專利名稱：基于激光沖擊技術(shù)的新型水約束層增壓的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械制造與激光沖擊技術(shù)領(lǐng)域，特指一種用于激光沖擊強(qiáng)化與成形中的新型水約束層增壓的裝置和方法。
背景技術(shù)：
激光沖擊處理技術(shù)(LSP)是一種具有非常好前景的加工手段，其原理是高功率(Gpa級)短脈沖(ns級)激光誘導(dǎo)的沖擊波與材料相互作用。該技術(shù)主要用于材料改性、沖擊成型、以及無損檢測等方面，目前這一技術(shù)已在機(jī)械制造工程、航空航天、微電子、軍事等各行各業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。
激光沖擊處理技術(shù)中的約束層是指覆蓋在受沖擊材料表面的一層對激光透明(對激光波長有良好的穿透性)物質(zhì)，其對激光誘導(dǎo)的沖擊波起到了約束作用，從而有效加大了沖擊波對受沖擊材料的作用時(shí)間和作用力。約束層技術(shù)對激光沖擊處理具有增效作用，是產(chǎn)生較明顯激光沖擊波效應(yīng)的重要手段，是激光沖擊波得以工程應(yīng)用的關(guān)鍵和前提條件，所以良好的約束層質(zhì)量是激光沖擊技術(shù)中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。
目前可查閱的國內(nèi)外文獻(xiàn)、專利中的約束層一般為水、水玻璃、玻璃以及柔性貼膜等。如美國專利US5741559“Laser peening process and apparatus”就是采用流水為約束層；此外還有使用柔性貼膜作為約束層的，如我國專利CN1404954“一種用于激光沖擊處理的柔性貼膜”。幾種約束層物質(zhì)均存在明顯缺陷，玻璃的增壓效應(yīng)顯著，但由于裝夾不方便、且大面積沖擊以及多次多點(diǎn)沖擊時(shí)需重復(fù)和反復(fù)裝夾，而且不能用于曲面激光沖擊，操作煩瑣，清理復(fù)雜，故實(shí)用性很差；柔性貼膜雖然能解決前者的一些缺陷，但由于約束層為柔性，增效不如剛性的約束層明顯，且柔性貼膜的選材、制作要求較高，因此成本也相對較高；而用水作約束層時(shí)，柔性較好，能實(shí)現(xiàn)大面積沖擊以及多次多點(diǎn)沖擊，但水作為約束層其增壓效果國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)報(bào)道一直不理想，且現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置中水流的紊流性使得水流過試件表面水約束層厚度的均勻性不能準(zhǔn)確控制，容易產(chǎn)生流水的擊穿效應(yīng)影響激光沖擊效果。如美國專利US5741559“Laser peening process andapparatus”中指出水約束層的厚度大約為0.01～20mm，但是該專利的水約束層厚度不能精確控制，只能大約估計(jì)。激光沖擊中水約束層的其他參數(shù)控制(包括水流速度、水流壓力、水流寬度和面積)在國內(nèi)外可查閱的資料中也沒有見到報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于激光沖擊強(qiáng)化與激光沖擊成形中水約束層增加沖擊效果的新型的方法及裝置，能保證工件表面激光加工區(qū)域的水簾約束層厚度的均勻性和可控性，進(jìn)一步可以將激光沖擊運(yùn)用于不規(guī)則的試件表面，實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。
一種基于激光沖擊技術(shù)的新型水約束層增壓的方法水通過進(jìn)水管進(jìn)入控制水箱中，經(jīng)過可調(diào)水龍頭覆蓋工件表面的待加工區(qū)域，加工工程中工件表面略低于水流平面，激光器激發(fā)出激光透過水約束層沖擊工件表面，開始沖擊成形，在成形過程中，通過微機(jī)控制器調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕控制出水的流量和速度，以保證在沖擊過程中不出現(xiàn)水流的紊流；通過微機(jī)控制器調(diào)節(jié)可調(diào)水龍頭控制水約束層水流的寬度和厚度，水流寬度要保證覆蓋工件表面的待加工區(qū)域，水約束層的