專利名稱：一種光水同軸的激光沖擊強化頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光沖擊強化領(lǐng)域，具體地說是一種光水同軸的激光沖擊強化頭。
背景技術(shù)：
激光沖擊強化技術(shù)(Laser Shock Peening，LSP)是利用高能量密度(GW/cm2量級)，短脈沖(ns)脈沖激光沖擊材料，在材料表面產(chǎn)生強烈的激光誘導等離子體。其爆破產(chǎn)生的GI^a級沖擊波作用于材料表面并向內(nèi)部傳播，使材料表面一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生塑性變形和復雜的位錯結(jié)構(gòu)，形成很大的殘余壓應(yīng)力，提高零件的疲勞強度和抗腐蝕能力。目前這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機械制造工程、航空航天、微電子、國防、醫(yī)療等各行各業(yè)中。在激光沖擊強化過程中，為了抑制等離子體的自由擴散，得到更集中，更長作用時間的沖擊波，通常會在激光加工區(qū)域添加一層約束層。常用的約束層材料有石英、玻璃、柔性膜和水等，其中水因為成本低、柔性好、不會因碎裂產(chǎn)生殘渣、對復雜形狀的零件表面適應(yīng)性強等優(yōu)點得到了最廣泛的使用，但其有一個主要的缺點是水層的剛度不足，難以提供強大的約束力?，F(xiàn)有的水約束層的實現(xiàn)方式主要有兩種，一種是將零件放置到水箱里，進行水下加工；另一種是通過外置的水噴嘴在零件表面形成厚度約為2-3mm的流動水幕。這兩種方式各有特點，前一種方式能夠獲得較為平整的約束層界面，加工過程比較穩(wěn)定，但是加工系統(tǒng)不夠靈活，加工范圍受到了水箱尺寸的限制，而且每次沖擊后需等待水面平復，加工效率較低。而后一種方式簡單、靈活性高，但水層厚度不易控制，水幕偏置于激光束一側(cè)，而且其落點距激光光束需要一定距離，因此在處理某些形狀的零件時，可能難以達到激光束和水幕的最佳配合點。另外，上述兩種水約束層在高沖擊頻率下，水層容易飛濺，光路中的水珠和水霧對激光形成散射，嚴重時可能會附著到光學鏡片上，損壞光學鏡片。另外從光學的角度上講，現(xiàn)有的沖擊強化設(shè)備通常是通過離焦量估算光斑尺寸， 誤差較大；而且通常對光束缺少約束，常會造成加工表面的激光功率分布發(fā)生改變，影響工藝的穩(wěn)定性。如果要保證功率分布的均勻性則需要添加比較復雜的光束整形設(shè)備，而這種設(shè)備通常都是非常昂貴的。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有沖擊強化設(shè)備存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種光水同軸的激光沖擊強化頭。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
本發(fā)明包括水噴嘴模塊及調(diào)焦模塊，其中調(diào)焦模塊的一端與激光沖擊強化系統(tǒng)上一級模塊相連，調(diào)焦模塊的另一端與水噴嘴模塊的一端連接，水柱由水噴嘴模塊的另一端流出； 所述調(diào)焦模塊包括旋鈕、外殼、軸承座、旋轉(zhuǎn)螺母、聚焦鏡座及聚焦鏡，外殼與軸承座相連、 形成內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)螺母可轉(zhuǎn)動地安裝在外殼及軸承座連接成的內(nèi)部空間中，所述聚焦鏡座可上下往復移動地連接于旋轉(zhuǎn)螺母內(nèi)，在聚焦鏡座上設(shè)有聚焦鏡；所述旋鈕位于外殼的外部、通過傳動機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)螺母相連；所述水噴嘴模塊包括下保護鏡座、水噴嘴、下保護鏡片及進水管，下保護鏡座的一端與調(diào)焦模塊中的軸承座相連，另一端設(shè)有下保護鏡片， 水噴嘴與下保護鏡座螺紋連接，在水噴嘴的內(nèi)壁與下保護鏡座另一端之間形成與光腔分隔的水腔，水噴嘴的側(cè)壁上設(shè)有進水管，底部開有出口，由出口噴出的水柱與光束同軸。