CN114686675A - 一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光冲击强化技术领域，尤其是一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置。所述装置包括电脉冲发生装置，温度监测装置，激光冲击装置和控制系统。本发明在进行激光冲击强化的同时引入脉冲电流对材料进行同步强化，实现材料塑性与强度的深度提升；通过控制系统来协调电脉冲，激光冲击单脉冲及工件移动三者的协调关系，真正实现电脉冲与激光冲击波的实时耦合，保证每个激光单脉冲冲击的环境相同，从而保证电脉冲与激光冲击强化效果的均匀性，从而满足工业大面积均匀强化的需求。

Description

一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置
技术领域
本发明涉及激光冲击强化技术领域，尤其是一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置。
背景技术
激光冲击强化是一种有效的表面强化技术，主要利用高能激光束在材料表面形成等离子体，诱导激光冲击波传至材料内部，使材料表面发生严重塑性变形，从而在表面诱导较深的残余压应力层，表层晶粒细化，从而延伸疲劳寿命，提升材料的抗腐蚀性能等。激光冲击强化具有如下特点：(1)较深的残余压应力层，(2)加工柔性程度高，(3)精确加工的能力，(4)无损加工。因此，激光冲击强化在工业上得到了广泛的应用。
随着航空航天，海洋工程，汽车工业等行业的发展，关键复杂构件的工况越来越复杂越来越严格，并对复杂构件的抗疲劳性能，耐磨损以及耐腐蚀性能等提出了超高要求，目前普通的表面强化技术已经不能高性能构件的强化要求，激光冲击强化虽然具有提升构件的抗疲劳性能等特点，但仍然存在这些优点，但随着工业的发展，激光冲击强化也渐渐显示出了劣势：(1)残余压应力层深度不够，(2)材料表面的纳米化程度不够，(3)材料表面粗糙度往往达不到工程应用程度等缺点，无法满足现阶段高性能复杂构件的强化要求。
针对上述存在的问题，申请号为CN202110047409.9的中国专利提出了一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法及装置，该专利提出的装置满足实验室脉冲电流辅助激光冲击强化工艺的研究，但该专利由于五轴工作台及约束层的限制，不适用于电流辅助激光冲击强化的工业应用，并且不适用在目前的已有的激光冲击强化设备上进行更新，需要重新定制相关设备。再有申请号为202110285517.X的中国专利提出了一种针对大工件的电致塑性和激光冲击复合强化方法及装置，该专利提出的装置，关于工件的运动，激光冲击波的作用以及电流的作用，三者是独立的，无法实现脉冲电流与激光冲击波的实时耦合，无法实现均匀强化。
发明内容
目前国内外尚无能够应用于工业大规模使用均匀强化的电流辅助激光冲击强化设备。为此，本发明设计了一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置，能够对材料进行精准定点双波同时或交替作用，保证最终强化的均匀性；主要利用电流的电致塑性和热效应与激光冲击强化作用进行实时耦合，该装置能够使金属材料表面塑性大幅度提高，强化深度得到加深，强化效果得到大幅度增强，并且使得材料表面的粗糙度得到改善，从而大幅度提升材料的抗疲劳性能和耐腐蚀性能，还可以对高硬度材料，加工硬化程度高的材料进行激光冲击强化。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置，包括电脉冲发生装置，温度监测装置、激光冲击装置和控制系统；所述电脉冲发生装置用于产生电脉冲，对工件进行电脉冲处理；所述激光冲击装置用于产生激光，对工件进行激光冲击强化处理；所述温度监测装置用于监测和反馈工件温度；所述控制系统用于实现电脉冲和激光冲击波的实时耦合强化。
所述电脉冲发生装置由脉冲电源，第一铜接头，第二铜接头和工业导线组成，其中脉冲电源正极通过工业导线与第一铜接头的接头连接；脉冲电流的负极通过工业导线与第二铜接头的接头连接；第一铜接头和第二铜接头分别通过第一铜接头的接头和第二铜接头的接头固定于绝缘背板之上；第一铜接头的铜片和第二铜接头的铜片分别固定于工件之上。
所述温度监测装置由热电偶和温度显示器组成，热电偶固定于通用夹具背面；热电偶通过热电偶连接孔与绝缘背板相对固定；热电偶与工件不接触，中间保持空隙，保证绝缘。热电偶反馈信号通过温度显示器显示温度值并将温度信号传至控制器。
所述激光冲击装置由激光发生器，凸透镜，第一机械手，第二机械手，通用夹具，绝缘背板，绝缘定位装置以及工件组成，其中凸透镜装在激光发生器和工件之间，通用夹具固定于第一机械手之上，绝缘背板固定于通用夹具上，通过绝缘定位装置将工件相对于绝缘背板固定，并用锁紧螺栓将绝缘定位装置，第一铜接头的铜片和第二铜接头的铜片以及工件锁紧。利用第一机械手控制工件的移动速度及位置，调整第二机械手使得约束层正好对准激光冲击强化位置进行喷射。
