一种随动式激光冲击强化处理装置的制作方法

本申请属于材料加工领域，涉及激光冲击强化技术，具体地说是一种针对各种复杂形状工件表面进行的随动式激光冲击强化处理系统。

背景技术：

激光冲击强化技术(Laser Shocking Peening，LSP)是利用高能量密度(GW/cm²量级)，短脉冲(10～30ns量级)脉冲激光冲击材料，在材料表面产生强烈的激光诱导等离子体。其爆破产生的GPa级冲击波作用于材料表面并向内部传播，使材料表面一定区域内产生塑性变形和复杂的位错结构，形成很大残余压应力，提高零件的疲劳强度和抗腐蚀能力。目前这一技术已广泛应用于机械制造工程、航空航天、微电子、国防、医疗等各行各业中。激光冲击强化技术是一种将强激光产生的超高压冲击波用于工件表面进行激光冲击强化处理的技术。目前，激光冲击强化技术已经在航空、船舶、机械工程等领域得到了广泛应用，尤其是用于飞机发动机叶片的抗疲劳处理。

现有的针对工件表面的激光冲击强化装置包括激光发生单元，位于工件表面的吸收保护层，以及位于吸收保护层表面的约束层。约束层的功能是让激光能量穿过并作用于吸收保护层，同时还要尽可能多地提供等离子体膨胀时的反作用力，提高冲击波耦合效率。目前普遍采用光学玻璃等固体材料作为约束层，或者采用水膜等柔性材料作为透明约束层。吸收保护层的主要作用是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收。目前普遍使用油漆、柔性胶带或一定厚度的金属箔片等作为吸收保护层。

在激光冲击强化过程中，为了抑制等离子体的自由扩散，得到更集中，更长作用时间的冲击波，通常会在激光加工区域添加一层约束层。常用的约束层材料有石英、玻璃、柔性膜和水等，其中水因为成本低、柔性好、不会因碎裂产生残渣、对复杂形状的零件表面适应性强等优点得到了最广泛的使用，但其有一个主要的缺点是水层的刚度不足，难以提供稳定的约束层。常规的激光冲击强化处理是采用在工件表面贴上金属箔片或黑色胶带或涂覆特种黑漆等形式，涂覆黑漆的优点是对各种不规则曲面贴合性良好，缺点是在喷涂后需要等待其干燥，然后才可以施加约束层进行冲击强化，生产效率低下；若采用铝箔贴层，则对倒角、不规则曲面的贴合性不好，影响强化质量。工件处理后，还需要想办法去除工件表面箔片或胶带或涂覆特种黑漆，费时费力，难以实现大规模、高效率生产应用，阻碍了产业化进程。

目前国内外发展方向是研制水溶性涂料，喷涂涂层后(前处理)无需干燥即可立即进行冲击强化，处理完之后可以使用高压水去除涂层(后处理)，同样存在加工效率不足问题。

技术实现要素：

根据本申请的一个方面，提供了一种光水同轴的随动式激光冲击强化装置及方法，其采用了随动式的吸收带输送方式，通过喷水模块喷出一定压力的水，将吸收带紧贴工件，随着电机的转动，激光冲击处理的同时输送吸收带，即可完成针对工件表面的激光冲击强化处理过程。由于本申请使用的吸收带不贴附于工件表面，且表面光洁及无其他污垢，因此不需要进行后处理即可完成激光冲击强化处理，具有高次序、高效率进行激光冲击强化处理的优势。

所述装置包括光路输入模块、送带模块、调焦模块、喷水模块；

所述光路输入模块的一端连接并引入光源，另一端与所述调焦模块连接且光路相通；所述调焦模块的另一端与所述喷水模块连接；所述送带模块包括电机、传动机构和吸收带，所述电机通过传动机构带动所述吸收带移动，所述吸收带穿过所述喷水模块喷出的水柱。

优选地，所述电机为同步电机，所述同步电机的步进频率与所述随动式激光冲击强化装置的冲击强化工作频率一致。所述装置每进行一个激光脉冲，所述同步电机即带动所述吸收带移动一段距离。所述吸收带每个激光脉冲移动的距离，本领域技术人员可根据待加工工件的加工需求和激光冲击过程中激光照射的光斑烧蚀范围确定。

