专利名称：一种激光冲击处理工作室的制作方法
技术领域：
本实用新型属于激光加工技术，涉及一种用于激光冲击处理的工作室。
背景技术：
当短脉冲(几到几十纳秒)的高峰值功率密度(＞109W/cm2)的激光辐射金属靶材时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高温(＞10000K)、高压(＞1GPa)的等离子体，该等离子体受到约束层的约束时产生高强度压力冲击波，作用于金属表面并向内部传播。当冲击波的峰值压力超过被处理材料动态屈服极限时，材料表层就产生应变硬化，残留很大的压应力。这种新型的表面强化技术就是激光冲击处理(lasers hock processing)，由于其强化原理类似喷丸，因此也称作激光喷丸(laser shock peening)。激光冲击处理自从工程应用以后，其处理方式分为动光式和定光式两种。对于大型结构件，一般需要现场强化，这时候需要光束移动来实现不同位置或者大面积的搭接强化处理。采用动光式典型例子是日本的东芝公司和美国的LSP公司，采用定光式的主要有LLNL和MIC合作的强化风扇叶片和齿轮。日本东芝公司处理核反应堆中压力容器焊缝时(Sano.Y，et al.激光冲击表面处理以减小金属材料应力腐蚀敏感性，材料系统监测及评估国际专题学术会议，2000年8月22日，日本仙台，1～8，Laser shock surface treatment to reduce stresscorrosion cracking susceptibility of metal material，International Workshop on Sensing and Evalution of Materialssystem，August 22，2000，Sendai，Japan，1～8)，强化的结构是筒壁结构，操作空间小，为此东芝公司设计以专门的激光冲击强化头，该伸缩头能深入内壁实施冲击强化。因通过激光头的直线和旋转运动实现不同位置的强化，强化的结构本身为封闭结构，因此该应用中无需强化工作室。LSP公司采用可移动的激光冲击强化装置对飞机结构进行强化，在对小型结构的强化上，该公司采用了双光束双面强化技术，并申请了专利，但没有专门的工作室设计，该公司的一项专利(用于激光喷丸的工作室，美国专利6,127,649，2000年10月3日，process chamber forlaser peening，U.S.Patent，6,127,649，Oct.3，2000，StevenM.Toller et al)中提到了工作室，采用的封闭工作室，并给出气体供应，排风排水及过滤系统的框架，但没有给出具体结构，其运动轴也是机器人的手臂实现，其设计的重点是排风排水的设计保证工作室洁净的工作环境。1998年后，美国GE公司已开始利用激光对涡轮风扇叶片和F110-GE-100、-129的风扇第I级工作叶片进行冲击强化，通过工件移动方式实现飞行强化，在最近几年还采用了机械手夹持工件，运动轴由机器人实现，但工作室的设计没有在专利文献中给出。
国际上美国、日本等西方发达国家在激光冲击处理技术上已经有批量生产，其工作激光头或工作室形成专业设备模式，处理的结构形式有限，设备成本也较高，对于一般的工艺试验或新产品工艺开发，存在很大的局限性。激光冲击处理是一种特殊的工艺，工程上一般采用水约束强化模式，考虑到水环境、强光反射、爆炸性效应、噪音等因素，一般的工作台是不能满足激光冲击强化要求的。美国LLNL、LSP等实验室或公司在框室工作室设计上考虑到保护、抽风等要求，在结构上也能实现流水线作业，但运动环节是通过机械手实现的，设备成本很高。
