一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置

摘要

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置。本发明利用高压气体作为约束层，高压气体的压力可以根据实验需要进行设定调节，并控制整个冲击过程中的压力不变，同时，喷嘴的位置能实时调节，确保了高压气体的喷射中心、激光光斑中心和工件预冲击处理位置重合，从而对试样实现单点多次和多点连续冲击。

权利要求

1.一种以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，包括激光器、电源、工控机、光路系统、运动控制卡和工件夹具系统，其特征在于：所述强化装置还设有定位装置、支撑架、滑块、丝杠、高压气体喷射装置、测压装置和位移传感器；支撑架由水平伸缩杆、与水平伸缩杆相连的圆环、L型杆和调节装置组成，水平伸缩杆位于L型杆的水平端内，L型杆的竖直端位于滑块内使得L型杆能绕其竖直端中心线360°旋转，水平伸缩杆的伸缩和L型杆的旋转通过调节装置调节，调节装置由旋转螺钉和微调螺钉组成；滑块安装在丝杠上，丝杠与运动控制卡相连，通过运动控制卡控制丝杠的旋转实现滑块上下移动；所述定位装置由三个均布在支撑架圆环上的定位灯组成；圆环上还均布有三个喷嘴，喷嘴和定位灯依次相间，呈锥形分布，喷嘴和定位灯的中心轴线相交于同一点，喷嘴通过高压气管与高压气体喷射装置相连；所述测压装置为压力传感器，位于工件夹具系统上方，通过导线与工件表面相连，用来在线实时检测、反馈、调控高压气体压力；所述位移传感器位于工件夹具系统上方，用来检测工件表面到工作台的垂直位移，当工件表面有垂直位移或者更换不同厚度的工件时，位移传感器将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，从而控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的高度调节，始终保证喷射中心、激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

2.如权利要求1所述的一种以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，其特征在于：

所述工件夹具系统由吸收层、工件、夹具、升降平台和工作台组成，升降平台安装在工作台上，夹具安装在升降平台上，工件安装在夹具上，工件表面设有吸收层，工作台由运动控制卡控制其在二维平面内运动。

3.如权利要求1所述的一种以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，其特征在于：

工控机分别与高压气体喷射装置、电源、测压装置、位移传感器和运动控制卡相连，电源与激光器相连。

4.如权利要求1所述的一种以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，其特征在于：

激光器发出的激光通过光路系统入射到工件夹具系统的工件表面。

说明书

一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置

技术领域

[0001] 本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置。

背景技术

[0002] 激光冲击强化技术(Laser Shock Processing，简称LSP)是一种利用高功率9 2
(10W/cm)短脉冲(ns级)激光与材料相互作用过程中产生的高压冲击应力波(GPa级)的力效应来改善金属机械性能的表面改性技术，这一技术已在机械工程、航空航天、微电子、军事等行业中广泛应用。

[0003] 激光冲击强化可以分为直接烧蚀模型和有约束烧蚀模型；激光直接辐照在材料表面所获得的冲击波峰压只有数MPa，如果在材料表面涂上黑漆(即吸收层)并在其上覆盖一层对激光透明的物质(即约束层)将可以提高冲击波峰压至10GPa，约束层的使用和选择对激光冲击强化效果具有很大的影响。

[0004] 目前主要使用水和玻璃作为约束层，此外还有使用冰和柔性贴膜作为约束层的；如我国专利CN1308112C“以冰为约束层的激光冲击处理方法及其装置”和CN1404954“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”；水约束层装置复杂，操作繁杂，不能保证水约束层厚度的均匀性，对激光参数有一定要求，对冲击效果也有一定影响，增效效果不明显；玻璃约束层适应性差，对于微孔、弯角、和非平面区域都无法适用，且成本较高，冲击时会产生玻璃碎片飞溅的现象，对仪器和人员存在安全隐患，而且清理也十分麻烦；冰约束层能解决玻璃约束层存在的安全隐患，清理方便，但冰易于融化，对实验装置具有一定的影响，而且冰约束层需现场制备，严重影响了冲击连续性和冲击效率；柔性贴膜虽然能解决上述的一些缺陷，但由于约束层为柔性，增效不如刚性的约束层明显，且柔性贴膜的选材、制造要求较高，成本也相对较高。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对上述约束层在应用过程中存在的问题，提出一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法及其装置。

