一种基于激光冲击波技术的复杂表面强化的方法和装置

摘要

一种基于激光冲击波技术的复杂表面强化的方法和装置，涉及激光表面处理领域。实施本发明的装置由工件夹具系统、光学系统、悬浊液补给回收系统、控制系统组成。先将粒度为纳米尺度的激光吸收物质粉末和透明液体经超声波处理形成均匀混合的悬浊液，然后将悬浊液喷淋在工件待强化部位，当激光束向工件待强化部位照射时，首先穿过悬浊液，悬浊液中的激光吸收物质吸收激光能量后气化、离化形成以激光束为中心的柱面冲击波，并向四周传播从而对工件表面进行冲击强化。本发明特别适用于对小直径盲孔的孔壁、孔底以及孔周围表面同时进行激光冲击强化，以及对激光束无法直接照射到的表面进行冲击强化。

说明书

技术领域

本发明涉及激光表面处理领域，特指一种基于激光诱导冲击波技术的复杂表面强化的方法和装置，尤其适用于对小直径盲孔的孔壁、孔底以及孔周围表面同时进行激光冲击强化，以及对激光束无法直接照射到的表面进行冲击强化。

背景技术

激光冲击强化是利用激光束与工件表面材料(或涂布在工件表面的提高激光吸收率的材料，即吸收层材料)相互作用产生的冲击波作为力源，使工件表面材料发生塑性变形，从而使表面材料的组织致密化，并形成具有一定深度的残余应力层，达到提高工件疲劳强度、耐腐蚀性能的目的。(张永康等.基于激光冲击强化技术提高镁合金耐腐蚀性的方法.中国专利申请号：200610097397.6；H.Clauer，Allan；et al.United States Patent Application：20030024904；Sano；Yuji；et al.United States Patent Application：20070262063)。

现有的激光冲击强化技术只能对激光束直接照射到的表面进行强化，而对激光束无法照射到的表面直接进行冲击强化则比较困难；要对象小孔孔壁这类激光束无法直接照射到的表面进行激光冲击强化，必须使用反射锥这类装置。

张永康等在中国专利ZL200610096476.5中提出一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，在该方法中，利用从小孔下方插入孔中的反射锥表面的吸收层材料吸收激光能量，吸收层材料气化、离化后形成冲击波，冲击波从反射锥表面向孔壁传播，从而实现对孔壁的强化。该方法适用于通孔的孔壁强化，不适用于盲孔，且必须根据孔的直径制作反射锥。

本发明提供一种不仅可以对激光可以直接照射到的表面进行冲击强化，还可以对激光束无法直接照射到的表面进行冲击强化的方法和装置，尤其适用于对小直径盲孔的孔壁、孔底以及孔周围表面同时进行激光冲击强化。

发明内容

本发明的目的是要提供一种激光冲击强化的方法和装置，它不仅可以对激光直接照射到的工件表面进行冲击强化，还可以对激光无法照射到的复杂表面进行激光冲击强化。

一种基于激光冲击波技术的复杂表面强化的方法，其特征在于：以粒度为纳米量级的激光吸收物质粉末与透明液体混合而成的悬浊液作为激光吸收材料，替代激光吸收层与约束层。

上述方法中，激光吸收物质粉末指碳粉或Al粉，透明液体指水或甘油。

上述方法中，悬浊液中的激光吸收物质粉末与透明液体的重量比为：碳粉占悬浊液总重量的1％～3％，若使用铝粉，则铝粉占悬浊液总重量的2％～5％。

本发明的原理是：将含有激光吸收物质的悬浊液覆盖工件表面，当激光束穿过悬浊液时，悬浊液中的激光吸收物质颗粒吸收激光能量气化、离化形成以该颗粒为核心的液下球面冲击波，在激光束传播方向所有颗粒吸收激光能量后的综合作用形成以激光束为中心的柱面波和垂直于激光束的近似平面波，其中柱面波向四周传播，可对激光无法直接照射到的表面进行冲击强化。

实施该方法的装置包括工件夹具系统、光学系统、控制系统，其特征在于：设有悬浊液补给回收系统，悬浊液补给回收系统包括储液桶、挡液板、加液泵、管道、喷嘴和电磁阀；喷嘴位于工作台上方，喷嘴通过管道依次与电磁阀、加液泵和储液桶依次相连。

上述装置中，挡液板安装在工作台四周，与储液桶相邻一面开口以便于悬浊液流回储液桶。

上述装置中，工件夹具系统包括工件、夹具和工作台；光学系统包括激光发生器和反射镜；控制系统包括悬浊液补给回收系统控制装置、计算机、工作台控制装置和激光发生器控制装置。

