一種基於雷射衝擊波技術的複雜表面強化的方法和裝置的製作方法
2023-06-08 01:53:06 1
專利名稱：一種基於雷射衝擊波技術的複雜表面強化的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射表面處理領域，特指一種基於雷射誘導衝擊波技術的複雜表面強
化的方法和裝置，尤其適用於對小直徑盲孔的孔壁、孔底以及孔周圍表面同時進行雷射衝 擊強化，以及對雷射束無法直接照射到的表面進行衝擊強化。
背景技術：
雷射衝擊強化是利用雷射束與工件表面材料(或塗布在工件表面的提高雷射吸 收率的材料，即吸收層材料)相互作用產生的衝擊波作為力源，使工件表面材料發生塑性 變形，從而使表面材料的組織緻密化，並形成具有一定深度的殘餘應力層，達到提高工件疲 勞強度、耐腐蝕性能的目的。(張永康等.基於雷射衝擊強化技術提高鎂合金耐腐蝕性的 方法.中國專利申請號200610097397. 6 ;H. Clauer，Allan ;et al. United States Patent Application :20030024904;Sano ;Yuji ;et al.United States Patent Application: 20070262063)。 現有的雷射衝擊強化技術只能對雷射束直接照射到的表面進行強化，而對雷射束 無法照射到的表面直接進行衝擊強化則比較困難；要對象小孔孔壁這類雷射束無法直接照 射到的表面進行雷射衝擊強化，必須使用反射錐這類裝置。 張永康等在中國專利ZL200610096476. 5中提出一種基於雷射衝擊波技術孔壁的 強化方法和裝置，在該方法中，利用從小孔下方插入孔中的反射錐表面的吸收層材料吸收 雷射能量，吸收層材料氣化、離化後形成衝擊波，衝擊波從反射錐表面向孔壁傳播，從而實 現對孔壁的強化。該方法適用於通孔的孔壁強化，不適用於盲孔，且必須根據孔的直徑製作 反射錐。 本發明提供一種不僅可以對雷射可以直接照射到的表面進行衝擊強化，還可以對 雷射束無法直接照射到的表面進行衝擊強化的方法和裝置，尤其適用於對小直徑盲孔的孔 壁、孔底以及孔周圍表面同時進行雷射衝擊強化。
發明內容
本發明的目的是要提供一種雷射衝擊強化的方法和裝置，它不僅可以對雷射直接 照射到的工件表面進行衝擊強化，還可以對雷射無法照射到的複雜表面進行雷射衝擊強 化。 —種基於雷射衝擊波技術的複雜表面強化的方法，其特徵在於以粒度為納米量 級的雷射吸收物質粉末與透明液體混合而成的懸濁液作為雷射吸收材料，替代雷射吸收層 與約束層。 上述方法中，雷射吸收物質粉末指碳粉或Al粉，透明液體指水或甘油。
上述方法中，懸濁液中的雷射吸收物質粉末與透明液體的重量比為碳粉佔懸濁
液總重量的1% 3%，若使用鋁粉，則鋁粉佔懸濁液總重量的2% 5%。
本發明的原理是將含有雷射吸收物質的懸濁液覆蓋工件表面，當雷射束穿過懸
3濁液時，懸濁液中的雷射吸收物質顆粒吸收雷射能量氣化、離化形成以該顆粒為核心的液 下球面衝擊波，在雷射束傳播方向所有顆粒吸收雷射能量後的綜合作用形成以雷射束為中 心的柱面波和垂直於雷射束的近似平面波，其中柱面波向四周傳播，可對雷射無法直接照 射到的表面進行衝擊強化。 實施該方法的裝置包括工件夾具系統、光學系統、控制系統，其特徵在於設有懸
濁液補給回收系統，懸濁液補給回收系統包括儲液桶、擋液板、加液泵、管道、噴嘴和電磁
閥；噴嘴位於工作檯上方，噴嘴通過管道依次與電磁閥、加液泵和儲液桶依次相連。 上述裝置中，擋液板安裝在工作檯四周，與儲液桶相鄰一面開口以便於懸濁液流
回儲液桶。 上述裝置中，工件夾具系統包括工件、夾具和工作檯；光學系統包括雷射發生器和 反射鏡；控制系統包括懸濁液補給回收系統控制裝置、計算機、工作檯控制裝置和雷射發生 器控制裝置。 本發明的實施過程如下 1.將粒度為納米尺度的雷射吸收物質粉末與透明液體混合、攪勻，然後用超聲波 進行處理，使雷射吸收物質顆粒在透明液體中均勻分布；
