專利名稱：連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光沖擊硬化(peening)，尤其是涉及在激光沖擊硬化期間使激光發(fā)射和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)同步化的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
激光沖擊硬化(LSP)或也稱作激光沖擊處理是通過對(duì)物品的表面區(qū)域進(jìn)行激光沖擊硬化而產(chǎn)生深層壓縮殘留應(yīng)力的區(qū)域的方法。激光沖擊硬化一般使用來自高低功率脈沖激光的一個(gè)或更多輻射脈沖以便在物品表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，與標(biāo)題為“Altering MaterialProperties”的美國(guó)專利No.3,850,698所披露的方法、標(biāo)題為“LaserShock Processing”的美國(guó)專利No.4,401,477所披露的方法和標(biāo)題為“Material Properties”的美國(guó)專利No.5,131,957所披露的方法相類似。激光沖擊硬化，如本領(lǐng)域所理解的和本文所使用的，意思是利用來自激光束源的脈沖激光束以便通過形成等離子體的瞬間燒蝕或汽化表面的薄層或表面的涂層(例如帶或涂料)來在激光束的撞擊點(diǎn)產(chǎn)生爆炸力來在該表面的一部分產(chǎn)生強(qiáng)烈的局部化的壓縮力。
激光沖擊硬化被開發(fā)用于燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的很多應(yīng)用中，其中一些被以下的美國(guó)專利所公開標(biāo)題為“On The Fly Laser Shock Peening”的5,736,965號(hào)專利；標(biāo)題為“Laser Shock peened gas turbineengine fan blade edges”的5,591,009號(hào)專利；標(biāo)題為“Distortioncontrol for laser shock peened gas turbine engine compressorblade edges”的5,531,570號(hào)專利；標(biāo)題為“Laser shock peenedrotor components for turbomachinery”的5,492,447號(hào)專利；標(biāo)題為“Adhesive tape covered laser shock peening”的5,674,329號(hào)專利；標(biāo)題為“Dry tape covered laser shock peening”的5,674,328號(hào)專利，所以這些專利都被轉(zhuǎn)讓給了本受讓人。
從大約20到大約50焦耳的高能量激光束或從大約3焦耳到大約10焦耳的低能量激光束已經(jīng)被使用，其它層次的激光束在考慮之中。例如參考1997年10月7日授權(quán)的披露了使用高能量激光進(jìn)行激光沖擊處理的美國(guó)專利No.5,674,329(Mannava等)和1999年8月3日授權(quán)的披露了使用低能量激光進(jìn)行激光沖擊處理的美國(guó)專利No.5,932,120(Mannava等)。低能量激光束可以通過使用不同的激光材料例如釹攙雜的釔鋁石榴石(Nd YAG)，NdYLF和其它材料而產(chǎn)生。
為了使用激光沖擊硬化覆蓋很大的區(qū)域，必須進(jìn)行很多激光發(fā)射，因此，期望具有要求激光發(fā)射和運(yùn)動(dòng)步驟同步化的連續(xù)的LSP方法和系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)必須在正被激光沖擊硬化的工件和激光束之間進(jìn)行，使得激光在不同位置撞擊工件，以便用激光沖擊硬化點(diǎn)覆蓋待被激光沖擊硬化的整個(gè)區(qū)域。沒有同步化，用連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行處理時(shí)，激光沖擊硬化點(diǎn)從點(diǎn)的一次通過或一層安置到下一次通過或?qū)訒r(shí)的可重復(fù)性要求就不能被滿足。在一層或一次通過上的激光沖擊硬化點(diǎn)必須在以前的層或通過的點(diǎn)之間進(jìn)行撞擊。
