CN103526008A - 一种激光冲击波强化方法和装置 - Google Patents

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戴峰泽
张永康
温德平
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Abstract

本发明公开了一种激光冲击波强化方法和装置，由工作台、夹具、工件、约束层、去离子水、喷嘴、聚焦镜、整形透镜、激光发生器和控制***组成；整形透镜的上表面由A、B、C、D、E、F、G七个平面组成，这七个平面构成一个正六棱台的六个侧面和顶面，其中顶面A平行于整形透镜的底面；平面A为一个正六边形，其外接圆的直径与激光发生器发出的平行激光束的直径相等；采用正六边形激光光斑产生的激光冲击波强化金属表面。采用本发明可以获得疲劳寿命高于圆形光斑和方形光斑强化处理的金属表面，可应用于金属表面的强化处理。

Description

一种激光冲击波强化方法和装置
技术领域
本发明涉及特种加工领域，具体地是指一种激光冲击波强化方法和装置。 
背景技术
激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深。21世纪初，美国将激光冲击技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。 
激光冲击强化一般采用圆形激光光斑进行，激光冲击强化是通过强冲击波对金属表面进行强化处理，因此，会在表面造成塑形变形，当对大面积的区域进行激光冲击强化时，为使整个处理区域得到强化，相邻光斑之间必须要有一定的搭接量，形成一定的重叠区域，这些区域由很多圆弧形的塑形变形区域，相互交错，使表面粗糙度大幅上升，在很大程度上抵消了由残余压应力引起的疲劳寿命提高。专利号为200810089032.8，名称为一种激光束整形五分透镜提出了采用方形光斑强化金属表面，大大的降低了圆形光斑的不利因素，但是，采用方形光斑进行激光冲击强化处理时，其搭接区域形成多道方向相同、贯穿整个处理区域的塑形变形带，疲劳裂纹很容易沿着这些区域扩散。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光冲击波强化方法和装置, 以提高激光能量的利用率，降低激光冲击强化由于塑性变形引起的表面粗糙度，阻止疲劳裂纹在搭接部位的扩展，提高工件疲劳寿命。 
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下： 
一种激光冲击波强化方法，其特征在于：采用正六边形激光光斑产生的激光冲击波强化金属表面。
实施所述的一种激光冲击波强化方法的装置，其特征在于：由工作台(1)、夹具(2)、工件(3)、吸收层(4)、去离子水(5)、喷嘴(6)、聚焦镜(7)、整形透镜(8)、激光发生器(9)、和控制***(10)组成；夹具(2)安装在工作台(1)上；工件(3)安装在夹具(2)上；吸收层(4)覆盖在工件(3)的待处理表面；聚焦镜(7)和整形透镜(8)的轴心重合；激光发生器(9)发出的高能脉冲激光对准整形透镜(8)的轴心；通过聚焦镜(7)聚焦后的激光光斑照射在吸收层(4)上；喷嘴(6)喷出的去离子水(5)覆盖在聚焦后的激光光斑位置。 
所述整形透镜(8)的上表面由A、B、C、D、E、F、G七个平面组成，所述七个平面构成一个正六棱台的六个侧面和顶面，平面A位于顶面且平行于整形透镜(8)的底面；平面A为一个正六边形，且平面A的接圆(81)的直径与激光发生器(9)发出的平行激光束的直径相等。 
所述的高能脉冲激光(6)的脉宽范围为10~30ns，脉冲能量范围为1~100J。 
本发明的工作原理为：光斑搭接会引起的表面粗糙度上升，从而降低工件疲劳寿命。采用正六边形搭接方式，与圆形光斑相比，可以大大降低粗糙度，提高工件疲劳寿命；与方形光斑相比，粗糙度基本相同，相邻光斑搭接区域成120度角，且长度较短，可以阻止疲劳裂纹在搭接部位的扩展，提高工件疲劳寿命。 
本发明具有有益效果。本发明通过采用整形透镜，可以获得正六边形光斑，提高了激光能量的利用率，降低了激光冲击强化由于塑性变形引起的表面粗糙度；通过采用正六边形方式激光光斑冲击强化处理工件，可以阻止疲劳裂纹在搭接部位的扩展，提高工件疲劳寿命。 
附图说明
图1是激光冲击波强化装置示意图； 
图2是本发明的整形透镜示意图；
图3是本发明的正六边形搭接方式强化金属表面示意图。
图中：1工作台  2夹具  3工件  4吸收层  5去离子水  6喷嘴  7聚焦镜  8整形透镜  9激光发生器  10控制***。 
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种激光冲击波强化方法和装置进行详细说明。 
本发明的一种激光冲击波强化装置如图1所示，由工作台1、夹具2、工件3、吸收层4、去离子水5、喷嘴6、聚焦镜7、整形透镜8、激光发生器9、和控制***10组成。整形透镜8的结构如图2所示。 
夹具2安装在工作台1上；工件3安装在夹具2上；吸收层4覆盖在工件3的待处理表面；聚焦镜7和整形透镜8的轴心重合；激光发生器9发出的高能脉冲激光对准整形透镜8的轴心；通过聚焦镜7聚焦后的激光光斑照射在吸收层4上；喷嘴6喷出的去离子水5覆盖在聚焦后的激光光斑位置。 
实施实例一：
本实例中，正六边形搭接方式强化金属表面方式如图3所示。所述激光发生器9为高能脉冲激光，脉宽为10ns，最高脉冲能量为12J；吸收层4为厚度为80μm的铝箔；工件3材质为LY2铝合金；聚焦后正六边形激光光斑边长为1.5mm。
激光发生器9发出的高能脉冲激光透过整形透镜8后，并经聚焦镜7聚焦后，辐照到吸收层4对工件3进行第一个光斑的激光冲击强化；控制***10控制工作台1沿X方向和Y方向完成激光冲击强化，光斑之间的搭接距离为0.1mm。 
实施实例二：
本实例中，所述激光发生器9为高能脉冲激光，脉宽为10ns，最高脉冲能量为12J；吸收层4为厚度为100μm的铝箔；工件3材质为A304不锈钢；聚焦后正六边形激光光斑边长为1.5mm。
激光发生器9发出的高能脉冲激光透过整形透镜8后，并经聚焦镜7聚焦后，辐照到吸收层4对工件3进行第一个光斑的激光冲击强化；控制***10控制工作台1沿X方向和Y方向完成激光冲击强化，光斑之间的搭接距离为0.2mm。 
实施实例三：
本实例中，所述激光发生器9为高能脉冲激光，脉宽为10ns，最高脉冲能量为12J；吸收层4为厚度为150μm的铝箔；工件3材质为TC17钛合金；聚焦后正六边形激光光斑边长为1.5mm。
激光发生器9发出的高能脉冲激光透过整形透镜8后，并经聚焦镜7聚焦后，辐照到吸收层4对工件3进行第一个光斑的激光冲击强化；控制***10控制工作台1沿X方向和Y方向完成激光冲击强化，光斑之间的搭接距离为0.5mm。 
  

