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Abstract

本发明公开了一种光内送水激光冲击强化的方法和装置，使用水流通过设置在圆形激光束经过光路变换后形成的中空激光束内、并与中空激光束同轴的主水管底部的喷头沿整个周向喷向工件待加工区域形成稳定、厚度均匀的水约束层，从而很好地保证工件表面残余压应力均匀分布。该方法形成的水约束层不受工件表面形貌和表面质量的影响，适合于加工曲面工件，如叶片等。同时采用中空激光束也有利于显著减少工件表层的“应力洞”效应。

Description

一种光内送水激光冲击强化的方法和装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指一种激光冲击强化的方法，以及实现这种方法的装置，适合于加工曲面工件，如叶片等。
背景技术
激光冲击强化LSP,又叫激光喷丸,是一种新型的材料表面强化技术，利用强激光诱导的冲击波力学效应对材料进行加工，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点。其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力。
要实现激光冲击波的力学强化效果，必须在激光冲击过程中使用约束层，约束层覆盖在工件表面，其厚度、材质的成分和性能直接影响激光冲击强化的效果。目前，国内外文献和试验中所使用的约束层介质包括K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶、合成树脂和水等。水约束层的优点是廉价、清洁、重复效果好，可加工曲面，而且流动的水约束层可以带走等离子体***后的固体粉尘颗粒，具有明显的优势，工业中激光冲击强化结构金属构件通常使用水约束层。稳定、均匀的水约束层是在工件表层形成均匀残余压应力分布，提高疲劳寿命的重要保证。
目前国内多采用传统水约束层的方法和装置，即通过外置水龙头的扁平喷嘴沿某一方向朝工件表面喷水，形成厚度约2-3 mm的流动水幕作为约束层。该方法的不足之处在于：为了避免加工区域出现紊流，喷水点与加工区域存在一定距离，因此不能保证工件移动过程中喷水动作与激光冲击动作的同步性，会影响加工区域水约束层的稳定性。另外，工件表面形貌和表面质量对加工区域水约束层的影响较大，当工件表面为曲面时凸面部分曲面和水约束层间容易形成空隙，从而入射激光束烧蚀工件表面，形成加工破坏，凹面部分曲面形成较厚的水膜影响激光冲击强化效果；即使当工件表面为平面时，由于不同区域表面质量的不同也会使加工区域水约束层出现紊流。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种光内送水激光冲击强化的方法和装置，提高工区域水约束层的稳定性，避免加工破坏，提高激光冲击强化效果。
为了解决以上技术问题，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种光内送水激光冲击强化装置，包括：激光器(1)、激光器控制装置(2)、光路变换器(4)、夹具(13)、五轴工作台(14)、主水管(5)、喷头(9)、进水管(10)、水流控制器(12)和水箱(11)；激光器(1)位于五轴工作台(14)对面；激光器控制装置(2)连接在激光器(1)上，控制激光器的输出脉冲能量，光斑直径以及脉冲宽度；夹具(13)安装在五轴工作台(14)上；光路变换器(4)位于激光器(1)和五轴工作台(14)之间；主水管(5)安装在光路变化器(4)上；喷头(9)与主水管(5)底部的连接口通过螺纹连接；进水管(10)一端与主水管(5)上端相连，另一端与水箱(11)相连；水流控制器(12)连接在进水管(10)上，用于控制水流的流量和压力。
所述主水管(5)为不锈钢制，上端密封，底部和上侧设置有连接口，并与中空激光束同轴。
所述喷头(9)的工作面为顶角是170°的圆锥面，出水口宽度D为1-2 mm。
所述水流控制器(12)用于控制水流压力值范围在0.1-0.3 MPa，同时控制水流的喷水周期与激光冲击的周期一致。
一种利用所述光内送水激光冲击强化装置对光内送水激光冲击强化的方法，其特征在于：水流通过设置在圆形激光束经过光路变换后形成的中空激光束内、并与中空激光束同轴的主水管底部的喷头沿整个周向喷向工件形成厚度均匀的水约束层，使所述水约束层不受工件表面形貌和表面质量的影响，具体包括以下步骤：
步骤一，打开激光器，通过激光器控制装置设定激光器的输出脉冲能量，光斑直径以及脉冲宽度；
步骤二，通过光路变换器将圆形激光束转换为中空激光束，所述中空激光束与主水管同轴并且不与主水管发生干涉，中空激光束的内径与喷头外径相等；
