿条在第二滑动装置上的位置。
一种的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置的强化方法，包括如下步骤：
激光装置发出激光对工件进行预热；
所述控制系统控制同步装置使2个所述超声冲击装置同步转动，用于使超声冲击装置与工件表面夹角为α1；
调节2个传递桩的中心距离，通过第一液压缸调节传递桩高度和通过同步装置使2个所述超声冲击装置同步相向移动，使超声冲击装置的冲击头与传递桩接触并且压紧；
通过控制第二液压缸压缩，使传递桩与工件接触并且压紧；
工件表面覆盖约束层；
控制所述超声冲击装置释放超声冲击波，摆动液压缸使所述超声冲击装置转动，所述超声冲击装置在转动范围内释放n次超声冲击波；
在超声冲击装置工作△T时间后，所述控制系统控制所述激光装置进行激光冲击，实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，通过调节超声冲击装置的起始时间、旋转角度与速度，实现超声波方向与波阵面位置的动态控制，进而弥补超声波与激光冲击波的传播速度差，最终实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合。
2.本发明所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，可在激光冲击波传播路径上形成连续原子密集区，显著增加材料内冲击波压力幅值与持续时间，增加材料塑性变形与残余压应力幅值，进而改善金属材料强化或成形加工效果。
3.本发明通过激光和超声冲击波的实时耦合，增加了材料内冲击波压力幅值、空间与时间分布的调控范围，进而扩大了金属材料强化或成形加工效果的调控范围。
附图说明
图1为本发明所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置三维图。
图2为本发明所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置主视图
图3为本发明所述的同步装置的结构示意图。
图4为本发明所述的超声冲击装置安装示意图。
图5为图3的俯视图。
图6为图3的左视图。
图7为本发明所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化的过程示意图。
图8为本发明所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化的加工路径示意图。
图9为不同方式强化后2024-T351铝合金工件表面方向残余应力图。
图10为不同方式强化后2024-T351铝合金工件深度方向残余应力图。
图11为材料内部原子周期性变化示意图。
图中：
1-工件；2-计算机；3-限位滑轨；4-传递桩；5-第一液压缸；6-壳体；7-激光器；8-水枪；9-支承梁；10-夹具平台；11-移动平台；12-第二液压缸；13-底座；14-第一导轨；15-支架；16-连杆；17-上部第二滑轨；17’-下部第二滑轨；18-电机；19-外齿轮；20-电机轴；21-上齿条；21’-下齿条；22-电磁装置；23-限位器；24-轴承；25-摆动液压缸；26-滚珠滑块；27-上滑轮；27’-下滑轮；28-换能器；29-第一连接轴；30-光路管道；31-光学镜片；32-冲击头；33-变幅杆；38-液压泵；39-第二连接轴。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例一
如图1、图2和图3所示，本发明所述的的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，包括同步装置、激光装置、超声冲击装置、工作平台和控制系统；所述工作平台包括上壳体6、第一液压缸5、第二液压缸12、限位滑轨3和底座13，工件1装夹于夹具平台10上，由上往下依次安装移动平台11、底座13，可实现工件1在X轴、Y轴方向上的直线运动。
所述上壳体6通过第二液压缸12支撑在底座13上；所述支承梁9通过第二液压缸12安装在上壳体6底部，2个所述支承梁9通过滑动副与限位滑轨3连接，所述限位滑轨3通过第一液压缸5安装在上壳体6底部；任一所述支承梁9上设有传递桩4；2个所述支承梁9分别单独或者共同通过执行机构在限位滑轨3内移动。其中传递桩4与冲击头32为点接触，且传递桩4选用与工件1相同的材料，避免超声冲击波在传播过程中发生折射导致耦合精度降低。
2个所述超声冲击装置安装在上壳体6内，且2个所述超声冲击装置通过同步装置连接，用于所述超声冲击装置同步移动和同步转动；所述激光装置用于产生激光束穿过上壳体6所述照射在工件1表面；所述控制系统控制所述激光装置延时于超声冲击装置进行激光冲击，用于实现实时耦合。本实施例中2个所述超声冲击装置安装在上壳体6内左右2侧，下面有左超声冲击装置和右左超声冲击装置区别叙述。