2.將超聲波處理後的懸濁液裝入儲液桶中；
3.用夾具將工件安裝在工作檯上； 4.啟動加液泵，由計算機發出指令，通過懸濁液補給回收系統控制裝置控制電磁 閥的開度來調節懸濁液流量，使工件待強化表面處被懸濁液覆蓋； 5.計算機發出指，通過雷射發生器控制裝置控制雷射器按選定參數發出雷射脈 衝； 6.雷射發生器發出的脈衝經反射鏡反射後穿過待強化表面處的懸濁液，懸濁液中 的雷射物質吸收雷射能量氣化、電離形成衝擊波，通過懸濁液傳播到工件表面，對表面進行 衝擊強化； 7.計算機通過工作檯控制裝置調節工作檯按預定軌跡運動，對工件表面進行逐點 衝擊，直到全部待強化表面衝擊完畢。 使用本發明的方法對直徑小於雷射光斑直徑的淺孔，可以一次完成孔底、孔壁、孔 周表面的衝擊強化，而常規的雷射衝擊強化方法必須分多次進行，且孔壁強化時雷射束必 須斜入射，然後工件逐次旋轉才能完成對整個孔壁圓周表面的強化。如圖2所示，在直徑 3mm、深4mm的孔內注入由1 %碳粉和水組成的懸濁液，並使懸濁液流過孔周表面，然後用能 量為35J，脈衝寬度為23ns，光斑直徑為8mm的雷射束輻照小孔，則一次衝擊即可使孔壁、孔 底、孔周表面同時得到強化。 對於小直徑的深孔，常規的雷射衝擊強化方法無法對孔壁進行強化，使用本發明 的方法，通過控制小孔中液位的方式對孔壁進行分段衝擊強化。如圖3所示，孔徑3mm，孔 深30mm，則可分四段進行衝擊強化，在此例中使用由1%碳粉和水組成的懸濁液，雷射參數 為能量40J，脈衝寬度23ns，光斑直徑3mm。先使懸濁液液位達到距孔底7. 5mm處(即yl平 面)，利用單脈衝雷射束進行第一次衝擊，可使孔底和孔最深部的孔壁得到強化；然後使液 位達到距孔底15mm處(即y2平面)，進行第二次衝擊可使次深部孔壁得到強化，再使液位 達到距孔底22. 5mm處，進行第三次衝擊，使孔次上部孔壁得到強化，最後使懸濁液液位達到孔口以上，進行最後一次衝擊，完成整個孔壁的強化。 使用本發明的方法還可以對不在同一平面上的多個表面同時進行衝擊強化。如 圖4所示的表面I、II、III可以一次完成衝擊強化表面I和III之間高度差為lOmm，使用 2%鋁粉和甘油組成的懸濁液，以增加懸濁液在垂直表面的粘度，雷射參數為能量40J，脈衝 寬度23ns，光斑直徑6mm，使雷射束的軸線位於平面II內，進行雙脈衝衝擊，可使表面I、 III 的3mm區域以及表面II得到強化。 另外使用本發明的方法還可以對雷射束無法直接照射到的表面進行衝擊強化，如 圖5所示的A表面。
下面結合附圖對本實用新型進一步說明 圖1本發明提出的基於雷射衝擊波技術的複雜表面強化裝置示意圖。 1.懸濁液補給回收系統控制裝置2.計算機3.工作檯控制裝置4.雷射發
生器控制裝置5.雷射發生器6.雷射束7.反射鏡8.夾具9.工件10.工作檯
11.噴嘴 12.懸濁液 13.電磁閥14.管道 15.加液泵 16.擋液板 17.儲液桶 圖2淺孔的孔壁、孔底、孔周表面同步強化示意圖 圖3小直徑深孔孔壁強化示意圖 圖4不在同一平面上的多表面同步強化示意圖 I平面lII垂直面 III平面2 圖5雷射無法直接照射表面強化示意圖 A雷射無法直接照射到的表面
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。 本裝置包括工件夾具系統、光學系統、懸濁液補給回收系統、控制系統。其中工件
夾具由工件8、夾具9、工作檯10組成；光學系統由雷射發生器5、雷射束6、反射鏡7組成；
懸濁液補給回收系統由噴嘴11、懸濁液12、電磁閥13、管道14、加液泵15、擋液板16、儲液
