激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置和一種激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊處理(激光噴丸)技術(shù)是利用納秒級強(qiáng)脈沖激光透過對激光透明的約束介質(zhì)在金屬表面并吸收層吸收后產(chǎn)生高溫高壓等離子體，并導(dǎo)致強(qiáng)沖擊波使金屬材料產(chǎn)生塑性變形并獲得表層殘余壓應(yīng)力從而提高金屬結(jié)構(gòu)的疲勞性能。通過所用吸收層為膠帶(金屬箔或PVC膠帶)。
[0003]從激光器發(fā)出的高功率密度(GW/cm2量級)、短脈沖(ns量級)的強(qiáng)激光束穿過透明約束層照射到涂覆在金屬材料表面的能量吸收層上，使其氣化、電離，形成高溫高壓的等離子體，等離子體繼續(xù)吸收能量發(fā)生爆炸并誘發(fā)高壓沖擊波，在約束層的作用下產(chǎn)生向材料內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波，由于沖擊波峰值壓力達(dá)到109Pa量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的動態(tài)屈服強(qiáng)度，從而使材料產(chǎn)生宏觀塑性變形，在材料表面誘導(dǎo)殘余壓應(yīng)力，從而提高構(gòu)件的抗疲勞性會K。
[0004]常規(guī)的待處理構(gòu)件表面一般為平面，若處理構(gòu)件為弧面旋轉(zhuǎn)曲面時(包括但不限于圓柱面、圓錐面或旋轉(zhuǎn)拋物面等)，若采用常規(guī)的水管直接噴射，由于與去離子水約束層直接接觸的局部面為空間旋轉(zhuǎn)曲面，則無法保證去離子水約束層的均勻和穩(wěn)定，從而直接影響著激光沖擊處理效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有的去離子水約束層不均勻和穩(wěn)定的不足，本發(fā)明提供了一種激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置和方法，以達(dá)到提供穩(wěn)定的去離子水約束層的均勻和穩(wěn)定。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置，該激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置包括水約束層輔助調(diào)控裝置、噴水管和激光發(fā)射單元，水約束層輔助調(diào)控裝置含有缺口部，該激光發(fā)射單元的發(fā)射方向朝向缺口部，當(dāng)水約束層輔助調(diào)控裝置的缺口部30位于待加工構(gòu)件的外表面的外側(cè)時，噴水管噴出的水能夠進(jìn)入缺口部并在待加工構(gòu)件的外表面形成水層，缺口部能夠?qū)υ撍畬有纬杉s束，該激光發(fā)射單元發(fā)射的激光能夠穿過缺口部和該水層沖擊待加工構(gòu)件的外表面。
[0007]進(jìn)一步地，水約束層輔助調(diào)控裝置為筒狀，水約束層輔助調(diào)控裝置內(nèi)含有用于安裝待加工構(gòu)件的內(nèi)通孔，水約束層輔助調(diào)控裝置的軸線沿豎直方向設(shè)置。
[0008]進(jìn)一步地，待加工構(gòu)件為旋轉(zhuǎn)體，水約束層輔助調(diào)控裝置的內(nèi)表面為與該旋轉(zhuǎn)體相對應(yīng)的回轉(zhuǎn)面，當(dāng)待加工構(gòu)件安裝于水約束層輔助調(diào)控裝置內(nèi)時，待加工構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸線與水約束層輔助調(diào)控裝置的內(nèi)表面的回轉(zhuǎn)軸線重合。
[0009]進(jìn)一步地，缺口部設(shè)置于水約束層輔助調(diào)控裝置的筒壁，缺口部連通水約束層輔助調(diào)控裝置的內(nèi)部與外部，缺口部為沿豎直方向設(shè)置的條形槽口，沿水約束層輔助調(diào)控裝置的軸線方向，缺口部的長度等于水約束層輔助調(diào)控裝置的長度，當(dāng)噴水管噴出的水形成該水層時，缺口部能夠?qū)υ撍畬拥淖笥覂蓚?cè)形成約束。
