专利名称：利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光加工与材料表面改性领域，尤其是一种采用高能量密度激光束与高压去离子水进行耦合得到的光水复合体对金属构件表面进行喷丸强化以改善金属构件力学性能及疲劳性能的方法与装置。
背景技术：
科学技术的迅猛发展对金属构件的精度、性能和寿命提出了越来越高的要求，其使用环境日益苛刻，许多金属构件必须服役于高压、高温、高磨损和高腐蚀的外部条件，而金属构件在其加工制造过程中难免会在表面产生各类的微裂纹和缺陷，从而导致应力集中，致使金属构件破损直至失效。在现代工业的各个领域中，大约有80%的结构强度破坏是由于疲劳破坏造成的，这给工业技术各领域带来严重威胁和巨大损失，因此，金属构件的抗疲劳制造已成为现代工业技术领域的热点研究问题。
在生产实践中，金属构件的抗疲劳制造方法多种多样，常见的有表面淬火、化学热处理、机械加工如滚压、挤压、喷丸、抛光等。随着激光技术在工业各领域的广泛使用，一种新的抗疲劳制造技术应运而生-激光喷丸强化技术(Laser Shock Peening, LSP),其利用高能量(GW/cm2)短脉冲(ns)激光束辐照涂覆有能量吸收层和能量约束层的金属构件表面，能量吸收层吸收激光能量后迅速汽化生成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量后爆炸产生爆轰波(GPa级)作用于金属构件材料表面，并向其内部传播，使金属构件表面产生塑性变形和残余压应力场，表层材料晶粒细化，显著提高金属构件疲劳强度及抗腐蚀能力。目前，激光喷丸强化技术已经成功应用在汽车、航空航天的抗疲劳制造领域。
在对金属构件实施激光喷丸强化工艺过程中，约束层的作用是限制等离子体爆轰波扩散，使其更为集中地作用于金属构件表面，目前，常用的约束层材料有K9玻璃、柔性贴膜、流动水帘等，其中流动水帘被广泛采用，其优势体现在①成本低，柔性好，可循环使用； ②对复杂曲面的适用性强；③不会产生废弃残渣，环保无污染，但流动水帘有一个难以克服的缺点，即流水的刚性不足，其对爆轰波约束效果不佳，大大地削弱了激光喷丸效果。
一种性能优异的约束模式既需具备如K9玻璃的刚性，从而产生对等离子体爆轰波超强的阻抑作用，又需具备流动水帘的柔性，以满足多工位、多角度、复杂金属构件的喷丸强化；既能以较低的成本和较优的可操作性实现循环利用，达到绿色制造理念，又要符合环保、低碳、无污染的社会主流意识。挖掘与开发这样一种优良的约束模式已经成为激光喷丸强化抗疲劳制造领域的一个研究热点。公开号为1404954的中国专利“一种用于激光冲击处理的柔性贴膜”，其利用两种不同组分的有机硅胶和添加剂按一定的比例配比调和，通过有机玻璃模具将其涂覆在成形件或者强化件表面作为能量约束层，但是该装置仍然存在不足①柔性贴膜在激光冲击成形工艺中可以充分发挥其柔性优势，但是由于其约束刚度不高，达不到K9玻璃那样的约束强度，从而限制了其在激光冲击强化工艺中的应用；②柔性贴膜制作过程复杂、繁琐，不利于其在本领域的推广使用柔性贴膜对于激光能量吸收较多，降低了激光能量的利用率。公开号为1608786的中国专利“以冰为约束层的激光冲击处理方法及装置”，其利用冰约束层与受冲击工件在冰层形成时紧密结合，试样的轴向和径向均受到冰层约束。但是该方法仍然存在不足冰层在激光冲击过程中会有融化现象，致使冰层与工件结合处不再紧密，从而使冲击波压力降低。
