一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置 |
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| 申请号 | CN202211331431.7 | 申请日 | 2022-10-28 | 公开(公告)号 | CN115747471A | 公开(公告)日 | 2023-03-07 |
| 申请人 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所; | 发明人 | 张文武; 秦秀; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了一种双向可控法向夹 角 的 激光冲击强化 装置，所述激光冲击强化装置包括底座、激光冲击强化工具单元、激光传输单元、 激光器 、 工件 夹持单元、约束层 净化 加载单元、控制单元；所述工件夹持单元具有N个运动 自由度 ；所述激光冲击强化工具单元固定具有五个方向的运动自由度；所述激光传输单元具有转动自由度。本申请解决了薄壁曲面零件两面法向不共线的情况下，现有设备无法对零件进行双面最优冲击以及单面冲击容易引起 翘曲 变形 的问题，并具备良好的狭窄空间可达性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置技术领域[0001] 本申请涉及一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置，属于激光冲击强化技术领域。 背景技术[0002] 激光冲击强化利用高强激光诱导等离子体冲击波，对零件进行冲击处理，已广泛应用于航空、航天、核能等领域关键零部件抗疲劳和耐腐蚀性能的提升，效果显著。现有的激光冲击强化装备包括激光发生单元、位于工件表面的吸收保护层、位于吸收保护层表面的约束层及工件夹持单元等。约束层的作用是让激光能量穿过并作用于吸收保护层，同时还要尽可能多地提供等离子体膨胀时的反作用力，提高冲击波的耦合效率。目前国内外普遍采用0.5～2mm厚的侧面送水流动水膜作为透明约束层。吸收保护层的作用是吸收激光能量，产生等离子体，同时避免激光及等离子体对工件的损伤，目前普遍采用油漆、柔性胶带或具有一定厚度的金属箔片等作为吸收保护层。工件夹持单元的作用是在激光冲击过程中，夹紧工件并进行规定行程内一定自由度的运动，完成工件上相应区域的冲击。 [0003] 该类激光冲击强化处理过程如图1所示：利用短脉冲(一般在50纳秒以内)、高功率2 密度(GW/cm)的激光通过侧面送水形成的透明约束层，作用于金属等工件表面所涂覆或贴附的吸收保护层上，吸收保护层吸收激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，形成冲击波，冲击波强度可达数个GPa(109Pa)量级，远高于众多金属材料的屈服强度；冲击波穿过吸收保护层，作用于工件表面并向其内部传播，使工件表面产生塑性变形和残余压应力场，导致表层材料位错密度增加，晶粒细化和硬度升高，从而显著提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能。 [0004] CN105862046B“一种航空发动机零件表面强化的装置”、CN113088677B“一种激光冲击强化技术的水约束层装置及其测量方法”、CN103882188B“整体叶盘激光冲击强化设备”等专利都是采用激光冲击强化工具头不动，机械手夹持工件运动的方式完成表面强化。CN216566580U“一种五轴机床式激光冲击强化设备”，采用的是五轴机床式的激光冲击强化方法，X轴、Y轴、C轴带动工件的移动和转动(工件具有三个自由度)，Z轴和B轴带动激光冲击强化工具头的移动和转动(激光冲击强化工具头具有两个自由度)。该种结构适用于单面冲击。但是，单面冲击时，工件受到单面冲击力的影响，容易产生单方向的塑性变形，累积起来，宏观上显示为工件的翘曲变形，如图2所示。 [0005] 为了减少或避免单面冲击时产生的不良翘曲变形，可以采用双面冲击的方法。比如，CN104862468B“基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法”、CN106702137B“一种用于涡轮叶片主导边双面同步激光冲击强化的方法”、CN103894735B“整体叶盘单/双面激光冲击强化光路系统”。