激光沖擊硬化一般包括將工件移到固定位置，運(yùn)動(dòng)停住，發(fā)射激光，然后該部件的運(yùn)動(dòng)再被啟動(dòng)以便重新定位該工件以便進(jìn)行下一次激光發(fā)射。這種停止和啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)被重復(fù)進(jìn)行直到完成激光沖擊硬化區(qū)域或片。美國(guó)5,736,965號(hào)專利披露了匆忙的激光沖擊硬化，它包括使用固定的恒定激光脈沖率和固定供送率運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，其產(chǎn)生重疊排的激光束點(diǎn)。較理想的是更準(zhǔn)確地定位激光沖擊硬化點(diǎn)便于處理一層上的非重疊發(fā)射并便于將激光沖擊硬化點(diǎn)安置在后面層的已存在的點(diǎn)之間，所述后面層的已存在的點(diǎn)重疊前一層的激光沖擊硬化點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化設(shè)備包括產(chǎn)生激光束以便對(duì)工件進(jìn)行激光沖擊硬化的激光單元、可控制地連接到操縱器以便連續(xù)移動(dòng)和定位該工件的運(yùn)動(dòng)控制器、調(diào)制和發(fā)射來自激光單元的激光束的激光控制器。激光發(fā)射系統(tǒng)被用于發(fā)射來自激光單元的激光束。該運(yùn)動(dòng)控制器可操作地連接到激光控制器，以便基于從運(yùn)動(dòng)控制器的速度控制器給出的軸位置反饋信息發(fā)射激光束。該設(shè)備的示例性實(shí)施例包括至少一個(gè)可操作地設(shè)置以便啟動(dòng)激光單元中激光桿的閃光燈。激光控制器具有調(diào)制和發(fā)射來自激光單元的激光束的第一和第二模式。第一種模式是待機(jī)模式，用于在閃光率下使閃光燈閃動(dòng)而不觸發(fā)激光束。第二種模式是以激光束脈沖觸發(fā)和發(fā)射激光束的發(fā)射模式。激光控制器包括同步裝置，該同步裝置用于基本在激光束脈沖將被產(chǎn)生時(shí)的一個(gè)時(shí)間同步化被計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器提供給激光界面控制器以發(fā)射激光束的激光束脈沖的觸發(fā)信號(hào)和閃光燈閃動(dòng)的閃光率。
該激光沖擊硬化設(shè)備的一個(gè)示例性實(shí)施例包括運(yùn)動(dòng)控制器，該運(yùn)動(dòng)控制器被可操作地連接到激光控制器上并被編程以便沿操縱器的一個(gè)或更多軸按預(yù)定間隔發(fā)射激光束。該預(yù)定間隔是基于由運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)生的并代表沿軸的距離的編碼計(jì)數(shù)。
在該設(shè)備另一個(gè)更特殊實(shí)施例中，激光單元的振蕩器包括可操作地設(shè)置于前后鏡和閃光燈之間的激光桿。光閥被設(shè)置于前鏡和激光桿之間，Q開關(guān)位于激光桿和后鏡之間。該Q開關(guān)可控制地連接到激光控制器上，以便觸發(fā)和發(fā)射激光束脈沖。
在該設(shè)備再一個(gè)更特殊可選實(shí)施例中，振蕩器包括可操作地設(shè)置于前后鏡和閃光燈之間的激光桿。雙Pocel Cell被沿從振蕩器引出的光束路徑直接設(shè)置在振蕩器和高速光閥之間。高速光閥和雙PocelCell被可控制地連接到激光振蕩器。
連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化方法包括用具有振蕩器的激光單元將激光束的激光束脈沖發(fā)射到工件的激光沖擊硬化表面，以通過激光束在激光沖擊硬化表面至少單次通過而形成至少第一排激光沖擊硬化點(diǎn)。該方法還包括用激光界面控制器調(diào)制和控制激光單元以便將激光束發(fā)射到激光沖擊硬化表面上，用由計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器控制的操縱器連續(xù)移動(dòng)和定位該工件，基于從運(yùn)動(dòng)控制器的速度控制器到激光界面控制器的軸位置反饋信息發(fā)射激光束脈沖。該方法的另一個(gè)特殊實(shí)施例包括在觸發(fā)信號(hào)上放置頭部，其中該頭部使計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器延遲一系列觸發(fā)信號(hào)的至少第一脈沖來發(fā)射激光束脈沖。該方法的另一個(gè)特殊實(shí)施例包括放置啟動(dòng)和停止掩模在片區(qū)的遠(yuǎn)端，其中，被激光沖擊硬化的片將被形成在被激光沖擊硬化表面上，并在激光束在激光沖擊硬化表面上的每次通過時(shí)將至少第一個(gè)激光束脈沖發(fā)射到啟動(dòng)掩模上。


圖1是連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化系統(tǒng)的示意圖。
圖2是圖1中所示的激光沖擊硬化系統(tǒng)的激光和光學(xué)器件的示意圖。
