热影响区可控的激光温喷丸表面强化方法及装置

摘要

一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化方法及装置，其特征是所述的装置包括激光器、高频交流电源及高压线圈、红外测温探头、导轨及电机、计算机系统等。本发明装置利用激光收发装置反应灵敏、感应加热速度极快以及计算机系统控制精确等优点，实现精确控制激光温喷丸过程中金属材料的表面温度以及热影响区深度，可以实现在不影响金属工件芯部材料性能的同时大幅提高工件表面的力学性能，同时温度与激光脉冲实现闭环控制，便于实现自动化生产，本发明装置具有结构简单，生产率高以及成本低廉等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光加工技术，尤其是一种激光冲击加工技术，具体地说是一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化方法及装置。

背景技术

激光温喷丸，又称为基于温度辅助的激光喷丸，是一种新型的表面强化处理技术，通过在一定的温度效应下进行激光冲击，可以实现更高的位错密度以及位错缠结，同时伴随着动态应变时效和动态析出的出现。这些特点决定了激光温喷丸能够达到比机械喷丸更加优良的表面强化效果。同时，激光温喷丸能够通过动态应变时效和动态析出产生比激光喷丸和机械喷丸更加稳定的残余压应力，这也说明激光温喷丸能在一定程度上降低喷丸对材料的机械损伤，从而显著提高材料的疲劳强度。

但是目前常用的激光温喷丸设备均采用零件整体加热的方式，即将整个工件全部加热至某个温度，然后进行激光冲击，例如专利号为CN103266204B以及CN102925836B的专利分别提出了一种提高激光高温喷丸约束效果的方法及装置以及一种基于动态应变时效的激光喷丸航空钛合金的方法及装置，都使用加热平台对工件的表面温度进行调节，这种方法虽然可以实现工件表面的温度控制，但是整个工件均在高温影响范围内，工件芯部材料在高温作用发生组织与性能变化，往往会带来机械性能的降低，这对于提高工件整体的力学性能是不利的，特别是对于厚度较大的工件来讲，通过厚度方向传热来实现表面温度控制是不可行的。

与本专利的相近专利还有专利号为CN102927816A的专利申请，其提出一种感应加热炉，利用感应线圈对炉内物体进行加热，但是该类型装置无法直接应用至激光温喷丸表面强化过程中，因为：（1）无法对激光温喷丸过程中的热影响区深度进行控制；（2）不能实时测量激光温喷丸区域的表面温度；（3）不具备温度闭环控制，不能实现与激光器之间的通信，不易实现自动化生产要求。

因此，本发明提出一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化装置，可以实现精确控制激光温喷丸过程中金属材料的表面温度以及热影响区深度，同时温度与激光脉冲实现闭环控制，便于实现自动化生产。

通过对国内外文献进行检索，目前还没有发现热影响区可控的激光温喷丸表面强化装置，本发明为首次提出该装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的工件热影响可控性差的问题，发明一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化方法，同时提供一种相应的装置。

本发明的技术方案之一是：

一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化方法，其特征是：

（1）利用激光收发装置作为高频感应加热线圈移动位置的触发装置；

（2）利用计算机系统和丝杆传动装置精确控制高频感应加热线圈的移动距离，从而实现精确控制激光温喷丸过程中金属材料的表面温度以及热影响区深度，能实现在不影响金属工件芯部材料性能的同时大幅提高工件表面的力学性能，同时利用测得的温度与激光脉冲实现闭环控制，便于实现自动化生产。

所述的热影响区深度的控制主要依靠激光发射器，激光接收器以及计算机系统完成；计算机系统控制电动机运转，通过丝杠和导轨控制线圈夹具从初始位置向工件表面运动，当激光接收器无法接收到激光发射器的光线时，激光接收器发送数字信号到计算机系统对该位置信息进行标定，计算机系统根据设置的热影响区深度以及感应加热特点控制高压线圈继续移动的距离，从而实现热影响区深度的精确控制。

本发明的技术方案之二是：

一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化装置，其特征是包括：

一工作台1，该工作台1用于通过工件夹具4固定工件2，工件2的表面在进行激光温喷丸加工前贴装有黑漆层11；

一运动平台5，该动动平台5用于安装并带动工作台1在计算机系统控制下按设定的规迹移动；

一高压线圈9，该高压线圈9能在线圈传动系统带动下向工件2移动并将工件2需加热部分套装在其中从而实现加热深度可控，高压线圈9由高频交流电源8供电，交流电源8受控于计算机系统16；

一激光器17，该激光器安装在工件需进行激光温喷丸的一侧并受控于计算机系统16；

一红外测温头10，该红外测温头安装在工件需进行激光温喷丸的一侧，它被用于测量工件表面的加热温度并实时反馈给计算机系统16用于闭环控制线圈的加热温度；

一激光诱导冲击波约束系统，它主要用于在激光温喷丸加工过程中对激光束进行约束。

所述的工件夹具4为磁性夹具。.