但是，复杂曲面零件在采用双面冲击的过程中，由于曲面两侧的法线不一定共线，激光光斑大小不一致，相同激光脉冲能量产生的激光功率密度不同，导致两侧冲击效果不均匀，如图3所示，无法达到最优激光冲击强化效果。CN106702137B“一种用于涡轮叶片主导边双面同步激光冲击强化的方法”，正面和背面采用相同直径、不同脉冲能量的两束激光进行同步冲击，该种方法需要根据冲击点处曲面的法线与激光入射方向的夹角，计算所需的脉冲能量，冲击过程实时调整两侧光路的脉冲能量，对模型的前处理工作量大，对控制系统要求较高。此外，有些情况下，需要特殊倾角的冲击处理，比如，通过激光冲击实现特种微织构时，未必以法向为最优。这样的沿任意法向夹角的双向激光冲击强化能力目前尚未发现。更复杂的情况下，复杂薄壁部件的双向冲击需要同时解决狭小部位的可达性问题，很多情况下，狭小部位的沿法向双向冲击是不现实的，如航空发动机整体叶盘的扭曲部位，如果能够到达待处理部位并实现变形最小的冲击处理，叶片性能将得到进一步的提升。总之，业内需要一种兼顾可达性，可沿任意法向夹角双向激光冲击强化的方法和设备。发明内容 [0006] 本发明的目的是针对上述现有激光冲击强化技术存在的不足，提供一种可控法向双面冲击的激光冲击强化设备，该设备具备激光冲击最优法线夹角调制功能。为此，设备在加工过程中可以随时调整激光冲击强化工具头的方向，与工件运动相配合，实现复杂曲面零件的双面可控最优法向夹角冲击，尤其是可以解决复杂曲面部件双侧法线不共线的情况下，单面冲击容易引起翘曲变形，传统双面冲击效果并不理想的问题，为激光冲击强化提供新的工程优化自由度。 [0008] 所述工件夹持单元固定在所述底座上，用于夹持待加工工件，所述工件夹持单元具有N个运动自由度； [0009] 所述激光冲击强化工具单元固定在所述底座上，具有五个方向的运动自由度； [0010] 所述激光传输单元与所述激光冲击强化工具单元连接，用于将激光垂直入射至所述激光冲击强化工具单元；所述激光传输单元具有转动自由度； [0011] 所述激光器用于发出激光，通过激光传输单元垂直入射所述激光冲击强化工具单元； [0012] 所述约束层净化加载单元与所述激光冲击强化工具单元连接，用于净化、喷射约束层； [0013] 所述控制单元用于控制激光器出光、控制约束层净化加载单元喷射约束层、控制工件夹持单元夹持所述待加工工件运动、控制激光冲击强化工具单元运动。 [0014] 可选地，N为0～5的整数。 [0015] 可选地，当N为5时，所述工件夹持单元具有三个平移自由度和两个旋转自由度。 [0016] 可选地，所述工件夹持单元具有五个自由度，Y轴安装在底座上，X轴安装在Y轴上，Z轴安装在X轴上，B轴安装在Z轴上，可以绕Y轴方向旋转，C轴安装在B轴上，可以绕Z轴方向旋转，所述五轴设备具有三个平移自由度和两个旋转自由度，包括但不限于X、Y、Z、B、C的组合形式。 [0017] 可选地，所述激光冲击强化工具单元包括激光冲击强化工具头和承载平台； [0018] 所述承载平台固定在所述底座上，用于承载激光冲击强化工具头；所述承载平台具有五个方向的运动自由度； [0019] 所述激光传输单元将激光垂直入射至所述激光冲击强化工具头。 [0020] 可选地，所述承载平台具有三个平移自由度和两个旋转自由度。 [0021] 可选地，所述承载平台包括X轴、Y轴、Z轴的移动轴及其滑轨，绕Y轴转动的B轴以及绕Z轴转动的C轴。X轴、Y轴、Z轴的移动带来激光冲击强化工具头位置的调整，可以通过可伸缩防尘管实现激光与工具头的位置调整。B轴、C轴的转动带来的工具头角度的变化，可以通过转动关节调整反射镜的角度，从而实现激光垂直入射工具头。通过调整激光冲击强化工具头的角度，可以实现曲面零件两侧法线不共线的情况下双面可控法向冲击。该系统包括但不限于X、Y、Z、B、C的形式，也可以采用两台机械手夹持工具头，如图9所示。 [0022] 可选地，所述激光传输单元与所述激光冲击强化工具头连接； [0023] 所述约束层净化加载单元与所述激光冲击强化工具头连接。 [0024] 可选地，所述激光传输单元由可伸缩防尘管、转动关节、分光镜以及反射镜组成； [0025] 所述转动关节与所述可伸缩防尘管连接，所述转动关节设有反射镜座； [0026] 所述转动关节相对可伸缩防尘管具有转动自由度，所述转动关节的转动轴线与所述激光冲击强化工具头的转动方向平行，可以调整反射镜角度，以适应激光冲击强化工具头的转动角度，确保激光垂直入射工具头； [0027] 所述分光镜和反射镜设置在所述激光的光路上； [0028] 所述可伸缩防尘管与转动关节连接，通过调整可伸缩防尘管的伸缩状态，可以调整防尘管两端连接的转动关节的轴向间距，从而调整设于转动关节上反射镜座之间的距离，达到调整反射镜之间的距离的效果。 [0030] 可选地，转动关节的转动轴线与激光冲击强化工具头的转动方向平行，以适应工具头的转动角度，保证激光垂直入射工具头。 [0031] 可选地，所述可伸缩防尘管，可以带动反射镜平移，以适应激光冲击强化工具头的移动带来的位置变化。 [0033] 所述约束层净化加载单元与所述约束层入口连接； [0034] 所述激光传输单元将激光垂直入射至所述聚焦模块。 [0035] 可选地，所述激光冲击强化工具头，是一种光水同轴的装置，包括调焦模块、聚焦镜、窗口保护镜片、约束层入口以及喷嘴。激光束进入工具头后，经过聚焦镜聚焦，穿过窗口保护片，进入充满约束层的腔体，激光在稳态的约束层中传输，与水约束层同时在喷嘴射出，作用于试件表面。调焦模块可以在一定范围内调节聚焦镜的位置，从而调节激光焦点的位置。 [0036] 可选地，所述约束层净化加载单元包括依次连接的约束层净化模块、加压模块和约束层管路； [0037] 所述约束层管路与所述约束层入口连通。 [0038] 可选地，所述约束层的介质为水。 [0041] 可选地，约束层(常用介质为去离子水)由约束层净化模块净化后，经过加压模块加压，由约束层管路进入激光冲击强化工具头的腔体，激光与约束层在腔体中汇聚后同轴传输，由喷嘴喷出，共同作用在待加工工件表面。约束层经过加压进入特定结构的腔体然后由喷嘴喷出，此时的约束层是稳定的层流状态，以便于激光在约束层中稳定的传输。 [0042] 可选地，所述激光传输单元包括激光传输介质； [0043] 所述激光传输介质为光纤。如图9所示。 [0044] 可选地，所述控制单元，可以向激光器、约束层加载单元、激光冲击强化工具头承载单元、工件夹持单元发出控制指令，控制激光器、约束层加载单元的开、关动作，控制激光冲击强化工具头承载单元、工件夹持单元的协调运动，实现整个冲击过程的自动化。 [0045] 本申请能产生的有益效果包括： [0046] 本申请采用的工件夹持单元由具有多自由度的运动单元组成；激光器发射出的激光经过激光传输单元传输至工件两侧的激光冲击强化工具头，两侧的工具头均安装在多自由度运动单元上，具备五轴定位与联动功能。激光冲击强化工具头是一种基于同轴送水的激光冲击强化装置，水流加压后输送到工具头内腔体，与激光同轴传输作用在工件表面，形成激光冲击波的动态约束，集成控制单元控制工件、激光冲击强化工具头的运动，同时控制激光器、水流的开关，完成最优法向夹角的双面激光冲击强化处理。本申请解决了薄壁曲面零件两面法向不共线的情况下，现有设备无法对零件进行双面最优冲击以及单面冲击容易引起翘曲变形的问题，并具备良好的狭窄空间可达性。附图说明 [0047] 图1为现有的激光冲击强化处理过程示意图； [0048] 图2为单面冲击翘曲变形示意图； [0049] 图3为双面冲击示意图，其中，图3A为两侧法线不共线的情况下双面同时冲击所存在问题示意图；图3B为任意法向夹角双面冲击示意图； [0050] 图4为本申请实施例中双向可控法向夹角的激光冲击强化装置的整体结构示意图； [0051] 图5为本申请实施例中双向可控法向夹角的激光冲击强化装置中的工件夹持单元的详解图； [0052] 图6为本申请实施例中双向可控法向夹角的激光冲击强化装置中的激光传输单元放大图(图4中A的局部放大图)； [0053] 图7为本申请实施例中双向可控法向夹角的激光冲击强化装置中的承载单元放大图(图4中B的局部放大图)； [0054] 图8为本申请实施例中双向可控法向夹角的激光冲击强化装置中的激光冲击强化工具头的详解图； [0055] 图9为本申请实施例中双向可控法向夹角的激光冲击强化装置的一种变形应用示意图。 [0056] 其中： [0057] 1、设备底座；2、激光冲击强化工具头承载单元；3、激光冲击强化工具头；4、激光传输单元；5、激光器；6、工件夹持单元；7、约束层净化及加载单元；8、集成控制单元；9、光纤；10、工件；11、机械手； [0058] 2‑1、激光冲击强化工具头承载单元的Y轴；2‑2、激光冲击强化工具头承载单元的X轴；2‑3、激光冲击强化工具头承载单元的Z轴；2‑4、激光冲击强化工具头承载单元的B轴；2‑5、激光冲击强化工具头承载单元的C轴； [0059] 3‑1、聚焦镜；3‑2、调焦模块；3‑3、窗口保护镜片；3‑4、约束层入口；3‑5、内腔体(内充满水约束层)；3‑6、喷嘴； [0060] 4‑1、可伸缩防尘管；4‑2、转动关节；4‑3、反射镜座；4‑4、分光镜；4‑5、反射镜； [0061] 6‑1、工件夹持单元的Y轴；6‑2、工件夹持单元的X轴；6‑3、工件夹持单元的Z轴；6‑4、工件夹持单元的C轴；6‑5、工件夹持单元的B轴； [0062] 7‑1、约束层净化装置；7‑2、约束层加压装置；7‑3、约束层传输装置。 [0063] A1、机械手；A2、工件；A3、吸收保护层；A4、约束层；A5、激光器；A6、激光束；A7、反射镜；A8、聚焦镜；A9、约束层装置。 [0064] B1、工件；B2、吸收保护层；B3、圆形光斑；B4、椭圆形光斑；B5、激光束；B6、约束层。 具体实施方式[0065] 下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。 [0066] 实施例1 [0067] 如图4所示，一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置，包括设备底座1、激光冲击强化工具头承载单元2、激光冲击强化工具头3、激光传输单元4、激光器5、工件夹持单元6、约束层净化及加载单元7、集成控制单元8。 [0068] 激光传输单元4，是将激光器5发射的激光传输至激光冲击强化工具头2的装置，如图4、6所示，包括可伸缩防尘管4‑1、转动关节4‑2、反射镜座4‑3、分光镜4‑4、反射镜4‑5。本实施例中选用的分光镜是半透半反镜，激光经过半透半反镜时，一半能量的激光反射至一路光路中，另一半能量的激光透过镜片，形成另一路光路，实现激光束分光。转动关节4‑2两端连接可伸缩防尘管，内设有反射镜座4‑3，转动关节4‑2的旋转轴线分别与激光冲击强化工具头承载单元2的B轴、C轴的旋转轴线平行，以保证激光垂直入射激光冲击强化工具头3。 [0069] 工件夹持单元6，是夹持工件实现五轴联动功能的装置，如图5所示，Y轴6‑1安装在底座1上，X轴6‑2安装在Y轴上，Z轴6‑3安装在X轴上，B轴6‑5安装在Z轴上，C轴6‑4安装在B轴上，工件及夹具安装在C轴上。 [0070] 激光冲击强化工具头承载单元2，是承载激光冲击强化工具头3实现五轴运动的装置，如图7所示，Y轴2‑1滑轨安装在底座上，X轴2‑2安装在Y轴上，Z轴2‑3安装在X轴上，B轴2‑4安装在Z轴上，C轴2‑5安装在B轴上，激光冲击强化工具头3安装在C轴上， [0071] 激光冲击强化工具头3，采用激光与水约束层同轴传输的方式。如图8所示，约束层在工具头的约束层入口3‑4处加载到工具头内腔体3‑5，内腔体3‑5的前面设有窗口保护镜片3‑3，将聚焦镜3‑1与水腔隔离，内腔体3‑5后连接有喷嘴3‑6，激光与水约束层同时在喷嘴3‑6射出，作用于试件表面。调焦模块3‑2可以在一定范围内调整聚焦镜的前后位置，从而可以根据工件大小调整激光焦点距离喷嘴出口的距离。 [0072] 约束层净化及加载单元7，如图8所示，包括约束层净化装置7‑1、约束层加压装置7‑2以及约束层传输装置7‑3。本实施例中约束层净化装置7‑1选用超纯水机，输出的超纯水电阻率>15MΩ，可以有效避免激光功率密度大时将水击穿。约束层加压装置7‑2选用可调节增压泵，根据内腔结构调整水压力值，使增压之后的水处于稳定的层流结构，便于激光在水中稳定的传输，减小激光能量的损失。约束层传输装置7‑3与约束层入口3‑4连接。 [0073] 集成控制系统8，控制激光器、约束层加载净化及加载单元7的开关，控制激光冲击强化工具头承载单元2、工件夹持单元6的运动。 [0074] 以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。 |
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