圖3是圖1中所示的激光的操作的圖解示圖。
圖4是圖1中所示的激光沖擊硬化系統(tǒng)的第一示例性激光振蕩器的示意圖。
圖5是圖1中所示的激光沖擊硬化系統(tǒng)的第二示例性激光振蕩器的示意圖。
圖6是圖1中所示的激光沖擊硬化系統(tǒng)中處理工件的側(cè)視圖，其具有停止和啟動(dòng)掩模以及示例性激光沖擊硬化點(diǎn)的陣列。
圖7是處理圖1中所示的激光沖擊硬化點(diǎn)的序列的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1和2示出了對(duì)物件或工件8進(jìn)行激光沖擊硬化的連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化設(shè)備10，該物件或工件8是以安裝在多軸計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)操縱器127中的燃?xì)廨啓C(jī)葉片為例。本文中示出了五軸計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)操縱器127，其具有圖1中分別用X，Y，Z標(biāo)出的常規(guī)平移軸X、Y、Z軸和分別用A、B、C標(biāo)出的常規(guī)第一、第二、第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸A、B、C，這些軸是CNC加工領(lǐng)域中公知的。該操縱器127被用于連續(xù)移動(dòng)和定位所述葉片以提供激光沖擊硬化，從而在該工件8和靜止激光束2之間提供連續(xù)運(yùn)動(dòng)。用涂料或帶作為燒蝕介質(zhì)，激光沖擊硬化可以以多種不同方式進(jìn)行(尤其參考名稱為“Adhesive TapeCovered Laser Shock Peering”的美國(guó)5,674,329號(hào)專利)。
該靜止激光束2被引向該工件8的激光沖擊硬化表面55中的靶區(qū)42。該激光沖擊硬化設(shè)備10包括具有振蕩器33的激光單元31、激光界面控制器24和計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器25。該激光界面控制器24被用于調(diào)制和控制該激光單元31以便將激光束2發(fā)射到被涂層的或未被涂層的激光沖擊硬化表面55上。該計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器25被用于控制該操縱器127的運(yùn)作和移動(dòng)包括速度和定位。該激光沖擊硬化設(shè)備10還包括前置放大器47和沿激光束路徑66的光束分裂器49。該光束分裂器49將前置放大的激光束供送到兩個(gè)光束光學(xué)傳輸回路43中。每個(gè)所述的光束光學(xué)傳輸回路43包括第一放大器39，第二也是最后的放大器41和光學(xué)器件35。該光學(xué)器件35包括將激光束2傳輸和聚焦到激光沖擊硬化表面55上的光學(xué)元件。
位于靶區(qū)42中的激光沖擊硬化表面55分別示出在代表工件8的葉片的前邊沿LE的壓力側(cè)和吸力側(cè)46和48上。該激光沖擊硬化表面55被涂覆了如涂料或膠帶的燒蝕涂層57，以便形成如美國(guó)專利5,674,329和5,674,328中所公開的涂覆表面。該涂層57提供燒蝕介質(zhì)，在該燒蝕介質(zhì)上放置例如流水的流體簾21的透明收容介質(zhì)。在激光沖擊硬化期間，該葉片(工件8)被移動(dòng)，同時(shí)靜止激光束2穿過由噴水嘴19噴射形成的流水簾21被發(fā)射到該激光沖擊硬化表面55上。激光沖擊硬化過程一般是用于在被激光沖擊硬化的表面54上形成重疊的圓形激光沖擊硬化點(diǎn)58。
激光束沖擊引起的深層壓縮殘留應(yīng)力形成在壓縮預(yù)應(yīng)力區(qū)56中。該壓縮殘留應(yīng)力一般是大約50-150 KPSI(每平方英寸千磅)并且從被激光沖擊硬化的表面54連續(xù)延伸到預(yù)應(yīng)力區(qū)中大約20-50密耳的深度。激光束沖擊引起的深層壓縮殘留應(yīng)力是重復(fù)性地發(fā)射激光束2產(chǎn)生的，所述激光束相對(duì)于激光沖擊硬化表面55一般散焦正負(fù)幾百密耳。
激光單元31被更詳細(xì)地示出在圖2中。該激光單元31中的振蕩器33只有單一的激光桿36。該示例性的振蕩器33是常規(guī)的脈沖YAG自由運(yùn)行振蕩器。這種振蕩器的一個(gè)實(shí)例是Convergent-Prima P50和其它主要用于鉆孔的YAG激光器。這些激光器在1到100赫茲以上，在從幾百微秒到一毫秒以上的脈沖寬度，產(chǎn)生1到50焦耳。它們可以從幾個(gè)經(jīng)銷商例如Trumpf，Rofin Sinar，Lasag和JK那里購買到。該激光器可以以多種方式與小于500瓦并且一般小于200瓦的平均功率(例如，重復(fù)率x能量/脈沖)相結(jié)合的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)作。該自由運(yùn)行YAG激光振蕩器33由一對(duì)啟動(dòng)激光桿36的閃光燈70驅(qū)動(dòng)。