厚度則根據(jù)具體工件的材質(zhì)和厚度調(diào)節(jié)，并保證水流過工件表面水約束層厚度的均勻性，提高水約束層的增壓性能；通過微機(jī)控制器控制水龍頭隨行控制器跟隨激光光斑同步前進(jìn)，保證水約束層覆蓋在工件的待加工區(qū)域，并能根據(jù)待加工表面的不規(guī)則程度實(shí)時(shí)調(diào)整可調(diào)水龍頭的出水方向，可調(diào)水龍頭的出水方向能實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，保證水流平面與激光傳輸方向垂直；水流過工件表面以后落入水回收裝置，通過回水管流入凈水裝置，完成工件成形的一次循環(huán)。
一種基于激光沖擊技術(shù)的新型水約束層增壓裝置，其由一個(gè)用于控制水流量的控制水箱、水龍頭隨行控制器、一個(gè)凈水裝置、一個(gè)水回收裝置、一個(gè)微機(jī)控制器；控制水箱是由調(diào)壓旋鈕、進(jìn)水管、可調(diào)水龍頭組成，凈水裝置通過進(jìn)水管與控制水箱相連，水回收裝置位于控制水箱下方，其上端略低于控制水箱的可調(diào)水龍頭，水回收裝置通過回水管與凈水裝置相連，微機(jī)控制器分別控制調(diào)壓旋鈕、可調(diào)水龍頭、水龍頭隨行控制器，凈水裝置。
水約束層的裝置的調(diào)節(jié)參數(shù)為水流的速度為5～10cm/s，水流壓力為0.1～0.5kg/cm2，水流的寬度10～30mm，大于激光光斑直徑，水流在工件表面大約厚1～5mm。
本發(fā)明提高了水約束層在激光沖擊處理中的增壓效果，激光沖擊過程中，通過微機(jī)控制器自動控制流水約束層水流的速度和流量以及水覆蓋在工件表面的方向，獲得實(shí)驗(yàn)需要的約束層的厚度、約束層的面積，實(shí)現(xiàn)板料大面積多點(diǎn)和多次連續(xù)自動沖擊，并由于柔性好可用于曲面激光沖擊加工。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)本方法采用調(diào)壓旋鈕調(diào)節(jié)可調(diào)水龍頭出水能保證水作為約束層在激光沖擊表面的均勻性，減少了水約束層在沖擊時(shí)的飛濺現(xiàn)象；(2)本方法的可調(diào)水龍頭能調(diào)整水約束層的厚度，這樣能根據(jù)工件材質(zhì)的不同以及變形所需能量的不同，調(diào)整最佳的水約束層的厚度；(3)本方法的水龍頭隨行控制器能實(shí)時(shí)跟蹤激光光斑調(diào)整，能夠適用于大面積板料加工和曲面加工，對于激光沖擊處理有一定的實(shí)用價(jià)值；(4)本方法采用水回收凈化，實(shí)際激光加工時(shí)的連續(xù)沖擊時(shí)，無需額外的供水系統(tǒng)，這樣水約束系統(tǒng)簡單，減少成本，增加了實(shí)際應(yīng)用性。有利于將來小型實(shí)時(shí)激光沖擊系統(tǒng)的應(yīng)用。


圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2激光沖擊曲面的局部圖1.可調(diào)水龍頭 2.調(diào)壓旋鈕 3.控制水箱 4.進(jìn)水管 5.凈水裝置 6.微機(jī)控制器7.回水管 8.水回收裝置 9.工件 10.水約束層 11.激光束 12.水龍頭隨行控制器 13.水流 14.激光束 15.飛機(jī)葉片具體實(shí)施方式
實(shí)施例1大面積多點(diǎn)多次沖擊合金金屬表面時(shí)，首先通過微機(jī)控制器(6)設(shè)定激光光斑路徑，根據(jù)微機(jī)控制器(6)設(shè)定的路線圖，水龍頭隨行控制器(12)能實(shí)時(shí)控制可調(diào)水龍頭(1)跟隨激光光斑(11)調(diào)整，水簾隨著激光光斑的移動而不停移動，微機(jī)控制器(6)控制水龍頭合理調(diào)節(jié)水約束層的裝置的調(diào)節(jié)參數(shù)為水流的速度為8cm/s，水流壓力0.3kg/cm2，水流的寬度20mm，水流在工件表面大約厚5mm，從而達(dá)到理想的約束層參數(shù)。在激光沖擊過程中，凈水裝置(5)凈化流進(jìn)控制水箱(3)的水，從而減少流經(jīng)工件表面的水中的雜質(zhì)，提高水約束層(10)的質(zhì)量，提高激光沖擊效果，水回收裝置(8)回收沖擊實(shí)驗(yàn)后的剩水，并通過回水管回流至凈水裝置(5)重新凈化利用，這樣減少了實(shí)驗(yàn)間隙中的清理工作臺等工作，減少了單件工件加工時(shí)間單點(diǎn)單次分別沖擊，無需停機(jī)裝夾和清掃，最終實(shí)現(xiàn)大區(qū)域成形或強(qiáng)化。