步骤三，关闭激光器，将工件表面涂上吸收层后安装在五轴工作台的夹具上，然后通过五轴工作台移动工件，使其待加工区域与喷头底面的距离为                                                
Figure 808007DEST_PATH_IMAGE001
， L是喷头上部底面半径比下部底面半径大出来的量；
步骤四，打开水箱开关，通过水流控制器调节水流压力，使工件待加工区域表面形成稳定、厚度为1-2 mm且均匀分布的水约束层，然后再设定喷水周期，保证喷水动作与激光冲击动作的同步性；
步骤五，打开激光器开始对工件表面进行激光冲击强化，通过五轴工作台控制工件的移动和转动完成对整个工件表面的强化。
水流通过喷头沿水管底部整个圆周方向呈圆锥面喷出，圆锥面的顶角范围为150°-180°。
本发明的创新之处在于，水流从中空激光束内喷向加工区域形成水约束层，其喷水点与加工区域紧邻，通过设置喷水周期和激光冲击周期，能有效保证工件移动过程中喷水动作与激光冲击动作的同步性；同时，该方法形成的水约束层稳定性和均匀性不受加工区域外工件表面形貌和表面质量的影响，能有效解决加工曲面工件时水约束层稳定性和均匀性的问题。
本发明的有益效果如下：采用中空激光进行激光冲击强化能够显著减少工件表层的“应力洞”效应，有利于工件表层残余压应力的均匀分布；水流通过主水管底部的喷头沿整个周向均匀喷出，通过控制水流的流量和压力就可以在工件表面很小的待加工区域形成厚度均匀的水约束层，从而使工件表层产生均匀的残余压应力，而不会受工件表面形貌和表面质量的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1所示为光内送水激光冲击强化的示意图。
图中：1. 激光器，2. 激光器控制装置，3. 圆形激光束，4. 光路变化器，5. 主水管，6. 中空激光束，7. 工件，8. 吸收层，9. 喷头，10.进水管，11. 水箱，12. 水流控制器，13. 夹具，14. 五轴工作台。
图2为喷头结构示意图。
图中：15. 连接螺纹，16. 进水口，17. 锥形出水口，18. 连接杆。
具体实施方式
下面结合附图详细描述一下本发明的具体内容。
实施例一：
一种光内送水激光冲击强化的装置，如图1所示，包括：激光器1、激光器控制装置2、光路变换器4、夹具13、五轴工作台14、主水管5、喷头9、进水管10、水流控制器12和水箱11；其中喷头9结构如图2所示，包括：连接螺纹15、进水口16、锥形出水口17、连接杆18。
夹具13安装在五轴工作台14上；激光器1位于五轴工作台14对面；激光器控制装置2连接在激光器1上，控制激光器的输出脉冲能量，光斑直径以及脉冲宽度；光路变换器4位于激光器1和五轴工作台14之间，用于将圆形激光束3变换为中空激光束6；主水管5安装在光路变化器4上；喷头9与主水管5底部的连接口通过螺纹连接；进水管10一端与主水管5上侧的连接口通过螺纹连接，另一端与水箱11连接；水流控制器12连接在进水管10上，用于控制水流的流量和压力；喷头9的上、下两部分通过连接杆18焊接在一起，形成锥形的出水口17，其上端有连接螺纹15，中间为进水口16。
实施例二：
实施光内送水激光冲击强化的具体步骤为：
 (1) 打开激光器1，通过激光器控制装置2设定激光器1的输出脉冲能量6 J，光斑直径3 mm以及脉冲宽度20 ns；
(2) 通过光路变换器2将圆形激光束3转换为中空激光束6，要求该中空激光束6与主水管5同轴并且不与主水管5发生干涉，中空激光束6的内径与喷头9的外径相等，均为4 mm；
(3) 关闭激光器1，将工件7表面涂上吸收层8后安装在五轴工作台14的夹具13上，然后选择喷头出水口宽度D为1 mm，L为1.2 mm，根据公式
Figure 536928DEST_PATH_IMAGE001
通过五轴工作台14移动工件7，使其待加工区域与喷头9底面的距离为0.1 mm；
(4) 打开水箱11的开关，通过水流控制器12调节水流的压力为0.1MPa，水流通过喷头沿水管底部整个圆周方向呈圆锥面喷出，圆锥面的顶角为150°，使工件7待加工区域表面形成稳定、厚度为1-2 mm且均匀分布的水约束层，然后再设定喷水周期，保证喷水动作与激光冲击动作的同步性；
(5) 打开激光器1开始对工件7表面进行激光冲击强化，通过五轴工作台14控制工件7的移动和转动完成对整个工件7表面的强化。
实施例三：
将实施例二中的喷头出水口宽度D设为1.5 mm，水流的压力设为0.2 MPa，圆锥面的顶角为170°，其它方法和步骤不变。
实施例四：
将实施例二中的喷头出水口宽度D设为2 mm，水流的压力设为0.3 MPa，圆锥面的顶角为180°，其它方法和步骤不变。

