一種柔性激光沖擊裝置及其沖擊工件的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柔性激光沖擊裝置和方法，屬于激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域，包括激光頭底座和六自由度機(jī)械手，激光頭底座安裝在六自由度機(jī)械手上，激光頭底座從內(nèi)到外依次裝配激光調(diào)焦器和環(huán)形水室，激光調(diào)焦器安裝在激光頭底座內(nèi)部，與環(huán)形水室同軸，激光調(diào)焦器通過光纖與激光器相連；環(huán)形水室通過螺紋與激光頭底座相連，環(huán)形水室底部開有環(huán)形出水口，環(huán)形出水口噴出的水傾斜噴在工件的表面；激光調(diào)焦器下方設(shè)有反射鏡片，反射鏡片通過鎖緊墊圈安裝在環(huán)形水室的內(nèi)壁上。工件表面吸收層吸收激光能量產(chǎn)生炮轟波，其中一部分向工件表面?zhèn)鞑?，另一部分向周圍散射。由于諧振腔的存在，原本散射的沖擊波通過反射再次作用在工件表面，大大提高了能量的利用率。
【專利說明】一種柔性激光沖擊裝置及其沖擊工件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光沖擊強(qiáng)化【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種柔性激光沖擊裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，也稱激光噴丸技術(shù)。是通過高功率密度(GW/cm量級(jí))、短脈沖(10?30ns量級(jí))的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時(shí)，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時(shí)形成大量稠密的高溫(>10 K)、高壓OlGPa)等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，材料表面一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生塑性變形和復(fù)雜的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力會(huì)降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平，使平均應(yīng)力水平下降，從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時(shí)殘余壓應(yīng)力的存在，可引起裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，延長疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。
[0003]在激光沖擊強(qiáng)化過程中，需要在待加工表面添加一層約束層以抑制等離子體的自由擴(kuò)散，得到更集中、更長作用時(shí)間的沖擊波。常用的約束層材料有石英、玻璃、柔性膜和水等。其中水因?yàn)槌杀镜汀⑷嵝院?，不?huì)因碎裂產(chǎn)生殘?jiān)瑢?fù)雜形狀的零件表面適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了最廣泛的使用，但其有一個(gè)主要的缺點(diǎn)是水層的剛度不足，難以提供強(qiáng)大的約束力。
[0004]現(xiàn)有的水約束層的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種，一種是將零件放置到水箱里，進(jìn)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2-3_的流動(dòng)水幕。這兩種方式各有特點(diǎn)，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(fù)，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(diǎn)距激光光束需要一定距離，因此在處理某些形狀的零件時(shí)，可能難以達(dá)到激光束和水幕的最佳配合點(diǎn)"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(yán)重時(shí)可能會(huì)附著到光學(xué)鏡片上，損壞光學(xué)鏡片。
[0005]目前激光沖擊所采用的約束方式并不能有效地利用激光誘導(dǎo)沖擊波的全部能量。中國專利CN103614541 A “針對工件表面的激光沖擊強(qiáng)化裝置及激光沖擊強(qiáng)化處理方法”，提出了一種帶有諧振腔的激光沖擊強(qiáng)化裝置，但是只能用于平面的沖擊，而不能用于復(fù)雜加工面。除此之外，目前對于激光沖擊不規(guī)則平面還沒有提供出一種有效的的裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對激光沖擊強(qiáng)化過程中所存在的問題，提出一種柔性激光沖擊裝置和方法。利用所提供的裝置和方法不僅可以大大提高激光能量的利用效率，而且適用于各種加工表面，靈活性高。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，包括激光頭底座和六自由度機(jī)械手，所述激光頭底座安裝在所述六自由度機(jī)械手上，所述激光頭底座從內(nèi)到外依次裝配激光調(diào)焦器和環(huán)形水室，所述激光調(diào)焦器安裝在激光頭底座內(nèi)部，與所述環(huán)形水室同軸，所述激光調(diào)焦器通過光纖與激光器相連；所述環(huán)形水室通過螺紋與激光頭底座相連，所述環(huán)形水室底部開有環(huán)形出水口，所述環(huán)形出水口噴出的水傾斜噴在工件的表面；所述激光調(diào)焦器下方設(shè)有反射鏡片，所述反射鏡片通過鎖緊墊圈安裝在所述環(huán)形水室的內(nèi)壁上，所述反射鏡片、工件上的吸收層、環(huán)形出水口噴出的環(huán)形水幕三者共同構(gòu)成密閉的諧振腔。
