专利名称：一种利用激光连续冲击强化的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及特种加工与制造领域，特指利用高能量、短脉冲激光束为能量的激光连续冲击强化金属材料或工件的一种装置及方法。
背景技术：
激光冲击强化技术就是利用高功率密度、短脉冲激光辐照金属材料表面，在其表面(或涂层)形成等离子体高压冲击波，使零件材料表层产生塑性形变及几百MPa的残余压应力，从而提高金属的抗疲劳性能，以达到延长零件疲劳寿命的目的。
激光冲击强化处理技术早期的应用研究起源于上世纪60年代对飞机结构可靠性和安全性的重视。飞机的关键部位，例如飞机上典型的应力集中结构——紧固件小孔，在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹，疲劳源裂纹多从紧固孔边缘处萌生。因此，在材料选择和结构设计制造中，如何尽可能消除关键部位应力集中的不利影响，改善飞机结构的抗疲劳性能，延长使用寿命，确保飞机的可靠性和安全性是飞机设计和材料研究者的重要课题。目前国内外广泛应用于飞机结构件的抗疲劳强化技术有两种喷丸和冷挤压。对大面积强化来说它们是有效的，但对于较小尺寸的部位(如φ3.5mm以下)，喷丸和冷挤压都很难甚至无法进行，强化效果也不理想。在此情况下，激光冲击强化处理技术以其精确定位的特点成为潜在的替代工艺。
尽管所有从事激光冲击强化技术研究的学者以及航空制造商都认识到激光冲击强化技术的潜在力量，尽管激光冲击强化技术应用于强化航空材料的实验研究已经走过了近40年，但目前只有美国劳伦斯里弗莫尔和MIC公司合作，成功将激光冲击强化技术应用于喷气发动机叶片和齿轮的强化处理。其主要原因在于激光冲击强化过程中必须使用约束介质和涂层材料，否则无论激光功率多大、脉冲多短也无法达到预期的强化效果。因此可以说进行激光冲击约束层材料选择的研究是激光冲击强化技术能否快速获得航空工业化应用的关键。
随着激光器生产技术的高速发展，利用高能量短脉冲激光器就能产生出很高能量的激光束，功率密度可达109～1021w/cm2以上。它作用在能量转换体(液体或气体)上使其气化爆炸产生的冲击波峰值压力可达几十～几百个GPa，而在金属材料表层则能产生几百个MPa的残余压应力。但在激光冲击强化的工艺过程中，由于约束层和涂层材料是必需具有的工艺物质，它们的存在极大地增加了激置，以保证强化效果。但是，外加夹紧装置的存在大大限制了激光冲击强化的应用范围及生产效率等。为了使激光冲击强化得到更广泛的应用，在激光冲击强化中，使用一种既能起到有效增加激光冲击波峰值压力，适合于冲击各种近似于平面的零件表面，而又无须装夹的约束层介质已经成为激光冲击工业化应用的关键技术难题。
激光冲击强化技术虽然在美国航空领域已获一定的应用，但其所使用的约束介质为水，冲击强化时是让液态水不断流过工件表面。这里存在的关键问题是水流经过工件或材料表面时易形成若干小涡流或小气泡，对强激光束易形成光束聚焦效应，从而影响激光冲击效果。
与此同时他们使用的激光冲击用涂层是预先涂覆或喷涂在待冲击区表面，预制的涂层难以控制其厚度，涂层烘干还需一定时间，冲击处理后还需二次清除，激光冲击总体效率不高。
因此，研究一种将约束介质和涂层集合在一起的激光冲击强化装置成为激光能否实现工业化应用的关键技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用高能量激光束产生等离子爆炸冲击波连续强化平面或近似于平面的金属材料或零件的装置和方法。