由物理学知识可知当水以一定的压力喷射到材料表面时，会在材料表面形成一个瞬时高压作用区，此高压作用区相比于在物体表面缓慢流动的水帘对等离子体爆轰波具有更强的阻抑作用，并且当水的压力达到一定值时，高压水本身也会实现自身能量转换液压能一动能一材料表面塑性变形能，最终实现材料表面的加工硬化。因此，寻求一种高压水动态约束模式以提高激光喷丸强化抗疲劳制造的整体工艺效果十分有必要。公开号为 CN201864747U的中国专利“光水同轴的激光冲击强化头”利用了水导光的基本原理，通过激光束和水珠的耦合作用，实现了光水同轴冲击强化，但是其存在一定缺陷①其中的水柱只是起到传导激光的作用，水柱在工件表面仍然相当于流水约束层，约束刚度不够其调焦机械装置复杂繁琐，加工费用高，不利于推广使用。
通过对国内外文献进行检索，目前未发现将高压水作为动态约束以及冲击动力实现对材料表面激光喷丸强化的相关报道。本发明首次提出高压水动态约束模式这一概念， 并且充分利用高压水自身能量转换这一优势，结合水导光这一物理常识，提出了一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的抗疲劳制造方法及其装置。发明内容
本发明的目的在于针对现有表面强化方法和装置存在的不足，发明一种在高压水动态约束模式下利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化抗疲劳制造的方法及装置。其中，高压力去离子水的作用为第一，作为动态约束介质，可以近似看作刚性约束，增强激光诱导等离子体爆轰波压力;第二，作为传导介质，使激光束沿着高速传输的水柱传导，水束约束光束，使激光功率密度分布更为均匀；第三，高压力的水柱以较高速度冲击材料表面， 会对材料表面产生冷作硬化效应。本发明巧妙地将光和水耦合在一起形成光水复合体，进行金属构件喷丸强化，克服了目前流动水帘约束模式下激光诱导等离子体爆轰波约束强度不够的缺点，使得喷丸后金属构件材料表层残余压应力分布更加均匀，残余压应力幅值大幅提高，表层材料晶粒纳米化更加均匀，抗疲劳性能明显改善。
本发明的技术方案之一是一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法，其特征在于利用水作为激光束的导光介质，使高能量密度激光束与具有一定压力的去离子水进行耦合，利用耦合后的光水复合体对材料表面进行喷丸强化，材料表面吸收层吸收激光能量后诱导等离子爆轰波产生的压力与高压水流产生的压力叠加，使得材料表面发生更加明显的塑性变形，产生更大的残余压应力场，同时材料表层晶粒高度纳米化，力学性能得到改善。
本发明的利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法包括如下具体步骤A)用工业酒精清洗金属构件的表面，然后将能量吸收层涂覆在待处理区域，将金属构件试样放置于五轴联动数控工作台上；B)开启液压泵，调节液压调压阀压力，控制液压指示盘的压力显示在5(T80MPa压力范围之内，将储水腔内慢慢充满去离子水，此时的去离子水会流出喷嘴并且以5(T80MPa的冲击力冲击材料表面；C)开启气压泵，调节气压调压阀压力，控制气压指示盘的压力显示在5 30MPa之间， 将压力为5 30MPa的空气输送至高压气腔，经由下端喷嘴喷出；D)启动计算机系统控制Nd= YAG固体激光器和五轴联动数控工作台至预定加工轨迹， 通过调节聚焦透镜的高度调节焦点的位置，使Nd:YAG固体激光器发出激光能量为100 πιΓ2 J、光斑直径为O. 2^2 mm的激光束，激光束与水耦合生产光水复合体，此时进一步调节液压调压阀的压力，使其达到200 300 MPa，进行光水复合喷丸强化。
E)喷丸完毕后，关闭激光器与计算机系统，然后依次关闭液压泵与气压泵，取下工件。
