一种热辅助激光喷丸成形方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料加工领域中的利用激光成形的技术，具体地，涉及一种金属板材的热辅助激光喷丸成形方法与装置。
【背景技术】
[0002]具有高强度、高硬度和良好表面质量的金属板材，如钛合金、硬铝合金，在工业、航空航天和军事中都有广泛的应用，它们的加工和表面处理也因此受到关注。激光喷丸是一种非接触表面处理的方法，它利用激光与工件相互作用产生强大的冲击波冲击工件，使工件表面产生残余应力，工件的表面强度、抗裂纹扩展能力、抗磨损能力、抗疲劳能力得以提高，从而改善工件的表面性能。由激光喷丸发展而来的激光喷丸成形是利用激光冲击工件使工件产生塑性变形的一种成形工艺。该工艺可以有效地减少材料的浪费，具有较强的可控性、较高的精度和良好的表面质量等特点。例如，专利号为ZL200510040116.9的中国专利《中厚板材激光喷丸成形的方法和装置》，提出了一套应用于中厚板材激光喷丸成形系统，其根据生成曲面的形状通过计算机优化出各项工艺参数，设计好喷丸路径，控制激光器、导光系统和工作台的运动进行喷丸。但是该专利提出的方法和装置，仅适用于较易加工的中厚板材，而对于高强度、高硬度的金属合金板材则不适用。
[0003]在高温下材料软化，屈服强度和弹性模量随温度上升而降低，使得材料更容易塑性变形。对于一些强度大难以加工的材料，常常在高温下对材料进行塑性成形。利用激光的热效应可以对特定的区域快速加热，通过控制激光的能量来控制加热的温度，所以激光加热具有良好的可控性。因此利用激光加热来辅助激光喷丸可以扩展激光喷丸成形的范围，加工一些高强度、高硬度的金属合金板材。加工后的材料可以获得良好的表面性能和高温稳定性，满足了航空、军事对此类板材加工制造的需求。在激光喷丸强化领域，采用辅助加热方法提高激光喷丸强化的效果己经有专利报道。经过检索发现，专利申请号201010278889.1为的现有中国专利《一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法》，提出了一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法，其先采用高功率激光对待强化区域进行辅助加热，再用连续激光喷丸实现喷丸强化。其特点是:先加热工件使其达到一定温度，然后再进行激光喷丸。它的缺点在于，其一是在同一面激光喷丸和加热，加热过程中吸收层因耐温性差而容易烧坏和脱落，吸收层的作用大大减低，从而降低喷丸的效果；其二是玻璃作为约束层在加工后易碎难以清理，工艺的实现性差，难以在实际工业生产中应用；其三是整体加热不利于节约能量。因此，该专利提出的装置及方法并不适用于激光喷丸成形的热辅助加热中。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种激光局部加热辅助的热辅助激光喷丸成形方法与装置，通过同步施加另外一束加热激光束，实现高强度板材激光喷丸成形能力的提高，特别适用于精度、表面质量要求高又难以加工的材料如钛合金硬铝合金的加工。
[0005]为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
[0006]根据本发明的一个方面，提供了一种热辅助激光喷丸成形装置，包括喷丸激光器及其光路部分、加热激光器及其光路部分、工件夹具控制部分、喷水部分、中央控制处理器部分；其中:
[0007]所述喷丸激光器及其光路部分包括:喷丸激光器控制器16、喷丸激光器15、导光路13和光斑调节装置12 ;所述喷丸激光器控制器16与喷丸激光器15控制连接，所述喷丸激光器15产生的脉冲激光通过导光路13传递至光斑调节装置12，并通过光斑调节装置12调节后辐射到工件10表面；
[0008]所述加热激光器及其光路部分包括:加热激光器控制器2、加热激光器3、导光部件4、激光头7以及激光头位置调节部分；所述加热激光器控制器2与加热激光器3控制连接，所述加热激光器3产生的连续激光通过导光部件4传递至激光头7，并通过激光头7形成聚焦光束辐照在工件10表面对工件10进行加热，所述激光头位置调节部分包括:激光头位置调节控制器5和激光头夹紧装置6，所述激光头位置调节控制器5与激光头夹紧装置6控制连接，所述激光头夹紧装置6用于夹紧激光头7，并在激光头位置调节控制器5的调节控制下控制激光头7在平面做间歇运动；
