环形激光冲击强化紧固孔的装置和方法

环形激光冲击强化紧固孔的装置和方法
【专利摘要】本发明为一种环形激光冲击强化紧固孔的装置和方法，该装置设置在设有紧固孔的激光冲击强化对象上方；包括有由上至下依次顺序同轴设置的带中心孔的内凹锥透镜、带中心孔的聚焦透镜、外凸锥透镜和聚焦透镜；各透镜设置在光学镜片调整架上；各透镜与紧固孔同轴设置；直径大于内凹锥透镜中心孔孔径的圆形激光束由内凹锥透镜上方轴向射入。本发明能够将圆形激光束空间分离后再耦合形成新的环形激光束，并实现该新的环形激光束的空间能量分布调节，使其可承受的激光功率密度提高，通过该环形激光束冲击强化调控紧固孔端周围的残余应力分布，从而进一步提高紧固孔的疲劳性能。本发明提高了激光脉冲能量的利用率，操作简单，便于推广使用。
【专利说明】环形激光冲击强化紧固孔的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于一种用于紧固孔激光冲击强化的装置，尤其涉及一种由圆形激光束转换成环形激光束来实现冲击强化紧固孔的装置和方法。
【背景技术】
[0002]激光冲击强化技术是利用纳秒级脉冲激光与材料表面产生等离子体冲击波效应，通过使材料表面产生微小塑性变形引入残余压应力层，从而提高金属零件的疲劳性能。通常情况下，材料表面应布置吸收层(铝箔胶带或黑漆等)和约束层(去离子水等)后才可实施激光冲击强化。激光冲击强化属于通用的表面强化技术，激光冲击强化可用于关键疲劳零件或零件的关键疲劳部位，如:紧固孔、叶片、榫头、焊缝、齿轮等。公开的发明专利“一种孔结构的激光冲击处理方法”(ZL200710143348.6)，其中涉及了利用圆形激光束对紧固孔端周围表面实施激光冲击强化。现有的紧固孔激光冲击强化技术是采用圆形激光束与紧固孔同轴入射辐照在紧固孔端周围表面，圆形激光束的辐照直径应大于紧固孔直径，圆形激光束超过紧固孔直径的部分在紧固孔端周围材料表层产生残余压应力场，残余压应力场抑制了疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展，从而提高紧固孔的疲劳寿命。现有的圆形光斑紧固孔激光冲击强化技术是通过离焦量来控制圆形光斑的激光功率密度，整个光斑范围内的激光功率密度只能同时增大或同时减小。
[0003]由上所述，现有的紧固孔激光冲击强化方法的不足之处在于:①.采用圆形激光束同轴入射强化紧固孔，由于紧固孔部位无材料，浪费了作用在紧固孔部位的激光能量，在不改变激光输出能量的情况下，可强化的紧固孔尺寸严重受限当需要较大的残余压应力值时，作用在紧固孔端 周围表面的激光功率密度也较大，但激光功率密度越大，紧固孔边缘的变形越严重，不利用疲劳性能，因此激光功率密度和紧固孔边缘变形相互矛盾。
[0004]由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种环形激光冲击强化紧固孔的装置和方法，以克服现有技术的缺陷。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于提供一种环形激光冲击强化紧固孔的装置和方法，可将圆形光斑转换为环形光斑，并可调节该环形光斑的能量分布，通过环形光斑激光冲击强化调控紧固孔端周围的残余应力分布，从而进一步提高紧固孔的疲劳性能。
[0006]本发明的目的是这样实现的，一种环形激光冲击强化紧固孔的装置，该装置设置在激光冲击强化的对象上方，该激光冲击强化的对象设有紧固孔；所述装置包括有由上至下依次顺序同轴设置的带中心孔的内凹锥透镜、带中心孔的聚焦透镜、外凸锥透镜和聚焦透镜；所述各透镜均设置在一光学镜片调整架上；所述各透镜与所述紧固孔同轴设置；直径大于内凹锥透镜中心孔孔径的圆形激光束由带中心孔的内凹锥透镜上方轴向射入。