Claims (4)

1.一种激光冲击波强化方法，其特征在于：采用正六边形激光光斑产生的激光冲击波强化金属表面。
2.实施如权利要求1所述的一种激光冲击波强化方法的装置，其特征在于：由工作台(1)、夹具(2)、工件(3)、吸收层(4)、去离子水(5)、喷嘴(6)、聚焦镜(7)、整形透镜(8)、激光发生器(9)、和控制***(10)组成；夹具(2)安装在工作台(1)上；工件(3)安装在夹具(2)上；吸收层(4)覆盖在工件(3)的待处理表面；聚焦镜(7)和整形透镜(8)的轴心重合；激光发生器(9)发出的高能脉冲激光对准整形透镜(8)的轴心；通过聚焦镜(7)聚焦后的激光光斑照射在吸收层(4)上；喷嘴(6)喷出的去离子水(5)覆盖在聚焦后的激光光斑位置。
3.如权利要求2所述的一种激光冲击波强化装置，其特征在于：所述整形透镜(8)的上表面由A、B、C、D、E、F、G七个平面组成，所述七个平面构成一个正六棱台的六个侧面和顶面，平面A位于顶面且平行于整形透镜(8)的底面；平面A为一个正六边形，且平面A的接圆(81)的直径与激光发生器(9)发出的平行激光束的直径相等。
4.如权利要求2所述的一种激光冲击波强化装置，其特征在于：所述的高能脉冲激光(6)的脉宽范围为10~30ns，脉冲能量范围为1~100J。
 
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