对金属构件表面进行喷丸强化所使用的动力有两个来源一个是经由液压泵、液压调压阀、储水腔、喷嘴喷出的高压去离子水冲击在金属构件表面的压力；另一个是高能量密度激光束在金属构件表面诱导的等离子体爆轰波施加在材料表面的巨大冲击力，上述两个压力叠加后引起材料表面塑性变形继而诱导残余压应力场和晶粒纳米化。
本发明的技术方案之二是一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的装置，包括计算机控制系统l、Nd:YAG 固体激光器3、反光镜2、五轴联动数控工作平台17、聚焦透镜调焦系统25、储水腔21、耐高压玻璃10、液压泵22、高压气腔14、气压泵13和喷嘴15 ;聚焦透镜调焦系统25安装在储水腔21的上部，它包括移动套筒7、锁紧螺母8、聚焦透镜夹持圈6、垫圈5、聚焦透镜4，聚焦透镜4安置于聚焦透镜夹持圈6上，垫圈5将其固定，聚焦透镜夹持圈6与移动套筒7过盈配合，移动套筒7与腔体壁采用螺纹连接，通过手动调节移动套筒7的垂直位置调节聚焦透镜4的焦点位置；储水腔21通过液压管路与液压调节阀23和液压泵22相连接，液压泵22 进水口接至回流槽18 ;高压气腔14通过通气管路与气压调压阀12和气压泵13相连接，高压气腔14位于储水腔21与待喷丸试样19之间，高压气腔14下端靠近待喷丸试样19的一面上，设有供储水腔21中的去离子水及高压气腔14的气体喷出的喷嘴15 ;计算机控制系统I控制五轴联动数控工作平台17与Nd = YAG固体激光器3 ;待喷丸试样19安装在防溅腔 20内，防溅腔20安装在五轴联动数控工作平台17上，能量吸收层16覆置于待喷丸试样19 上；在储水腔21的底部设有出水口，耐高压玻璃10安装在储水腔21上导光腔9的内部，并与储水腔21底部的出水口相对；反光镜2安装在所述聚焦透镜4的光路上，Nd: YAG固体激光器3安装在反光镜2的入射光一侧；Nd:YAG固体激光器3发出的激光束经过聚焦透镜4 的聚焦和柱形导光腔9的无水阻传输，穿透柱形导光腔9底端的耐高压玻璃10，与储水腔 21中喷出的去离子高压水在储水腔21底部的出水口处耦合，形成光水复合体，经过高压气腔14底端的喷嘴15喷出，喷射到金属构件表面完成强化。
高压气腔14的喷嘴15到待喷丸试样19表面之间的距离在1(T40 mm范围之内。
由液压泵22送到储水腔21里的水是经过过滤、软化后的去离子水，其经过液压调压阀后的压力范围为50 350 MPa。
由气压泵13输出到高压气腔14的气体压力在5 30 MPa。
本发明的装置还包括一个气压防溅装置，该气压防溅装置包括气压泵13，气压泵 13通过气压调压阀12向喷嘴15的高压气腔14内输出5 30 MPa的压缩气体，压缩气体通过喷嘴15与光水复合体之间的孔隙高速喷出，将工件19表面溅起的水滴吹落到光水复合体外部，实现防溅的目的，从而降低溅起的水滴对光水复合体的影响。
所述的聚焦透镜调焦系统25包括移动套筒7、锁紧螺母8、聚焦透镜夹持圈6、垫圈 5、聚焦透镜4，聚焦透镜4安置于聚焦透镜夹持圈6上，垫圈5将其固定，聚焦透镜夹持圈6 与移动套筒7过盈配合，移动套筒7与腔体壁采用螺纹连接，通过手动调节移动套筒7的垂直位置调节聚焦透镜4的焦点位置。
所述的聚焦透镜调焦系统25包括聚焦透镜镜座4'、支持架3\垫圈5'、止动环 Sr、从动锥齿轮2r、主动锥齿轮1Γ、环形托架丁、轴承座9'及轴承1(Τ，支持架3'和环形托架Γ通过圆周方向均匀分布的螺栓固定，轴承座9'随环形托架Γ上下移动；聚焦透镜 4安置于聚焦透镜镜座4'上，垫圈5'将其固定，聚焦透镜镜座4'通过止动环K固定。设置有气压防溅装置，通过气压泵13与气压调压阀12向喷嘴15的高压气腔14内输出5 30 MPa的压缩气体，压缩气体通过喷嘴15与光水复合体之间的孔隙高速喷出，将工件19表面溅起的水滴吹落到光水复合体外部，实现防溅的目的，从而降低溅起的水滴对光水复合体的影响。