[0007]在本发明的一较佳实施方式中，所述光学镜片调整架上设有调节所述各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔孔端面之间距离的调整机构。[0008]在本发明的一较佳实施方式中，所述带中心孔的内凹锥透镜为上表面呈平面、下表面呈内凹圆锥面的圆形玻璃镜片，该镜片中心具有第一圆孔；所述平面与内凹圆锥面母线的夹角为α，0.05弧度<α〈0.5弧度。
[0009]在本发明的一较佳实施方式中，所述带中心孔的聚焦透镜为中心具有第二圆孔的聚焦透镜；所述第二圆孔直径大于第一圆孔直径。
[0010]在本发明的一较佳实施方式中，所述外凸锥透镜为上表面呈平面、下表面呈外凸圆锥面的圆形玻璃镜片；所述平面与外凸圆锥面母线的夹角为β，0.05弧度<β〈0.5弧度。
[0011]在本发明的一较佳实施方式中，所述聚焦透镜为一面呈球面、另一面呈平面或两面均为球面的圆形玻璃镜片。
[0012]在本发明的一较佳实施方式中，所述紧固孔的直径为Φ2ι?πι~C>6mm。
[0013]本发明的目的还可以这样实现，一种环形激光冲击强化紧固孔的方法，圆形激光束轴向通过所述环形激光冲击强化紧固孔的装置中各透镜后，分解为两个同轴的圆环形光束并叠加在紧固孔孔端周围表面上；通过调节各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔孔端面之间距离，进而调节两个同轴环形光斑在紧固孔孔端周围表面的叠加位置和能量分布，由耦合的环形光斑激光冲击强化调控紧固孔端周围的残余应力分布，提高紧固孔的疲劳性能。
[0014]在本发明的一较佳实施方式中，该方法至少包括以下步骤:
[0015](I)依序设置各透镜，并使各透镜与紧固孔呈同轴位置；
[0016](2)开启激光发射器，使圆形激光束由带中心孔的内凹锥透镜上方轴向射入；
[0017](3)根据要求调整 各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔孔端面之间距离，以调节在紧固孔孔端周围表面上的两个同轴环形光斑的尺寸和叠加位置，进而调节耦合后的两个同轴环形光斑的激光能量分布，以提高紧固孔的疲劳性能。
[0018]在本发明的一较佳实施方式中，在步骤(2)中，首先将带中心孔的内凹锥透镜放置在入射圆形激光束的光路上，圆形激光束的直径大于内凹锥透镜中心孔的孔径；通过光学镜片调整架调整带中心孔的内凹锥透镜的位置，使带中心孔的内凹锥透镜的中心轴与入射圆形激光束的光轴重合；再将带中心孔的聚焦透镜与带中心孔的内凹锥透镜同光轴间隔放置；之后将外凸锥透镜、聚焦透镜依次放置在带中心孔的聚焦透镜下方的圆形激光束的光路上，调整外凸锥透镜和聚焦透镜的位置，使镜片中心轴与圆形激光束的光轴重合。
[0019]由上所述，本发明能够将圆形激光束(光斑)空间分离后再耦合形成新的环形激光束(光斑)，并实现该新的环形激光束的空间能量分布调节，使其可承受的激光功率密度提高，通过该环形激光束冲击强化调控紧固孔端周围的残余应力分布，从而进一步提高紧固孔的疲劳性能。本发明对激光偏振性无要求，操作简单，便于推广使用。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中:
[0021]图1:为本发明环形激光冲击强化紧固孔的装置结构示意图。
[0022]图2:为本发明中带中心孔的内凹锥透镜的结构示意图。
[0023]图3:为本发明中带中心孔的聚焦透镜的结构示意图。[0024]图4:为本发明中外凸锥透镜的结构示意图。
[0025]图5:为本发明中第二环形激光束和第四环形激光束的位置关系示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【专利附图】

【附图说明】本发明的【具体实施方式】。