实施本发明目的的装置主要包括导光部分、液体约束介质传输部分、液体介质约束层成型部分、冲击波输出部分以及保证上述四个部分正常工作的工作管体。
1、导光部分导光部分由激光束、透光镜和液体约束介质组成。由光纤传输或从激光器直接发射的激光束依次通过工作管体的中心空腔，与激光束成90度角的透光镜和液体约束介质，到达固体涂层薄膜。
2、液体约束介质传输部分液体约束介质传输部分由进液口、进液口调节螺母、弹簧、导杆锥形活塞、上导液腔、固体涂层薄膜、滑块、高强度高弹性橡胶圈、垫块、透光镜、下导液腔、排液活塞、弹簧、排液调节螺母、排液口组成。
进液口开在管体上部，它与由进液口调节螺母、弹簧、导杆锥形活塞依次相连形成的空间相通。
上导液腔通过可滑动的导杆锥形块与进液口相通。
由固体涂层薄膜、滑块、高强度高弹性橡胶圈、透光镜形成的空腔与上导液腔相通。滑块、高强度高弹性橡胶圈与透光镜依次由外圈到内圈相连组成一个工作平面。弹簧一端连着中心腔左端，另一端与高强度高弹性橡胶圈左侧相连，在高强度高弹性橡胶圈的右侧内圈沿周向均布四个工作垫块；同时又在高强度高弹性橡胶圈的右侧外圈沿周向均布四个工作垫块，外圈工作垫块厚度略大于内圈工作垫块。
且由固体涂层薄膜、滑块、高强度高弹性橡胶圈、透光镜形成的空腔与下导液腔相通。
下导液腔左端设置一排液活塞，它与弹簧、排液调节螺母依次相连，它作压缩运动可使下导液腔与排液口相通。
在排液活塞与弹簧之间设置了排液口，排液口与外部废液接受装置相连。
3、液体介质约束层成型部分液体介质约束层成型部分由滑块、高强度高弹性橡胶圈、垫块、透光镜、固体涂层薄膜组成。均布在透光镜外周的四个工作垫块使透光镜与固体薄膜之间形成一个扁圆柱空间。约束液体能在该区域内形成液体介质约束层。
4、激光冲击波输出部分，激光冲击波输出部分，由中空螺帽、垫圈、固体涂层薄膜、工作薄膜等组成。中空螺帽采用螺纹与管体相联，固体涂层薄膜粘合在工作薄膜中心，工作薄膜紧贴在中空螺帽内，与管体装配时，在其与管体接触部分之间加入橡胶垫圈。工作薄膜与被冲击强化处理的金属材料表面贴合。
外加的有机液体涂层，工作薄膜右侧与工件之间可以加上一层有机液体涂层，这一涂层可以涂抹在工作薄膜上，也可以涂在待冲击的工件表面，主要还是辅助消除工作薄膜与工件之间的空气间隙，也可由手工操作。
5、工作管体部分工作管体部分主要是支撑前四个工作系统，同时工作管体部分可以视工作条件采用两种办法进行工作1)手动操作在实现激光冲击在线加工时，为了使该装置可以适用于手工操作，可以在工作管体上加一个手把和接触式电子开关，相连两次激光冲击强化的时间间隔是由手把上的接触式电子开关来实现手动控制的。此时激光束的传输应采用光纤传输，输入工作管体内的激光束必须与工作管体中心线成0°角，以保证最佳强化效果。
2)自动化操作在进行大面积连续强化时，也可将该装置安置在自动化机床系统上，进行机械自动化操作强化处理。当采用机床自动化冲击处理工件时，激光束的辐照频率可由计算机工作平台控制，激光束可以是光纤传输，也可以从激光器发射后采用适当的导光系统在空气中传输，但输入工作管体内的激光束必须与工作管体中心线成0°角，以保证最佳强化效果。
本发明具有如下几个方面的优势1、将激光冲击强化过程中的约束层材料(液体介质约束层)、涂层介质(固体涂层簿膜)、工作薄膜等使用工艺十分麻烦的工序集合组装在一起，使其能够实现激光冲击强化过程的自动化加工和灵活方便的手工加工操作。便于实现激光冲击强化技术的工业化应用。