本发明的有益效果是I、本发明使用高压水动态约束模式，可将其近似看作刚性约束，对激光诱导等离子体爆轰波的约束效果更好，继而使得材料表面冲击效果较之于流动水帘约束模式下的激光喷丸更明显,材料表面残余压应力幅值更大。
2、本发明中的高压力去离子水对材料表面具有一定的冲击作用，继而使材料表面发生冷作硬化现象，产生塑性变形和残余压应力分布，此残余压应力场与激光喷丸作用产生的残余压应力场叠加，使材料表层及次表层残余压应力分布更均匀。
3、本发明中激光束是在高速喷射的去离子水中传播的，依靠水与空气界面的全反射实现激光束的传导，水束约束光束，使激光功率密度分布更为均匀。
4、本发明的高压去离子水利用其自身能量转换体实现液压能一动能一材料塑性变形能的转换，对金属构件表层进行喷丸，极大地克服了传统激光喷丸工艺处理后残余压应力位于次表层、材料表面残余应力分布不均的现象，使得材料表面整体晶粒细化，显著提高材料力学性能和机械性能。
图I是本发明的喷丸强化装置的结构示意图之一。
图2是流水约束模式下激光喷丸6061-Τ6招合金试样时厚度方向残余应力分布不意图。
图3为本发明的光水复合体模式下喷丸6061-Τ6招合金试样时厚度方向残余应力分布。
图4是本发明的喷丸强化装置的结构示意图之二。
图中1、计算机控制系统；2、反光镜；3、NdiYAG固体激光器；4、聚焦透镜；5、垫圈；6、聚焦透镜夹持圈；7、移动套筒；8、锁紧螺母；9、柱形导光腔；10、耐高压玻璃；11、气压指示盘；12、气压调压阀；13、气压泵；14、气腔；15、喷嘴；16、能量吸收层；17、五轴联动数控工作台；18、回流槽；19、待喷丸试样；20、防溅腔；21、储水腔；22、液压泵；23、液压调压阀；24、液压指示盘；25、聚焦透镜调焦系统；26、腔体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图1、3所示。
一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的装置包括储水腔21及液压泵 22 ;高压气腔14及气压泵13 ;五轴联动数控工作台17 ;聚焦透镜调焦系统25 ；Nd:YAG固体激光器3 ;反光镜2 ;液压指示盘24 ;计算机控制系统I。
在腔体26内设置有聚焦透镜调焦系统25、储水腔21及高压气腔14，储水腔21内置一个柱形导光腔9，柱形导光腔9的底端安装有耐高压玻璃10，耐高压玻璃10下方3 _ 处是储水腔21的出水口，高压去离子水经由出水口喷出到达高压气腔14内部；Nd: YAG固体激光器3发出的激光束经过反光镜2的反射和聚焦透镜4的聚焦，经柱形导光腔9的无水阻传输，透过柱形导光腔底端的耐高压玻璃10，在储水腔下部的出水口处与高压去离子水耦合，形成光水复合体；光水复合体经过高压气腔14底端的喷嘴15喷出到金属构件材料表面进行喷丸强化。