其中所述外殼的一端依次連接有水冷座、導向塊及上連接法蘭，外殼的另一端與軸承座的一端連接，軸承座的另一端與水噴嘴模塊相連；所述旋轉(zhuǎn)螺母為中空結(jié)構(gòu)、其一端通過軸承可轉(zhuǎn)動地安裝在軸承座內(nèi)，另一端的內(nèi)部與聚焦鏡座的一端螺紋連接，聚焦鏡座的另一端與導向塊抵接；在水冷座的外表面設(shè)有1 4個水冷塊；所述導向塊及聚焦鏡座上均開有鍵槽，鍵槽內(nèi)設(shè)有限制聚焦鏡座轉(zhuǎn)動的平鍵；所述上連接法蘭內(nèi)設(shè)有上保護鏡片。所述傳動機構(gòu)包括第一齒輪、第二齒輪、齒輪軸及齒輪軸座，其中齒輪軸座安裝在外殼上，齒輪軸的一端設(shè)有旋鈕，另一端穿過齒輪軸座、連接有第二齒輪；所述第一齒輪安裝在旋轉(zhuǎn)螺母上、與第二齒輪相嚙合；所述齒輪軸及第二齒輪沿外殼的徑向往復移動，在外殼的側(cè)壁上開有供第二齒輪移動通過的孔；所述第二齒輪上設(shè)有彈簧壓片，在彈簧壓片與齒輪軸座之間設(shè)有彈簧。所述下保護鏡片通過下保護鏡壓環(huán)安裝在下保護鏡座的另一端，光腔與水腔通過下保護鏡壓環(huán)及下保護鏡片分隔開；所述下保護鏡座與水噴嘴的連接處通過止口定位；所述聚焦鏡與聚焦鏡座之間及下保護鏡座與水噴嘴之間分別設(shè)有密封圈。本發(fā)明的優(yōu)點與積極效果為
1.本發(fā)明采用光水同軸的方式，對沖擊強化過程中產(chǎn)生的等離子體進行約束，加工更加靈活，適應(yīng)性更強。2.本發(fā)明可以通過調(diào)焦模塊對聚焦鏡焦平面到水噴嘴出口之間的距離進行調(diào)節(jié)， 進而實現(xiàn)水柱長度的調(diào)節(jié)來匹配不同的工藝需求。3.本發(fā)明可以通過調(diào)整水的流態(tài)和焦點位置，利用水柱的全反射約束和整形激光光束。4.本發(fā)明可以利用水流的動能提高對等離子體的約束效果，提高激光沖擊的效率。


圖1為本發(fā)明的外部結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖3為本發(fā)明水噴嘴模塊的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明調(diào)焦模塊的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本發(fā)明全反射光束整形的示意圖之一； 圖6為本發(fā)明全反射光束整形的示意圖之二； 圖7為圖6的局部放大其中1為上連接法蘭，2為導向塊，3為水冷座，4為水冷塊，5為旋鈕，6為外殼，7為軸承座，8為下連接法蘭，9為下保護鏡座，10為水噴嘴，11為進水管，12為螺紋壓環(huán)，13為上保護鏡片，14為密封圈，15為旋轉(zhuǎn)螺母，16為聚焦鏡座，17為第一齒輪，18為齒輪背母，19 為滾針軸承，20為下保護鏡壓環(huán)，21為下保護鏡片，22為出口，23為第二齒輪，24為齒輪軸座，25為齒輪軸，沈為彈簧，27為彈簧壓片，觀為聚焦鏡螺紋壓環(huán)，四為壓圈，30為聚焦鏡， 31為平鍵，32為水柱。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括上連接法蘭1、導向塊2、水冷座3、調(diào)焦模塊、下連接法蘭8及水噴嘴模塊，調(diào)焦模塊包括外殼6、軸承座7、旋轉(zhuǎn)螺母15、聚焦鏡座16、聚焦鏡30、 壓圈四、聚焦鏡螺紋壓環(huán)觀、旋鈕5及傳動機構(gòu)，水噴嘴模塊包括下保護鏡座9、水噴嘴10、 下保護鏡壓環(huán)20、下保護鏡片21及進水管11。