发明内容
本实用新型的目的是激光冲击处理使用强脉冲激光作为能量源和水作为约束层，脉冲激光能量＞10J，到达工件表面峰值功率密度＞109W/cm2，并且在约束介质表面产生强光反射和高速碎片，反射光的功率密度在108W/cm2量级，会对周围器件和工作人员产生威胁，这种情况要求工作室封闭并且需要防腐蚀设计，但封闭结构易产生工作室的空气或水的污染影响水及激光输入。为解决这些矛盾，本实用新型提出一种经济、安全、实用、具有防腐蚀能力的工作室结构，它既可以满足大量基础工艺试验的要求，对板材的疲劳试件、金相试样等进行单次或连续强化，也可以对钛合金风扇叶片、高温合金工作叶片等实际零件进行连续强化；既可以处理规则表面、也可以处理不规则的曲面。
本实用新型的技术方案是一种激光冲击处理工作室，包括一个箱体，其特征在于，(1)该箱体由矩形底板1和盖板8、四根圆柱形的立柱2和四块隔离板7连接组成，立柱2位于底板和盖板的四角，其上端通过螺钉与盖板连接，其下端通过螺钉与底板连接，四块隔离板7分为两块侧隔离板7-1、一块前隔离板7-1和一块后隔离板7-3，它们分别封盖箱体的两个侧面、前面和后面，每块隔离板7通过螺钉与底板1和盖板8连接；(2)在箱体内有一个可沿立柱2的轴向即Z轴运动的升降机构，它由四根立柱2、两个滑块5、两根横梁6、连杆13、电机9和螺杆10组成，两个滑块5和两根横梁6相互连接组成一个矩形框架，连杆13的两端通过螺钉固定在每个滑块5上表面的中部，电机9固定在连杆13上表面的中央，电机9的驱动轴与螺杆10的下端连接，螺杆10与盖板8上的螺纹孔啮合并从该螺纹孔伸出，与手柄连接；滑块5和立柱2形成滑动连接，其结构为下述形式之一A、在每个滑块5的两端各有一个与Z轴平行的孔，四根立柱2分别穿在两个滑块5的四个孔中，并保持滑动间隙；B、在每个滑块5的两端各有一个斜面，两个滑块5的四个斜面分别与四根立柱2的圆周面保持滑动接触；C、在每个滑块5的两端各有一个V形槽，四根立柱2分别位于四个V形槽中，与V形槽保持滑动接触；D、在每个滑块5的两端各有一个滑轮，两个滑块5的四个滑轮分别与四根立柱2的圆周面保持滑动接触；(3)有一个水平滑板11，它由一块水平板和与之连接的两块垂直板组成П形结构，它的长度与滑块5的长度相同，水平滑板11与横梁6形成滑动连接，其连接方式为下述结构之一A、在水平滑板11垂直板的两端有与X轴平行的孔，孔的形状与横梁6的截面形状相同，横梁6穿在该孔中，并保持滑动间隙；B、横梁6为圆柱体，在水平滑板11垂直板的两端各有一个斜面，分别与两个横梁6的圆周面保持滑动接触；C、横梁6为圆柱体，在水平滑板11垂直板的两端各有一个V形槽，两根横梁6分别位于两个V形槽中，与V形槽保持滑动接触；D、横梁6为圆柱体，在水平滑板11垂直板的两端各有一个滑轮，两个滑轮分别与横梁的圆周面保持滑动接触；在水平滑板11垂直板的中间有螺纹孔，水平螺杆14与该螺纹孔啮合，水平螺杆14的两端穿过滑块5上相应位置的孔后伸出侧隔离板7-1之外，与手柄连接，在侧隔离板7-1上与水平螺杆14运动轨迹对应的位置有长槽；在水平滑板11垂直板上靠近下端面的位置有一排螺纹孔，紧固螺钉拧在螺纹孔中；(4)在前隔离板7-2上有激光输入口和水管入口，在底板1上有出水管接口，在后隔离板7-3上有抽风口。
