封闭式激光冲击强化水约束层施加装置及方法 |
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| 申请号 | CN202311293466.0 | 申请日 | 2023-10-09 | 公开(公告)号 | CN117305578A | 公开(公告)日 | 2023-12-29 |
| 申请人 | 中国人民解放军空军工程大学; 西安交通大学; | 发明人 | 聂祥樊; 李阳; 何卫锋; 汤毓源; 徐明; 李鸿柄; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种封闭式 激光冲击强化 水 约束层施加装置，包括结构封闭模 块 、 角 度调节模块和水约束层施加模块；结构封闭模块包括壳体和 变形 罩，变形罩的后端固定安装于壳体，变形罩的前端的开合角度可调，壳体和变形罩构成前侧开口且开合角度可调，后侧封闭的隔离腔；角度调节模块安装于壳体用于调节变形罩的开合角度；水约束层施加模块包括用于向隔离腔内输送去离子水的抽水 泵 和用于将隔离腔内的去离子水抽出的 真空 泵；本发明还公开了一种封闭式激光冲击强化水约束层施加方法，该方法基于封闭式激光冲击强化水约束层施加装置；整个装置及方法具有原理简单、操作性强、水流可控、结构适用性广、工程实用性好等特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种封闭式激光冲击强化水约束层施加装置，其特征在于：包括： |
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| 说明书全文 | 封闭式激光冲击强化水约束层施加装置及方法技术领域[0001] 本发明属于激光冲击强化技术领域，涉及一种封闭式激光冲击强化水约束层施加装置及方法。 背景技术[0002] 激光冲击强化技术(Laser ShockPeening,LSP)是一种表面塑性强化技术，是通过短脉冲(纳秒量级、甚至皮秒/飞秒量级)、高功率(GW级)激光与物质相互作用产生高压(GPa量级)等离子体冲击波，利用冲击波力学效应使金属材料表层发生塑性变形，形成残余压应力和微观组织改善，从而显著提升材料的抗疲劳、抗磨损、抗应力腐蚀等性能。 [0003] 激光冲击强化技术的组成由脉冲激光、吸光的吸收保护层(常用黑色胶带)、透明的约束层(常用水幕)和金属材料/工件等组成；吸收保护层贴覆在金属材料/工件的表面，吸收保护层主要功能是吸收激光能量、保护金属材料/工件不被激光烧蚀；约束层施加在吸收保护层上，主要功能是约束等离子体膨胀过程、显著提升金属材料/工件所受的冲击波压力幅值。激光冲击强化的基本物理过程是脉冲激光穿过透明约束层辐照在吸收保护层上，激光能量被吸收保护层吸收，发生爆炸性气化蒸发形成高温高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量膨胀，在约束层作用下形成向材料内部传播的高压冲击波，当冲击波压力高于材料动态屈服极限即会造成塑性变形。 [0004] 隔框、桁梁等飞机内部主承力结构，服役过程中容易在严重疲劳载荷谱作用下发生疲劳裂纹故障，尤其军用飞机，影响结构服役寿命、甚至威胁飞行安全。利用激光冲击强化对上述主承力结构疲劳薄弱部位进行预处理，可达到提高疲劳强度、延长服役寿命的效果。但是，隔框、桁梁等结构位于飞机内部、甚至属于隔舱、油箱等，激光冲击强化约束层常用的水流，但是基于水流的特性，往往会存在水层流淌、飞溅、难于彻底清理、甚至影响相关舱段的使用功能的问题。 [0005] 为解决以上问题，急需一种可控、精准、快速的水约束层施加方法装置和施加方法。 发明内容[0006] 有鉴于此，本发明提供了一种封闭式激光冲击强化水约束层施加装置及方法，该装置的结构封闭模块可以提供一个前侧开口且开合角度可调、后侧封闭的隔离腔，可在飞机内部结构上施加水约束层的同时保证水流可控不外流并能适应不同曲率的待处理部位，以解决上述背景技术中提出的问题。 [0007] 本发明公开了一种封闭式激光冲击强化水约束层施加装置，包括： [0008] 结构封闭模块，所述结构封闭模块包括壳体和变形罩，所述变形罩的后端固定安装于所述壳体，所述变形罩的前端的开合角度可调，所述壳体和变形罩构成前侧开口且开合角度可调，后侧封闭的隔离腔； [0009] 角度调节模块，所述角度调节模块安装于壳体用于调节变形罩的开合角度。 [0011] 进一步，还包括光学调控模块，所述结构封闭模块还包括透光隔板，所述透光隔板设置于隔离腔，并将所述隔离腔分隔为水约束层腔和光学镜腔，所述光学调控模块包括传输光缆、聚焦光镜和光学振镜，所述传输光缆有壳体的外部穿过所述壳体并延伸至光学镜腔以用于发射激光，所述聚焦光镜和光学振镜沿激光的传输方向依次且同轴设置。 [0012] 进一步，所述水约束层施加模块还包括入口阀和入水管，所述抽水泵通过入水管与所述水约束层腔连通，以向水约束层腔内输送去离子水，所述入口阀安装于入水管用于控制入水管的通断。 [0013] 进一步，所述水约束层施加模块还包括出口阀和出水管，所述真空泵通过出水管与所述水约束层腔连通，以将水约束层腔内的去离子水抽出，所述出口阀安装于出水管用于控制出水管的通断。 [0016] 进一步，所述角度调节模块由多个伸缩杆构成，所述伸缩杆具有固定端和驱动端，所述固定端安装于所述壳体，所述驱动端安装于变形罩的前端周缘，多个所述伸缩杆分别伸缩以改变所述变形罩的前端的开合角度。 [0017] 本发明还公开了一种封闭式激光冲击强化水约束层施加方法，该方法基于前述的封闭式激光冲击强化水约束层施加装置，该方法具体包括以下步骤： [0018] S1：确认待处理部位的位置，通过角度调节模块调节变形罩以使得隔离腔的前侧与待处理部位相适形； [0019] S2：通过把手向壳体施压以使得固定吸盘和密封圈贴合于待处理部位的表面； [0020] S3：打开入口阀和抽水泵，通过抽水泵将去离子水送入水约束层腔，并充满水约束层腔以形成水约束层； [0021] S4：将传输光缆连接至激光冲击强化设备，激光冲击强化设备产生的脉冲激光经传输光纤、聚焦光镜、光学振镜、透光隔板、水约束层后辐照在待处理部位的表面上，实时调整光学振镜对待处理位置进行激光冲击强化； [0022] S5：激光冲击强化完成后，打开出口阀和真空泵，真空泵将水约束层腔里的去离子水快速排出水约束层腔。 [0023] 进一步，S1中，所述的待处理部位的表面覆盖设置有吸收保护层。 [0024] 进一步，S4中，所述透光隔板为透光玻璃。 [0025] 本发明的有益效果： [0026] 本发明公开了一种封闭式激光冲击强化水约束层施加装置及方法，通过结构封闭模块与待处理部位的表面完全贴合，实现了水约束层的封闭式施加；设置光学调控模块便于进行激光冲击；通过抽水泵、真空泵实现水约束层的快速施加与去除；本发明实现了飞机内部结构激光冲击强化过程中水约束层的快速施加和水流的封闭可控；整个装置及方法具有原理简单、操作性强、水流可控、结构适用性广、工程实用性好等特点。附图说明 [0027] 图1为本发明的实施例的水幕层施加示意图； [0028] 图2为本发明的结构剖视图； [0029] 图3本发明的方法流程图； [0030] 附图标记：飞机大型主承力隔框1，待处理部位2，吸收保护层3，壳体4，密封圈5，把手6，移动式激光冲击强化设备7，传输光纤8，聚焦光镜9，光学振镜10，透光隔板11，水约束层腔12，入口阀13，水管14，抽水泵15，真空泵16，固定杆17，变形罩18，伸缩杆19。 具体实施方式[0031] 图1为本发明的实施例的水幕层施加示意图；图2为本发明的结构剖视图；图3本发明的方法流程图；附图标记：飞机大型主承力隔框1，待处理部位2，吸收保护层3，壳体4，密封圈5，把手6，移动式激光冲击强化设备7，传输光纤8，聚焦光镜9，光学振镜10，透光隔板11，水约束层腔12，入口阀13，水管14，抽水泵15，真空泵16，固定杆17，变形罩18，伸缩杆19。 [0032] 需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便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。若无特殊说明，前侧是指靠近待处理部位的一侧。 [0033] 如图所示，本发明公开了一种封闭式激光冲击强化水约束层施加装置，包括： [0034] 结构封闭模块，所述结构封闭模块包括壳体4和变形罩18，本实施例的变形罩18为柔性的篷布构成，柔性的篷布可以并被调节的多自由度伸缩变形；所述变形罩18的后端固定安装于所述壳体4，所述变形罩18的前端的开合角度可调，所述壳体4和变形罩18构成前侧开口且开合角度可调，后侧封闭的隔离腔，在使用时，以隔离腔的开口对向待处理部位，调节开合角度以使得隔离腔的前侧开口周缘可以贴合在待处理位置处的表面，进而使得隔离腔在待处理部位形成了一个封闭的腔体结构；如图所示，壳体4为上部和前部未封闭的半开放式的箱体结构，变形罩18设置在壳体4上主要是封闭其上部，其前端的开合角度可调，可以更好地适应不同曲率的待处理部位2，以保证隔离腔可以完全将待处理部位2隔离，从而实现对水约束层的约束和控制。变形罩的前端开口的开合角度调整可以通过如手动调整，或是专用的调节部件进行调节，由于变形罩为柔性的篷布，其形变是容易实现的，且形变的方式也是现有技术在此处的应用，故不赘述。吧 [0035] 角度调节模块，所述角度调节模块安装于壳体4用于调节变形罩18的开合角度。 [0036] 水约束层施加模块，包括用于向隔离腔内输送去离子水的抽水泵15和用于将隔离腔内的去离子水抽出的真空泵16。通过抽水泵15向隔离腔内泵水，使得去离子水充满腔体，便形成了水约束层，当需要撤去水约束层时，使用离心泵将其抽出即可，方便高效，结构简单。 [0037] 本实施例中，还包括光学调控模块，所述结构封闭模块还包括透光隔板11，所述透光隔板11设置于隔离腔，并将所述隔离腔分隔为水约束层腔12和光学镜腔，所述光学调控模块包括传输光缆、聚焦光镜9和光学振镜10，所述传输光缆有壳体4的外部穿过所述壳体4并延伸至光学镜腔以用于发射激光，所述聚焦光镜9和光学振镜10沿激光的传输方向依次且同轴设置。设置光学调控模块是为了便于开展激光冲击强化，在实际使用时只要将激光发生装置，如移动式激光冲击强化设备7的激光发射口连接到传输光缆便可以开展激光冲击强化了。在设置时，传输光缆的设置位置在壳体4宽度方向的中部，以保证在施加激光进行强化冲击时可以全面辐照待处理部位2。 [0038] 本实施例中，所述水约束层施加模块还包括入口阀13和入水管14，所述抽水泵15通过入水管14与所述水约束层腔12连通，以向水约束层腔12内输送去离子水，所述入口阀13安装于入水管14用于控制入水管14的通断。本实施例中，所述水约束层施加模块还包括出口阀和出水管14，所述真空泵16通过出水管14与所述水约束层腔12连通，以将水约束层腔12内的去离子水抽出，所述出口阀安装于出水管14用于控制出水管14的通断。通过在水约束层腔12内灌注去离子水以形成水约束层，本实施例的出口阀和入口阀13为电磁阀，电磁阀响应快，易控制，入口阀13和出口阀如图分别安装再壳体4的两侧，入水管14和出水管 14分别连接至两个阀门上，本实施例的入水管14和出水管14为相同管径的水管14，更便于后期的安装和使用。 [0039] 本实施例中，所述结构封闭模块还包括用于将壳体4固定于设定位置的固定组件，所述固定组件包括固定杆17和固定吸盘，所述固定杆17长度可调，固定杆17安装于壳体4，所述固定吸盘安装于固定杆17的末端。如图所示，固定杆17为“L”型结构，其末端的固定吸盘可以吸附在待处理部位2的表面，实现了壳体4在设定位置的固定，本实施例的设定位置就是待处理位置。