激光冲击处理水约束层辅助调控装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光加工技术领域，具体是一种激光冲击处理水约束层辅助调控装置和一种激光冲击处理水约束层辅助调控方法。
【背景技术】
[0002]激光冲击处理(激光喷丸)技术是利用纳秒级强脉冲激光透过对激光透明的约束介质在金属表面并吸收层吸收后产生高温高压等离子体，并导致强冲击波使金属材料产生塑性变形并获得表层残余压应力从而提高金属结构的疲劳性能。通过所用吸收层为胶带(金属箔或PVC胶带)。
[0003]从激光器发出的高功率密度(GW/cm2量级)、短脉冲(ns量级)的强激光束穿过透明约束层照射到涂覆在金属材料表面的能量吸收层上，使其气化、电离，形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸并诱发高压冲击波，在约束层的作用下产生向材料内部传播的强冲击波，由于冲击波峰值压力达到109Pa量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生宏观塑性变形，在材料表面诱导残余压应力，从而提高构件的抗疲劳性會K。
[0004]常规的待处理构件表面一般为平面，若处理构件为弧面旋转曲面时(包括但不限于圆柱面、圆锥面或旋转抛物面等)，若采用常规的水管直接喷射，由于与去离子水约束层直接接触的局部面为空间旋转曲面，则无法保证去离子水约束层的均匀和稳定，从而直接影响着激光冲击处理效果。
【发明内容】
[0005]为了克服现有的去离子水约束层不均匀和稳定的不足，本发明提供了一种激光冲击处理水约束层辅助调控装置和方法，以达到提供稳定的去离子水约束层的均匀和稳定。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种激光冲击处理水约束层辅助调控装置，该激光冲击处理水约束层辅助调控装置包括水约束层辅助调控装置、喷水管和激光发射单元，水约束层辅助调控装置含有缺口部，该激光发射单元的发射方向朝向缺口部，当水约束层辅助调控装置的缺口部30位于待加工构件的外表面的外侧时，喷水管喷出的水能够进入缺口部并在待加工构件的外表面形成水层，缺口部能够对该水层形成约束，该激光发射单元发射的激光能够穿过缺口部和该水层冲击待加工构件的外表面。
[0007]进一步地，水约束层辅助调控装置为筒状，水约束层辅助调控装置内含有用于安装待加工构件的内通孔，水约束层辅助调控装置的轴线沿竖直方向设置。
[0008]进一步地，待加工构件为旋转体，水约束层辅助调控装置的内表面为与该旋转体相对应的回转面，当待加工构件安装于水约束层辅助调控装置内时，待加工构件的回转轴线与水约束层辅助调控装置的内表面的回转轴线重合。
[0009]进一步地，缺口部设置于水约束层辅助调控装置的筒壁，缺口部连通水约束层辅助调控装置的内部与外部，缺口部为沿竖直方向设置的条形槽口，沿水约束层辅助调控装置的轴线方向，缺口部的长度等于水约束层辅助调控装置的长度，当喷水管喷出的水形成该水层时，缺口部能够对该水层的左右两侧形成约束。
[0010]进一步地，沿水约束层辅助调控装置的周向，缺口部的宽度为3mm?5mm，沿水约束层辅助调控装置的径向，缺口部的厚度为Imm?2mm，当待加工构件安装于水约束层辅助调控装置内时，待加工构件的外表面与水约束层辅助调控装置的内表面之间的间隙为0.5_?Imm，沿水约束层辅助调控装置的径向，该水层的厚度为Imm?2_。
[0011]进一步地，水约束层辅助调控装置由左右对称的左半辅助壳体和右半辅助壳体连接组成，缺口部设置于左半辅助壳体和右半辅助壳体的连接处。
[0012]进一步地，喷水管向待加工构件喷水的喷水部位位于缺口部的上端或上方的待加工构件的外表面，喷水管的喷水方向为沿水约束层辅助调控装置的径向。
[0013]进一步地，该激光发射单元发射的激光的冲击部位位于缺口部的上部的待加工构件的外表面，该激光发射单元发射方向为沿水约束层辅助调控装置的径向，该冲击部位位于该喷水部位的下方。
[0014]进一步地，该激光冲击处理水约束层辅助调控装置还包括六自由度旋转工作台、固定杆和固定台，六自由度旋转工作台位于水约束层辅助调控装置的上方，六自由度旋转工作台能够将待加工构件装卡固定，六自由度旋转工作台还能够使待加工构件以待加工构件的回转轴线为转轴旋转，固定台位于水约束层辅助调控装置的下方，水约束层辅助调控装置通过固定杆与固定台连接固定。
[0015]本发明还提供了一种水约束层辅助调控的方法，该水约束层辅助调控的方法使用了上述的激光冲击处理水约束层辅助调控装置，该水约束层辅助调控的方法包括以下步骤:
[0016]步骤1、将待加工构件安装于该激光冲击处理水约束层辅助调控装置，使缺口部位于待加工构件的外表面的外侧；