Claims (6)

1.一种光内送水激光冲击强化装置，包括：激光器(1)、激光器控制装置(2)、光路变换器(4)、夹具(13)、五轴工作台(14)、主水管(5)、喷头(9)、进水管(10)、水流控制器(12)和水箱(11)；激光器(1)位于五轴工作台(14)对面；激光器控制装置(2)连接在激光器(1)上，控制激光器的输出脉冲能量，光斑直径以及脉冲宽度；夹具(13)安装在五轴工作台(14)上；光路变换器(4)位于激光器(1)和五轴工作台(14)之间；主水管(5)安装在光路变化器(4)上；喷头(9)与主水管(5)底部的连接口通过螺纹连接；进水管(10)一端与主水管(5)上端相连，另一端与水箱(11)相连；水流控制器(12)连接在进水管(10)上，用于控制水流的流量和压力。
2. 一种如权利要求1所述的光内送水激光冲击强化装置，其特征在于：所述主水管(5)为不锈钢制，上端密封，底部和上侧设置有连接口，并与中空激光束同轴。
3. 一种如权利要求1所述的光内送水激光冲击强化装置，其特征在于：所述喷头(9)的工作面为顶角是170°的圆锥面，出水口宽度D为1-2 mm。
4. 一种如权利要求1所述的光内送水激光冲击强化装置，其特征在于：所述水流控制器(12)用于控制水流压力值范围在0.1-0.3 MPa，同时控制水流的喷水周期与激光冲击的周期一致。
5. 一种利用如权利要求1所述的光内送水激光冲击强化装置对光内送水激光冲击强化的方法，其特征在于：水流通过设置在圆形激光束经过光路变换后形成的中空激光束内、并与中空激光束同轴的主水管底部的喷头沿整个周向喷向工件形成厚度均匀的水约束层，使所述水约束层不受工件表面形貌和表面质量的影响，具体包括以下步骤：
步骤一，打开激光器，通过激光器控制装置设定激光器的输出脉冲能量，光斑直径以及脉冲宽度；
步骤二，通过光路变换器将圆形激光束转换为中空激光束，所述中空激光束与主水管同轴并且不与主水管发生干涉，中空激光束的内径与喷头外径相等；
步骤三，关闭激光器，将工件表面涂上吸收层后安装在五轴工作台的夹具上，然后通过五轴工作台移动工件，使其待加工区域与喷头底面的距离为                                               
Figure 750329DEST_PATH_IMAGE002
， L是喷头上部底面半径比下部底面半径大出来的量；
步骤四，打开水箱开关，通过水流控制器调节水流压力，使工件待加工区域表面形成稳定、厚度为1-2 mm且均匀分布的水约束层，然后再设定喷水周期，保证喷水动作与激光冲击动作的同步性；
步骤五，打开激光器开始对工件表面进行激光冲击强化，通过五轴工作台控制工件的移动和转动完成对整个工件表面的强化。
6. 一种如权利要求5所述的光内送水激光冲击强化方法，其特征在于：水流通过喷头沿水管底部整个圆周方向呈圆锥面喷出，圆锥面的顶角范围为150°-180°。
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