优选地，所述送带模块包括吸收带固定结构，所述吸收带固定结构固定连接于所述喷水模块的喷水出口处，所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水模块喷出的水柱中央。进一步优选地，所述吸收带固定结构是所述喷水模块中喷水喷头出水口的一部分。作为一个具体的实施方式，所述吸收带固定结构是所述喷水模块中喷水喷头出水口部分的吸收带约束结构。进一步具体地，所述吸收带固定结构是所述喷水模块中喷水喷头出水口部分侧壁相对设置的两个缝隙形成吸收带约束结构。所述吸收带从其中一个缝隙穿入并穿过所述喷水模块喷出的水柱后从另一个缝隙穿出；所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水模块喷出的水柱中央。

优选地，所述吸收带可选用颜色较深、不含粘性胶层、不易扯断的光滑柔软膜带。

所述吸收带可选用颜色较深、不含粘性胶层、不易扯断的光滑柔软膜带。

优选地，所述吸收带的厚度为0.01mm至0.5mm的柔性膜带。

作为一个优选地实施方式，所述吸收带厚度为0.1mm。

作为本申请的一种实施方式，所述吸收带为对10640nm、1064nm、 800nm、532nm、517nm、355nm中至少一个波长的激光之吸收率不低于 95％。

作为本申请的一种实施方式，所述吸收带为对波长355nm至10640nm 的激光的吸收率不低于95％。

作为本申请的一种实施方式，所述吸收带为对10640nm、1064nm、 800nm、532nm、517nm、355nm中至少一个波长的激光之吸收率为95％至99.99％。

优选地，所述吸收带拉伸强度大于30N/cm。

进一步优选地，所述吸收带拉伸强度范围30N/cm至3000N/cm。

更进一步优选地，所述吸收带拉伸强度范围30N/cm至300N/cm的厚度为0.01mm至0.5mm的柔性膜带。

优选地，所述吸收带的厚度为0.01mm至0.2mm。

优选地，所述吸收带表面不含粘性胶层。

进一步优选地，所述脉冲激光的波长为10640nm、1064nm、800nm、 532nm、517nm和/或355nm

优选地，所述传动机构包括至少一个输送轮和至少一个涨紧轮。

优选地，所述传动机构包括所述装置一侧的第一输送轮、第一涨紧轮、第二输送轮，以及所述装置另一侧的第三输送轮、第二涨紧轮、第四输送轮；所述吸收带在所述电机的带动下依次穿过第一输送轮、第一涨紧轮、第二输送轮、所述喷水模块的喷头出口端、第三输送轮、第二涨紧轮、第四输送轮。

进一步优选地，所述输送轮或涨紧轮可以是定轮或动轮或其它光滑构件等。

优选地，所述调焦模块可通过旋钮方式，经锥齿轮组机构、凸轮机构或其它形式将旋转运动转化为上下直线运动，能够保证聚焦镜精密微调作用。

优选地，在不影响加工质量前提下，所述冲击头可以设置细而长，能够到达常规激光冲击加工无法到达的隐蔽部位进行表面强化处理。

优选地，所述光路输入模块包括连接板、定位销、光路调整块、弹性调整套和反射镜；所述连接板将激光器或光纤通过所述定位销连接于所述弹性调整套上，所述弹性调整套弹性连接于所述光路调整块，所述光路调整块与所述装置连接，所述反射镜固定于所述装置上并反射所述激光器或所述光纤发出的光线；所述光路输入模块调整输出光路与所述喷水模块喷出的水柱同轴。

所述调焦模块包括旋钮、自润滑轴套、外壳、连接套筒、聚焦镜和聚焦镜架；所述聚焦镜架将所述聚焦镜固定于所述自润滑轴套上；所述自润滑轴套在所述旋钮的带动下沿外壳轴向滑动以对光线调焦。

优选地，所述装置包括成像模块，所述成像模块包括CCD图像传感器和安装套筒，所述CCD图像传感器通过所述安装套筒可沿光线轴向移动的连接于所述光路输入模块的反射镜上端；所述反射镜面向所述CCD 图像传感器的一侧透光，所述反射镜面向所述激光器或所述光纤的一侧反光。本申请中，所述CCD，是指电荷耦合元件(英文全称：Charge-coupled Device)。

优选地，所述喷水模块包括喷头，所述喷头的出水端侧壁具有相对设置的两个缝隙以形成吸收带固定结构，所述吸收带从其中一个缝隙穿入并穿过所述喷水模块喷出的水柱后从另一个缝隙穿出；所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水模块喷出的水柱中央。