2、激光冲击约束介质成型自动化，尺寸定位精确化，更换自动化。
1)激光冲击时，约束介质是必要条件，由于在本装置的工作管体中设置了流动的液体约束介质和约束层形成区(即在透镜和固体涂层薄膜之间形成的空间区)，使约束介质成型实现了自动化，克服了现有约束层介质装置的装夹困难。
2)在弹簧、工作薄膜和被冲击金属材料表面的共同作用下，在透光镜和固体涂层薄膜之间形成的空间区的几何尺寸是相对固定，这样，就使每一次形成的冲击用约束介质层的几何尺寸几乎相同，保证冲击强化时，约束层的工艺参数相同，因而该装置使约束介质成型尺寸定位精确化。
3)由于约束介质在该装置中是流动的，激光冲击每发生一次，液体就会通过排液口排出一部分液体，同时液体又能通过进液口得到及时补充，这样就使上一次激光冲击后产生被气化涂层污染约束介质下移，新的液体约束介质又一次在透光镜和固体涂层薄膜之间形成新的液体介质约束层，从而使液体介质约束层的更换实现自动化。避免了由于冲击约束层材料的污染，影响下一次冲击效果。
3、激光冲击涂层的薄膜化，更换方便1)涂层薄膜化在现有激光冲击强化工艺中，涂层材料一般是黑漆，由喷涂或手工涂覆到金属待冲击区表面，在将其改为柔性涂层薄膜后，可以节省了涂层喷涂、涂覆和涂层清理的工序，还解决了涂层喷涂或涂覆厚薄不均的难题。
2)涂层更换方便将涂层薄膜柔性与工作薄膜贴合在一起，涂层薄膜可以长时间的使用，不必像喷涂或涂覆涂层材料那样，只能一次性使用，且由于两者都是柔性的可以在一定压力条件下工作薄膜鼓起与工件形成紧密配合，同时固体涂层薄膜是与工作薄膜连在一起，通过中空螺帽可以方便地对其定期更换。
4.激光冲击作用金属材料间接化在现有的激光冲击强化处理工艺中，由于涂层材料直接涂覆在待强化金属材料的表面，可能由于涂层喷涂或涂覆的缺陷，而使高能量的激光直接辐射到金属材料表面而使其产生表层损伤，影响冲击强化效果。本装置采用了高透波率的工作薄膜，既可以使激光与涂层相互作用时不直接接触，同时又使激光与涂层相互作用产生的高压冲击波能够顺利通过工作薄膜，有效地作用于待强化金属表层，使其达到同样的冲击效果。
同时还可以在工作薄膜表面或待冲击工件表面涂上一层高透波率的有机油，可以消除空气间隙，保证冲击强化效果。
5.设置了液体约束介质工作回路。
液体约束介质进口处设有一定压力P(由外部供液装置提供)，主要是保证工作薄膜能与工件表面形成紧密配合，保证液体约束材料能够形成一定均匀厚度的约束介质层，同时可以保证液体回路在一定工作时间后，对液体约束介质进行更换，防止因激光与涂层反复作用后对液体产生的污染，使约束介质透光率降低，从而失去液体的约束介质作用。
6.设置了排液口。在减压部分设置弹簧、排液活塞的排液装置，它使激光冲击时产生强大压力有了释放之处，同时也使激光冲击区产生的污染液体介质能够顺利下移逐步排出，使污染的液体约束介质更换成为可能。
7.设置了管体中心滑动部分。内外工作垫块的设置，保证液体能够形成激光冲击强化工艺所必需的约束介质层；滑块与弹簧的配合使激光冲击过程中产生的强大冲击波反冲能量得到有效释放。
图1为本发明装置结构示意图1-进液口调节螺母，2-进液口，3-弹簧，4-导杆活塞，5-工作管体，6-工作液体，7-上导液腔，8-弹簧，9-透光镜，10-滑块，11-固体涂层薄膜，12-工作薄膜，13-激光束，14-排液调节螺母，15-弹簧，16-排液口，17-排液活塞，18-下导液腔，19-高强度高弹性橡胶圈，20-内圈工作垫块，21-外圈工作垫块，22-中空螺帽，23-垫圈具体实施方式