[0027]如图1、图5所示，本发明提出一种环形激光冲击强化紧固孔的装置100，该装置100设置在激光冲击强化的对象13上方，所述激光冲击强化的对象13为金属材料(如:铝合金、钛合金等)，该激光冲击强化的对象13设有紧固孔12 ;所述装置100包括有由上至下依次顺序同轴设置的带中心孔的内凹锥透镜1、带中心孔的聚焦透镜2、外凸锥透镜3和聚焦透镜4 ;所述各透镜均设置在一光学镜片调整架(图中未示出)上；所述各透镜与所述紧固孔12同轴设置；直径大于内凹锥透镜I中心孔孔径的圆形激光束5由带中心孔的内凹锥透镜I上方轴向射入；所述光学镜片调整架上设有调节所述各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔12孔端面之间距离的调整机构；该光学镜片调整架上还设有调节各透镜呈同轴状态的调整机构。
[0028]进一步，在本实施方式中，如图1~图4所示，所述带中心孔的内凹锥透镜I为上表面呈平面、下表面呈内凹圆锥面的圆形玻璃镜片，该镜片中心具有第一圆孔101，第一圆孔101的孔径为Dl ;所述平面与内凹圆锥面母线的夹角为α ,0.05弧度<α〈0.5弧度。所述带中心孔的聚焦透镜2为中心具有第二圆孔201的聚焦透镜，第二圆孔201的孔径为D2 ;所述第二圆孔201直径大于第一圆孔101直径。所述外凸锥透镜3为上表面呈平面、下表面呈外凸圆锥面的圆形玻璃镜片；所述平面与外凸圆锥面母线的夹角为β，0.05弧度<β〈0.5弧度。所述聚焦透镜4为两面均为球面的圆形玻璃镜片(聚焦透镜4也可以为一面呈球面另一面呈平面的形状)。`
[0029]本发明还提出一种利用所述环形激光冲击强化紧固孔的装置100进行环形激光冲击强化紧固孔的方法，如图1所示，圆形激光束5 (圆形激光束直径为D5)轴向通过所述环形激光冲击强化紧固孔的装置100中各透镜后，分解为两个同轴的圆环形光束8和10，该两个同轴的圆环形光束8和10耦合并叠加在紧固孔12孔端周围表面上，形成新的环形激光束11 (如图5所示)；通过调节各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔12孔端面之间距离，进而调节环形激光束11中两个同轴环形光斑在紧固孔12孔端周围表面的叠加位置和能量分布，由耦合的环形光斑激光冲击强化调控紧固孔端周围的残余应力分布，由此提高紧固孔的疲劳性能。
[0030]进一步，在本实施方式中，该方法至少包括以下步骤:
[0031](I)依序设置各透镜，并使各透镜与紧固孔呈同轴位置；
[0032](2)开启激光发射器，使圆形激光束由带中心孔的内凹锥透镜上方轴向射入；
[0033](3)根据要求调整各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔孔端面之间距离，以调节在紧固孔孔端周围表面上的两个同轴环形光斑的尺寸和叠加位置，进而调节耦合后的两个同轴环形光斑的激光能量分布，以提高紧固孔的疲劳性能。
[0034]在步骤(2)中，首先将带中心孔的内凹锥透镜I放置在入射圆形激光束5的光路上，圆形激光束5的直径大于内凹锥透镜I中心孔(即:第一圆孔101)的孔径；通过光学镜片调整架调整内凹锥透镜I的位置，使带中心孔的内凹锥透镜I的中心轴与入射圆形激光束5的光轴重合；然后将带中心孔的聚焦透镜2与带中心孔的内凹锥透镜I同光轴间隔放置，两者的距离为U_2，带中心孔的聚焦透镜2与紧固孔12的孔端的距离为L2_12 ;最后将外凸锥透镜3和聚焦透镜4依次放置在带中心孔的聚焦透镜2下方的圆形激光束5的光路上，调整外凸锥透镜3和聚焦透镜4的位置，使外凸锥透镜3和聚焦透镜4中心轴与圆形激光束5的光轴重合；外凸锥面镜3和聚焦透镜4之间距离为L3_4，聚焦透镜4与与紧固孔12的孔端的距离为L4_12 ；