固定杆17的长度可调是为了适应不同结构和形状的部件。固定组件可同时设置多组，以保证在进行水约束层施加以及激光强化冲击时壳体4能够固定安装在待处理位置。 [0040] 本实施例中，所述壳体4的周缘还设置有用于提高密封性的密封圈5和便于持握的把手6。 [0041] 本实施例中，所述角度调节模块由多个伸缩杆19构成，所述伸缩杆19具有固定端和驱动端，所述固定端安装于所述壳体4，所述驱动端安装于变形罩18的前端周缘，多个所述伸缩杆19分别伸缩以改变所述变形罩18的前端的开合角度。分别伸缩是指每一个伸缩杆19具有不同的伸缩量，以保证能够调整到设计需要的开合角度。 [0042] 本实施例将以飞机大型主承力隔框1为实施对象，展开阐述一种封闭式激光冲击强化水约束层施加方法，该方法基于前述的封闭式激光冲击强化水约束层施加装置。 [0043] 飞机大型主承力隔框1的上部转角位置容易发生疲劳裂纹故障，由于该位置处于飞机内部，激光冲击强化过程中水约束层容易四处流动，难于控制，影响飞机隔框1功能使用；隔框1原材料为TC4钛合金，隔框1上部转角曲率R为5mm，以上为本实施例的背景。 [0044] 一种封闭式激光冲击强化水约束层施加方法，具体包括以下步骤： [0045] S1：在飞机内部大型隔框1的顶部转角部位确认待处理部位2的具体位置，以3M黑胶带作为吸收保护层3贴覆于转角R区域。根据隔框1顶部转角周边结构的空间特征，通过角度调节模块调节变形罩18的前端开合角度，以使得隔离腔的前侧与待处理部位2相适形； [0046] S2：通过手握把手6将结构封闭模块按压至隔框1顶部转角部位，使整个结构封闭模块正对着贴覆了黑胶带的转角区域、即待处理部位2，并调节固定组件上的长度调节旋钮，使辅助固定装置上的吸盘完全吸附在待处理区域上，增强装置的贴合性和密闭性；通过把手6向壳体4施压以使得固定吸盘和密封圈5贴合于待处理部位2的表面； [0047] S3：打开入口阀13和抽水泵15，通过抽水泵15将去离子水送入水约束层腔12，并充满水约束层腔12以形成水约束层，至去离子水充满整个水约束层腔12，以形成水约束层，保证脉冲激光在水约束层腔12体12中的顺利传播。 [0048] S4：将传输光缆连接至移动式激光冲击强化设备7，启动移动式激光冲击强化设备7，将激光冲击强化工艺参数设定为：波长1064nm，脉宽20ns，脉冲能量6J，光斑大小3mm，激 2 光功率密度4.24GW/cm，移动式激光冲击强化设备7产生的脉冲激光经传输光纤8、聚焦光镜9、光学振镜10、透光隔板11、水约束层后辐照在待处理部位2的表面上，实时调整光学振镜10对待处理位置进行激光冲击强化表面处理；通过控制光学振镜10偏转，实现脉冲激光对整个待处理区域进行激光冲击强化，并控制光斑搭接率为50％；光学振镜10的偏转为现有技术在此处的引用，在此不再赘述。 [0049] S5：激光冲击强化完成后，打开出口阀和真空泵16，真空泵16将水约束层腔12里的去离子水快速排出水约束层腔12。 [0050] 若待处理区域较大，一次无法全部处理，则移动壳体4，重复S1‑S5，直至所有的待处理部分被强化完全。 [0051] 本实施例中，S1中，所述的待处理部位2的表面覆盖设置有吸收保护层3。吸收保护层施加与否可根据实际需要而定，在设置吸收保护层3时，需要在S1步骤之前完成整个待处理部位2的吸收保护层3的贴覆和检查。 [0052] 本实施例中，S4中，所述透光隔板11为透光玻璃。 [0053] 在本实施例中，还设置有控制器用于控制本发明的装置，如入口阀13和出口阀的开闭，抽水泵15和真空泵16的启停，以及光学振镜10的偏转，均可以接入本控制器，甚至可以将激光冲击强化设备的控制也接入本控制器，以实现集中控制，便于操作和使用，此为现有技术在此处的引用，在此不赘述。 |
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