桶17組成；控制系統由懸濁液補給回收系統控制裝置1、計算機2、工作檯控制裝置3、雷射
發生器控制裝置4組成。 首先將工件8通過夾具9固定在工作檯10上；然後啟動加液泵15，由計算機2發 出指令，通過懸濁液補給回收系統控制裝置1調節電磁閥13的開度，懸濁液12經管道14、 電磁閥13、噴嘴11向工件8的待強化表面噴淋；計算機2發出指令經雷射發生器控制裝置 4調節雷射器5，雷射器5發出雷射束6經反射鏡7反射後向工件8的待強化部位照射，當 雷射束6穿過工件8待強化部位的懸濁液12時，懸濁液12中的雷射吸收物質吸收雷射能 量後氣化、離化形成衝擊波向工件表面傳播，從而對待強化表面進行衝擊強化；計算機2發 出指令通過工作檯控制裝置3控制工作檯10運動，對工件8表面進行逐點衝擊強化，直至 整個工件強化完畢。
權利要求
一種基於雷射衝擊波技術的複雜表面強化的方法，其特徵在於以粒度為納米量級的雷射吸收物質粉末與透明液體混合而成的懸濁液作為雷射吸收材料，替代雷射吸收層與約束層。
2. 權利要求1所述的表面強化的方法，其特徵在於雷射吸收物質粉末指碳粉或A1 粉，透明液體指水或甘油。
3. 權利要求1所述的表面強化的方法，其特徵在於懸濁液中的雷射吸收物質粉末與 透明液體的重量比為碳粉佔懸濁液總重量的1% 3%，若使用鋁粉，則鋁粉佔懸濁液總重量的2% 5%。
4. 權利要求1所述的表面強化的方法，具體為(1) 將粒度為納米尺度的雷射吸收物質粉末與透明液體混合、攪勻，然後用超聲波進行 處理，使雷射吸收物質顆粒在透明液體中均勻分布；(2) 將超聲波處理後的懸濁液裝入儲液桶中，用夾具將工件安裝在工作檯上；(3) 啟動加液泵，由計算機發出指令，通過懸濁液補給回收系統控制裝置控制電磁閥的 開度來調節懸濁液流量，使工件待強化表面處被懸濁液覆蓋；(4) 計算機發出指令，通過雷射發生器控制裝置控制雷射器按選定參數發出雷射脈衝；(5) 雷射發生器發出的脈衝經反射鏡反射後穿過待強化表面處的懸濁液，懸濁液中的 雷射物質吸收雷射能量氣化、電離形成衝擊波，通過懸濁液傳播到工件表面，對表面進行衝 擊強化；(6) 計算機通過工作檯控制裝置調節工作檯按預定軌跡運動，對工件表面進行逐點衝 擊，直到全部待強化表面衝擊完畢。
5. 實施權利要求1所述的方法的裝置，包括工件夾具系統、光學系統、控制系統，其特 徵在於設有懸濁液補給回收系統，懸濁液補給回收系統包括儲液桶(17)、擋液板(16)、加 液泵(15)、管道(14)、噴嘴(11)和電磁閥(13);噴嘴(11)位於工作檯(10)上方，噴嘴(11) 通過管道(14)依次與電磁閥(13)、加液泵(15)和儲液桶(17)依次相連。
6. 權利要求5所述的裝置，其特徵在於擋液板(16)安裝在工作檯(10)四周，與儲液 桶(17)相鄰一面開口以便於懸濁液流回儲液桶(17)。
全文摘要
一種基於雷射衝擊波技術的複雜表面強化的方法和裝置，涉及雷射表面處理領域。實施本發明的裝置由工件夾具系統、光學系統、懸濁液補給回收系統、控制系統組成。先將粒度為納米尺度的雷射吸收物質粉末和透明液體經超聲波處理形成均勻混合的懸濁液，然後將懸濁液噴淋在工件待強化部位，當雷射束向工件待強化部位照射時，首先穿過懸濁液，懸濁液中的雷射吸收物質吸收雷射能量後氣化、離化形成以雷射束為中心的柱面衝擊波，並向四周傳播從而對工件表面進行衝擊強化。本發明特別適用於對小直徑盲孔的孔壁、孔底以及孔周圍表面同時進行雷射衝擊強化，以及對雷射束無法直接照射到的表面進行衝擊強化。
文檔編號C21D1/09GK101701282SQ200910213599
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月30日 優先權日2009年10月30日
發明者任旭東, 葉雲霞, 張朝陽, 張永康, 顧永玉, 魯金忠 申請人:江蘇大學