本申请中，所述吸收带固定结构将所述吸收带的移动方向固定在所述喷水模块喷出的水柱中央，是指激光的光斑以及同轴的水柱的中轴线能够指向所述吸收带的中央。

优选地，所述喷水模块包括保护镜片、喷水套筒、进水接管、安装螺母套、喷头；

所述喷水套筒一端固定有所述保护镜片且与所述调焦模块的光线出射方向连接，所述喷水套筒另一端由所述安装螺母套与所述喷头螺纹连接；所述保护镜片将所述喷水模块与所述调焦模块的空间分隔开；

所述喷水套筒的侧壁上设有所述进水接管。

优选地，所述装置包括防撞模块，所述防撞模块设置于调焦模块和所述喷水模块之间，所述防撞模块包括保护套环、安装螺母套和螺母压环；所述保护套环可弹性形变，通过所述安装螺母套和螺母压环安装于所述调焦模块和所述喷水模块之间并缓冲所述喷水模块受到的冲击和振动。

优选地，所述装置包括控制器，所述控制器与所述光源、所述同步电机电连接，所述控制器以控制所述同步电机的步进频率与所述随动式激光冲击强化装置的冲击强化工作频率的方式使得所述步进频率与所述冲击强化工作频率一致。

优选地，所述装置包括压力罐、水泵和气体发生器，所述控制器与所述水泵和气体发生器电连接，所述压力罐与所述喷水模块水路连接，所述控制器能够通过水泵和气体发生器以控制所述压力罐中的水压。

本申请能产生的有益效果包括：本申请所提供的随动式激光冲击强化装置，采用了随动式的金属箔片或黑胶带作为吸收层，可以做到边冲击处理、边走带，由于吸收成不贴附于工件表面，工件表面无其他材料，不需要进行后处理，具有高次序、高效率进行激光冲击强化处理的优势。

附图说明

图1为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置主视图的剖面图。

图2为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置左视图的剖面图。

图3为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置主视图。

图4为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置左视图。

图5为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置右视图。

图6为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置俯视图。

图7为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置仰视图。

图8为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置立体图。

图9为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置立体图。

图10为本申请一种实施方式喷头局部放大图。

图11为本申请一种实施方式喷头局部放大图。

图12为本申请一种实施方式随动式激光冲击强化装置系统连接图。

部件和附图标记列表：

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如图1和图2所示，本申请的一个具体实施方式中，随动式激光冲击强化装置包括光路输入模块2、送带模块4、调焦模块6、防撞模块7、成像模块8和喷水模块9。光路输入模块2的一端(图1的光路入口端)连接并引入光源，另一端(图1的反光镜28的下端)与调焦模块6连接且光路相通。调焦模块6的另一端通过防撞模块7与喷水模块9连接(见图 2所示)。成像模块8位于装置顶端，其光路可透过反光镜28观察到装置底部的光斑情况。

具体而言，请参阅图1，光路输入模块2包括连接板20、定位销22、光路调整块24、弹性调整套26和反射镜28。连接板20将激光器或光纤通过定位销22的定位连接于弹性调整套26，弹性调整套26弹性连接于光路调整块24，光路调整块24与所示装置连接之间可调整连接，可在光轴线垂直的平面上二维运动以调整光路，请参阅图8。反射镜28固定于光路输入模块2上并反射所述激光器或所述光纤发出的光线。光路输入模块2 能够调整其输出的光路以与所述喷水模块9喷出的水柱同轴。

请参阅图2，调焦模块6包括旋钮60、自润滑轴套62、外壳63、滑环64、聚焦镜66、连接套筒67、聚焦镜架68和定位销69。聚焦镜架68 将聚焦镜68固定于自润滑轴套62上，自润滑轴套62在旋钮60的带动下沿外壳62轴向滑动以对光线调焦。本申请通过旋钮60移动聚焦镜66来改变聚焦激光斑点位置，调节精细且灵活，可调节范围10mm～20mm，精度0.05mm。

请参阅图2，喷水模块9包括保护镜片90、进水接管92、安装螺母套 94、喷头96和喷水套筒98。喷水套筒98的上端固定有保护镜片90且与调焦模块6的连接套筒67连接，光线出射方向穿过保护镜片90，保护镜片90将图2中所示的上部光路部分空间与下部水腔部分的空间分隔开。喷水套筒98的下端由安装螺母套94与喷头96螺纹连接。喷水套筒98的侧壁上设有进水接管92，用于连接水源。