本发明的喷丸强化过程具体为本发明的喷丸强化的方法步骤包括先用工业酒精清洗待喷丸试样20的表面，并在其表面涂覆能量吸收层17，将待喷丸试样20固定于防溅腔16内；开启液压泵15，通过液压调压阀14调节压力至5(T80 MPajK 柱以较小的压力冲击待喷丸试样20表面，与此同时，开启防溅用气压泵23，通过气压调压阀24调节气体压力在5 30 MPa之间，将具有一定压力的净化空气输送至高压气腔22，气体经由下端的喷嘴21喷出；开启计算机控制系统30向Nd:YAG固体激光器32发出指令， NdiYAG固体激光器32发出能量为100 mj^2 J，光斑直径为O. 2^2 mm，频率为8 Hz激光束经过反光镜31的反射和聚焦透镜6的聚焦作用穿过柱形导光腔27，在储水腔底端的出口处与高压去离子水实现耦合，生成光水复合体，此时进一步调节液压调压阀的压力，使其升高至20(T300 MPa并以此压力冲击材料表面，进行光水复合喷丸强化，对金属构件表面进行喷丸强化。溅起的水滴经过喷嘴21的高温汽化和高压气体形成的强大气场，对水柱产生的牵引作用被消除，使得光水复合体的传播顺利实现；喷丸过程中通过调节计算机控制系统 30，控制Nd = YAG固体激光器32和五轴联动数控工作台19，实现预定喷丸轨迹。
实例光水复合体喷丸强化6061-Τ6铝合金将尺寸为20 mmX20 mmX4 mm的6061-T6铝板19安置于防溅腔20内，在6061-T6铝板19表面涂覆能量吸收层16，开启液压泵22，调节液压调压阀23压力至60 MPa，水柱以此压力冲击6061-T6铝板19表面；与此同时，开启气压泵13，调节气体压力至15 MPaJf 此压力的净化空气输送至高压气腔18，气体经由下端喷嘴喷出；开启计算机控制系统I向 NdiYAG固体激光器3发出指令，Nd: YAG固体激光器3发出激光束经过反光镜2的反射和聚焦透镜4的聚焦作用穿过柱形导光腔9，在储水腔21底端的出口处与高压去离子水实现耦合，生成光水复合体；进一步调节液压调压阀压力，使其增至200 MPa，对6061-T6铝板19表面进行喷丸强化，其中，激光能量为2 J，光斑直径为2 mm，频率2 Hz，并且计算机控制系统I控制五轴联动数控工作台的移动速度为I mm/s，激光光斑的搭接率为50%，喷丸结束后， 关闭Nd: YAG固体激光器3，2s秒后，关闭液压泵22，停止喷射高压去离子水，然后逐次关闭气压泵13，将喷丸后试样从工作台上取下，擦拭干净。
用HVS-1000硬度计对经过光水复合体喷丸强化的6061-T6铝板进行显微硬度的测量，载荷50克，保压时间为15秒，每隔O. 07 mm测量一次，光束复合体喷丸区域的显微硬度变化范围为135 169 HV，平均值为152 HV，比流动水帘约束模式下激光喷丸后的相应值提高了约25. 3%，可见光水复合喷丸强化后，金属构件表面显微硬度值得到明显提高。使用X-350A型X射线衍射法测试光水复合体喷丸后的试样厚度方向残余应力分布状况，如图 3所示，表面最大残余压应力值将近-300 MPa，且残余压应力层深度相比流动水帘约束时如图2更深，约为O. 9 _，中间部位残余拉应力层区域减小，残余压应力分布更为均匀。
实施例二。
如图1、4所示。
一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的装置，它包括计算机控制系统I、 NdiYAG固体激光器3、反光镜2、五轴联动数控工作平台17、聚焦透镜调焦系统25、储水腔 21、耐高压玻璃10、液压泵22、高压气腔14、气压泵13和喷嘴15 ;聚焦透镜调焦系统25安装在储水腔21的上部，它可采用图I所示的调焦装置，也可采用图4所示的调焦装置，图I 所示的聚焦透镜调焦系统25包括移动套筒7、锁紧螺母8、聚焦透镜夹持圈6、垫圈5、聚焦透镜4，聚焦透镜4安置于聚焦透镜夹持圈6上，垫圈5将其固定，聚焦透镜夹持圈6与移动套筒7过盈配合，移动套筒7与腔体壁采用螺纹连接，通过手动调节移动套筒7的垂直位置调节聚焦透镜4的焦点位置。