其中上連接法蘭1、導向塊2、水冷座3、外殼 6、軸承座7、下連接法蘭8、下保護鏡座9依次通過螺釘相連、并用銷釘定位，形成內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)，水噴嘴10與下保護鏡座9螺紋連接；上連接法蘭1的一端與導向塊固接，另一端與激光沖擊強化系統(tǒng)上一級模塊相連，在上連接法蘭1的內(nèi)壁上制有內(nèi)螺紋，并在止口處安裝有上保護鏡片13，該上保護鏡片13通過與上連接法蘭1螺紋連接的螺紋壓環(huán)12固定，螺紋壓環(huán)12與上保護鏡片13之間由密封圈14密封。水噴嘴10的下方為加工平面。如圖3所示，下保護鏡座9的一端通過下連接法蘭8與調(diào)焦模塊中的軸承座7相連，另一端通過下保護鏡壓環(huán)20安裝有下保護鏡片21，下保護鏡壓環(huán)20與下保護鏡片21 之間設(shè)有密封圈14。下保護鏡座9的另一端插入水噴嘴10內(nèi)、與水噴嘴10螺紋連接，連接處通過止口定位，保證定心精度，并在下保護鏡座9與水噴嘴10之間用密封圈14密封。在水噴嘴10的內(nèi)壁與下保護鏡座9的另一端及下保護鏡壓環(huán)之間形成水腔，下保護鏡片21 之上為光腔，水腔與光腔通過下保護鏡壓環(huán)20及密封圈14分隔開。水噴嘴10的側(cè)壁上設(shè)有進水管11，底部開有出口 22，去離子水由進水管11進入水腔，然后從出口 22沿光束噴出，水流速度和流態(tài)可以通過調(diào)節(jié)進水流量和壓力進行調(diào)節(jié)，保證水流動的順暢，無紊流； 由出口 22噴出的水柱32與光束的光軸同軸。如圖4所示，外殼6與軸承座7連接成調(diào)焦模塊的殼體，旋轉(zhuǎn)螺母15為中空結(jié)構(gòu)、 其一端通過滾針軸承19可轉(zhuǎn)動地安裝在外殼6及軸承座7連接成的內(nèi)部空間中，滾針軸承 19可以保證旋轉(zhuǎn)螺母15的同心度和順暢程度；旋轉(zhuǎn)螺母15的另一端設(shè)有與外殼6相連的水冷座3，水冷座3的外表面安裝有1 4個相互獨立的水冷塊4，保證強化頭可以進行連續(xù)加工。聚焦鏡座16螺紋連接在旋轉(zhuǎn)螺母另一端的內(nèi)部，聚焦鏡座16的下端設(shè)有聚焦鏡 30，聚焦鏡30的下方設(shè)有壓圈四，聚焦鏡30及壓圈四通過與聚焦鏡座16下端螺紋連接的聚焦鏡螺紋壓環(huán)觀固定；在聚焦鏡30與聚焦鏡座16之間設(shè)有密封圈14。聚焦鏡30的上端外表面設(shè)有導向塊2，導向塊2及聚焦鏡座16上均開有鍵槽，鍵槽內(nèi)設(shè)有限制聚焦鏡座 16轉(zhuǎn)動的平鍵31。在旋轉(zhuǎn)螺母15旋轉(zhuǎn)的同時，聚焦鏡座16可沿導向塊2上下升降，導向塊2可保證旋轉(zhuǎn)螺母15在旋轉(zhuǎn)時的同軸度。旋鈕5位于外殼6的外部，通過傳動機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)螺母15相連，并使旋轉(zhuǎn)螺母15旋轉(zhuǎn)。傳動機構(gòu)包括第一齒輪17、齒輪背母18、第二齒輪 23、齒輪軸25、齒輪軸座M、彈簧沈及彈簧壓片27，第一齒輪17通過螺紋副及齒輪背母18 固定在旋轉(zhuǎn)螺母15上、位于滾針軸承19的上方，外殼6的側(cè)壁上開有孔，齒輪軸座M固接在外殼6的外表面上、將所述孔密封，齒輪軸25的一端設(shè)有旋鈕5，另一端由齒輪軸座M穿過、與第二齒輪23相連，第二齒輪23與第一齒輪17相嚙合。齒輪軸25及第二齒輪23可沿外殼6的徑向往復移動，第二齒輪23上設(shè)有彈簧壓片27，在彈簧壓片27與齒輪軸座M之間設(shè)有使齒輪軸25復位的彈簧26。本發(fā)明的工作原理為