如图3和图4所示，喷头96的出水端侧壁具有相对设置的两个缝隙，形成了送带模块4的吸收带固定结构46，放大图见图11，吸收带44从其中一个缝隙穿入并穿过所述喷水模块喷出的水柱后从另一个缝隙穿出(吸收带固定结构46的剖面放大图见图10)，使得吸收带44只能沿缝隙限定的路线一维移动，因此吸收带固定结构46能够在吸收带44移动的时候时刻保持在喷头96喷出的水柱中央，喷头96和吸收带固定结构46的三维局部放大图片见图10所示。同时配合图7，图7为随动式激光冲击强化装置的仰视图，可见吸收带从固定结构46的缝隙穿入并穿出。

请继续参阅图2，所述装置包括防撞模块7，防撞模块7设置于调焦模块6和喷水模块9之间，防撞模块7包括保护套环70、安装螺母套72 和螺母压环74。保护套环70可弹性形变，其通过安装螺母套72和螺母压环74安装于调焦模块6的连接套筒67和喷水模块9之间并缓冲所述喷水模块受到的冲击和振动，除在意外碰撞时起到缓冲作用外，还能够避免所述装置在激光冲击加工工件过程中光路部分受到的持续的工作冲击和振动传导到光路部分，进而能够保持光路部分的精度始终不降低，保持较长的工作时间而不需要频繁调整光路。保护套环70采用弹性材料制成，典型的为弹性尼龙塑料制成。

请参阅图1，送带模块4包括同步电机40、四个输送轮和两个涨紧轮组成的传动机构42(图1中为输送轮420、输送轮422、输送轮424、输送轮426、涨紧轮428和涨紧轮429)和吸收带44，同步电机40通过传动机构42中的输送轮和涨紧轮带动吸收带44移动，吸收带44穿过喷水模块9中喷头96的所述缝隙形成的吸收带固定结构46并穿过喷头96喷出的水柱。送带模块4的具体结构请参阅图3、图4和图5。同步电机40的步进频率与所述随动式激光冲击强化装置的冲击强化工作频率一致。所述装置每进行一个激光脉冲，同步电机40即带动吸收带44前进一段距离，将已经激光照射的吸收带44的部分移出喷头96的中央，并将新的一段吸收带44移至喷头96的中央以准备接受下一激光脉冲的照射。吸收带44 每个激光脉冲移动的距离，可根据激光冲击过程中激光在所述吸收带上照射的光斑大小、烧蚀范围确定。

吸收带44可选自铝箔带以及其他金属箔带，还可以选自颜色较深的有机聚合物带，优选不含粘性胶层的黑色胶带，典型的是0.15mm厚的黑色PVC。吸收带44的宽度不超过喷头96的外径且能穿过喷头96上的缝隙(吸收带固定结构46)均可。

请继续参阅图1，所述装置包括成像模块8，成像模块8包括CCD图像传感器80和安装套筒82，CCD图像传感器80通过安装套筒82可上下调节的连接于光路输入模块2的反射镜28的上端，如图6所示。CCD图像传感器80高度可调，可提高定位精度，观察方便。反射镜28为一面反射另一名透射，其面向CCD图像传感器80的一侧可透光，用以观察光斑并配合光路输入模块2调整位置以及配合调焦模块6调焦。反射镜28面向所述激光器或所述光纤的一侧反射光线并同轴射向喷头96喷出的水柱。

以上结构紧凑，模块化设计使得切换不同加工方式非常灵活。

本申请的随动式激光冲击强化装置的系统连接图如图12所示，所述装置还包括计算机、控制器、压力罐、水泵、气体发生器、压力表、流量计，所述控制器与所述激光器、所述同步电机、水泵和气体发生器电连接，所述压力罐与进水接管92水路连接，所述压力表和流量计位于所述压力罐与进水接管92直接的水管上。所述控制器与所述水泵和气体发生器电连接，所述控制器所述控制器控制在所述计算机的程序控制下，通过水泵和气体发生器，以控制所述压力罐中的水压。所述控制器控制在所述计算机的程序控制下，控制所述同步电机的步进频率与所述随动式激光冲击强化装置的冲击强化工作频率一致。

