一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置制造方法及图纸

本申请公开了一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置，所述激光冲击强化装置包括底座、激光冲击强化工具单元、激光传输单元、激光器、工件夹持单元、约束层净化加载单元、控制单元；所述工件夹持单元具有N个运动自由度；所述激光冲击强化工具单元固定具有五个方向的运动自由度；所述激光传输单元具有转动自由度。本申请解决了薄壁曲面零件两面法向不共线的情况下，现有设备无法对零件进行双面最优冲击以及单面冲击容易引起翘曲变形的问题，并具备良好的狭窄空间可达性。良好的狭窄空间可达性。

【技术实现步骤摘要】
一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置


[0001]本申请涉及一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置，属于激光冲击强化


技术介绍

[0002]激光冲击强化利用高强激光诱导等离子体冲击波，对零件进行冲击处理，已广泛应用于航空、航天、核能等领域关键零部件抗疲劳和耐腐蚀性能的提升，效果显著。现有的激光冲击强化装备包括激光发生单元、位于工件表面的吸收保护层、位于吸收保护层表面的约束层及工件夹持单元等。约束层的作用是让激光能量穿过并作用于吸收保护层，同时还要尽可能多地提供等离子体膨胀时的反作用力，提高冲击波的耦合效率。目前国内外普遍采用0.5～2mm厚的侧面送水流动水膜作为透明约束层。吸收保护层的作用是吸收激光能量，产生等离子体，同时避免激光及等离子体对工件的损伤，目前普遍采用油漆、柔性胶带或具有一定厚度的金属箔片等作为吸收保护层。工件夹持单元的作用是在激光冲击过程中，夹紧工件并进行规定行程内一定自由度的运动，完成工件上相应区域的冲击。
[0003]该类激光冲击强化处理过程如图1所示：利用短脉冲(一般在50纳秒以内)、高功率密度(GW/cm2)的激光通过侧面送水形成的透明约束层，作用于金属等工件表面所涂覆或贴附的吸收保护层上，吸收保护层吸收激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体，等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，形成冲击波，冲击波强度可达数个GPa(109Pa)量级，远高于众多金属材料的屈服强度；冲击波穿过吸收保护层，作用于工件表面并向其内部传播，使工件表面产生塑性变形和残余压应力场，导致表层材料位错密度增加，晶粒细化和硬度升高，从而显著提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能。
[0004]CN105862046B“一种航空发动机零件表面强化的装置”、CN113088677B“一种激光冲击强化技术的水约束层装置及其测量方法”、CN103882188B“整体叶盘激光冲击强化设备”等专利都是采用激光冲击强化工具头不动，机械手夹持工件运动的方式完成表面强化。CN216566580U“一种五轴机床式激光冲击强化设备”，采用的是五轴机床式的激光冲击强化方法，X轴、Y轴、C轴带动工件的移动和转动(工件具有三个自由度)，Z轴和B轴带动激光冲击强化工具头的移动和转动(激光冲击强化工具头具有两个自由度)。该种结构适用于单面冲击。但是，单面冲击时，工件受到单面冲击力的影响，容易产生单方向的塑性变形，累积起来，宏观上显示为工件的翘曲变形，如图2所示。
[0005]为了减少或避免单面冲击时产生的不良翘曲变形，可以采用双面冲击的方法。比如，CN104862468B“基于激光双面冲击技术提高涡轮叶片寿命的方法”、CN106702137B“一种用于涡轮叶片主导边双面同步激光冲击强化的方法”、CN103894735B“整体叶盘单/双面激光冲击强化光路系统”。但是，复杂曲面零件在采用双面冲击的过程中，由于曲面两侧的法线不一定共线，激光光斑大小不一致，相同激光脉冲能量产生的激光功率密度不同，导致两侧冲击效果不均匀，如图3所示，无法达到最优激光冲击强化效果。CN106702137B“一种用于涡轮叶片主导边双面同步激光冲击强化的方法”，正面和背面采用相同直径、不同脉冲能量