如图3、图4、图5和图6所示，所述同步装置包括驱动装置、齿条、第一滑动装置、第二滑动装置、摆动液压缸25和液压系统；2个所述第一滑动装置分布在上壳体6内，每个所述第一滑动装置上滑动安装摆动液压缸25，所述摆动液压缸25的输出轴直接或间接与超声冲击装置连接，所述液压系统用于同步控制2个所述摆动液压缸25的转动；2个所述第二滑动装置安装在壳体6内，每个所述第二滑动装置上滑动安装齿条，所述驱动装置输出端安装外齿轮19，所述外齿轮19分别与2个所述齿条啮合；每个所述齿条一端内安装轴承24，所述摆动液压缸25的输出轴穿过轴承24，通过齿条的同步移动使所述摆动液压缸25同步移动。液压系统包括油箱和液压泵38，用于提供液压能。
实施例具体结构如下：电机18安装于外壳6底部内侧并且电机18的电机轴20上安装外齿轮19，所述外齿轮19上下对称安装上齿条21和下齿条21’，上齿条21与上滑轮27连接固定，上滑轮27安装于上部第二滑轨17上，上部第二滑轨17与外壳6内侧顶部连接固定且上部第二滑轨17两侧安装限位器23。下齿条21’与下滑轮27’连接固定，下滑轮27’安装于下部第二滑轨17’上，第二滑轨17’与外壳6内侧底部连接固定且第二滑轨17’两侧安装限位器23。外齿轮19可以同步驱动上齿条21和下齿条21’直线运动。上齿条21和下齿条21’的末端设有安装孔，孔中均安装轴承24，轴承24的内圈内装有第二连接轴39，上齿条21与上滑轮27或者下齿条21’与下滑轮27’的连接处分别设有电磁装置22，用于在上齿条21或下齿条21’位置调整完毕后，启动电磁装置22用于固定上齿条21或下齿条21’，防止因为震动或者误操作而移动。2个摆动液压缸25位于上壳体6内左右2侧，每个摆动液压缸25底部通过螺纹连接滚珠滑块26，滚珠滑块26安装于第一导轨14上，摆动液压缸25的输出端安装第二连接轴39，第二连接轴39穿过轴承24的内圈与连杆16一端连接，连杆16另一端通过第一连接轴29与超声冲击装置连接。
左超声冲击装置和右左超声冲击装置结构相同，仅仅安装位置存在差异，下面以左超声冲击装置为例叙述，所述左超声冲击装置包括冲击头32、变幅杆33和换能器，换能器28顶部通过第一连接轴29与连杆16连接，换能器28底部安装变幅杆33，变幅杆33末端安装冲击头32。
如图4所示，所述的激光器和光路系统，光路管道30安装于外壳6中，光路管道30底部安装有光学镜片31用于防水，且光路管道30与激光器7同轴。
设所述冲击头32与工件1表面之间初始夹角为α1，冲击头32与工件1表面之间终止夹角为αn，冲击头32在初始夹角与终止夹角之间冲击n次，在超声冲击装置工作△T时间后，所述控制系统控制所述激光装置进行激光冲击，其中△T表达式为：
所设冲击头旋转角速度ω的表达式为：
其中：S为两个所述传递桩4的中心距；
αi为第i次冲击时所述冲击头32与工件1表面之间夹角，1＜i≤n；
αi+1为第i+1次冲击时所述冲击头32与工件1表面之间夹角，1＜i≤n；
R为所述传递桩4；
L为超声冲击装置的总长度；
△Ti为第i次冲击时超声冲击装置工作时间；
△Ti+1为第i+1次冲击时超声冲击装置工作时间；
VL为激光冲击波在工件1中的传播速度；
VU1为超声冲击波在工件内部和传递桩中的传播速度；
VU2为超声冲击波在变幅杆和振动头中的传播速度。
如图7和图8所示，本发明所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置的强化方法，包括如下步骤：
S01：对工件1进行预处理；
S02：打开计算机2，开启激光器7进行预热，将工件1装夹在夹具平台10上；在X方向和Y方向调整移动平台11，使工件1处于加工起始位置；
S03：使用计算机2控制摆动液压缸25带动连杆16旋转，直至左右两侧冲击头32与水平面成夹角α1。
S04：使用计算机2控制支承梁9平移，使左右两传递桩4位移至合适位置，第一液压缸5压缩，带动传递桩4向上运动一定距离。控制电机18，使电机轴20带动齿轮19逆时针旋转，使两直齿条相向移动，直至冲击头32与传递桩4接触并且以合适压力压紧；
S05：通过计算机控制第二液压缸12压缩，使冲击头32与传递桩4整体下降，直至传递桩4与工件1接触，以合适压力压紧；
S06：水枪8出水覆盖工件表面，换能器28启动释放超声冲击波，摆动液压缸25使连杆16旋转带动冲击头32在设定时间△t内由初始角度α1运动至最终角度αn，超声冲击波加载△T(单位μs)后激光器7释放激光，结束后冲击头32回复原角度，完成单点强化；
S07：移动平台11沿X轴正方向匀速移动，完成单条直线加工路径，随即向Y轴移匀速平移至下一个加工路径，直至完成预设区域的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化；
S08：关闭激光器7，冲击头32和传递桩4抬升至初始位置，取出工件1，结束强化工作。
如图11所示，本发明所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置可以实现激光冲击波与超声冲击波的实时耦合，在激光冲击波传播路径上形成连续原子密集区，显著增加材料内冲击波压力幅值与持续时间，进而增加材料表层塑性变形与残余压应力幅值。
实施例二