連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化設(shè)備10通過連續(xù)移動(dòng)工件8提供連續(xù)的激光沖擊硬化，同時(shí)激光界面控制器24調(diào)制和啟動(dòng)激光束設(shè)備，該激光束設(shè)備將激光束2的明顯的激光束脈沖77引導(dǎo)到工件上精確控制位置處的被涂覆的激光沖擊硬化表面55上。激光發(fā)射系統(tǒng)125被用于從激光單元31發(fā)射激光束2并包括運(yùn)動(dòng)控制器25，該運(yùn)動(dòng)控制器25可操作地連接到激光控制器24以便基于從運(yùn)動(dòng)控制器25的速度控制器129給出的軸向位置反饋信息發(fā)射激光束2。
圖4示出了該激光發(fā)射系統(tǒng)125的第一示例性實(shí)施例，它包括至少一個(gè)可操作地設(shè)置以便啟動(dòng)激光單元31中激光桿36的閃光燈70。激光控制器24具有如圖3示出的調(diào)制和發(fā)射來自激光單元31的激光束2的第一和第二模式。第一種模式是待機(jī)模式，用于在激光燈頻率或閃光率73下使閃光燈70閃動(dòng)，而不觸發(fā)激光束2。一個(gè)示例性閃光燈頻率或閃光率73大約在10赫茲，即，每秒10個(gè)周期或重復(fù)。在該待機(jī)模式中，該激光器維持熱穩(wěn)定。但是，激光器因?yàn)槿鄙儆杉す饪刂破?4向振蕩器的Q開關(guān)99發(fā)送的脈沖觸發(fā)信號(hào)93不會(huì)產(chǎn)生激光束脈沖77形式的激光束2。該振蕩器Q開關(guān)99被示例為Pocel Cell。
第二種模式是發(fā)射激光束脈沖77的發(fā)射模式。觸發(fā)信號(hào)93由計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器25提供給激光界面控制器24以便在發(fā)射模式期間在準(zhǔn)確的時(shí)間開始發(fā)射激光束2的激光束脈沖77。觸發(fā)信號(hào)93包括一系列觸發(fā)脈沖173，該觸發(fā)脈沖173具有一般與閃光燈頻率或閃光率73相匹配的觸發(fā)頻率95。這將產(chǎn)生在閃光燈頻率或閃光率73下如圖1、6和7所示的一次通過或沿一排的相等間隔的激光沖擊硬化點(diǎn)58。
圖7示出了在被激光沖擊硬化的表面54上的分別具有第一、第二、第三排R1、R2、R3激光沖擊硬化點(diǎn)58的激光沖擊硬化片53。第一、第二、第三排R1、R2、R3中的每排是在第一和第二序列1和2中每個(gè)序列中分別進(jìn)行第一、第二、第三次通過形成。在序列之一期間排之一中的所有激光沖擊硬化點(diǎn)58是激光束2在被激光沖擊硬化的表面54上單次通過而形成。
在此所示的示例性連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化方法中，每一序列中每一次通過形成一排間隔開的不重疊的激光沖擊硬化點(diǎn)58，即，序列1的第一排R1中的激光沖擊硬化點(diǎn)58。在任何一排中的重疊的激光沖擊硬化點(diǎn)58的圖案是通過不同序列的不同通過形成的。在此所示的示例性連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化方法中，重疊的激光沖擊硬化點(diǎn)58的第一、第二、第三排R1、R2、R3是在第一和第二序列1和2中每個(gè)序列中分別進(jìn)行第一、第二、第三次通過形成。每排重疊的激光沖擊硬化點(diǎn)58是兩次通過形成但是可以通過更多通過形成。
排數(shù)、序列數(shù)、排的層數(shù)(沿每一排的多次通過)、一排或不同排中相鄰激光沖擊硬化點(diǎn)之間的重疊60的數(shù)目都可以有所不同。本文示出的示例性激光沖擊硬化片53中激光沖擊硬化點(diǎn)58的圖案有三排，其中每排例如R2排中的激光沖擊硬化點(diǎn)58的相鄰的激光沖擊硬化點(diǎn)58重疊大約30％但是不重疊相鄰排例如R1和R3排中的激光沖擊硬化點(diǎn)58。在激光沖擊硬化片53中的激光沖擊硬化點(diǎn)58的圖案的多種變形是可以的，并且很多變形在本領(lǐng)域是公知的了。激光沖擊硬化點(diǎn)58的圖案也可以可選地包括相鄰排中的激光沖擊硬化點(diǎn)58可以重疊或者每排中的激光沖擊硬化點(diǎn)58的相鄰激光沖擊硬化點(diǎn)58和相鄰排中的相鄰激光沖擊硬化點(diǎn)58可以重疊。公知的是10％到50％的重疊60被用于激光沖擊硬化。提供具有一排或多排非重疊激光沖擊硬化點(diǎn)58的激光沖擊硬化片也是適宜的，例如象名稱為“Ripstop LaserShock Peering”的美國(guó)專利6,159,619中公開的那樣。