本申请的随动式激光冲击强化装置工作时，该激光冲击强化装置利用短激光脉冲(一般在50纳秒以内)、高功率密度(GW/cm²级别)的激光通过透明约束层(本申请为水)，作用于工件表面的吸收带44上。吸收保护层——吸收带44吸收激光能量后迅速气化，形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，形成冲击波，冲击波强度可达数个GPa(10⁹Pa)量级，远高于许多工件材料的屈服强度；该冲击波穿过吸收保护层，作用于工件表面并向其内部传播，使工件表面产生塑性变形和残余压应力场，导致表层材料的塑形变形，位错密度增加，导致晶粒细化，压应力和硬度升高，从而显著提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能。

本申请的随动式激光冲击强化装置的激光冲击强化操作步骤如下：

a)水进入喷水单元内形成水腔，并喷水单元的喷头底部喷出，吸收带在水柱的冲击压力下紧贴工件表面；

b)激光光束通过保护镜片同轴通过喷水单元内的水腔以及喷头喷出的水柱射向步骤a)所述紧贴工件表面的吸收带，进行一次激光冲击强化；

c)所述装置与所述工件相对移动至下一个冲击位点，同时所述电机带动所述吸收带移动超过激光光斑的距离，重复步骤b)的激光冲击强化过程。

具体而言，本申请的随动式激光冲击强化装置工作时，去离子水由进水接管92进入喷水套筒98内形成水腔，并由水喷头96底部的出口喷出。激光器通过连接板20连接到所述装置上，激光光束经由光路输入模块2 并经其调整，由反光镜28反射后照射在聚焦镜66上，光束经过聚焦镜66 的聚焦后，通过保护镜片90同轴射向喷水套筒98内形成的水腔以及喷头 96喷出的水柱，而后经过全反射被限制在水柱约束的区域内。当激光冲击强化工艺需要水柱直径在0.5mm～1.5mm、水柱长度(加工平面到保护镜片90的下表面之间的距离)为15mm～20mm时，激光可以在水柱中实现多次反射，进而实现光束的均场和光斑尺寸的控制。同步电机40与冲击强化工作频率一致，冲击一次，同步电机拉动吸收带44走一下。如图9 所示，步进电机40上端设有一个送带装置。送带装置中间设有送带齿轮，送带齿轮和送带轴承连接，进带端零件固定螺母固定送带装置，所述送带装置一端侧面设有进带口，所述送带装置另一端侧面设有出带口，如图1 所示。该送带系统结构简单，使用方便，可调节送带的松紧度，只要手按住送带端零件挤压弹簧就可以换料，结构灵活可更改性强，可以根据自己需要改成近端送料装置。齿轮受到弹性部件和限位导向块的作用，吸收带 44被齿轮挤压紧贴滚动轴承。由于吸收带44与滚动轴承之间为滑动摩擦，当齿轮转动时，带动带材在齿轮与轴承之间运动。再将同步电机40的步进频率与脉冲激光冲击强化工作频率设定成一致，最终实现脉冲激光冲击一次，同步电机拉动吸收带44前进一段的效果。

本申请的随动式激光冲击强化装置工作时，光路输入模块2的连接板 20还可以与光纤激光器适配，能够广泛应用于各种材料、各种外形复杂的工件表面进行激光冲击强化处理，延长工件使用寿命，是一种性价比极高的全产析产品。

本申请的随动式激光冲击强化装置通过光水同轴的方式减小现有水约束层施加方式引起的参数波动，提高加工的稳定性和灵活性。利用光束从水面射入空气时的全反射实现激光束的约束和整形。利用水的动能加强水约束层的约束效果。通过上述三个方面提高激光冲击强化的效果，降低其实施彼动化、工厂化生产的难度。

本申请的技术方案通过光水同轴的方式减小现有水约束层施加方式引起的参数波动，提高加工的稳定性和灵活性。同时，利用光束从水面射入空气时的全反射实现激光束的约束和整形。最后，利用水的动能加强水约束层的约束效果。通过上述三个方面提高激光冲击强化的效果，降低其实施自动化、工厂化生产的难度。本申请的技术方案通过采用了随动式的金属箔片或黑胶带作为吸收层，可以做到边冲击处理、边走带，由于吸收成不贴附于工件表面，工件表面无其他材料，不需要进行后处理，具有高次序、高效率进行激光冲击强化处理的优势。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。