所述控制系统包括控制器，控制器分别连接脉冲电源、激光发生器、第一机械手和温度显示器，控制器与脉冲电源连接，用于脉冲电流的启动、关闭及包括频率，波形在内的关键参数的控制；通过调节脉冲电源的电脉冲的高电平起始时刻与持续时间、激光发生器激光的入射时刻与激光冲击波持续时间以及第一机械手带动工件的移动速度的匹配关系，从而实现所述电脉冲发生装置产生的电脉冲和所述激光冲击装置产生的冲击波的实时耦合强化，同时监测反馈试样温度及温度与脉冲的关系。
进一步的，所述电脉冲发生装置中的第一铜接头由第一铜接头的接头和第一铜接头的铜片组成；第二铜接头由第二铜接头的接头和第二铜接头的铜片组成，第一铜接头和第二铜接头除与工件接触以及连接工业导线的部分，其余做绝缘处理；
进一步的，所述绝缘背板和绝缘定位装置材料均为云母；所述绝缘背板上均匀分布有若干通孔，可适应不同型号的通用夹具。
本发明的有益效果在于：
1.通过该装置能够真正实现电脉冲与激光单脉冲的实时耦合，在进行激光冲击强化的同时引入脉冲电流对材料进行同步强化，实现材料塑性与强度的深度提升。
2.通过该装置能够真正实现电脉冲与激光单脉冲的实时耦合，通过调节电脉冲的高电平起始时刻与持续时间、激光器激光的入射时刻与激光冲击波持续时间以及工件的移动速度的匹配关系，能够保证冲击过程中每一个单脉冲的冲击环境的一致性，为工业实现大面积脉冲电流辅助冲击强化的均匀性提供了装置条件。
3.该装置能够具有普适性，能够适用于目前使用的激光冲击强化系统的升级，可辅助激光冲击强化系统升级成为脉冲电流辅助深度强化系统，为在进行激光冲击强化的过程中同时直接引入电脉冲的效果提供了可能性，大大缩短了脉冲电流辅助激光冲击强化装置的制造周期，经济可靠。
4.本发明所述的装置可以通过温度监测装置，实时监测工件温度情况，避免温度过高带来安全隐患，反馈电脉冲焦耳热作用效果，为研究电脉冲对工件作用原理分析提供了有利证据。
5.本发明所述的装置与电源连接装置均与外界做绝缘处理，电压值低于人体安全电压，安全可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明总体装置结构示意图。
图2为本发明所述的通用夹具、绝缘夹具、所述铜接头及所述工件等装配图。
图3为本文所述绝缘背板轴侧图。
图中：
1-脉冲电源，101正极，102负极，2-工业导线，301-第一铜接头，302-第二铜接头，30101-第一铜接头的接头，30201-第二铜接头的接头，30102-第一铜接头的铜片，30202-第二铜接头的铜片，4-通用夹具，5-K型热电偶，6-温度显示器，7-第一机械手，8-控制器，9-激光发生器，10-第二机械手，11-凸透镜，12-锁紧螺栓，13-绝缘定位装置，14-工件，15-绝缘背板，16-螺栓，1501-通孔，1502-热电偶连接螺孔。
图4为激光冲击强化路径。
图5为S0，S1，S2试样深度方向的硬度值。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，但不仅限于本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“纵向”、“横向”、的指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是用于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，二不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或更多个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语做广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是可拆卸连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以使直接相连，也可以通过总监梅姐间接连接，也可以是两个元件内部的联通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的及具体含义。
本实施例所采用50×50×5mm3的方形试样基体，其材料为TA2纯钛。
一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法与装置的具体实施例，如下：
一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置，参照图1，包括：脉冲电源1，工业导线2，第一铜接头301，第二铜接头302，通用夹具4，K型热电偶5，温度显示器6，第一机械手7，控制器8，激光发生器9，第二机械手10，凸透镜11，锁紧螺栓12，绝缘定位装置13，工件14，绝缘背板15。
电脉冲发生装置由脉冲电源1，工业导线2、第一铜接头301和第二铜接头302组成，脉冲电源1的正极101通过工业导线2与第一铜接头的接头30101连接，脉冲电源1的负极102通过工业导线2与第二铜接头的接头30201连接，第一铜接头的铜片30102和第二铜接头的铜片30202分别固定于工件14两端之上，第一铜接头301和第二铜接头302除与工件14和工业导线2接触的部分，其余做绝缘处理，控制器2优先启动脉冲电流的启动，并调节脉冲电流的波形为矩形波，幅值I0＝3000A，脉宽τ1＝95μs频率f1＝700Hz；