每個(gè)激光沖擊硬化點(diǎn)58是由單一的激光束脈沖77形成，該單一的激光脈沖77是在觸發(fā)頻率95下基于觸發(fā)信號(hào)93的觸發(fā)脈沖173被發(fā)射的，該觸發(fā)頻率95一般與閃光燈頻率或閃光率73相匹配。該觸發(fā)頻率95與被操縱器127所保持和計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器25所控制的工件8的被激光沖擊硬化的表面54的供送速度也有關(guān)系。
激光控制器24被編程以便提供同步裝置27，該同步裝置27用于基本在激光束脈沖77如圖3所示被產(chǎn)生時(shí)基本在一個(gè)時(shí)間使觸發(fā)信號(hào)93和激光燈閃光率73同步。該觸發(fā)信號(hào)93基于運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)工件的定位。本文中示例性的運(yùn)動(dòng)控制器25提供TTL信號(hào)(晶體管邏輯信號(hào))，也被稱作運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)。作為觸發(fā)信號(hào)93使用的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)表明工件的定位，從而表明激光束2在工件上的相對(duì)位置。在發(fā)射的時(shí)候(即，觸發(fā)信號(hào)93被計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器25向激光界面控制器24發(fā)射的時(shí)間)，激光燈閃光率73和該觸發(fā)信號(hào)93(即，TTL信號(hào))被同步化。
示例性的激光單元31表示的是一個(gè)具有額定功率一般在2.5至5焦耳(J)范圍內(nèi)的低功率激光器。其它合適的低功率范圍包括0.5至10J。本文所示的連續(xù)激光沖擊硬化方法包括直徑D在0.5至3毫米范圍內(nèi)的激光沖擊硬化點(diǎn)58。本文中所用的示例性激光單元功率為4J并且激光沖擊硬化點(diǎn)58具有大約1.85毫米至1.95毫米的直徑D。
當(dāng)激光控制器24從運(yùn)動(dòng)控制器25接收10赫茲的觸發(fā)信號(hào)93的第一脈沖112時(shí)，它使激光燈閃光率73和觸發(fā)信號(hào)93同步化并切換到第二種模式或發(fā)射模式，以便發(fā)射激光束脈沖77。此時(shí)，激光燈閃光率73和從激光控制器24發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)93將被同步化。這在圖3中是通過閃光燈閃光率73的波形拖長(zhǎng)(stutter)110顯示的，以使其與觸發(fā)信號(hào)93同步。激光器可能不會(huì)為觸發(fā)信號(hào)93的第一脈沖112(或更多)產(chǎn)生理想的激光束脈沖77，取決于觸發(fā)信號(hào)93何時(shí)相對(duì)于閃光燈閃光率73被接收。該第一脈沖112，或如果需要，有更多的脈沖，被用作觸發(fā)信號(hào)93的頭部111，以便允許有足夠的時(shí)間使激光燈閃光率73和觸發(fā)信號(hào)93同步。激光控制器24或運(yùn)動(dòng)控制器25被編程，以便通過把觸發(fā)脈沖從激光控制器24發(fā)射到如圖4所示的用作振蕩器Q開關(guān)99的激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)上在頭部111后的第二脈沖113(或更高數(shù)量的脈沖)開始發(fā)射激光束脈沖77。頭部111導(dǎo)致激光控制器延遲一系列114觸發(fā)信號(hào)93的至少第一脈沖112來發(fā)射激光束脈沖77。當(dāng)從運(yùn)動(dòng)控制器25來的該系列114觸發(fā)信號(hào)93結(jié)束(每一次通過一個(gè))時(shí)，激光器返回到待機(jī)模式。每一排激光沖擊硬化點(diǎn)的每一次通過相應(yīng)于一系列觸發(fā)信號(hào)93。
本文示出了用于觸發(fā)激光束脈沖77的兩個(gè)示例性激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)。第一個(gè)示例性激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)124示出于圖4中。激光單元31的振蕩器33包括可操作地設(shè)置于前后鏡137和139和閃光燈70之間的激光桿36。光閥149被設(shè)置于前鏡137和激光桿36之間，Q開關(guān)99用作第一示例性激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)124位于激光桿36和后鏡139之間。該Q開關(guān)99和光閥149可控制地連接到激光控制器24上。激光控制器24向振蕩器Q開關(guān)99發(fā)送觸發(fā)脈沖173，以便發(fā)射激光束脈沖77。