所述的线圈传动系统包括导轨12、丝杠22、电机13、线圈夹具23、激光发射器24和激光接收器25，导轨12的一端固定安装在工作台1的侧面上，电机安装在导轨13的另一端上并与丝杠22相连，线圈夹具23旋装在丝杠上并与高压线圈9相连，夹线圈夹具23在丝框22的带动下沿导轨12移动；所述的激光发射器24和激光接收器25分别安装在高压线圈9两侧的线圈夹具23上，激光发射器24的发射光线与高压线圈面对工件2的一侧面平齐，以便当高压线圈移动到工作表面时激光被工件阻挡，激光接收器无法接收到激光并反馈到计算机系统16，此时高压线圈的位置作为加热深度的标定位置，由计算机系统按设定的加热深度驱动丝杠带动高压线圈移动到设定位置。

所述的激光诱导冲击波约束系统主要由硅油桶14、液压泵18、喷嘴21和硅油收集桶6组成，液压泵18通过进油管15将硅油桶14中的硅油吸出通过出油管20送至位于工件斜上方的喷嘴21中，硅油收集桶6安装在工件2的下部并通过回油管7与硅油桶14相连。

在所述的进油管15和出油管20之间设有连通管，在所述的连接管上安装有电磁溢流阀19，电磁溢流阀与计算机系统16电气连接。

工件表面温度通过红外测温仪、高频交流电源、高压线圈以及计算机系统实现闭环控制，并通过计算机系统与激光器进行信息交互；红外测温仪实时测量工件表面的温度，并将其反馈至计算机系统，若温度低于设置温度，计算机系统控制激光器关闭出光开关，并开启高频电源开关，通过高压线圈实现快速加热，达到设置温度后计算机系统接受红外测温仪的信号，关闭高频电源开关并控制开启激光器的出光开关开始激光温喷丸表面强化，从而实现全闭环自动化生产。

所述的红外测温探头的测量频率为10 ~20 Hz。

本发明的有益效果为：

（1）采用激光收发装置实现热影响区深度的精确控制，在不影响金属工件芯部材料性能的同时大幅提高工件表面的力学性能，真正实现激光温喷丸表面强化。

（2）通过计算机系统，红外测温探头、高压线圈及高频电源、激光器实现闭环控制，温度控制精度较高，保证了激光温喷丸表面强化的可靠性。

（3）激光温喷丸整个过程在计算机系统控制下完成，自动化程度较高，便于自动化生产。

（4）本装置结构简单，成本较低。

附图说明

图1是本发是有热影响区可控的激光温喷丸表面强化装置结构示意图。

图2是图1的局部放大示意图及其侧视图。

图中：1.工作台；2.工件，3.固定螺栓；4.工件夹具；5.运动平台；6.硅油收集桶；7.回油管；8.高频交流电源；9.高压线圈；10.红外测温探头；11.黑漆；12.导轨；13.异步电动机；14.硅油桶；15.进油管；16.计算机系统；17.激光器，18.液压泵；19.电磁溢流阀；20.出油管；21.喷嘴；22.丝杠；23.线圈夹具；24.激光发射器；25激光接收器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图1-2所示。

一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化方法，它包括以下步骤：

（1）利用激光收发装置作为高频感应加热线圈移动位置的触发装置；利用激光收发装置反应灵敏、高频感应加热速度快以及计算机系统控制精确等优点，实现精确控制激光温喷丸过程中金属材料的表面温度以及热影响区深度，可以实现在不影响金属工件芯部材料性能的同时大幅提高工件表面的力学性能，同时温度与激光脉冲实现闭环控制，便于实现自动化生产。

（2）利用计算机系统和丝杆传动装置精确控制高频感应加热线圈的移动距离，从而实现精确控制激光温喷丸过程中金属材料的表面温度以及热影响区深度，能实现在不影响金属工件芯部材料性能的同时大幅提高工件表面的力学性能，同时利用测得的温度与激光脉冲实现闭环控制，便于实现自动化生产。

