一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法，所述装置包括激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统、对中系统、控制系统。所述局部深冷辅助系统包括隔温液室、液氮和隔温橡胶层。所述方法利用激光冲击的高应变率效应，提高晶粒细化程度，并产生残余压应力，从而提高力学性能和抗疲劳性能；利用超低温深冷

【技术实现步骤摘要】
一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法


[0001]本专利技术属于激光冲击成形领域，特别涉及一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着微机电、生物医学、航空航天领域的不断发展，对产品的微型化需求日益增多，而产品的微型化促使具有圆角、倒角等复杂微细特征的零件的应用日益广泛。传统微冲裁、微拉深、微弯曲等塑性加工工艺在成形复杂微型零部件时，面临以下难题：即变形增大时，金属材料发生晶粒细化，工件的强度提高，而塑性急剧降低，强度
‑
塑性制约关系限制了其可加工性，导致在加工过程中易发生脆性断裂。
[0003]激光冲击成形在微型零件成形方面具有显著优势，其应变率高达106s
‑1，借助激光冲击的高应变率效应，既可以产生剧烈塑性变形，使位错累积形成位错胞或位错墙，同时诱导产生形变孪晶或剪切带，从而提高晶粒细化程度，大幅提高材料的力学性能；又会在工件表面生成残余压应力层，从而提高成形件的疲劳寿命。但是，单一的激光冲击成形方法改善强塑性制约关系程度有限，如专利CN101745740B采用中空光束辐射板材表面诱导冲击波，从而使材料变形均匀性和极限变形深度增加。但受到材料强塑性制约关系影响，随着材料强度的提升，工件的塑性仍会降低。此外，现有的激光冲击成形工艺都是在室温下进行，在未冲击区域及材料中性层会产生残余拉应力，无法在超低温环境下长期使用，成形件寿命较短。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置及方法。
[0005]本专利技术通过如下技术手段实现：
[0006]一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置，包括激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统、对中系统和控制系统；
[0007]所述局部深冷辅助系统包括隔温液室、液氮和隔温橡胶层，隔温液室位于工件的上侧，隔温液室的中心设置有液氮，液氮的上部设置有隔温橡胶层，液氮产生冲击波压力；
[0008]所述控制系统用于激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统和对中系统；
[0009]所述强脉冲电流辅助系统包括脉冲电源、左电极夹、右电极夹，脉冲电源与左电极夹和右电极夹相连，工件的两端分别与左电极夹和右电极夹相连，左电极夹和右电极夹对工件施加强脉冲电流；
[0010]所述的激光冲击成形系统包括脉冲激光器、反射镜、透镜支架、聚焦透镜、底座、外模具、内部凹模、工件、紧固螺栓、吸收层、约束层和压边圈；
[0011]所述透镜支架固定连接在底座的上部，聚焦透镜安装在支架上，聚焦透镜放置于
脉冲激光经反射镜反射后的光路上，所述外模具设置在底座上，内部凹模放置在外模具内，外模具内设置有左电极夹和右电极夹，工件放置在外模具内，工件位于内部凹模的上侧，隔温液室放置在外模具内，吸收层位于隔温液室和隔温橡胶层的上侧，吸收层的上侧设置有约束层，压边圈上插有紧固螺栓，紧固螺栓的下端通过螺纹连接在外模具上，压边圈压在约束层上；所述隔温橡胶层、液氮、工件、内部凹模依次置于吸收层下方；
[0012]隔温液室为圆柱形，隔温液室的中心设置有圆柱形孔，液氮位于圆柱形孔内。
[0013]进一步，所述局部深冷辅助系统还包括截止阀、低温液氮泵和单向阀，低温液氮泵依次与单向阀、截止阀相连，控制带有隔温橡胶层的隔温液室中液氮的加载和卸载。
[0014]进一步，所述对中系统用于完成光斑中心与隔温液室中心的对中；所述对中系统包括CCD传感器、图像采集器和三维移动平台；三维移动平台设置在底座上，外模具安装在三维移动平台的上侧。
[0015]进一步，所述控制系统包括激光控制器、计算机、三维移动平台控制器、低温液氮泵控制器和脉冲电源控制器；所述激光控制器、三维移动平台控制器、低温液氮泵控制器、脉冲电源控制器均与计算机相连；所述激光控制器与脉冲激光器相连；所述三维移动平台控制器与三维移动平台相连；所述低温液氮泵控制器依次与低温液氮泵相连；所述脉冲电源控制器与脉冲电源相连；所述CCD传感器依次与图像采集器和计算机相连。
[0016]进一步，所述约束层为K9玻璃、水、硅油的透明物质；吸收层为黑漆或者铝箔。
[0017]进一步，所述隔温橡胶层由耐低温橡胶制造，表面涂覆一层隔热材料薄膜；隔温液室和内部凹模由隔温陶瓷或塑料制造，并在表面涂覆一层隔热材料薄膜；所述外模具上与工件接触表面、左电极夹和右电极夹与外模具接触表面喷涂了隔热耐压高电阻率绝缘涂料。
[0018]进一步，所述脉冲激光器用来发出脉冲激光，激光光斑直径为2mm。
[0019]进一步，所述反射镜与脉冲激光器呈45
°
；隔温液室中心的圆柱形孔的直径为2.5mm。
[0020]使用一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置对成形件进行成形的方法，该方法包括以下步骤：
[0021]S1：光斑和液室中心对中：将隔温液室放入外模具中；将吸收层、约束层依次放置于隔温液室上方；激光控制器操纵脉冲激光器发出调试光，CCD传感器记录调试光光斑直径与液室中心的相对位置，图像采集器处理后输入计算机，计算机发出指令带动三维移动平台完成光斑中心和液室中心的对中；关闭脉冲激光器；依次取出约束层、吸收层、隔温液室；