本实用新型的优点是根据激光冲击处理特殊的工艺特点，采用倒置式运动轴，使用耐腐蚀材料，适应工艺过程的水环境；根据激光冲击处理要求的定位精度不高的特点，采用简单的运动轴，简化结构设计，大大减小工作室成本；为防止强光辐射、碎片飞溅及噪音，整个工作室采用封闭结构；为避免激光冲击处理过程中产生的水雾及微小碎片影响激光的输入，工作室采用背面抽风设计，底部排水设计，保证工作室的洁净环境，设计没有气体供应口，抽风形成的负压使工作室外面的洁净空气直接从激光输入口进入，有利于光路的洁净环境。本设计在工作室直接引入运动结构，运动轴结构同时充当密封框架的支撑，激光输入、排风、排水、观察在不同的位置分布，并保证各自的最佳效果。因此本设计具有实用、安全、经济及结构紧凑的优点。
图1(a)是本实用新型的结构示意图，它是图1(b)II-II剖面的剖视图。
图1(b)是图1(a)I-I剖面的剖视图。
图2(a)、(b)、(c)是本实用新型使用水平滑板11直接装卡工件的示意图。图2(a)是将夹具固定在水平滑板11上，利用夹具夹持工件。图2(b)是在水平滑板11上直接装卡圆形工件。图2(c)是将工件通过一个连接板固定在水平滑板11上。
图3(a)、(b)、(c)是滑块5与立柱2三种不同的滑动结构示意图。
图4是前隔离板7-2的局部视图，显示了其上的激光输入口和水管入口。
图5是图4的剖视图，从激光输入口的垂直中心线剖开，同时，图中显示了水管和工件的位置关系。
具体实施方式
下面对本实用新型做进一步详细说明。参见图1(a)、(b)，本实用新型包括一个箱体，为了方便说明，将图1(a)中的垂直方向称为Z轴方向，水平方向称为X轴方向，图1(b)中的垂直方向成为Y轴方向。该箱体由矩形底板1和盖板8、四根圆柱形的立柱2和四块隔离板7连接组成，立柱2采用不锈钢制作，位于底板和盖板的四角，其上端通过螺钉与盖板连接，其下端通过螺钉与底板连接。四块隔离板7分为两块侧隔离板7-1、一块前隔离板7-1和一块后隔离板7-3，它们分别封盖箱体的两个侧面、前面和后面，每块隔离板7通过螺钉与底板1和盖板8连接。图1(a)中，左右两侧的隔离板为侧隔离板7-1。在图1(b)中，上面的隔离板为后隔离板7-3，下面的隔离板为前隔离板7-2。
在箱体内有一个可沿立柱2的轴向即Z轴运动的升降机构，它由四根立柱2、两个滑块5、两根横梁6、连杆13、电机9和螺杆10组成。两个滑块5和两根横梁6相互连接组成一个矩形框架，例如在滑块5的侧面沿X轴方向打孔，将横梁6的两端插入两个滑块5的对应的孔中。横梁6一般是圆柱体，也可以是其他截面形状的长杆。连杆13是一个板件，其沿X轴的长度与两个滑块5的跨度相同。连杆13的两端最好有一个直角的弯头，以增加下方空间，防止与下面的构件发生干涉。连杆13的两端通过螺钉固定在每个滑块5上表面的中部。电机9固定在连杆13上表面的中央，电机9的驱动轴与螺杆10的下端连接，螺杆10与盖板8上的螺纹孔啮合并从该螺纹孔伸出，与手柄连接。当手动旋转手柄或者驱动电机9旋转时，螺杆10相对于盖板8上下运动。
参见图1(b)和图3，滑块5和立柱2形成滑动连接，其结构为下述形式之一A、在每个滑块5的两端各有一个与Z轴平行的孔，四根立柱2分别穿在两个滑块5的四个孔中，并保持滑动间隙；B、在每个滑块5的两端各有一个斜面，两个滑块5的四个斜面分别与四根立柱2的圆周面保持滑动接触；C、在每个滑块5的两端各有一个V形槽，四根立柱2分别位于四个V形槽中，与V形槽保持滑动接触；D、在每个滑块5的两端各有一个滑轮，两个滑块5的四个滑轮分别与四根立柱2的圆周面保持滑动接触。
为了减小摩擦，滑块5可用铜材制作，或者在滑块5与立柱2接触部位增加铜质耐磨件。例如，当采用孔柱配合时，在孔内安装铜套。当采用斜面接触时在斜面上安装铜垫。由于螺杆10通过电机9连接着横梁13，所以，螺杆10的转动将带动整个升降机构上下运动。