[0035]入射圆形激光束5经过带中心孔的内凹锥透镜I后，被分解为透过第一圆孔101形成的圆形光束6和经内凹锥透镜折射形成的第一环形激光束7 ;随着激光向前传播，圆形光束6的尺寸保持不变，而第一环形激光束7的尺寸不断增大，但其外径和内径的差值保持不变；通过带中心孔的聚焦透镜2后，第一环形激光束7被聚焦为第二环形激光束8并同轴照射在紧固孔12的孔端周围；由于带中心孔的聚焦透镜2上的第二圆孔201大于第一圆孔101，所以，圆形光束6穿过所述第二圆孔201后照射在外凸锥透镜3上，圆形光束6通过外凸锥透镜3先聚焦后发散，形成第三环形激光束9 ;第三环形激光束9通过聚焦透镜4聚焦，形成第四环形激光束10并同轴照射在紧固孔12的孔端周围；该两个同轴的第二环形激光束8和第四环形激光束10耦合并叠加在紧固孔12孔端周围表面上，形成新的第五环形激光束11。
[0036]在本实施方式中，调节U_2和L2_12的大小，即可调节第二环形激光束8的外径O1和内径Φ2。
[0037]当L2_12不变时,增大Lp2会减小Φ/Φ2比值，减小U_2会增大Φ/Φ2比值。
[0038]当Lp2不变时，增大L2_12会同比例缩小O1和内径Φ2，减小L2_12会同比例扩大O1和内径Φ2 ；
[0039]在本实施方式中，调节L3_4和L4_12的大小，即可调节第四环形激光束10的外径Φ3和内径Φ4。
[0040]当L4_12不变时，增大L3_4会减小比值，减小U_2会增大比值。
[0041]当L3_4不变时，增大L4_12会同比例缩小O1和内径Φ2，减小L4_12会同比例扩大O1和内径Φ2 ；
[0042]在本实施方式中，当各间距调整到位并固定U_2、L2_12、L3_4、L4_12后，即确定了第二环形激光束8和第四环形激光束10的尺寸和叠加位置，第二环形激光束8和第四环形激光束10相互搭接耦合形成新的环形激光束11 ;由于新的环形激光束11与紧固孔12同心分布，可用新的环形激光束11进行紧固孔12的激光冲击强化；一般情况下，紧固孔12的直径不大于新的环形激光束11的内径；第二环形激光束8和第四环形激光束10的相互位置关系决定了新的环形激光束11内的激光功率密度分布情况；如图5所示，为第二环形激光束8和第四环形激光束10的典型位置关系。
[0043]调整第二环形激光束8和第四环形激光束10的相对位置，即可对新的环形激光束11的能量分布进行调控；此外，通过改变带中心孔的内凹锥透镜I的第一圆孔101的孔径，可改变圆形光束6和第一环形激光束7的能量比例，由此，可以改变第二环形激光束8和第四环形激光束10的能量比例。
[0044]由上所述，本发明能够将圆形激光束(光斑)空间分离后再耦合形成新的环形激光束(光斑)，并实现该新的环形激光束的空间能量分布调节，使其可承受的激光功率密度提高，通过该环形激光束冲击强化调控紧固孔端周围的残余应力分布，从而进一步提高紧固孔的疲劳性能。本发明对激光偏振性无要求，操作简单，便于推广使用。
[0045]在本实施方式中，所述紧固孔12的直径为Φ 2mm~Φ6mm ;所有透镜均双面镀激光增透膜。
[0046]本发明与现有技术相比具有以下优势:
[0047]( I)通过对环形光斑进行能量调控，改变环形光斑内的激光功率密度分布，从而改变紧固孔端周围材料的受力状态和残余压应力分布。例如，如图5所示，能量调控后的环形光斑在内径和外径附近的激光功率密度相对较低，而处于内径和外径中间部分的激光功率密度相对较高，这样不仅能量产生有利疲劳性能的高幅值残余压应力，而且能够减小紧固孔边缘变形；
[0048](2)本发明中的光斑转换过程中几乎无能量损失，转换后的环形光斑作用在紧固孔端周围材料表面，所有激光脉冲能量完全参与紧固孔激光冲击强化，与圆形光斑激光冲击强化相比，本发明提高了激光脉冲能量的利用率。
[0049]以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保 护的范围。
【权利要求】
1.一种环形激光冲击强化紧固孔的装置，该装置设置在激光冲击强化的对象上方，该激光冲击强化的对象设有紧固孔；其特征在于:所述装置包括有由上至下依次顺序同轴设置的带中心孔的内凹锥透镜、带中心孔的聚焦透镜、外凸锥透镜和聚焦透镜；所述各透镜均设置在一光学镜片调整架上；所述各透镜与所述紧固孔同轴设置；直径大于内凹锥透镜中心孔孔径的圆形激光束由带中心孔的内凹锥透镜上方轴向射入。