本发明的实施过程如下：

1.将粒度为纳米尺度的激光吸收物质粉末与透明液体混合、搅匀，然后用超声波进行处理，使激光吸收物质颗粒在透明液体中均匀分布；

2.将超声波处理后的悬浊液装入储液桶中；

3.用夹具将工件安装在工作台上；

4.启动加液泵，由计算机发出指令，通过悬浊液补给回收系统控制装置控制电磁阀的开度来调节悬浊液流量，使工件待强化表面处被悬浊液覆盖；

5.计算机发出指，通过激光发生器控制装置控制激光器按选定参数发出激光脉冲；

6.激光发生器发出的脉冲经反射镜反射后穿过待强化表面处的悬浊液，悬浊液中的激光物质吸收激光能量气化、电离形成冲击波，通过悬浊液传播到工件表面，对表面进行冲击强化；

7.计算机通过工作台控制装置调节工作台按预定轨迹运动，对工件表面进行逐点冲击，直到全部待强化表面冲击完毕。

使用本发明的方法对直径小于激光光斑直径的浅孔，可以一次完成孔底、孔壁、孔周表面的冲击强化，而常规的激光冲击强化方法必须分多次进行，且孔壁强化时激光束必须斜入射，然后工件逐次旋转才能完成对整个孔壁圆周表面的强化。如图2所示，在直径3mm、深4mm的孔内注入由1％碳粉和水组成的悬浊液，并使悬浊液流过孔周表面，然后用能量为35J，脉冲宽度为23ns，光斑直径为8mm的激光束辐照小孔，则一次冲击即可使孔壁、孔底、孔周表面同时得到强化。

对于小直径的深孔，常规的激光冲击强化方法无法对孔壁进行强化，使用本发明的方法，通过控制小孔中液位的方式对孔壁进行分段冲击强化。如图3所示，孔径3mm，孔深30mm，则可分四段进行冲击强化，在此例中使用由1％碳粉和水组成的悬浊液，激光参数为能量40J，脉冲宽度23ns，光斑直径3mm。先使悬浊液液位达到距孔底7.5mm处(即y1平面)，利用单脉冲激光束进行第一次冲击，可使孔底和孔最深部的孔壁得到强化；然后使液位达到距孔底15mm处(即y2平面)，进行第二次冲击可使次深部孔壁得到强化，再使液位达到距孔底22.5mm处，进行第三次冲击，使孔次上部孔壁得到强化，最后使悬浊液液位达到孔口以上，进行最后一次冲击，完成整个孔壁的强化。

使用本发明的方法还可以对不在同一平面上的多个表面同时进行冲击强化。如图4所示的表面I、II、III可以一次完成冲击强化：表面I和III之间高度差为10mm，使用2％铝粉和甘油组成的悬浊液，以增加悬浊液在垂直表面的粘度，激光参数为能量40J，脉冲宽度23ns，光斑直径6mm，使激光束的轴线位于平面II内，进行双脉冲冲击，可使表面I、III的3mm区域以及表面II得到强化。

另外使用本发明的方法还可以对激光束无法直接照射到的表面进行冲击强化，如图5所示的A表面。

附图说明

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

图1本发明提出的基于激光冲击波技术的复杂表面强化装置示意图。

1.悬浊液补给回收系统控制装置  2.计算机  3.工作台控制装置  4.激光发生器控制装置  5.激光发生器  6.激光束  7.反射镜  8.夹具  9.工件10.工作台  11.喷嘴  12.悬浊液  13.电磁阀  14.管道  15.加液泵  16.挡液板  17.储液桶

图2浅孔的孔壁、孔底、孔周表面同步强化示意图

图3小直径深孔孔壁强化示意图

图4不在同一平面上的多表面同步强化示意图

I平面1  II垂直面  III平面2

图5激光无法直接照射表面强化示意图

A激光无法直接照射到的表面

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

本装置包括工件夹具系统、光学系统、悬浊液补给回收系统、控制系统。其中工件夹具由工件8、夹具9、工作台10组成；光学系统由激光发生器5、激光束6、反射镜7组成；悬浊液补给回收系统由喷嘴11、悬浊液12、电磁阀13、管道14、加液泵15、挡液板16、储液桶17组成；控制系统由悬浊液补给回收系统控制装置1、计算机2、工作台控制装置3、激光发生器控制装置4组成。

首先将工件8通过夹具9固定在工作台10上；然后启动加液泵15，由计算机2发出指令，通过悬浊液补给回收系统控制装置1调节电磁阀13的开度，悬浊液12经管道14、电磁阀13、喷嘴11向工件8的待强化表面喷淋；计算机2发出指令经激光发生器控制装置4调节激光器5，激光器5发出激光束6经反射镜7反射后向工件8的待强化部位照射，当激光束6穿过工件8待强化部位的悬浊液12时，悬浊液12中的激光吸收物质吸收激光能量后气化、离化形成冲击波向工件表面传播，从而对待强化表面进行冲击强化；计算机2发出指令通过工作台控制装置3控制工作台10运动，对工件8表面进行逐点冲击强化，直至整个工件强化完毕。