为了解决工件的水平运动，在升降机构的下面有一个水平滑板11，它由一块水平板和与之连接的两块垂直板组成 形结构。它在Y轴方向的长度与滑块5的长度相同。水平滑板11以两个横梁6为导轨进行水平运动，与横梁6形成滑动连接，其连接方式为下述结构之一A、在水平滑板11垂直板的两端有与X轴平行的孔，孔的形状与横梁6的截面形状相同，横梁6穿在该孔中，并保持滑动间隙；B、横梁6为圆柱体，在水平滑板11垂直板的两端各有一个斜面，分别与两个横梁6的圆周面保持滑动接触；C、横梁6为圆柱体，在水平滑板11垂直板的两端各有一个V形槽，两根横梁6分别位于两个V形槽中，与V形槽保持滑动接触；D、横梁6为圆柱体，在水平滑板11垂直板的两端各有一个滑轮，两个滑轮分别与横梁的圆周面保持滑动接触。
在水平滑板11垂直板的中间有螺纹孔，水平螺杆14与该螺纹孔啮合，水平螺杆14的两端穿过滑块5上相应位置的孔后伸出侧隔离板7-1之外，与手柄连接。旋转手柄，通过水平螺杆14带动水平滑板11沿横梁6运动。为了水平螺杆14能上下运动，在侧隔离板7-1上与水平螺杆14运动轨迹对应的位置开有长槽。在水平滑板11垂直板上靠近下端面的位置有一排螺纹孔，紧固螺钉拧在螺纹孔中。上述紧固螺钉可将工件直接装卡的水平滑板上进行激光处理。参见图2，这里给出三种工件装卡形式，图2(a)是将夹具固定在水平滑板11上，利用夹具夹持工件。图2(b)是在水平滑板11上直接装卡圆形工件。图2(c)是将工件通过一个连接板固定在水平滑板11上。
参见图4和图5，在前隔离板7-2上有激光输入口和水管入口，在底板1上有出水管接口，在后隔离板7-3上有抽风口。激光从水平的Y方向逆向输入，水管从斜上方(YZ平面中YZ对角线方向)送水，在工件表面形成流水层，每输入一个激光脉冲强化一个φ3-φ6mm区域后，移动工件在X轴和Z轴的位置进行下一步强化处理。水流从工件上流到底板1，由底板上排水口流出，进入回水系统过滤。激光冲击处理时，工件前方形成的大量水雾及其它飞贱物通过后隔离板7-3上的抽风口排出，进入空气过滤系统。设计没有气体供应口，抽风形成的负压使工作室外面的洁净空气直接从激光输入口进入，有利于光路的洁净环境。可以在激光输入口安装直径φ15mm长约100mm的圆筒，只有部分反射光顺圆筒方向回到激光器，保证反射光不对周围形成威胁。
为了更加灵活地装卡工件，在水平滑板11垂直板的下端面上由螺钉固定着托板4，每个垂直板上固定一个托板4，形成一个滑动槽。有一个呈T形的工作架3，它由一块平板和平板上端水平伸展的两个短臂组成，其上端伸出的两个短臂架在托板4的上面，在工作架板面上有紧固螺纹孔。由于工作架3可以在托板4上沿Y轴方向移动位置，更便于对各种不同的工件进行装卡。同时，可以将卡盘或其他工卡具固定在工作架3上，利用它们夹持工件。工作架3通过紧固螺钉固定在水平滑板11上。
为了更方便地调节工件在X轴的位置，在所说的一个滑块5上固定着电机15，电机15的输出轴的一端与水平螺杆14连接，其另一端连接手柄12。电机9与螺杆10之间以及电机15与水平螺杆14之间通过联轴器连接或直接连接。为了提高运动精度和灵活性，螺杆可采用丝杠结构。
为了观察工件的处理情况，可以在工作室侧隔离板7-1上开观察窗口，安装防护玻璃，以进行现场监测。观察窗口采用1.06μm波长激光的防护玻璃。