圖5示出了第二個(gè)示例性激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)144。圖5中的振蕩器33包括可操作地設(shè)置于前后鏡137和139和閃光燈70之間的激光桿36。以雙Pocel Cell 181形式的限幅器沿激光束路徑66被設(shè)置在振蕩器33外部高速光閥151之間。該第二個(gè)示例性激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)144包括可控制地連接到激光控制器24上的雙Pocel Cell 181和高速光閥151。激光控制器24向雙Pocel Cell 181發(fā)送觸發(fā)脈沖173，以便發(fā)射激光束脈沖77。高速光閥151隨動(dòng)于雙Pocel Cell 181。該高速光閥151防止?jié)B透能量被激光的較后階段放大并且在激光以外創(chuàng)造不想要的低能量脈沖。該第二個(gè)示例性激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)144與使用該第一個(gè)示例性激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)124的激光輸出相比較，為振蕩器從第一激光發(fā)射到最后的激光發(fā)射的激光輸出提供更強(qiáng)的穩(wěn)定性。這種更強(qiáng)的穩(wěn)定性體現(xiàn)在更恒定更一致的能量和激光脈沖參數(shù)，而其一般受到熱不穩(wěn)定性的影響。
計(jì)算機(jī)化的運(yùn)動(dòng)控制器25和激光界面控制器24可以被設(shè)定，使得電觸發(fā)脈沖173按一個(gè)或更多平移軸的預(yù)定間隔被產(chǎn)生，以在發(fā)射模式期間在準(zhǔn)確的時(shí)間發(fā)射激光束2的激光束脈沖77。這通過用那時(shí)產(chǎn)生的激光束脈沖77計(jì)算已知的按想要的距離設(shè)定的編碼器計(jì)數(shù)(也可以直接用作觸發(fā)信號(hào)93)來實(shí)現(xiàn)，或者通過在工件8上想要的位置以相等的間隔和供送速度為運(yùn)動(dòng)控制器25的輸出編程，以便適應(yīng)具有觸發(fā)頻率95的觸發(fā)脈沖173，該觸發(fā)頻率95一般與閃光燈頻率或閃光率73相匹配。這將提供多排激光沖擊硬化點(diǎn)58的間隔的準(zhǔn)確的可重復(fù)性，以相對(duì)于前排的點(diǎn)直接定位。
當(dāng)處理不可能經(jīng)受第一激光束脈沖77錯(cuò)過的工件8時(shí)，如圖6所示，啟動(dòng)和停止掩模172，174分別置放在片區(qū)180的遠(yuǎn)端176，在該片區(qū)180處，被激光沖擊硬化的片53將被形成在被激光沖擊硬化的表面54上。當(dāng)使用所述啟動(dòng)和停止掩模時(shí)，第一激光束脈沖77(或更多)可被發(fā)射到掩模上，在工件上的每個(gè)處理點(diǎn)位于兩個(gè)掩模之間。當(dāng)激光束2在激光沖擊硬化表面55的每一次通過時(shí)，激光束脈沖77的至少第一個(gè)撞擊該啟動(dòng)掩模172。供送速度起到至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼪Q定著輸出脈沖頻率。本文公開的示例性方法使用軸位置作參考，以便發(fā)射激光束脈沖77而不僅僅是來自計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器25的恒定觸發(fā)信號(hào)93。因此，當(dāng)處理需要輪廓跟隨的表面時(shí)，能夠獲得準(zhǔn)確的激光沖擊硬化點(diǎn)58的位置。