如图1所示，装置具体包括(1)导光部分导光部分由激光束13、透光镜9和液体约束介质6组成。由光纤传输或从激光器直接发射的激光束13依次通过工作管体的中心空腔，与激光束成90度角的透光镜9和液体约束介质6，到达固体涂层薄膜11。
(2)液体约束介质传输部分液体约束介质传输部分由进液口2、进液口调节螺母1、弹簧3、导杆锥形块4、上导液腔7、固体涂层薄膜11、弹簧8、滑块10、高强度高弹性橡胶圈19、小垫块20和21、透光镜9、下导液腔18、排液活塞17、排液口16、弹簧15、排液调节螺母14组成。
进液口2开在管体上部，它与由进液口调节螺母1、弹簧3、导杆锥形活塞4依次相连形成的空间相通。
上导液腔7通过可滑动的导杆锥形活塞4与进液口2相通。
由固体涂层薄膜11、弹簧8、滑块10、高强度高弹性橡胶圈19、透光镜9形成的空腔与上导液腔7相通。滑块10、高强度高弹性橡胶圈19与透光镜9依次由外圈到内圈在右端平齐组成一个工作平面。弹簧8一端连着中心腔左端，另一端与高强度高弹性橡胶圈左侧相连，弹簧8的弹性系数大于弹簧15。在橡胶圈19的右侧内圈沿周向均布四个工作垫块20；同时又在外圈沿周向均布四个工作垫块21，外圈工作垫块21厚度大于内圈工作垫块20。
由固体涂层薄膜11、滑块10、高强度高弹性橡胶圈19、透光镜9形成的空腔与下导液腔18相通。
下导液腔18左端设置一排液活塞17，它与弹簧15、排液调节螺母14依次相连，活塞作压缩17运动可使下导液腔18与排液口16相通。
在排液活塞17与弹簧15之间设置了排液口16，排液口16与外部废液接受装置相连。
(3)液体介质约束层成型部分液体介质约束层成型部分由滑块10、高强度高弹性橡胶圈19、垫块20、透光镜9、固体涂层薄膜11组成。均布在橡胶圈19内圈的四个工作垫块20使透光镜9与固体涂层薄膜11之间形成一个扁圆柱空间。约束液体能在该区域内形成液体介质约束层。
(4)激光冲击波输出部分激光冲击波输出部分，由中空螺帽22、垫圈23、固体涂层薄膜11、工作薄膜12等组成。中空螺帽22采用螺纹与管体5相联，固体涂层薄膜11粘合在工作薄膜12中心，工作薄膜12紧贴在中空螺帽22内，与管体5装配时，在其与管体接触部分之间加入橡胶垫圈23。工作薄膜外侧与被冲击强化处理的金属材料表面贴合。
外加的有机液体涂层，工作薄膜12右侧与工件之间可以加上一层有机液体涂层，这一涂层可以涂抹在工作薄膜上，也可以涂在待冲击的工件表面，主要还是辅助消除工作薄膜与工件之间的空气间隙，也可由手工操作。
(5)工作管体部分工作管体5部分主要是支撑前四个工作系统，同时工作管体部分可以视工作条件采用两种办法进行工作手动操作在实现激光冲击在线加工时，为了使该装置可以适用于手工操作，可以在工作管体5上加一个手把和接触式电子开关，相连两次激光冲击强化的时间间隔是由手把上的接触式电子开关来实现手动控制的。此时激光束的传输应采用光纤传输，输入工作管体内的激光束必须与工作管体中心线成0°角，以保证最佳强化效果。
自动化操作在进行大面积连续强化时，也可将该管体5安置在自动化机床系统上，进行机械自动化操作强化处理。当采用机床自动化冲击处理工件时，激光束的辐照频率可由计算机工作平台控制，激光束可以是光纤传输，也可以从激光器发射后采用适当的导光系统在空气中传输，但输入工作管体内的激光束必须与工作管体中心线成0°角，以保证最佳强化效果。