权利要求1.一种激光冲击处理工作室，包括一个箱体，其特征在于，(1)该箱体由矩形底板[1]和盖板[8]、四根圆柱形的立柱[2]和四块隔离板[7]连接组成，立柱[2]位于底板和盖板的四角，其上端通过螺钉与盖板连接，其下端通过螺钉与底板连接，四块隔离板[7]分为两块侧隔离板[7-1]、一块前隔离板[7-1]和一块后隔离板[7-3]，它们分别封盖箱体的两个侧面、前面和后面，每块隔离板[7]通过螺钉与底板[1]和盖板[8]连接；(2)在箱体内有一个可沿立柱[2]的轴向即Z轴运动的升降机构，它由四根立柱[2]、两个滑块[5]、两根横梁[6]、连杆[13]、电机[9]和螺杆[10]组成，两个滑块[5]和两根横梁[6]相互连接组成一个矩形框架，连杆[13]的两端通过螺钉固定在每个滑块[5]上表面的中部，电机[9]固定在连杆[13]上表面的中央，电机[9]的驱动轴与螺杆[10]的下端连接，螺杆[10]与盖板[8]上的螺纹孔啮合并从该螺纹孔伸出，与手柄连接；滑块[5]和立柱[2]形成滑动连接，其结构为下述形式之一A、在每个滑块[5]的两端各有一个与Z轴平行的孔，四根立柱[2]分别穿在两个滑块[5]的四个孔中，并保持滑动间隙；B、在每个滑块[5]的两端各有一个斜面，两个滑块[5]的四个斜面分别与四根立柱[2]的圆周面保持滑动接触；C、在每个滑块[5]的两端各有一个V形槽，四根立柱[2]分别位于四个V形槽中，与V形槽保持滑动接触；D、在每个滑块[5]的两端各有一个滑轮，两个滑块[5]的四个滑轮分别与四根立柱[2]的圆周面保持滑动接触；(3)有一个水平滑板[11]，它由一块水平板和与之连接的两块垂直板组成∏形结构，它的长度与滑块[5]的长度相同，水平滑板[11]与横梁[6]形成滑动连接，其连接方式为下述结构之一A、在水平滑板[11]垂直板的两端有与X轴平行的孔，孔的形状与横梁[6]的截面形状相同，横梁[6]穿在该孔中，并保持滑动间隙；B、横梁[6]为圆柱体，在水平滑板[11]垂直板的两端各有一个斜面，分别与两个横梁[6]的圆周面保持滑动接触；C、横梁[6]为圆柱体，在水平滑板[11]垂直板的两端各有一个V形槽，两根横梁[6]分别位于两个V形槽中，与V形槽保持滑动接触；D、横梁[6]为圆柱体，在水平滑板[11]垂直板的两端各有一个滑轮，两个滑轮分别与横梁的圆周面保持滑动接触；在水平滑板[11]垂直板的中间有螺纹孔，水平螺杆[14]与该螺纹孔啮合，水平螺杆[14]的两端穿过滑块[5]上相应位置的孔后伸出侧隔离板[7-1]之外，与手柄连接，在侧隔离板[7-1]上与水平螺杆[14]运动轨迹对应的位置有长槽；在水平滑板[11]垂直板上靠近下端面的位置有一排螺纹孔，紧固螺钉拧在螺纹孔中；(4)在前隔离板[7-2]上有激光输入口和水管入口，在底板[1]上有出水管接口，在后隔离板[7-3]上有抽风口。
2.根据权利要求1所述的激光冲击处理工作室，其特征在于，在水平滑板[11]垂直板的下端面上由螺钉固定着托板[4]，有一个呈T形的工作架[3]，它由一块平板和平板上端水平伸展的两个短臂组成，其上端伸出的两个短臂架在托板[4]的上面，在工作架板面上有紧固螺纹孔。
3.根据权利要求1所述的激光冲击处理工作室，其特征在于，在所说的一个滑块[5]上固定着电机[15]，电机[15]的输出轴的一端与水平螺杆[14]连接，其另一端连接手柄。
专利摘要本实用新型属于激光加工技术，涉及一种用于激光冲击处理的工作室。它包括一个由底板1、盖板8、立柱2和隔离板7连接组成的箱体，在箱体内有一个可沿立柱2运动的升降机构，在该升降机构的下面有一个可水平运动的水平滑板11，在前隔离板上有激光输入口和水管入口，在底板1上有出水管接口，在后隔离板7－3上有抽风口。本实用新型结构简单，成本低，适用性广。
文档编号C21D1/09GK2641057SQ03266470
公开日2004年9月15日 申请日期2003年7月2日 优先权日2003年7月2日
发明者邹世坤, 谭永生 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所