以厚度为2mm的2024-T351铝合金板材为例，使用激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，具体过程如下：
△T的计算如下：
设所述冲击头32与工件1表面之间初始夹角为α1＝30°，设所述冲击头32与工件1表面之间终止夹角为α3＝22°，n＝3，即冲击头32在初始夹角与终止夹角之间冲击3次，取中间值得出α2＝26°。计算△Ti：
对于超声冲击波在铝合金工件和传递桩中的传播速度VU1，取近似值6320m/s；
对于超声冲击波在不锈钢变幅杆和振动头中的传播速度VU2，取近似值5900m/s；
对于激光冲击波在铝合金工件中的传播速度VL，取近似值6380m/s；
对于尺寸20mm×20mm×2mm的块状工件，取S＝12mm；
当α1＝30°时，△T1＝18.135μs；
当α2＝26°时，△T2＝18.180μs；
当α3＝22°时，△T3＝18.226μs；
因为α1＞α3，因此△T＝MIN(△T1、△T1、△T1)＝△T1。
ω1＝0.247rad/s
ω2＝0.242rad/s
超声冲击波和激光冲击波的发射流程为：
在α1位置发射第一次超声冲击波，在△t1＝△T2—△T1时间内以ω1转动至α2并发射第二次超声冲击波，在△t2＝△T3—△T2时间内以ω1转动至α3并发射第三次超声冲击波，在△T1后发射激光。
全过程的加工：
将2024-T351铝合金板材进行线切割处理，加工成为尺寸20mm×20mm×2mm的块状工件。切割后使用酒精对工件1进行清洗，将待处理表面依次进行打磨、抛光、贴黑胶带。打开激光器7进行预热处理。将工件1牢固安装在夹具平台上10，调整移动平台11，使工件1待处理区域12mm*12mm的起点位于激光器7中心正下方。使用计算机2控制双侧冲击头32转动角度，使之到达初始角度。控制支承梁9移动，使左右两传递桩4水平位移至合适位置，第一液压缸5压缩，使传递桩4向上抬升一定距离。使用计算机2控制电机18，使双侧冲击头32相向水平移动与传递桩4接触压紧。控制第二液压缸12压缩，使冲击头32与传递桩4整体下降直至与工件1接触压紧。水枪8出水，按照发射流程进行处理。完成后冲击头32还原至初始角度，轴移动平台11以1.5mm/s速度往X轴正方向匀速直线移动，当单条路径结束后，向Y轴匀速直线移动1.5mm，开始下一路径加工，加工路径如图5所示。如此循环直至完成预设的路径。关闭激光器，将冲击头32和传递桩4抬升至初始位置，取出工件1，结束强化工作。
非实时耦合的激光冲击波和超声冲击波协同强化后，试样表面的主要强化区域的残余压应力平均值约为200MPa，如图9所示；激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化后，试样表面的主要强化区域的残余压应力平均值约为140MPa，如图10所示，相较于前者有较大提升，残余应力在表面方向上均可获得较大残余压应力。
图10是不同方式强化后2024-T351铝合金工件深度方向残余应力图。非实时耦合的激光冲击波和超声冲击波协同强化后，试样表面产生的残余压应力最大值约为220MPa，在0.75～1.5mm深度处材料内部存在少量残余拉应力；激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化后，试样表面的残余压应力最大值约为235MPa，相对于前者有着较大提升，残余应力在深度方向上的变化较为稳定，相较于非实时耦合的激光冲击波和超声冲击波强化，其在各个深度上试样均可获得较大的残余压应力，并且有效的释放试样中因单独激光喷丸所产生的残余拉应力，使工件的疲劳寿命显著提升。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，包括同步装置、激光装置、超声冲击装置、工作平台和控制系统；
所述工作平台包括上壳体(6)、第一液压缸(5)、第二液压缸(12)、限位滑轨(3)和底座(13)，所述底座(13)上装夹可水平移动的工件(1)，所述上壳体(6)通过第二液压缸(12)支撑在底座(13)上；支承梁(9)通过第二液压缸(12)安装在上壳体(6)底部，2个所述支承梁(9)通过滑动副与限位滑轨(3)连接，所述限位滑轨(3)通过第一液压缸(5)安装在上壳体(6)底部；任一所述支承梁(9)上设有传递桩(4)；2个所述超声冲击装置安装在上壳体(6)内，且2个所述超声冲击装置通过同步装置连接，用于所述超声冲击装置同步移动和同步转动；所述激光装置用于产生激光束穿过所述上壳体(6)照射在工件(1)表面；所述控制系统控制所述激光装置延时于超声冲击装置进行激光冲击，用于实现实时耦合；
所述同步装置包括驱动装置、齿条、第一滑动装置、第二滑动装置、摆动液压缸(25)和液压系统；2个所述第一滑动装置分布在上壳体(6)内，每个所述第一滑动装置上滑动安装摆动液压缸(25)，所述摆动液压缸(25)的输出轴直接或间接与超声冲击装置连接，所述液压系统用于同步控制2个所述摆动液压缸(25)的转动；2个所述第二滑动装置安装在上壳体(6)内，每个所述第二滑动装置上滑动安装齿条，所述驱动装置输出端安装外齿轮(19)，所述外齿轮(19)分别与2个所述齿条啮合；每个所述齿条一端内安装轴承(24)，所述摆动液压缸(25)的输出轴穿过轴承(24)，通过齿条的同步移动使所述摆动液压缸(25)同步移动；