所述的热影响区深度的控制主要依靠激光发射器，激光接收器以及计算机系统完成；计算机系统控制电动机运转，通过丝杠和导轨控制线圈夹具从初始位置向工件表面运动，当激光接收器无法接收到激光发射器的光线时，激光接收器发送数字信号到计算机系统对该位置信息进行标定，计算机系统根据设置的热影响区深度以及感应加热特点控制高压线圈继续移动的距离，从而实现热影响区深度的精确控制。

其基本操作步骤如下：

（1）将涂有黑漆11的工件2使用工件夹具4夹持在工作台1上，并开启计算机系统16、激光器17、运动平台5以及液压泵18。如图1所示。

（2）在计算机系统16上设置激光器17的能量（0~20J）、频率（0.5~10Hz）等激光参数以及表面温度（≤500℃）和热影响区深度（≤3 mm）。

（3）设置完成后开始运行激光温喷丸程序，系统自动运行并开始激光温喷丸表面强化。

（4）喷丸结束后，系统自动初始化，将高压线圈9移动至初始位置；关闭液压泵18、运动平台5、激光器17、计算机系统16以及高频电源8开关，最后取下工件2并对系统进行维护。

实施例二。

如图1、2所示。

一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化装置，它包括：

一工作台1，该工作台1用于通过工件夹具4（可采用磁性夹具）固定工件2，工件2的表面在进行激光温喷丸加工前贴装有黑漆层11；

一运动平台5，该动动平台5用于安装并带动工作台1在计算机系统控制下按设定的规迹移动；

一高压线圈9，该高压线圈9能在线圈传动系统带动下向工件2移动并将工件2需加热部分套装在其中从而实现加热深度可控，高压线圈9由高频交流电源8供电，交流电源8受控于计算机系统16；所述的线圈传动系统包括导轨12、丝杠22、电机13、线圈夹具23、激光发射器24和激光接收器25，导轨12的一端固定安装在工作台1的侧面上，电机安装在导轨13的另一端上并与丝杠22相连，线圈夹具23旋装在丝杠上并与高压线圈9相连，夹线圈夹具23在丝框22的带动下沿导轨12移动；所述的激光发射器24和激光接收器25分别安装在高压线圈9两侧的线圈夹具23上，激光发射器24的发射光线与高压线圈面对工件2的一侧面平齐，以便当高压线圈移动到工作表面时激光被工件阻挡，激光接收器无法接收到激光并反馈到计算机系统16，此时高压线圈的位置作为加热深度的标定位置，由计算机系统按设定的加热深度驱动丝杠带动高压线圈移动到设定位置。

一激光器17，该激光器安装在工件需进行激光温喷丸的一侧并受控于计算机系统16；

一红外测温头10（测量频率为10 ~20 Hz），该红外测温头安装在工件需进行激光温喷丸的一侧，它被用于测量工件表面的加热温度并实时反馈给计算机系统16用于闭环控制线圈的加热温；

一激光诱导冲击波约束系统，它主要用于在激光温喷丸加工过程中对激光束进行约束。所述的激光诱导冲击波约束系统主要由硅油桶14、液压泵18、喷嘴21和硅油收集桶6组成，液压泵18通过进油管15将硅油桶14中的硅油吸出通过出油管20送至位于工件斜上方的喷嘴21中，硅油收集桶6安装在工件2的下部并通过回油管7与硅油桶14相连。在所述的进油管15和出油管20之间设有连通管，在所述的连接管上安装有电磁溢流阀19，电磁溢流阀与计算机系统16电气连接。

工件表面温度通过红外测温仪、高频交流电源、高压线圈以及计算机系统实现闭环控制，并通过计算机系统与激光器进行信息交互；红外测温仪实时测量工件表面的温度，并将其反馈至计算机系统，若温度低于设置温度，计算机系统控制激光器关闭出光开关，并开启高频电源开关，通过高压线圈实现快速加热，达到设置温度后计算机系统接受红外测温仪的信号，关闭高频电源开关并控制开启激光器的出光开关开始激光温喷丸表面强化，从而实现全闭环自动化生产。