如圖2及圖5 7所示，去離子水由進水管11進入水腔，并由水噴嘴10底部的出口噴出；激光光束經(jīng)上保護鏡片13照射在聚焦鏡30上，光束經(jīng)過聚焦鏡30的聚焦后，部分光束通過下保護鏡片21射到水柱32上，而后經(jīng)過全反射被限制在水柱約束的區(qū)域內(nèi)。當工藝需要水柱直徑在0. 5 1. 5mm、水柱長度(加工平面到水噴嘴下表面之間的距離)為15 20mm 時，激光可以在水柱中實現(xiàn)多次反射，進而實現(xiàn)光束的均場和光斑尺寸的控制。為適應(yīng)具體工藝，可以通過調(diào)節(jié)聚焦鏡焦平面到水噴嘴出口之間的距離，進而調(diào)節(jié)合適的水柱長度，保證加工可以在水流狀態(tài)最好的位置進行，具體為沿外殼6的徑向向內(nèi)推動旋鈕5及齒輪軸 25，使第二齒輪23與第一齒輪17嚙合；轉(zhuǎn)動旋鈕5，通過齒輪軸25帶動第二齒輪23轉(zhuǎn)動， 進而使第一齒輪17帶動旋轉(zhuǎn)螺母15轉(zhuǎn)動；由于平鍵31的限制，與旋轉(zhuǎn)螺母15螺紋連接的聚焦鏡座16在旋轉(zhuǎn)螺母15旋轉(zhuǎn)的同時上下升降，調(diào)整聚焦鏡30的焦平面到水噴嘴10的出口之間的距離。選擇好后，停止轉(zhuǎn)動旋鈕5并松開，通過彈簧沈的彈力復位。水噴嘴的出口可以制造不同的口徑，以適應(yīng)不同工藝的需要。本發(fā)明通過光水同軸的方式減小現(xiàn)有水約束層施加方式引起的參數(shù)波動，提高加工的穩(wěn)定性和靈活性。同時，利用光束從水面射入空氣時的全反射實現(xiàn)激光束的約束和整形。最后，利用水的動能加強水約束層的約束效果。通過上述三個方面提高激光沖擊強化的效果，降低其實施自動化、工廠化生產(chǎn)的難度。
權(quán)利要求
1.一種光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于包括水噴嘴模塊及調(diào)焦模塊，其中調(diào)焦模塊的一端與激光沖擊強化系統(tǒng)上一級模塊相連，調(diào)焦模塊的另一端與水噴嘴模塊的一端連接，水柱(32)由水噴嘴模塊的另一端流出；所述調(diào)焦模塊包括旋鈕(5)、外殼(6)、軸承座(7 )、旋轉(zhuǎn)螺母(15 )、聚焦鏡座(16 )及聚焦鏡(30 )，外殼(6 )與軸承座(7 )相連、形成內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)螺母(15)可轉(zhuǎn)動地安裝在外殼(6)及軸承座(7)連接成的內(nèi)部空間中，所述聚焦鏡座(16)可上下往復移動地連接于旋轉(zhuǎn)螺母(15)內(nèi)，在聚焦鏡座(16)上設(shè)有聚焦鏡(30);所述旋鈕(5)位于外殼(6)的外部、通過傳動機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)螺母(15)相連；所述水噴嘴模塊包括下保護鏡座(9)、水噴嘴(10)、下保護鏡片(21)及進水管(11)，下保護鏡座(9) 的一端與調(diào)焦模塊中的軸承座(7)相連，另一端設(shè)有下保護鏡片(21)，水噴嘴(10)與下保護鏡座(9)螺紋連接，在水噴嘴(10)的內(nèi)壁與下保護鏡座(9)另一端之間形成與光腔分隔的水腔，水噴嘴(10)的側(cè)壁上設(shè)有進水管(11)，底部開有出口(22)，由出口(22)噴出的水柱(32)與光束同軸。
2.按權(quán)利要求1所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述外殼(6)的一端依次連接有水冷座(3)、導向塊(2)及上連接法蘭(1)，外殼(6)的另一端與軸承座(7)的一端連接，軸承座(7)的另一端與水噴嘴模塊相連；所述旋轉(zhuǎn)螺母(15)為中空結(jié)構(gòu)、其一端通過軸承可轉(zhuǎn)動地安裝在軸承座(7)內(nèi)，另一端的內(nèi)部與聚焦鏡座(16)的一端螺紋連接，聚焦鏡座(16)的另一端與導向塊(2)抵接。