图1所示装置工作方式如下其中约束介质液体6在一定压力P的作用下通过进液口2，推开活塞4，输入上导液腔7内，充满整个液体回路。整个装置在手工操作或自动化操作下使工作薄膜12与待冲击工件材料接触，在液体压力、弹簧8、滑块10、工作垫块20和21的共同作用下，工作薄膜12(微量外鼓或内凹)与工件形成紧密贴合。在弹簧8、滑块10和工作薄膜12的共同作用下，在透镜9与固体涂层薄膜11间形成较均匀的液体介质约束层。当激光器发出的光束13通过透镜9、液体约束介质6与固体涂层薄膜11作用，固体涂层薄膜11气化产生等离子体，等离子体继续吸收激光能量产生瞬间爆炸冲击波，爆炸冲击波向前传播依次透过固体涂层薄膜11和工作薄膜12，作用于金属工件材料表面，使金属材料产生弹塑性形变，引起金属工件材料晶粒细化或发生相变，并在其表层形成几百个MPa的残余压应力，从而提高金属材料的强度和抗疲劳寿命。与此同时反向爆炸冲击波同时作用于透光镜9、滑块10和高强度高弹性橡胶圈19组成的平面，同时也通过液体沿上下导液腔7、18分别作用于导杆活塞4、排液活塞17。从而发生三个运动一是滑块10沿激光束反方向压缩弹簧8运动，释放一部分等离子冲击波压力；二是液体推动排液活塞17压缩弹簧15反向运动，使部分液体溢出排液口16；三是滑块4反向运动封住进液口，使受涂层气化污染的液体不能倒流，受污染的液体将随着新的液体的注入下移，或在下一轮冲击波的作用下排出管外。当这一过程完成后，液体约束介质在压力P的作用下通过进液口2推开导杆锥形活塞4继续向管腔内充填液体约束介质，滑块10和排液活塞17分别在弹簧8和15的作用下恢复到位，使透光镜9与固体涂层薄膜11间继续形成新的约束介质层，预备下一次冲击强化使用，如此可以形成激光冲击工艺的连续化。
权利要求
1.一种利用激光连续冲击强化的装置，其特征是导光部分、液体约束介质传输部分、液体介质约束层成型部分、冲击波输出部分以及保证上述四个部分正常工作的工作管体；其中包括(1)导光部分由激光束(13)、透光镜(9)和液体约束介质(6)组成，激光束(13)依次通过工作管体的中心空腔，与激光束成90度角的透光镜(9)和液体约束介质(6)，到达固体涂层薄膜(11)；(2)液体约束介质传输部分由进液口(2)、进液口调节螺母(1)、弹簧(3)、导杆锥形块(4)、上导液腔(7)、固体涂层薄膜(11)、弹簧(8)、滑块(10)、高强度高弹性橡胶圈(19)、小垫块(20、21)、透光镜(9)、下导液腔(18)、排液活塞(17)、排液口(16)、弹簧(15)、排液调节螺母(14)组成，进液口(2)开在管体上部，其与由进液口调节螺母(1)、弹簧(3)、导杆锥形活塞(4)依次相连形成的空间相通；上导液腔(7)通过可滑动的导杆锥形活塞(4)与进液口(2)相通；由固体涂层薄膜(11)、弹簧(8)、滑块(10)、高强度高弹性橡胶圈(19)、透光镜(9)形成的空腔与上导液腔(7)相通；滑块(10)、高强度高弹性橡胶圈(19)与透光镜(9)依次由外圈到内圈在右端平齐组成一个工作平面；弹簧(8)一端连着中心腔左端，另一端与高强度高弹性橡胶圈左侧相连，弹簧(8)的弹性系数大于弹簧(15)的弹性系数；在橡胶圈(19)的右侧内圈沿周向均布四个工作垫块(20)；同时又在外圈沿周向均布四个工作垫块(21)，外圈工作垫块(21)厚度大于内圈工作垫块(20)；由固体涂层薄膜(11)、滑块(10)、高强度高弹性橡胶圈(19)、透光镜(9)形成的空腔与下导液腔(18)相通；下导液腔(18)左端设置一排液活塞(17)，其与弹簧(15)、排液调节螺母(14)依次