連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化方法和設(shè)備10可以用于產(chǎn)生混合激光沖擊硬化的片，該混合激光沖擊硬化的片是由在一排中或各排間具有不同百分比的重疊60的激光沖擊硬化點(diǎn)58構(gòu)成。該混合片使用恒定能量和點(diǎn)尺寸，但是工件上重疊60的數(shù)量有變化。該混合片的一個(gè)大的優(yōu)勢(shì)是，LSP效果可以隨著根據(jù)工件變化的需要而不同，而沒有增加附加層。例如，將點(diǎn)的相同百分比的重疊60應(yīng)用于材料厚度有變化的工件的整個(gè)區(qū)域可以在一個(gè)區(qū)域進(jìn)行得很好，但是會(huì)扭曲被激光沖擊硬化的表面或路徑的另一區(qū)域。在這種情況下，激光束的能量可以被加強(qiáng)，以便提供好的LSP效果，但是在工件的較薄區(qū)段，扭曲將成為一個(gè)問題。第二層經(jīng)常被用于工件的局部厚的部分，以在那個(gè)區(qū)域獲得LSP效果。該混合片可以將該方法減少到單一層。激光沖擊硬化點(diǎn)58的圖案可以包括每一排中僅相鄰的激光沖擊硬化點(diǎn)58重疊、僅相鄰排中的激光沖擊硬化點(diǎn)58重疊、或每一排中的相鄰激光沖擊硬化點(diǎn)58和相鄰排的相鄰激光沖擊硬化點(diǎn)58重疊。
雖然本文所描述的被認(rèn)為是本發(fā)明的優(yōu)選和示例性實(shí)施例，但是本發(fā)明的其它改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本文的教示是明顯的，因此，隨后所附的權(quán)利要求書所要求保護(hù)的是落在本發(fā)明的真正精神和范圍內(nèi)的所有這些改進(jìn)。因此，美國(guó)的專利所要求保護(hù)的是如以下的權(quán)利要求書所限定和區(qū)分的本發(fā)明。
部件列表2.靜止激光束8.物品或工件10.激光沖擊硬化設(shè)備19.噴水嘴21.流水簾24.激光控制器25.運(yùn)動(dòng)控制器27.同步裝置31.激光單元33.振蕩器35.光學(xué)器件36.激光桿39.第一放大器41.第二放大器43.回路46.壓力側(cè)47.前置放大器48.吸力側(cè)49.激光分裂器53.激光沖擊硬化的片54.被激光沖擊硬化的表面55.激光沖擊硬化表面56.壓縮預(yù)應(yīng)力區(qū)57.燒蝕涂層58.激光沖擊硬化的點(diǎn)60.重疊66.束路徑70.閃光燈73.閃光率77.激光束脈沖
93.觸發(fā)信號(hào)95.觸發(fā)頻率99.Q開關(guān)110.波形拖長(zhǎng)111.頭部112.第一脈沖113.第二脈沖114.系列124.第一激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)125.激光發(fā)射系統(tǒng)127.操縱器129.速度控制器137.前鏡139.后鏡144.第二激光觸發(fā)機(jī)構(gòu)149.光閥151.高速光閥172.啟動(dòng)掩模173.觸發(fā)脈沖174.停止掩模176.遠(yuǎn)端180.片區(qū)181.雙Pocel CellD-直徑LE-前邊沿R1-第一排R2-第二排R3-第三排X-X軸Y-Y軸Z-Z軸A-第一轉(zhuǎn)動(dòng)軸
B-第二轉(zhuǎn)動(dòng)軸C-第三轉(zhuǎn)動(dòng)軸
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化設(shè)備(10)，其包括產(chǎn)生激光束(2)以便對(duì)工件(8)進(jìn)行激光沖擊硬化的激光單元(31)，可控制地連接到操縱器(127)以便連續(xù)移動(dòng)和定位該工件(8)的運(yùn)動(dòng)控制器(25)，調(diào)制和發(fā)射來自激光單元(31)的激光束(2)的激光控制器(24)，用于發(fā)射來自激光單元(31)的激光束(2)的激光發(fā)射系統(tǒng)(125)，以及該運(yùn)動(dòng)控制器(25)可操作地連接到激光控制器(24)，以便基于從運(yùn)動(dòng)控制器(25)的速度控制器(129)給出的軸位置反饋信息發(fā)射激光束(2)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括至少一個(gè)可操作地設(shè)置以便啟動(dòng)激光單元(31)中激光桿(36)的閃光燈(70)，激光控制器(24)具有調(diào)制和發(fā)射來自激光單元(31)的激光束(2)的第一和第二模式，第一模式是待機(jī)模式，用于在閃光率(73)下使閃光燈(70)閃動(dòng)而不觸發(fā)該激光束(2)，以及第二模式是以激光束脈沖(77)觸發(fā)和發(fā)射激光束(2)的發(fā)射模式。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括同步裝置(27)，該同步裝置用于基本在激光束脈沖(77)將被產(chǎn)生時(shí)的一個(gè)時(shí)間同步化被計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器(25)提供給激光界面控制器(24)以發(fā)射激光束(2)的激光束脈沖(77)的觸發(fā)信號(hào)(93)和閃光燈(70)閃動(dòng)的閃光率(73)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，還包括運(yùn)動(dòng)控制器(25)被可操作地連接到激光控制器(24)上并被編程以便沿操縱器(127)的一個(gè)或更多軸按預(yù)定間隔發(fā)射激光束(2)。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中該預(yù)定間隔是基于由運(yùn)動(dòng)控制器(25)產(chǎn)生的并代表沿軸的距離的編碼計(jì)數(shù)。