[0022]S2：装置搭建和局部深冷处理：将待加工工件经左电极夹和右电极夹夹持后放入内部凹模上；内部凹模上放置带有隔温橡胶层的隔温液室；将吸收层、约束层依次放在隔温液室上；用紧固螺栓将压边圈与外模具连接；低温液氮泵控制器控制低温液氮泵和单向阀配合加载液氮；液氮加满后经10min深冷处理，待工件均匀冷却到
‑
190℃～
‑
140℃后，给低温液氮泵控制器信号，控制低温液氮泵和截止阀关闭，停止加载；
[0023]S3：强脉冲电流处理：计算机控制脉冲电源控制器开启脉冲电源，通过左电极夹和右电极夹给工件通电流大小为3500A～7500A，电压为20V～180V的强脉冲电流；
[0024]S4：工件激光冲击成形：脉冲激光器开启，发出的激光经过反射镜、聚焦透镜、约束层后辐射吸收层；吸收层吸收激光能量气化产生等离子体，等离子体爆炸推动隔温橡胶层
向下运动，压缩隔温液室中液氮产生冲击波压力，与内部凹模配合，在工件上成形出所需的形貌，深冷保温5min；
[0025]S5：成形装置拆卸和工件取出：低温液氮泵控制器控制低温液氮泵将液氮排出；拧开紧固螺栓，依次取下压边圈、约束层、吸收层、隔温液室、隔温橡胶层、工件、左电极夹和右电极夹；然后从S2开始进入下一个循环。
[0026]本专利技术产生的有益效果在于：
[0027]1.本专利技术提出的强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形方法，利用激光冲击成形超高应变速率，显著提高晶粒细化程度，从而强化成形件强度等力学性能，并生成残余应力层，从而显著提升抗疲劳性能。此外，利用超低温深冷
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置，包括激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统、对中系统和控制系统，其特征在于：所述局部深冷辅助系统包括隔温液室(20)、液氮(21)和隔温橡胶层(22)，隔温液室(20)位于工件(18)的上侧，隔温液室(20)的中心设置有液氮(21)，液氮(21)的上部设置有隔温橡胶层(22)，液氮(21)产生冲击波压力；所述控制系统用于激光冲击成形系统、强脉冲电流辅助系统、局部深冷辅助系统和对中系统；所述强脉冲电流辅助系统包括脉冲电源(3)、左电极夹(17)、右电极夹(19)，脉冲电源(3)与左电极夹(17)和右电极夹(19)相连，工件(18)的两端分别与左电极夹(17)和右电极夹(19)相连，左电极夹(17)和右电极夹(19)对工件(18)施加强脉冲电流；所述的激光冲击成形系统包括脉冲激光器(14)、反射镜(29)、透镜支架(27)、聚焦透镜(28)、底座(1)、外模具(15)、内部凹模(16)、工件(18)、紧固螺栓(23)、吸收层(24)、约束层(25)和压边圈(26)；所述透镜支架(27)固定连接在底座(1)的上部，聚焦透镜(28)安装在支架(27)上，聚焦透镜(28)放置于脉冲激光经反射镜(29)反射后的光路上，所述外模具(15)设置在底座(1)上，内部凹模(16)放置在外模具(15)内，外模具(15)内设置有左电极夹(17)和右电极夹(19)，工件(18)放置在外模具(15)内，工件(18)位于内部凹模(16)的上侧，隔温液室(20)放置在外模具(15)内，吸收层(24)位于隔温液室(20)和隔温橡胶层(22)的上侧，吸收层(24)的上侧设置有约束层(25)，压边圈(26)上插有紧固螺栓(23)，紧固螺栓(23)的下端通过螺纹连接在外模具(15)上，压边圈(26)压在约束层(25)上；所述隔温橡胶层(22)、液氮(21)、工件(18)、内部凹模(16)依次置于吸收层(24)下方；隔温液室(20)为圆柱形，隔温液室(20)的中心设置有圆柱形孔，液氮(21)位于圆柱形孔内。2.根据权利要求1所述的一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置，其特征在于：所述局部深冷辅助系统还包括截止阀(4)、低温液氮泵(5)和单向阀(9)，低温液氮泵(5)依次与单向阀(9)、截止阀(4)相连，控制带有隔温橡胶层(22)的隔温液室(20)中液氮(21)的加载和卸载。3.根据权利要求1所述的一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置，其特征在于：所述对中系统用于完成光斑中心与隔温液室(20)中心的对中；所述对中系统包括CCD传感器(12)、图像采集器(11)和三维移动平台(2)；三维移动平台(2)设置在底座(1)上，外模具(15)安装在三维移动平台(2)的上侧。4.根据权利要求1所述的一种强脉冲电流与局部深冷辅助激光冲击成形装置，其特征在于：所述控制系统包括激光控制器(13)、计算机(10)、三维移动平台控制器(8)、低温液氮泵控制器(7)和脉冲电源控制器(6)；所述激光控制器(13)、三维移动平台控制器(8)、低温液氮泵控制器(7)、脉冲电源控制器(6)均与计算机(10)相连；所述激光控制器(13)与脉冲激光器(14)相连；所述三维移动平台控制器(8)与三维移动平台(2)相连；所述低温液氮泵控制器(7)依次与低温液氮泵(5)相连；所述脉冲电源控制器(6)与脉冲电源(3)相连；所述CCD传感器(12)依次与图像采集器(11)和计算机(...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓大祥，顾鑫，陈如香，曾龙，朱霖野，赵晨阳，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：