[0006] 一种以高压气体为约束层的激光冲击强化方法，利用高压气体作为约束层，高压气体通过喷嘴喷射在工件预冲击处理位置，其压力值能在线实时检测、反馈和调控；激光冲击前，利用定位装置调整喷嘴的位置，使光斑中心与高压气体喷射中心重合，同时调整工件位置，使工件预冲击处理位置对准光斑中心；打开高压气体喷射装置，通过测压装置在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器，对工件进行冲击。工件能在运动控制卡的控制下实现二维平面运动；当工件厚度发生变化时，位移传感器检测工件表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，通过运动控制卡控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的快速自动调节，始终确保高压气体喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

[0007] 以高压气体为约束层的激光冲击强化装置，包括激光器、电源、工控机、光路系统、定位装置、支撑架、滑块、丝杠、高压气体喷射装置、测压装置、位移传感器、运动控制卡和工件夹具系统。

[0008] 所述定位装置由三个均布在支撑架圆环上的定位灯组成；支撑架由水平伸缩杆、与水平伸缩杆相连的圆环、L型杆和调节装置组成，水平伸缩杆位于L型杆的水平端内，L型杆的竖直端位于滑块内使得L型杆能绕其竖直端中心线360°旋转，水平伸缩杆的伸缩和L型杆的旋转通过调节装置调节，调节装置由旋转螺钉和微调螺钉组成；滑块安装在丝杠上，丝杠与运动控制卡相连，通过运动控制卡控制丝杠的旋转实现滑块上下移动；同时，圆环上还均布有三个喷嘴，喷嘴和定位灯依次相间，呈锥形分布，喷嘴和定位灯的中心轴线相交于同一点，喷嘴通过高压气管与高压气体喷射装置相连，高压气体喷射装置由工控机控制。

[0009] 所述测压装置为压力传感器，位于工件夹具系统上方，通过导线与工件表面相连，用来在线实时检测、反馈、调控高压气体压力。

[0010] 所述工件夹具系统由吸收层、工件、夹具、升降平台和工作台组成，升降平台安装在工作台上，夹具安装在升降平台上，工件安装在夹具上，工件表面设有吸收层，工作台由运动控制卡控制其在二维平面内运动。

[0011] 位移传感器位于工件夹具系统上方，用来检测工件表面到工作台的垂直位移，当工件表面有垂直位移或者更换不同厚度的工件时，位移传感器将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动控制卡，从而控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的自动调节，始终保证喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

[0012] 实施本发明的方法执行以下步骤：

[0013] 1、激光冲击前，手动调节升降平台的高度获得所需直径的光斑，打开三个定位灯的开关，

[0014] 通过运动控制卡控制丝杠旋转，调节支撑架的高度，使三个定位灯中心轴线的交点位于工件表面上，旋转支撑架的调节装置调节支撑架在水平面内的位置，使三个定位灯光线的交点与光斑中心重合。

[0015] 2、通过运动控制卡自动调节工件的位置，使激光冲击光斑中心，高压气体喷射中心和工件预处理位置重合。

[0016] 3、关闭定位灯，打开高压气体喷射装置，在工控机上输入所需高压气体的压力值，通过测压装置在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器，对工件进行冲击处理，工件通过运动控制卡实现二维平面上的运动，同时位移传感器检测工件表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机，工控机再传给运动

[0017] 控制卡，通过运动控制卡控制丝杠的旋转，实现喷嘴位置的快速自动调节，实现工件多点

[0018] 连续冲击。

[0019] 本发明的优点如下：

[0020] （1）约束可靠；利用高压气体作为约束层，高压气体的压力可以根据实验需要进行设定调节，并控制整个冲击过程中的压力不变，同时，喷嘴的位置能实时调节，确保了高压气体的喷射中心、激光光斑中心和工件预冲击处理位置重合，使约束更有效。

[0021] （2）适应性强；利用高压气体作为约束层，约束层的形状不受限制，能对表面复杂或带有凹凸坑的试件起到很好的约束作用。

[0022] （3）安全环保；高压气体约束层对环境无污染，不存在玻璃约束层存在的破裂问题和水约束层存在的溅射问题，不会对激光设备和人员造成危害。

[0023] （4）结构简单，操作方便；可以对试样实现单点多次和多点连续冲击。

附图说明

[0024] 图1为以高压气体为约束层的激光冲击强化装置结构示意图；

[0025] 1、电源；2、激光器；3、光路系统；4、激光束；5、L型杆；6、滑块；7、丝杠；8、旋转螺钉A；9、微调螺钉A；10、旋转螺钉B；11、微调螺钉B；12、喷嘴；13、定位灯；14、高压气管；15、高压气体喷射装置；16、测压装置；17、位移传感器；18、吸收层；19、工件；20、夹具；21、升降平台；22、工作台；23、运动控制卡；24、工控机；25、水平伸缩杆；26、圆环。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