[0008]上述方案中，所述環(huán)形出水口處安裝有水噴頭。
[0009]上述方案中，所述反射鏡片與所述環(huán)形水室的連接處安裝有密封圈。
[0010]上述方案中，所述環(huán)形出水口的軸心線與所述反射鏡片的軸心線、所述激光調(diào)焦器的軸心線共線。
[0011]上述方案中，所述環(huán)形水室通過水管與水箱里面的微型水泵連接。
[0012]上述方案中，所述水管上還裝有壓力表。
[0013]上述方案中，所述微型水泵、所述激光器和所述六自由度機(jī)械手均與計(jì)算機(jī)連接。
[0014]上述方案中，所述反射鏡片材料為耐高溫高壓玻璃或石英。
[0015]一種柔性激光沖擊裝置沖擊工件的方法，包含如下步驟:
A.用丙酮、酒精等液體對工件進(jìn)行清洗、晾干，然后在將鋁箔吸收保護(hù)層涂覆在金屬工件表面；
B.計(jì)算機(jī)控制六自由度機(jī)械手移動(dòng)激光頭底座到工件吸收層表面上方，調(diào)整激光頭底座與吸收層的相對位置；
C.計(jì)算機(jī)控制微型水泵啟動(dòng)，向環(huán)形水室內(nèi)供水，再由水噴頭噴出環(huán)形水幕至工件的吸收層上，環(huán)形水幕、反射鏡片和吸收層一起構(gòu)成密閉的諧振腔。
[0016]D.計(jì)算機(jī)控制Nd: YAG固體脈沖激光器發(fā)射激光。該激光波長為532nm，脈寬25ns，脈沖能量5-20J，激光經(jīng)光纖傳至激光調(diào)焦器，聚焦后焦點(diǎn)落在吸收層上，吸收保護(hù)層吸收激光能量形成沖擊波，一部分沖擊波直接作用于工件對工件進(jìn)行強(qiáng)化，另一部分沖擊波傳向反射鏡片內(nèi)表面，經(jīng)反射鏡片反射聚波后再次形成沖擊波，重復(fù)作用在工件表面；
E.待激光沖擊完畢之后，在計(jì)算機(jī)的控制下依次關(guān)閉激光器與微型水泵，取下工件，最后，去除工件表面殘余的吸收保護(hù)層。
[0017]有益效果:(I)本發(fā)明使用的六自由度機(jī)械手由計(jì)算機(jī)控制，可以精確地控制激光束移動(dòng)到所需的加工位置。(2)本發(fā)明采用光水同軸的方式，對沖擊強(qiáng)化過程中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行約束，加工更加靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)。(3)本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控水壓，并控制微型水泵，通過調(diào)高水流的流速來提高激光沖擊的約束效率。(4)本發(fā)明所采用的諧振系統(tǒng)可以對散射的等離子體反射，使其重新聚焦在反射鏡焦點(diǎn)處，大大提高了能量利用效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中I處局部放大圖；
圖3是本發(fā)明的反射鏡片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明的激光沖擊工件的方法流程圖。
[0019]圖中:1-六自由度機(jī)械手，2-激光器，3-計(jì)算機(jī)，4-水管，5-水箱，6_微型水泵，7-壓力表，8-工件，9-吸收層，10.諧振腔，11-水噴頭，12-環(huán)形水室，13-激光調(diào)焦器14-凸透鏡，15-光纖，16-激光頭底座，17-密封墊圈，18-鎖緊墊圈，20-反射鏡片。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0021]如圖1圖2和圖3所示，一種柔性激光沖擊裝置，包括激光頭底座16和六自由度機(jī)械手1，所述激光頭底座16安裝在所述六自由度機(jī)械手I上，所述激光頭底座16從內(nèi)到外依次裝配激光調(diào)焦器13和環(huán)形水室12，所述激光調(diào)焦器13安裝在激光頭底座16內(nèi)部，與所述環(huán)形水室12同軸，所述激光調(diào)焦器13通過光纖15與激光器2相連；所述環(huán)形水室12通過螺紋與激光頭底座16相連，所述環(huán)形水室12底部開有環(huán)形出水口，所述環(huán)形出水口噴出的水傾斜噴在工件8的表面；反射鏡片20通過鎖緊墊圈18固定在所述環(huán)形水室12的內(nèi)壁面上，位于激光調(diào)焦器13下方，所述反射鏡片20通過鎖緊墊圈(18)安裝在所述環(huán)形水室12的內(nèi)壁上，所述反射鏡片20、工件8上的吸收層9、環(huán)形出水口噴出的環(huán)形水幕三者共同構(gòu)成密閉的諧振腔10。所述環(huán)形出水口的軸心線與所述反射鏡片20的軸心線、所述激光調(diào)焦器13的軸心線共線，所述環(huán)形水室12通過水管4與水箱5里面的微型水泵6連接。所述水管4上還裝有壓力表7。所述微型水泵6、所述激光器2和所述六自由度機(jī)械手I均與計(jì)算機(jī)3連接。所述反射鏡片20材料為耐高溫高壓玻璃或石英。
如圖4所示，利用該柔性激光沖擊強(qiáng)化裝置對工件進(jìn)行強(qiáng)化處理的處理方法如下:
A.用丙酮、酒精等液體對工件進(jìn)行清洗、晾干，然后在將鋁箔吸收保護(hù)層9涂覆在金屬工件8表面；