實(shí)施例2在激光沖擊曲面飛機(jī)葉片中，國外已將水約束層用于飛機(jī)(F119)的整體回轉(zhuǎn)輪的葉片激光沖擊中，但這種葉片由于是曲面，水直接沖在葉片上不能保證約束層厚度的均勻性，而且不能保證水平面方向與激光光束相垂直。本發(fā)明中微機(jī)控制器(6)實(shí)時(shí)控制可調(diào)水龍頭(1)使得飛機(jī)葉片曲面法線垂直面的水約束層(13)厚度均勻，并且水龍頭隨行控制器(12)能隨著激光光斑(14)的移動隨行移動，這樣能保證激光垂直沖擊在工件的表面，使得激光沖擊效果良好。
權(quán)利要求
1.一種基于激光沖擊技術(shù)的新型水約束層增壓的方法，其特征在于水通過進(jìn)水管(4)進(jìn)入控制水箱(3)中，經(jīng)過可調(diào)水龍頭(1)覆蓋工件(9)表面的待加工區(qū)域，加工過程中工件(9)表面略低于水流平面，激光器激發(fā)出激光透過水約束層沖擊工件(9)表面，開始沖擊成形，在成形過程中，通過微機(jī)控制器(6)分別調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕(2)控制出水的流量和速度；調(diào)節(jié)可調(diào)水龍頭(1)控制水約束層水流的寬度和厚度，并控制水龍頭隨行控制器(12)跟隨激光光斑同步前進(jìn)，調(diào)整可調(diào)水龍頭的出水方向，使得水流平面與激光傳輸方向垂直；水流過工件(9)表面以后落入水回收裝置(8)，通過回水管(7)流入凈水裝置(5)，完成工件成形的一次循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光沖擊技術(shù)的新型水約束層增壓的方法，其特征在于水約束層的裝置的調(diào)節(jié)參數(shù)為水流的速度為5～10cm/s，水流壓力為0.1～0.5kg/cm2，水流的寬度10～30mm，大于激光光斑直徑，水流在工件表面大約厚1～5mm。
3.一種基于激光沖擊技術(shù)的新型水約束層的增壓裝置，其特征在于由一個(gè)用于控制水流量的控制水箱(3)、水龍頭隨行控制器(12)、一個(gè)凈水裝置(5)、一個(gè)水回收裝置(8)、一個(gè)微機(jī)控制器(6)組成；控制水箱是由調(diào)壓旋鈕(2)、進(jìn)水管(4)、可調(diào)水龍頭(1)組成，凈水裝置(5)通過進(jìn)水管(4)與控制水箱(3)相連，水回收裝置(8)位于控制水箱(3)下方，其上端略低于控制水箱(3)的可調(diào)水龍頭(1)，水回收裝置(8)通過回水管(7)與凈水裝置(5)相連，微機(jī)控制器(6)分別控制調(diào)壓旋鈕(2)、可調(diào)水龍頭(1)、水龍頭隨行控制器(12)，凈水裝置(5)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于激光沖擊技術(shù)的新型水約束層增壓的方法和裝置，包括凈水裝置、水流控制箱、可調(diào)水龍頭，水龍頭隨行控制器、水回收裝置、調(diào)壓旋鈕和微機(jī)控制器。本發(fā)明裝置將水凈化后經(jīng)過水流控制箱通過微機(jī)控制器控制可調(diào)水龍頭實(shí)現(xiàn)水流的速度和流量等參數(shù)的可控性，保證沖擊過程中水約束層不出現(xiàn)水流的紊流性，使得水流過試件表面保證水約束層厚度均勻，并能適當(dāng)調(diào)節(jié)水約束層厚度，提高水約束層的增壓效果。出水計(jì)量計(jì)和水龍頭控制機(jī)構(gòu)配合微機(jī)控制器能實(shí)時(shí)糾正水流參數(shù)，水回收裝置將水及時(shí)回收凈化再利用，簡化了水約束系統(tǒng)，減少成本，增加了實(shí)際應(yīng)用性，有利于將來激光沖擊處理工廠化、實(shí)用化。
文檔編號B23K26/00GK1745955SQ200510094810
公開日2006年3月15日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者張永康, 任旭東, 周建忠, 馮愛新, 葛濤, 王利強(qiáng) 申請人:江蘇大學(xué)