[0017]步骤2、使激光照射在缺口部上端的起始位置，并打开喷水管，使缺口部内的待加工构件的外表面外形成稳定的水流；
[0018]步骤3、使待加工构件相对于激光冲击处理水约束层辅助调控装置向上移动；
[0019]步骤4、使待加工构件转动一定角度；
[0020]步骤5、依次重复步骤和步骤，直至待加工构件的未被强化的区域全部被激光强化。
[0021 ]本发明的有益效果是，设置水约束层辅助调控装置，能够对喷水管喷出的水形成约束，从而在待加工构件的外表面形成水层，并且该水层相比于现有技术中的水层具有厚度均匀、水流平稳的特点，能够提高激光冲击处理的效果。
【附图说明】
[0022]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0023]图1为本发明激光冲击处理水约束层辅助调控装置实施例的结构示意图；
[0024]图2为本发明水约束层辅助调控装置第一实施例的结构示意图；
[0025]图3为图2的A-A向视图；
[0026]图4为本发明水约束层辅助调控装置第二实施例的结构示意图；
[0027]图5为图4的B-B向视图；
[0028]图6为本发明激光冲击处理水约束层辅助调控装置实施例形成稳定的去离子水层的结构示意图。
[0029]图中附图标记:1、待加工构件；2、六自由度旋转工作台；3、水约束层辅助调控装置;4、喷水管；5、去离子水层;6、固定杆;7、固定台；8、轴线；9、激光；30、缺口部；310、内通孔;311、左半辅助壳体;312、右半辅助壳体;313、固定螺栓。
【具体实施方式】
[0030]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0031]如图1所示，本发明实施例提供了一种激光冲击处理水约束层辅助调控装置，该激光冲击处理水约束层辅助调控装置包括水约束层辅助调控装置3、喷水管4和激光发射单元。水约束层辅助调控装置3含有缺口部30，该激光发射单元的发射方向朝向缺口部30。当水约束层辅助调控装置3的缺口部30位于待加工构件I的外表面的外侧时，喷水管4喷出的水能够进入缺口部30并在待加工构件I的外表面形成水层，缺口部30能够对该水层形成约束，该激光发射单元发射的激光9能够穿过缺口部30和该水层冲击待加工构件I的外表面。
[0032]设置水约束层辅助调控装置3，能够对喷水管4喷出的水形成约束，从而在待加工构件I的外表面形成水层，并且该水层相比于现有技术中的水层具有厚度均匀、水流平稳的特点，能够提高激光冲击处理的效果。
[0033]需要说明的是，喷水管4的喷水口位于缺口部30的上端或上方，上述该水约束层辅助调控装置3的缺口部30可以为全部贯通该水约束层辅助调控装置3或部分贯通该水约束层辅助调控装置3，只要激光发射单元发射出的激光9能够穿过该缺口部30后冲击待加工构件I的外表面即可。
[0034]本发明实施例中的水约束层辅助调控装置3为筒状，水约束层辅助调控装置3的轴线沿竖直方向设置。喷水管4向待加工构件I喷水的喷水部位位于缺口部30的上端或上方的待加工构件I的外表面。喷水管4的喷水方向为沿水约束层辅助调控装置3的径向。本发明实施例中的喷水管4喷出的水为去离子水，该去离子水能够进入缺口部30内并形成去离子水层5，如图6所示。沿水约束层辅助调控装置3的径向，该去离子水层5的导电率不超过0.125μs/cm2，该去离子水层5的厚度为Imm?2mm。
[0035]该激光发射单元发射的激光9的冲击部位位于缺口部30的上部的待加工构件I的外表面，该激光发射单元发射方向为沿水约束层辅助调控装置3的径向，该冲击部位位于该喷水部位的下方。
[0036]具体地，如图1至图3所示，水约束层辅助调控装置3内含有用于安装待加工构件I的内通孔310，内通孔310的上端为向上开放的喇叭口形。上述待加工构件I为旋转体，水约束层辅助调控装置3的内通孔310的内表面为与该旋转体相对应的回转面。当待加工构件I安装于水约束层辅助调控装置3内时，待加工构件I的回转轴线与水约束层辅助调控装置3的内表面的回转轴线重合。当待加工构件I安装于水约束层辅助调控装置3内时，待加工构件I的外表面与水约束层辅助调控装置3的内表面之间的间隙为0.5mm?Imm。
[0037]缺口部30设置于水约束层辅助调控装置3的筒壁，缺口部30连通水约束层辅助调控装置3的内部与外部，缺口部30为沿竖直方向设置的条形槽口，沿水约束层辅助调控装置3的轴线方向，缺口部30的长度等于水约束层辅助调控装置3的长度，当喷水管4喷出的水形成该水层时，缺口部30能够对该水层的左右两侧形成约束。本发明实施例中沿水约束层辅助调控装置3的周向，缺口部30的宽度为3mm?5mm，沿水约束层辅助调控装置3的径向，缺口部30的厚度为Imm?2mm。
[0038]上述水约束层辅助调控装置3由左右对称的左半辅助壳体311和右半辅助