B.計(jì)算機(jī)3控制六自由度機(jī)械手I移動(dòng)激光頭底座16到工件吸收層9表面上方，調(diào)整激光頭底座16與吸收層9的相對位置；
C.計(jì)算機(jī)3控制微型水泵6啟動(dòng)，向環(huán)形水室12內(nèi)供水，再由水噴頭11噴出環(huán)形水幕至工件8的吸收層9上，環(huán)形水幕、反射鏡片和吸收層一起構(gòu)成密閉的諧振腔10。
[0022]D.計(jì)算機(jī)3控制Nd: YAG固體脈沖激光器2發(fā)射激光。該激光波長為532nm，脈寬25ns，脈沖能量5-20J，激光經(jīng)光纖15傳至激光調(diào)焦器13，聚焦后焦點(diǎn)落在吸收層上，吸收保護(hù)層吸收激光能量形成沖擊波，一部分沖擊波直接作用于工件對工件進(jìn)行強(qiáng)化，另一部分沖擊波傳向反射鏡片20內(nèi)表面，經(jīng)反射鏡片20反射聚波后再次形成沖擊波，重復(fù)作用在工件8表面，計(jì)算機(jī)3對壓力表7進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并控制微型水泵6從而獲得不同的水流速度以適應(yīng)工件加工要求；
E.待激光沖擊完畢之后，在計(jì)算機(jī)3的控制下依次關(guān)閉激光器2與微型水泵6，取下工件8，最后，去除工件表面殘余的吸收保護(hù)層9。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，包括激光頭底座(16)和六自由度機(jī)械手(I )，所述激光頭底座(16 )安裝在所述六自由度機(jī)械手(I)上，所述激光頭底座(16 )從內(nèi)到外依次裝配激光調(diào)焦器(13)和環(huán)形水室(12)，所述激光調(diào)焦器(13)安裝在激光頭底座(16)內(nèi)部，與所述環(huán)形水室(12)同軸，所述激光調(diào)焦器(13)通過光纖(15)與激光器(2)相連；所述環(huán)形水室(12)通過螺紋與激光頭底座(16)相連，所述環(huán)形水室(12)底部開有環(huán)形出水口，所述環(huán)形出水口噴出的水傾斜噴在工件(8)的表面；所述激光調(diào)焦器(13)下方設(shè)有反射鏡片(20)，所述反射鏡片(20)通過鎖緊墊圈(18)安裝在所述環(huán)形水室(12)的內(nèi)壁上，所述反射鏡片(20)、工件(8)上的吸收層(9)、環(huán)形出水口噴出的環(huán)形水幕三者共同構(gòu)成密閉的諧振腔(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，所述環(huán)形出水口處安裝有水噴頭(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，所述反射鏡片(20)與所述環(huán)形水室(12)的連接處安裝有密封圈(17)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，所述環(huán)形出水口的軸心線與所述反射鏡片(20)的軸心線、所述激光調(diào)焦器(13)的軸心線共線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，所述環(huán)形水室(12)通過水管(4)與水箱(5)里面的微型水泵(6)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，所述水管(4)上還裝有壓力表(7)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，所述微型水泵(6)、所述激光器(2 )和所述六自由度機(jī)械手(I)均與計(jì)算機(jī)(3 )連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種柔性激光沖擊裝置，其特征在于，所述反射鏡片(20)材料為耐高溫高壓玻璃或石英。
9.一種柔性激光沖擊裝置沖擊工件的方法，包含如下步驟: A.用丙酮、酒精等液體對工件進(jìn)行清洗、晾干，然后在將鋁箔吸收保護(hù)層(9)涂覆在金屬工件(8)表面； B.計(jì)算機(jī)(3)控制六自由度機(jī)械手(I)移動(dòng)激光頭底座16到工件吸收層(9)表面上方，調(diào)整激光頭底座(16)與吸收層(9)的相對位置； C.計(jì)算機(jī)(3)控制微型水泵(6)啟動(dòng)，向環(huán)形水室12內(nèi)供水，再由水噴頭11噴出環(huán)形水幕至工件(8)的吸收層(9)上，環(huán)形水幕、反射鏡片和吸收層一起構(gòu)成密閉的諧振腔10; D.計(jì)算機(jī)(3)控制Nd= YAG固體脈沖激光器(2)發(fā)射激光；該激光波長為532nm，脈寬25ns,脈沖能量5-20J，激光經(jīng)光纖(15)傳至激光調(diào)焦器(13)，聚焦后焦點(diǎn)落在吸收層上，吸收保護(hù)層吸收激光能量形成沖擊波，一部分沖擊波直接作用于工件對工件進(jìn)行強(qiáng)化，另一部分沖擊波傳向反射鏡片(20)內(nèi)表面，經(jīng)反射鏡片(20)反射聚波后再次形成沖擊波，重復(fù)作用在工件(8)表面； E.待激光沖擊完畢之后，在計(jì)算機(jī)(3)的控制下依次關(guān)閉激光器(2)與微型水泵(6)，取下工件(8)，最后，去除工件表面殘余的吸收保護(hù)層(9)。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK104232879SQ201410435409
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月31日
【發(fā)明者】周王凡, 任旭東, 徐士東, 任乃飛, 黃晶晶, 盧加興 申請人:江蘇大學(xué)