6.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，還包括該計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器(25)可操作以便發(fā)射觸發(fā)信號(hào)(93)和該激光控制器(24)可操作以便使閃光燈(70)在同一頻率閃光。
7.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括包括可操作地設(shè)置于前后鏡(137和139)和閃光燈(70)之間的激光桿(36)的振蕩器(33)，該振蕩器(33)還包括被設(shè)置于前鏡(137)和激光桿(36)之間的光閥(149)和位于激光桿(36)和后鏡(139)之間的Q開關(guān)(99)，以及該Q開關(guān)(99)可控制地連接到激光控制器(24)上，以便觸發(fā)和發(fā)射激光束脈沖(77)。
8.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括包括可操作地設(shè)置于前后鏡(137和139)和閃光燈(70)之間的激光桿(36)的振蕩器(33)，沿從振蕩器(33)引出的光束路徑(66)被直接設(shè)置在振蕩器(33)和高速光閥(151)之間的雙Pocel Cell(181)，以及該激光控制器(24)可控制地連接到雙Pocel Cell(181)和該高速光閥(151)上，以便觸發(fā)和發(fā)射激光束脈沖(77)。
9.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中由計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器(25)提供給激光界面控制器(24)的觸發(fā)信號(hào)(93)包括頭部(111)，并且激光控制器(24)和運(yùn)動(dòng)控制器(25)之一被編程，以便在頭部(111)后啟動(dòng)發(fā)射激光束脈沖(77)。
10.一種連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化方法，其包括用具有振蕩器(33)的激光單元(31)將激光束(2)的激光束脈沖(77)發(fā)射到工件(8)的激光沖擊硬化表面(55)上，以通過激光束(2)在激光沖擊硬化表面(55)上至少單次通過而形成至少第一排(R1)激光沖擊硬化點(diǎn)(58)，用激光界面控制器(24)調(diào)制和控制激光單元(31)，以便將激光束(2)發(fā)射到激光沖擊硬化表面(55)上，用由計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器(25)控制的操縱器(127)連續(xù)移動(dòng)和定位該工件(8)，以及基于從運(yùn)動(dòng)控制器(25)的速度控制器(129)到激光控制器(24)的軸位置反饋信息發(fā)射激光束脈沖(77)。
全文摘要
對(duì)工件(8)進(jìn)行激光沖擊硬化的連續(xù)運(yùn)動(dòng)激光沖擊硬化設(shè)備(10)和方法。激光控制器(24)調(diào)制和發(fā)射來自激光單元(31)的激光束(2)。運(yùn)動(dòng)控制器(25)可控制地連接到操縱器(127)和激光控制器(24)以基于運(yùn)動(dòng)控制器(25)的速度控制器(129)的軸位置反饋來發(fā)射激光束(2)。激光控制器(24)有在閃光率(73)下使激光閃光燈(70)閃動(dòng)而不觸發(fā)激光束(2)的待機(jī)模式，和以激光束脈沖(77)觸發(fā)和發(fā)射激光束(2)的發(fā)射模式。激光控制器(24)包括同步裝置(27)，用于基本在激光束脈沖(77)將被產(chǎn)生時(shí)的一個(gè)時(shí)間同步化被計(jì)算機(jī)化運(yùn)動(dòng)控制器(25)提供給激光界面控制器(24)以發(fā)射激光束脈沖(77)的觸發(fā)信號(hào)(93)和閃光率(73)。
文檔編號(hào)C21D9/00GK1727501SQ20051008358
公開日2006年2月1日 申請(qǐng)日期2005年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月9日
發(fā)明者W·L·勞倫斯, P·M·佩洛澤克, M·S·拜利 申請(qǐng)人:通用電氣公司