温度监测装置由K型热电偶5和温度显示器6组成，K型热电偶5固定于通用夹具4背面，K型热电偶5通过绝缘背板15上的热电偶连接孔1502与绝缘背板15相对固定；K型热电偶5与工件4不接触，中间保持空隙。最后K型热电偶5的反馈信号通过温度显示器6显示温度值并将温度信号传至控制器8；
所述激光冲击装置由激光发生器9，第一机械手7，第二机械手10，通用夹具4，绝缘背板15，绝缘定位装置13以及工件14组成，凸透镜11装在激光发生器9和工件14之间，通用夹具4固定于第一机械手7之上，绝缘背板15固定于通用夹具4上，通过绝缘定位装置13将工件14定位在绝缘背板15上，并用锁紧螺栓12将绝缘定位装置13，铜片30102和30202以及工件14锁紧。利用第一机械手7控制工件14的移动速度及位置，调整第二机械手10使得约束层正好对准冲击位置进行喷射。通过控制器8调节激光发生器9参数：脉宽τ2＝10ns，频率f2＝5Hz；能量密度为5GW/cm2，圆形光斑直径为3mm，搭接率为50％；并控制在电脉冲持续50μs之后，开启激光发生器9开始激光冲击强化；同时控制第一机械手7的移动速度为V＝7.5mm/s按照图4所示的移动路径从起始点开始移动，直至终止点激光冲击结束，关闭激光发生器9，关闭脉冲电源1，结束加工过程。
图5是S0,S1,S2试样不同深度方向微观硬度值图，其中S0为原始试样，S1为激光冲击强化处理试样，S2为电流辅助激光冲击处理试样(本发明装置进行处理的试样)。由图4可以发现S0试样表面及其以下硬度均在185HV上下波动，S1试样表面微观硬度为209HV，距离表面300μm处的微观硬度为185MPa左右，基本同未处理试样相同；而S2表面微观硬度为245MPa，距离表面700μm处的微观硬度为185MPa左右，同未处理试样相同。由此可见，经过电脉冲与激光冲击波实时耦合处理之后的试样表面微观硬度值明显高激光冲击处理的试样，且其强化层的厚度明显大于激光冲击处理的试样。
因此得出结论：本装置处理的试样本发明所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置，可以通过诱导更深的残余压应力层，更好地提升材料硬度力学性能和抗疲劳性能。

Claims (4)

1.一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置，其特征在于，所述装置包括电脉冲发生装置，温度监测装置、激光冲击装置和控制系统；所述电脉冲发生装置用于产生电脉冲，对工件进行电脉冲处理；所述激光冲击装置用于产生激光，对工件进行激光冲击强化处理；所述温度监测装置用于监测和反馈工件温度；所述控制系统用于实现电脉冲和激光冲击波的实时耦合强化；
所述电脉冲发生装置由脉冲电源，第一铜接头，第二铜接头和工业导线组成，其中脉冲电源正极通过工业导线与第一铜接头的接头连接；脉冲电流的负极通过工业导线与第二铜接头的接头连接；第一铜接头和第二铜接头分别通过第一铜接头的接头和第二铜接头的接头固定于绝缘背板之上；第一铜接头的铜片和第二铜接头的铜片分别固定于工件之上；
所述温度监测装置由热电偶和温度显示器组成，热电偶固定于通用夹具背面；热电偶通过热电偶连接孔与绝缘背板相对固定；热电偶反馈信号通过温度显示器显示温度值并将温度信号传至控制器；
所述激光冲击装置由激光发生器，凸透镜，第一机械手，第二机械手，通用夹具，绝缘背板，绝缘定位装置以及工件组成，其中凸透镜装在激光发生器和工件之间，通用夹具固定于第一机械手之上，绝缘背板固定于通用夹具上，通过绝缘定位装置将工件相对于绝缘背板固定，并用锁紧螺栓将绝缘定位装置，第一铜接头的铜片和第二铜接头的铜片以及工件锁紧，利用第一机械手控制工件的移动速度及位置，调整第二机械手使得约束层正好对准激光冲击强化位置进行喷射；
所述控制系统包括控制器，控制器分别连接脉冲电源、激光发生器、第一机械手和温度显示器，控制器与脉冲电源连接，用于脉冲电流的启动、关闭及包括频率，波形在内的关键参数的控制；通过调节脉冲电源的电脉冲的高电平起始时刻与持续时间、激光发生器激光的入射时刻与激光冲击波持续时间以及第一机械手带动工件的移动速度的匹配关系，从而实现所述电脉冲发生装置产生的电脉冲和所述激光冲击装置产生的冲击波的实时耦合强化，同时监测反馈试样温度及温度与脉冲的关系。
2.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置，其特征在于，所述电脉冲发生装置中的第一铜接头由第一铜接头的接头和第一铜接头的铜片组成；第二铜接头由第二铜接头的接头和第二铜接头的铜片组成，第一铜接头和第二铜接头除与工件接触以及连接工业导线的部分，其余做绝缘处理。
3.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置，其特征在于，所述热电偶与工件不接触，中间保持空隙，保证绝缘。
4.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的装置，其特征在于，所述绝缘背板和绝缘定位装置材料均为云母；绝缘背板上均匀分布有若干通孔，可适应不同型号的通用夹具。
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