详述如下：

一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化装置，它包括：工作台1；工件2，固定螺栓3；工件夹具4；运动平台5；硅油收集桶6；回油管7；高频交流电源8；高压线圈9；红外测温探头10；黑漆11；导轨12；电机13；硅油桶14；进油管15；计算机系统16；激光器17，液压泵18；电磁溢流阀19；出油管20；喷嘴21；丝杠22；线圈夹具23；激光发射器24；激光接收器25工件夹具4采用电磁原理将涂覆黑漆11的工件2夹持在工作台1表面，工作台通过螺栓固定于运动平台5上。工作台1的两端各安装一个水平导轨12，导轨12与工作台1侧面采用螺栓3固定；导轨12一端安装有异步电动机13，且异步电动机13输出轴通过丝杠22与线圈夹具23连接，线圈夹具23通过螺纹夹紧方式将线圈9固定，使其可以沿导轨12在水平方向移动，如图2所示；线圈夹具23上设置激光发射器24与激光接收器25，发射光线与高压线圈9右端面平齐便于对热影响区深度进行测量；工件2一侧设置激光器17以及红外测温探头10，红外测温探头10可以对喷丸区域表面温度进行测量；液压泵18通过进油管15从硅油桶14中抽取硅油并通过出油管20与喷嘴21输送至工件2表面对激光诱导冲击波进行约束，工件2表面的硅油通过硅油收集桶6以及回油管7流回硅油桶14，喷丸停止时电磁溢流阀19开启将液压泵18进出油路连通实现卸压。高压线圈9通过导线与高频交流电源8相连，同时电磁溢流阀19、激光器17、红外测温探头10、运动平台5、异步电动机13、激光接收器24以及高频交流电源8通过数据线与计算机系统16相连，如图1所示。

    本发明的热影响区深度的控制主要依靠激光发射器24，激光接收器25以及计算机系统16完成。系统开启后，计算机系统16控制异步电动机13运转，通过丝杠22和导轨12控制线圈夹具23从初始位置向工件2表面运动，当高压线圈移动到工件2的表面处时，由于激光被工件挡住，激光接收器25无法接收到激光发射器24的光线，激光接收器25发送数字信号到计算机系统16对该位置信息进行标定，计算机系统16根据设置的热影响区深度以及感应加热特点控制高压线圈9继续移动的距离，从而实现热影响区深度的精确控制。

    本发明的表面温度通过红外测温仪10、高频交流电源8、高压线圈9以及计算机系统16实现闭环控制，并通过计算机系统16与激光器17进行信息交互。红外测温仪10实时测量工件2表面的温度，并将其反馈至计算机系统16，若温度低于设置温度，计算机系统16控制激光器17关闭出光开关，并开启高频电源8开关，通过高压线圈9实现快速加热，达到设置温度后计算机系统16接受红外测温仪10的信号，关闭高频电源8开关并控制开启激光器17的出光开关开始激光温喷丸表面强化，从而实现全闭环自动化生产。红外测温探头10的测量频率为10 ~20 Hz。

实例。

    一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化装置，利用激光收发装置反应灵敏、高频感应加热速度快以及计算机系统控制精确等优点，实现精确控制激光温喷丸过程中金属材料的表面温度以及热影响区深度，可以实现在不影响金属工件芯部材料性能的同时大幅提高工件表面的力学性能，同时温度与激光脉冲实现闭环控制，便于实现自动化生产。其基本操作步骤如下：

（1）将涂有黑漆11的2024铝合金工件2使用工件夹具4夹持在工作台1上，并开启计算机系统16、激光器17、运动平台5以及液压泵18。

（2）在计算机系统16上设置激光器17的能量为6J、频率1Hz、表面温度280℃和热影响区深度1.5 mm。

（3）设置完成后开始运行激光温喷丸程序，系统自动运行并开始激光温喷丸表面强化。

（4）喷丸结束后，系统自动初始化，将高压线圈9移动至初始位置；关闭液压泵18、运动平台5、激光器17、计算机系统16以及高频电源8开关，最后取下铝合金工件2并对系统进行维护。

    使用该方法对2024铝合金进行激光温喷丸表面强化后，表面硬度相对基体提高了1.2倍，而深度2.5mm处的硬度较基体下降了5.6%；而采用常规加热平台获得的2024铝合金试样深度2.5mm处的硬度较基体下降了27.3%，这说明一种热影响区可控的激光温喷丸表面强化装置可以在不影响金属工件芯部材料性能的同时大幅提高工件表面的力学性能。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。