[0010]進(jìn)一步地，沿水約束層輔助調(diào)控裝置的周向，缺口部的寬度為3mm?5mm，沿水約束層輔助調(diào)控裝置的徑向，缺口部的厚度為Imm?2mm，當(dāng)待加工構(gòu)件安裝于水約束層輔助調(diào)控裝置內(nèi)時，待加工構(gòu)件的外表面與水約束層輔助調(diào)控裝置的內(nèi)表面之間的間隙為0.5_?Imm，沿水約束層輔助調(diào)控裝置的徑向，該水層的厚度為Imm?2_。
[0011]進(jìn)一步地，水約束層輔助調(diào)控裝置由左右對稱的左半輔助殼體和右半輔助殼體連接組成，缺口部設(shè)置于左半輔助殼體和右半輔助殼體的連接處。
[0012]進(jìn)一步地，噴水管向待加工構(gòu)件噴水的噴水部位位于缺口部的上端或上方的待加工構(gòu)件的外表面，噴水管的噴水方向?yàn)檠厮s束層輔助調(diào)控裝置的徑向。
[0013]進(jìn)一步地，該激光發(fā)射單元發(fā)射的激光的沖擊部位位于缺口部的上部的待加工構(gòu)件的外表面，該激光發(fā)射單元發(fā)射方向?yàn)檠厮s束層輔助調(diào)控裝置的徑向，該沖擊部位位于該噴水部位的下方。
[0014]進(jìn)一步地，該激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置還包括六自由度旋轉(zhuǎn)工作臺、固定桿和固定臺，六自由度旋轉(zhuǎn)工作臺位于水約束層輔助調(diào)控裝置的上方，六自由度旋轉(zhuǎn)工作臺能夠?qū)⒋庸?gòu)件裝卡固定，六自由度旋轉(zhuǎn)工作臺還能夠使待加工構(gòu)件以待加工構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸線為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，固定臺位于水約束層輔助調(diào)控裝置的下方，水約束層輔助調(diào)控裝置通過固定桿與固定臺連接固定。
[0015]本發(fā)明還提供了一種水約束層輔助調(diào)控的方法，該水約束層輔助調(diào)控的方法使用了上述的激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置，該水約束層輔助調(diào)控的方法包括以下步驟:
[0016]步驟1、將待加工構(gòu)件安裝于該激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置，使缺口部位于待加工構(gòu)件的外表面的外側(cè)；
[0017]步驟2、使激光照射在缺口部上端的起始位置，并打開噴水管，使缺口部內(nèi)的待加工構(gòu)件的外表面外形成穩(wěn)定的水流；
[0018]步驟3、使待加工構(gòu)件相對于激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置向上移動；
[0019]步驟4、使待加工構(gòu)件轉(zhuǎn)動一定角度；
[0020]步驟5、依次重復(fù)步驟和步驟，直至待加工構(gòu)件的未被強(qiáng)化的區(qū)域全部被激光強(qiáng)化。
[0021 ]本發(fā)明的有益效果是，設(shè)置水約束層輔助調(diào)控裝置，能夠?qū)娝車姵龅乃纬杉s束，從而在待加工構(gòu)件的外表面形成水層，并且該水層相比于現(xiàn)有技術(shù)中的水層具有厚度均勻、水流平穩(wěn)的特點(diǎn)，能夠提高激光沖擊處理的效果。
【附圖說明】
[0022]構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0023]圖1為本發(fā)明激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明水約束層輔助調(diào)控裝置第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3為圖2的A-A向視圖；
[0026]圖4為本發(fā)明水約束層輔助調(diào)控裝置第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖5為圖4的B-B向視圖；
[0028]圖6為本發(fā)明激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置實(shí)施例形成穩(wěn)定的去離子水層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖中附圖標(biāo)記:1、待加工構(gòu)件；2、六自由度旋轉(zhuǎn)工作臺；3、水約束層輔助調(diào)控裝置;4、噴水管；5、去離子水層;6、固定桿;7、固定臺；8、軸線；9、激光；30、缺口部；310、內(nèi)通孔;311、左半輔助殼體;312、右半輔助殼體;313、固定螺栓。