2.如权利要求1所述的环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于:所述光学镜片调整架上设有调节所述各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔孔端面之间距离的调整机构。
3.如权利要求1所述的环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于:所述带中心孔的内凹锥透镜为上表面呈平面、下表面呈内凹圆锥面的圆形玻璃镜片，该镜片中心具有第一圆孔；所述平面与内凹圆锥面母线的夹角为α，0.05弧度〈0〈0.5弧度。
4.如权利要求3所述的环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于:所述带中心孔的聚焦透镜为中心具有第二圆孔的聚焦透镜；所述第二圆孔直径大于第一圆孔直径。
5.如权利要求4所述的环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于:所述外凸锥透镜为上表面呈平面、下表面呈外凸圆锥面的圆形玻璃镜片；所述平面与外凸圆锥面母线的夹角为β，0.05弧度<β〈0.5弧度。
6.如权利要求5所述的环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于:所述聚焦透镜为一面呈球面、另一面呈平面或两面均为球面的圆形玻璃镜片。
7.如权利要求1所述的环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于:所述紧固孔的直径为Φ 2mm~Φ6_。
8.一种利用权利要求1~7任一项装置进行环形激光冲击强化紧固孔的方法，圆形激光束轴向通过所述环形激光冲击强化紧固孔的装置中各透镜后，分解为两个同轴的圆环形光束并叠加在紧固孔孔端周围表面上；通过调节各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔孔端面之间距离，进而调节两个同轴环形光斑在紧固孔孔端周围表面的叠加位置和能量分布，由耦合的环形光斑激光冲击强化调控紧固孔端周围的残余应力分布，提高紧固孔的疲劳性能。
9.如权利要求8所述的环形激光冲击强化紧固孔的方法，其特征在于:该方法至少包括以下步骤: (O依序设置各透镜，并使各透镜与紧固孔呈同轴位置； (2)开启激光发射器，使圆形激光束由带中心孔的内凹锥透镜上方轴向射入； (3)根据要求调整各透镜之间轴向间距以及各透镜与紧固孔孔端面之间距离，以调节在紧固孔孔端周围表面上的两个同轴环形光斑的尺寸和叠加位置，进而调节耦合后的两个同轴环形光斑的激光能量分布，以提高紧固孔的疲劳性能。
10.如权利要求9所述的环形激光冲击强化紧固孔的方法，其特征在于:在步骤(2)中，首先将带中心孔的内凹锥透镜放置在入射圆形激光束的光路上，圆形激光束的直径大于内凹锥透镜中心孔的孔径；通过光学镜片调整架调整带中心孔的内凹锥透镜的位置，使带中心孔的内凹锥透镜的中心轴与入射圆形激光束的光轴重合；再将带中心孔的聚焦透镜与带中心孔的内凹锥透镜同光轴间隔放置；之后将外凸锥透镜、聚焦透镜依次放置在带中心孔的聚焦透镜下方的圆形激光束的光路上，调整外凸锥透镜和聚焦透镜的位置，使镜片中心轴与圆形激光束的光 轴重合。
【文档编号】C21D10/00GK103484653SQ201310397715
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月4日 优先权日:2013年9月4日
【发明者】曹子文, 巩水利, 毛智勇, 车志刚, 邹世坤 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所