[0009]所述工件夹具控制部分包括:工作台8、夹具9和工作台控制器17 ;所述工作台控制器17与工作台8控制连接，用于控制工作台8在三维空间内运动，形成喷丸轨迹；所述夹具9安装于工作台8上；
[0010]所述嗔水部分包括:水嗔头11和水栗14，所述水喂'头11连接于水栗14的如?而，并位于喷丸激光器及其光路部分一侧，所述水喷头11产生的水流准确覆盖喷丸点；
[0011]所述中央控制处理器部分包括:中央控制处理器1，所述中央控制处理器分别与喷丸激光器控制器16、加热激光器控制器2、工作台控制器17和激光头位置调节控制器5控制连接，控制喷丸激光器与加热激光器同步开启和关闭，并控制各部分之间协调运动；
[0012]所述喷丸激光器和加热激光器分别位于工件的两侧(正面和背面)。
[0013]优选地，所述加热激光器3在工件上的加热点同步于喷丸激光器15在工件上的喷丸点或加热激光器3在工件上的加热点超前于喷丸激光器15在工件上的喷丸点。
[0014]优选地，所述中央控制处理器I根据工件的成形形状要求，模拟加工轨迹和工艺参数，形成控制程序，并通过控制程序控制喷丸激光器控制器16、加热激光器控制器2和/或工作台控制器17，进而控制喷丸激光器15、加热激光器3和/或工作台8运动，在工件10上相对的两个表面上分别产生激光喷丸和激光辅助加热轨迹。
[0015]优选地，所述工艺参数或者包括如下任一项或任多项:
[0016]喷丸激光器和/或加热激光器产生的激光的光斑大小；
[0017]喷丸激光器和/或加热激光器产生的激光的激光能量；
[0018]喷丸激光器和/或加热激光器产生的激光的扫描速度；
[0019]喷丸激光器和/或加热激光器产生的激光的扫描轨迹；
[0020]喷丸激光器和加热激光器产生的激光的光斑相对位置。
[0021]优选地，所述工件10与喷丸激光器相应的一侧(正面)表面上设有覆盖层。
[0022]优选地，所述覆盖层采用耐热胶带。
[0023]优选地，所述耐热胶带为黑色胶带。
[0024]根据本发明的另一个方面，提供了一种热辅助激光喷丸成形方法，采用上述热辅助激光喷丸成形装置，包括如下步骤:
[0025]根据加工零件的加工要求，模拟加工轨迹，计算出喷丸激光器和/或加热激光器的工艺参数，在中央控制处理器中形成控制程序；
[0026]中央控制处理器控制喷丸激光器和加热激光器同时开启:
[0027]喷丸激光器发射高能量短脉冲激光并通过光斑调节装置辐照在工件表面上的覆盖层上，形成喷丸点，所述覆盖层把吸收的激光能量转换成压力冲击波作用在工件上，实现工件变形；
[0028]加热激光器发射连续辐照激光在喷丸点的背面进行加热，使工件的达到一定温度，进而提高工件的塑性性能，增加变形量。
[0029]优选地，所述热辅助激光喷丸成形方法，还包括如下任一个或任多个步骤:
[0030]对工件进行预处理，将工件表面进行打磨到一定粗糙度，使用酒精或丙酮清洗工件表面油脂和污垢，然后干燥；
[0031]将预处理后的工件安装定位于夹具上，采用水作为约束层，对工件进行加工；
[0032]工件加工后形成试样，对试样表面进行粗糙度、损伤和变形检验，根据使用要求对试样表面进行后处理。
[0033]优选地，所述粗糙度为Ral.6。
[0034]优选地，所述工件表面上的覆盖层通过以下方式实现:
[0035]在工件表面粘贴上耐热胶带，耐热胶带与工件表面之间要求完全贴合。
[0036]优选地，所述喷丸激光器采用的高功率纳秒脉冲激光器，其单脉冲最大能量为2?10J，脉宽为5?50ns ;所述加热激光器采用连续脉冲激光器。
[0037]优选地，所述加热激光器的加热温度低于工件的材料相变温度。
[0038]本发明提供的热辅助激光喷丸成形方法与装置，为了将激光辅助加热应用在激光喷丸成形之中，同时保证激光喷丸的有效性，采用激光辅助加热与激光喷丸同时进行并且处于工件两侧来加工成形工件。由于对激光喷丸的局部区域进行加热，所以该方法可以有效的利用能量，而且加工后的材料有良好的表面性能和高温稳定性，从而有效地解决了高强度高性能的板材的加工制造问题，满足了工业对该类材料加工制造的需求。
[0039]与现