[0027] 如图1所示，本发明装置由激光器2，电源1，工控机24，光路系统3，定位装置，支撑架，滑块6，丝杠7，高压气体喷射装置15，测压装置16，位移传感器17，运动控制卡23和工件夹具系统组成。

[0028] 从激光器2中出来的光束经光路系统3后，得到激光束4作用于工件19上，工件19表面涂有能量吸收层18，同时工件19通过夹具20安装在升降平台21上，升降平台21安装在工作台22上，工作台22连接运动控制卡23，并通过工控机24的控制实现二维平面方向上的移动；定位装置由三个均布在支撑架圆环26上的定位灯13组成，支撑架由水平伸缩杆25、与水平伸缩杆相连的圆环26、L型杆5和调节装置组成，调节装置由旋转螺钉A8、旋转螺钉B10、微调螺钉A9和微调螺钉B11组成，L型杆5的的竖直端位于滑块6内使得L型杆5能绕其竖直端中心线360°旋转，水平伸缩杆25位于L型杆5的水平端内，其伸缩通过旋转螺钉A8和微调螺钉A9调节，L型杆5的旋转通过旋转螺钉B10和微调螺钉B11调节，圆环26上还均布有三个喷嘴12，喷嘴12和定位灯13依次相间，成锥形分布，各轴线相交于同一点，喷嘴12通过高压气管14与高压气体喷射装置15相连，高压气体喷射装置由工控机24控制。

[0029] 测压装置16位于高压气体喷射装置15下方，用来在线实时检测、反馈、调控高压气体压力，位移传感器17用来检测工件19表面到工作台22的垂直位移，当工件19表面有垂直位移或者更换不同厚度的工件时，位移传感器17将检测到的位移信号传给工控机24，工控机24再传给运动控制卡23，从而控制丝杠7的旋转，实现喷嘴12竖直高度的自动调节，始终保证喷射中心，激光光斑中心和工件预冲击点三点重合。

[0030] 激光冲击前，手动调节升降平台21的高度获得所需直径的光斑，打开三个定位灯13的开关，通过运动控制卡控制丝杠旋转来调节支撑架的高度，使三个定位灯中心轴线的交点位于工件表面上，旋转支撑架的调节装置调节支撑架在水平面内的位置，使三个定位灯13光线的交点与光斑中心重合，通过运动控制卡23自动调节工件19的位置，使激光冲击光斑中心、高压气体喷射中心和工件19预处理位置重合。关闭定位灯13的开关，打开高压气体喷射装置15，在工控机24上输入所需高压气体的压力值，通过测压装置16在线实时检测、反馈、调控高压气体的压力，当压力大小达到设定值并且稳定时，打开激光器2，对工件19进行冲击处理，工件19通过运动控制卡23实现二维平面上的运动，同时位移传感器
17检测工件19表面的垂直位移，将检测到的位移信号传给工控机24，工控机24再传给运动控制卡23，通过运动控制卡23控制丝杠7的旋转，实现喷嘴位置的快速自动调节，从而实现工件多点连续冲击。
实施例

[0031] 准备五块长50mm，宽50mm，厚10mm的2024铝合金试样，分别标记为试样1、试样2、试样3、试样4和试样5；激光冲击处理前，试样表面选用400#-1200砂纸打磨，随后置于乙醇中进行超声波清洗，冷风吹干，激光冲击时均采用0.1mm厚的美国3M公司专用铝箔（其中一面为粘贴剂，与试样表面粘贴）作为激光能量吸收层，激光脉冲能量均为8J，波长1064nm，脉宽10ns，光斑直径6mm，单次冲击；试样1在无约束层的情况下进行冲击，试样2在水约束层下进行冲击，试样3在K9玻璃约束层下进行冲击，试样4在高压气体约束层下进行冲击（高压气体压力控制在10MPa），试样5也在高压气体约束层下进行冲击（高压气体的压力控制在30MPa），激光冲击完后采用X-射线应力测定仪测量光斑中心的残余应力，测量结果如表1所示；由此看出高压气体能够作为约束层使用，并且可以通过调节高压气体的压强获得不同的光斑中心残余应力。

[0032] 表1 约束层与光斑中心残余应力

[0033]约束层材料 无约束层 水 K9玻璃 高压气体（10MPa）高压气体（30MPa）
光斑中心残余应力/MPa -50 -130 -163 -75 -101