所述超声冲击装置包括冲击头(32)、变幅杆(33)和换能器；所述换能器直接或者间接与所述摆动液压缸(25)的输出轴传动连接，所述换能器底部安装变幅杆(33)，所述变幅杆(33)末端安装冲击头(32)，通过第一液压缸(5)使冲击头(32)与传递桩(4)高副接触，通过同步装置使冲击头(32)绕传递桩(4)圆心转动。
2.根据权利要求1所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，设所述冲击头(32)与工件(1)表面之间初始夹角为α1，冲击头(32)与工件(1)表面之间终止夹角为αn，冲击头(32)在初始夹角与终止夹角之间冲击n次，在超声冲击装置工作△T时间后，所述控制系统控制所述激光装置进行激光冲击，其中△T表达式为：
其中：S为两个所述传递桩(4)的中心距；
αi为第i次冲击时所述冲击头(32)与工件(1)表面之间夹角，1＜i≤n；
R为所述传递桩(4)；
L为超声冲击装置的总长度；
VL为激光冲击波在工件(1)中的传播速度；
VU1为超声冲击波在工件内部和传递桩中的传播速度；
VU2为超声冲击波在变幅杆和振动头中的传播速度。
3.根据权利要求2所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，所设冲击头旋转角速度ω的表达式为：
4.根据权利要求1所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，所述传递桩(4)的材质与工件(1)相同或近似，用于避免超声冲击波在传播过程中发生折射。
5.根据权利要求1所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，所述齿条上安装电磁装置(22)，用于锁定齿条在第二滑动装置上的位置。
6.一种根据权利要求2所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置的强化方法，其特征在于，包括如下步骤：包括如下步骤：
激光装置发出激光对工件(1)进行预热；
所述控制系统控制同步装置使2个所述超声冲击装置同步转动，用于使超声冲击装置与工件(1)表面夹角为α1；
调节2个传递桩(4)的中心距离，通过第一液压缸(5)调节传递桩(4)高度和通过同步装置使2个所述超声冲击装置同步相向移动，使超声冲击装置的冲击头(32)与传递桩(4)接触并且压紧；
通过控制第二液压缸(12)压缩，使传递桩(4)与工件(1)接触并且压紧；
工件(1)表面覆盖约束层；
控制所述超声冲击装置释放超声冲击波，摆动液压缸(25)使所述超声冲击装置转动，所述超声冲击装置在转动范围内释放n次超声冲击波；
在超声冲击装置工作△T时间后，所述控制系统控制所述激光装置进行激光冲击，实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107254581A (zh) * | 2017-05-04 | 2017-10-17 | 江苏大学 | 一种激光冲击和超声振动挤压协同强化装置及方法 |
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| CN109226720A (zh) * | 2018-08-20 | 2019-01-18 | 江苏大学 | 一种基于激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工方法及装置 |
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Patent Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN107254581A (zh) * | 2017-05-04 | 2017-10-17 | 江苏大学 | 一种激光冲击和超声振动挤压协同强化装置及方法 |
| CN107812942A (zh) * | 2017-11-01 | 2018-03-20 | 西北工业大学 | 一种双超声辅助激光增材制造装置及方法 |
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| CN109226720A (zh) * | 2018-08-20 | 2019-01-18 | 江苏大学 | 一种基于激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工方法及装置 |
| CN110512071A (zh) * | 2019-08-28 | 2019-11-29 | 江苏大学 | 一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法 |
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