3.按權(quán)利要求2所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述水冷座(3)的外表面設(shè)有1 4個水冷塊(4)。
4.按權(quán)利要求2所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述導向塊(2)及聚焦鏡座(16 )上均開有鍵槽，鍵槽內(nèi)設(shè)有限制聚焦鏡座(16 )轉(zhuǎn)動的平鍵(31)。
5.按權(quán)利要求2所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述上連接法蘭(1)內(nèi)設(shè)有上保護鏡片(13)。
6.按權(quán)利要求1所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述傳動機構(gòu)包括第一齒輪(17)、第二齒輪(23)、齒輪軸(25)及齒輪軸座(24)，其中齒輪軸座(24)安裝在外殼 (6)上，齒輪軸(25)的一端設(shè)有旋鈕(5)，另一端穿過齒輪軸座(24)、連接有第二齒輪(23); 所述第一齒輪(17)安裝在旋轉(zhuǎn)螺母(15)上、與第二齒輪(23)相嚙合。
7.按權(quán)利要求6所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述齒輪軸(25)及第二齒輪(23)沿外殼(6)的徑向往復移動，在外殼(6)的側(cè)壁上開有供第二齒輪(23)移動通過的孔；所述第二齒輪(23)上設(shè)有彈簧壓片(27)，在彈簧壓片(27)與齒輪軸座(24)之間設(shè)有彈簧(26)。
8.按權(quán)利要求1所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述下保護鏡片(21) 通過下保護鏡壓環(huán)(20)安裝在下保護鏡座(9)的另一端，光腔與水腔通過下保護鏡壓環(huán) (20)及下保護鏡片(21)分隔開。
9.按權(quán)利要求1所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述下保護鏡座(9)與水噴嘴(10)的連接處通過止口定位。
10.按權(quán)利要求1所述光水同軸的激光沖擊強化頭，其特征在于所述聚焦鏡(30)與聚焦鏡座(16)之間及下保護鏡座(9)與水噴嘴(10)之間分別設(shè)有密封圈(14)。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光沖擊強化領(lǐng)域，具體地說是一種光水同軸的激光沖擊強化頭，包括水噴嘴模塊及調(diào)焦模塊，其中調(diào)焦模塊的一端與激光沖擊強化系統(tǒng)上一級模塊相連，調(diào)焦模塊的另一端與水噴嘴模塊的一端連接，水柱由水噴嘴模塊的另一端流出；通過調(diào)焦模塊對聚焦鏡焦平面到水噴嘴出口之間的距離進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)水柱長度的調(diào)節(jié)來匹配不同的工藝需求。本發(fā)明通過光水同軸的方式減小現(xiàn)有水約束層施加方式引起的參數(shù)波動，提高加工的穩(wěn)定性和靈活性。利用光束從水面射入空氣時的全反射實現(xiàn)激光束的約束和整形。利用水的動能加強水約束層的約束效果。通過上述三個方面提高激光沖擊強化的效果，降低其實施自動化、工廠化生產(chǎn)的難度。
文檔編號C21D1/09GK102465195SQ20101054553
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者徐國建, 曲玉華, 殷德洋, 王瑞澤, 邢飛 申請人:杭州中科新松光電有限公司