相连，经活塞(17)的压缩运动下导液腔(18)与排液口(16)相通；在排液活塞(17)与弹簧(15)之间设置了排液口(16)，排液口(16)与外部废液接受装置相连；(3)液体介质约束层成型部分由滑块(10)、高强度高弹性橡胶圈(19)、垫块(20)、透光镜(9)、固体涂层薄膜(11)组成，均布在橡胶圈(19)内圈的四个工作垫块(20)使透光镜(9)与固体涂层薄膜(11)之间形成一个扁圆柱液体介质约束层；(4)激光冲击波输出部分由中空螺帽(22)、垫圈(23)、固体涂层薄膜(11)、工作薄膜(12)组成，中空螺帽(22)采用螺纹与管体(5)相联，固体涂层薄膜(11)粘合在工作薄膜(12)中心，工作薄膜(12)紧贴在中空螺帽(22)内，与管体(5)装配时，在其与管体接触部分之间加入橡胶垫圈(23)。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光连续冲击强化的装置，其特征在于工作薄膜(12)右侧与工件之间设有一层有机液体涂层。
3.根据权利要求1所述的一种利用激光连续冲击强化的装置的方法，其特征是约束介质液体(6)在压力P的作用下通过进液口(2)，推开活塞(4)，输入上导液腔(7)内，充满整个液体回路；整个装置在手工操作或自动化操作下使工作薄膜(12)与待冲击工件材料接触，当激光器发出的光束(13)通过透镜(9)、液体约束介质(6)与固体涂层薄膜(11)作用，固体涂层薄膜(11)气化产生等离子体，进而产生瞬间爆炸冲击波依次透过固体涂层薄膜(11)和工作薄膜(12)，而反向爆炸冲击波同时作用于透光镜(9)、滑块(10)和高强度高弹性橡胶圈(19)组成的平面，同时也通过液体沿上下导液腔(7、18)分别作用于导杆活塞(4)、排液活塞(17)；然后液体约束介质在压力P的作用下通过进液口(2)推开导杆锥形活塞4继续向管腔内充填液体约束介质，滑块(10)和排液活塞(17)分别在弹簧(8、15)的作用下恢复到位，使透光镜(9)与固体涂层薄膜(11)间继续形成新的约束介质层，进行下一次冲击。
4.根据权利要求1所述的一种利用激光连续冲击强化的方法，其特征在于在工作管体(5)上设置一个手把和接触式电子开关，相连两次激光冲击强化的时间间隔是由手把上的接触式电子开关来实现手动控制的。
5.根据权利要求1所述的一种利用激光连续冲击强化的方法，其特征在于采用自动化操作时，将工作管体(5)安置在自动化机床系统。
6.根据权利要求1所述的一种利用激光连续冲击强化的方法，激光束为光纤传输，或从激光器发射后采用导光系统在空气中传输，且输入工作管体内的激光束与工作管体中心线成0°角。
全文摘要
本发明涉及特种加工与制造领域，特指利用高能量、短脉冲激光束为能量的激光连续冲击强化金属材料或工件的一种装置及方法。该装置设置滑块、柔性工作薄膜、垫块、排液活塞等部件，形成流动的液体约束介质层，通过排液口排出一部分液体，同时经进液口补充新液体，实现自动更换液体介质约束层。本发明其将激光冲击强化技术工艺中必须的工作物质约束介质和涂层通过适当系统设计巧妙地集合在一起，使激光冲击强化技术可以实现连续冲击强化处理，节省了约束层装夹、涂层涂覆工序，可以实现自动化连续冲击强化处理，也可以实施在线装配或修复冲击强化处理。
文档编号C21D1/09GK1928127SQ200610041568
公开日2007年3月14日 申请日期2006年9月15日 优先权日2006年9月15日
发明者陈瑞芳, 花银群 申请人:江苏大学