【具體實(shí)施方式】
[0030]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置，該激光沖擊處理水約束層輔助調(diào)控裝置包括水約束層輔助調(diào)控裝置3、噴水管4和激光發(fā)射單元。水約束層輔助調(diào)控裝置3含有缺口部30，該激光發(fā)射單元的發(fā)射方向朝向缺口部30。當(dāng)水約束層輔助調(diào)控裝置3的缺口部30位于待加工構(gòu)件I的外表面的外側(cè)時，噴水管4噴出的水能夠進(jìn)入缺口部30并在待加工構(gòu)件I的外表面形成水層，缺口部30能夠?qū)υ撍畬有纬杉s束，該激光發(fā)射單元發(fā)射的激光9能夠穿過缺口部30和該水層沖擊待加工構(gòu)件I的外表面。
[0032]設(shè)置水約束層輔助調(diào)控裝置3，能夠?qū)娝?噴出的水形成約束，從而在待加工構(gòu)件I的外表面形成水層，并且該水層相比于現(xiàn)有技術(shù)中的水層具有厚度均勻、水流平穩(wěn)的特點(diǎn)，能夠提高激光沖擊處理的效果。
[0033]需要說明的是，噴水管4的噴水口位于缺口部30的上端或上方，上述該水約束層輔助調(diào)控裝置3的缺口部30可以為全部貫通該水約束層輔助調(diào)控裝置3或部分貫通該水約束層輔助調(diào)控裝置3，只要激光發(fā)射單元發(fā)射出的激光9能夠穿過該缺口部30后沖擊待加工構(gòu)件I的外表面即可。
[0034]本發(fā)明實(shí)施例中的水約束層輔助調(diào)控裝置3為筒狀，水約束層輔助調(diào)控裝置3的軸線沿豎直方向設(shè)置。噴水管4向待加工構(gòu)件I噴水的噴水部位位于缺口部30的上端或上方的待加工構(gòu)件I的外表面。噴水管4的噴水方向?yàn)檠厮s束層輔助調(diào)控裝置3的徑向。本發(fā)明實(shí)施例中的噴水管4噴出的水為去離子水，該去離子水能夠進(jìn)入缺口部30內(nèi)并形成去離子水層5，如圖6所示。沿水約束層輔助調(diào)控裝置3的徑向，該去離子水層5的導(dǎo)電率不超過0.125μs/cm2，該去離子水層5的厚度為Imm?2mm。
[0035]該激光發(fā)射單元發(fā)射的激光9的沖擊部位位于缺口部30的上部的待加工構(gòu)件I的外表面，該激光發(fā)射單元發(fā)射方向?yàn)檠厮s束層輔助調(diào)控裝置3的徑向，該沖擊部位位于該噴水部位的下方。
[0036]具體地，如圖1至圖3所示，水約束層輔助調(diào)控裝置3內(nèi)含有用于安裝待加工構(gòu)件I的內(nèi)通孔310，內(nèi)通孔310的上端為向上開放的喇叭口形。上述待加工構(gòu)件I為旋轉(zhuǎn)體，水約束層輔助調(diào)控裝置3的內(nèi)通孔310的內(nèi)表面為與該旋轉(zhuǎn)體相對應(yīng)的回轉(zhuǎn)面。當(dāng)待加工構(gòu)件I安裝于水約束層輔助調(diào)控裝置3內(nèi)時，待加工構(gòu)件I的回轉(zhuǎn)軸線與水約束層輔助調(diào)控裝置3的內(nèi)表面的回轉(zhuǎn)軸線重合。當(dāng)待加工構(gòu)件I安裝于水約束層輔助調(diào)控裝置3內(nèi)時，待加工構(gòu)件I的外表面與水約束層輔助調(diào)控裝置3的內(nèi)表面之間的間隙為0.5mm?Imm。
[0037]缺口部30設(shè)置于水約束層輔助調(diào)控裝置3的筒壁，缺口部30連通水約束層輔助調(diào)控裝置3的內(nèi)部與外部，缺口部30為沿豎直方向設(shè)置的條形槽口，沿水約束層輔助調(diào)控裝置3的軸線方向，缺口部30的長度等于水約束層輔助調(diào)控裝置3的長度，當(dāng)噴水管4噴出的水形成該水層時，缺口部30能夠?qū)υ撍畬拥淖笥覂蓚?cè)形成約束。本發(fā)明實(shí)施例中沿水約束層輔助調(diào)控裝置3的周向，缺口部30的寬度為3mm?5mm，沿水約束層輔助調(diào)控裝置3的徑向，缺口部30的厚度為Imm?2mm。
[0038]上述水約束層輔助調(diào)控裝置3由左右對稱的左半輔助殼體311和右半輔助