图4所示的聚焦透镜调焦系统25包括聚焦透镜镜座4'、支持架3'、垫圈5'、止动环8r、从动锥齿轮Ir、主动锥齿轮1Γ、环形托架丁、轴承座Y及轴承10、支持架3'和环形托架Γ通过圆周方向均匀分布的螺栓固定，轴承座9'随环形托架丁上下移动；聚焦透镜6'安置于聚焦透镜镜座4'上，垫圈5'将其固定，聚焦透镜镜座4' 通过止动环K固定。其中图I所示的结构较为简单，可优先采用。储水腔21通过液压管路与液压调节阀23和液压泵22相连接，液压泵22进水口接至回流槽18 ;高压气腔14通过通气管路与气压调压阀12和气压泵13相连接，高压气腔14位于储水腔21与待喷丸试样19之间，高压气腔14下端靠近待喷丸试样19的一面上，设有供储水腔21中的去离子水及高压气腔14的气体喷出的喷嘴15 ;计算机控制系统I控制五轴联动数控工作平台17与 NdiYAG固体激光器3 ;待喷丸试样19安装在防溅腔20内，防溅腔20安装在五轴联动数控工作平台17上，能量吸收层16覆置于待喷丸试样19上；在储水腔21的底部设有出水口， 耐高压玻璃10安装在储水腔21上导光腔9的内部，并与储水腔21底部的出水口相对；反光镜2安装在聚焦透镜4的光路上，NdiYAG固体激光器3安装在反光镜2的入射光一侧； NdiYAG固体激光器3发出的激光束经过聚焦透镜4的聚焦和柱形导光腔9的无水阻传输， 穿透柱形导光腔9底端的耐高压玻璃10，与储水腔21中喷出的去离子高压水在储水腔21 底部的出水口处耦合，形成光水复合体，经过高压气腔14底端的喷嘴15喷出，喷射到金属构件表面完成强化。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。9
权利要求
1.一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法，其特征在于利用水作为激光束的导光介质，使高能量密度激光束与具有设定压力的去离子水进行耦合，以高压去离子水为约束层，同时利用耦合后的光水复合体对材料表面进行喷丸强化，材料表面吸收层吸收激光能量后诱导等离子爆轰波产生的压力与高压水流产生的压力叠加，使得材料表面发生塑性变形，产生残余压应力场，同时材料表层晶粒高度纳米化，力学性能得到改善。
2.根据权利要求I所述的利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的方法，主要包括如下步骤 A)用工业酒精清洗金属试样表面，然后将能量吸收层涂覆在待处理区域，将金属试样放置于五轴联动数控工作台上； B)开启液压泵，调节液压调压阀压力，控制液压指示盘的压力在5(T80MPa之间，将储水腔内慢慢充满去离子水，此时的去离子水会流出喷嘴并且以5(T80 MPa的冲击力冲击材料表面； C)开启气压泵，调节气压调压阀压力，控制气压指示盘的压力在5 30MPa之间，将压力为5 30 MPa的空气输送至高压气腔，经由下端喷嘴喷出； D)启动计算机系统控制Nd= YAG固体激光器和五轴联动数控工作台至预定加工轨迹，调节聚焦透镜调焦系统调节焦点位置，使Nd: YAG固体激光器发出激光能量为100 πιΓ2 J、光斑直径为O. 2^2 mm的激光束，激光束与水耦合生成光水复合体，此时进一步调节液压调压阀的压力，使其升高至20(T300 MPa，此时的去离子水会以20(T300 MPa的冲击力冲击材料表面进行光水复合喷丸强化； E)喷丸完毕后，关闭激光器与计算机系统，然后依次关闭液压泵与气压泵，取下工件。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是对金属构件表面进行喷丸强化所使用的动力有两个来源一个是经由液压泵、液压调压阀、储水腔、喷嘴喷出的高压去离子水冲击在金属构件表面的压力；另一个是高能量密度激光束在金属构件表面诱导的等离子体爆轰波施加在材料表面的巨大冲击力，上述两个压力叠加后弓I起材料表面塑性变形继而产生残余压应力场和晶粒纳米化。