的两束激光进行同步冲击，该种方法需要根据冲击点处曲面的法线与激光入射方向的夹角，计算所需的脉冲能量，冲击过程实时调整两侧光路的脉冲能量，对模型的前处理工作量大，对控制系统要求较高。此外，有些情况下，需要特殊倾角的冲击处理，比如，通过激光冲击实现特种微织构时，未必以法向为最优。这样的沿任意法向夹角的双向激光冲击强化能力目前尚未发现。更复杂的情况下，复杂薄壁部件的双向冲击需要同时解决狭小部位的可达性问题，很多情况下，狭小部位的沿法向双向冲击是不现实的，如航空发动机整体叶盘的扭曲部位，如果能够到达待处理部位并实现变形最小的冲击处理，叶片性能将得到进一步的提升。总之，业内需要一种兼顾可达性，可沿任意法向夹角双向激光冲击强化的方法和设备。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对上述现有激光冲击强化技术存在的不足，提供一种可控法向双面冲击的激光冲击强化设备，该设备具备激光冲击最优法线夹角调制功能。为此，设备在加工过程中可以随时调整激光冲击强化工具头的方向，与工件运动相配合，实现复杂曲面零件的双面可控最优法向夹角冲击，尤其是可以解决复杂曲面部件双侧法线不共线的情况下，单面冲击容易引起翘曲变形，传统双面冲击效果并不理想的问题，为激光冲击强化提供新的工程优化自由度。
[0007]本申请的一个方面，提供了一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置，所述激光冲击强化装置包括底座、激光冲击强化工具单元、激光传输单元、激光器、工件夹持单元、约束层净化加载单元、控制单元；
[0008]所述工件夹持单元固定在所述底座上，用于夹持待加工工件，所述工件夹持单元具有N个运动自由度；
[0009]所述激光冲击强化工具单元固定在所述底座上，具有五个方向的运动自由度；
[0010]所述激光传输单元与所述激光冲击强化工具单元连接，用于将激光垂直入射至所述激光冲击强化工具单元；所述激光传输单元具有转动自由度；
[0011]所述激光器用于发出激光，通过激光传输单元垂直入射所述激光冲击强化工具单元；
[0012]所述约束层净化加载单元与所述激光冲击强化工具单元连接，用于净化、喷射约束层；
[0013]所述控制单元用于控制激光器出光、控制约束层净化加载单元喷射约束层、控制工件夹持单元夹持所述待加工工件运动、控制激光冲击强化工具单元运动。
[0014]可选地，N为0～5的整数。
[0015]可选地，当N为5时，所述工件夹持单元具有三个平移自由度和两个旋转自由度。
[0016]可选地，所述工件夹持单元具有五个自由度，Y轴安装在底座上，X轴安装在Y轴上，Z轴安装在X轴上，B轴安装在Z轴上，可以绕Y轴方向旋转，C轴安装在B轴上，可以绕Z轴方向旋转，所述五轴设备具有三个平移自由度和两个旋转自由度，包括但不限于X、Y、Z、B、C的组合形式。
[0017]可选地，所述激光冲击强化工具单元包括激光冲击强化工具头和承载平台；
[0018]所述承载平台固定在所述底座上，用于承载激光冲击强化工具头；所述承载平台
具有五个方向的运动自由度；
[0019]所述激光传输单元将激光垂直入射至所述激光冲击强化工具头。
[0020]可选地，所述承载平台具有三个平移自由度和两个旋转自由度。
[0021]可选地，所述承载平台包括X轴、Y轴、Z轴的移动轴及其滑轨，绕Y轴转动的B轴以及绕Z轴转动的C轴。X轴、Y轴、Z轴的移动带来激光冲击强化工具头位置的调整，可以通过可伸缩防尘管实现激光与工具头的位置调整。B轴、C轴的转动带来的工具头角度的变化，可以通过转动关节调整反射镜的角度，从而实现激光垂直入射工具头。通过调整激光冲击强化工具头的角度，可以实现曲面零件两侧法线不共线的情况下双面可控法向冲击。该系统包括但不限于X、Y、Z、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向可控法向夹角的激光冲击强化装置，其特征在于，所述激光冲击强化装置包括底座、激光冲击强化工具单元、激光传输单元、激光器、工件夹持单元、约束层净化加载单元、控制单元；所述工件夹持单元固定在所述底座上，所述工件夹持单元具有N个运动自由度；所述激光冲击强化工具单元固定在所述底座上，具有五个方向的运动自由度；所述激光传输单元与所述激光冲击强化工具单元连接，用于将激光垂直入射至所述激光冲击强化工具单元；所述激光传输单元具有转动自由度；所述激光器用于发出激光，通过激光传输单元垂直入射所述激光冲击强化工具单元；所述约束层净化加载单元与所述激光冲击强化工具单元连接，用于净化、喷射约束层；所述控制单元用于控制激光器出光、控制约束层净化加载单元喷射约束层、控制工件夹持单元夹持所述待加工工件运动、控制激光冲击强化工具单元运动。2.根据权利要求1所述的激光冲击强化装置，其特征在于，N为0～5的整数。3.根据权利要求2所述的激光冲击强化装置，其特征在于，当N为5时，所述工件夹持单元具有三个平移自由度和两个旋转自由度。4.根据权利要求1所述的激光冲击强化装置，其特征在于，所述激光冲击强化工具单元包括激光冲击强化工具头和承载平台；所述承载平台固定在所述底座上，用于承载激光冲击强化工具头；所述承载平台具有五个方向的运动自由度；所述激光传输单元将激光垂直入射至所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文武，秦秀，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：