4.一种利用光水复合体对金属构件表面喷丸强化的装置，其特征是它包括计算机控制系统(l)、Nd:YAG固体激光器(3)、反光镜(2)、五轴联动数控工作平台(17)、聚焦透镜调焦系统(25)、储水腔(21)、耐高压玻璃(10)、液压泵(22)、高压气腔(14)、气压泵(13)和喷嘴(15);所述聚焦透镜调焦系统(25)安装在储水腔(21)的上部，所述储水腔(21)通过液压管路与液压调节阀(23)和液压泵(22)相连接，液压泵(22)进水口接至回流槽(18);所述高压气腔(14)通过通气管路与气压调压阀(12)和气压泵(13)相连接，高压气腔(14)位于储水腔(21)与待喷丸试样(19)之间，高压气腔(14)下端靠近待喷丸试样(19)的面上，设有供储水腔(21)中的去离子水及高压气腔(14)的气体喷出的喷嘴(15);计算机控制系统(I)控制五轴联动数控工作平台(17)与Nd = YAG固体激光器(3);待喷丸试样(19)安装在防溅腔(20)内，防溅腔(20)安装在五轴联动数控工作平台(17)上，能量吸收层(16)覆置于待喷丸试样(19)上；在储水腔(21)的底部设有出水口，所述的耐高压玻璃(10)安装在储水腔(21)上导光腔(9)的内部，并与储水腔(21)底部的出水口相对；反光镜(2)安装在所述聚焦透镜(4)的光路上，NdiYAG固体激光器(3)安装在反光镜(2)的入射光一侧；Nd:YAG固体激光器(3)发出的激光束经过聚焦透镜(4)的聚焦和柱形导光腔(9)的无水阻传输，穿透柱形导光腔(9)底端的耐高压玻璃(10)，与储水腔(21)中喷出的去离子高压水在储水腔(21)底部的出水口处耦合，形成光水复合体，经过高压气腔(14)底端的喷嘴(15)喷出，喷射到金属构件表面完成强化。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是高压气腔(14)的喷嘴(15)到待喷丸试样(19)表面之间的距离在1(T40 mm范围之内。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征是由液压泵(22)送到储水腔(21)里的水是经过过滤、软化后的去离子水，其经过液压调压阀后的压力范围为5(T350 MPa。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征是它还包括一个气压防溅装置，该气压防溅装置包括气压泵(13)，气压泵(13)通过气压调压阀(12)向喷嘴(15)的高压气腔(14)内输出5 30 MPa的压缩气体，压缩气体通过喷嘴(15)与光水复合体之间的孔隙高速喷出，将工件(19)表面溅起的水滴吹落到光水复合体外部，实现防溅的目的，从而降低溅起的水滴对光水复合体的影响。
8.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的聚焦透镜调焦系统(25)包括移动套筒(7)、锁紧螺母(8)、聚焦透镜夹持圈(6)、垫圈(5)、聚焦透镜(4)，聚焦透镜(4)安置于聚焦透镜夹持圈(6)上，垫圈(5)将其固定，聚焦透镜夹持圈(6)与移动套筒(7)过盈配合，移动套筒(7)与腔体壁采用螺纹连接，通过手动调节移动套筒(7)的垂直位置调节聚焦透镜(4)的焦点位置。
9.根据权利要求4所述的装置，其特征是所述的聚焦透镜调焦系统(25)包括聚焦透镜镜座(4 、支持架O、垫圈O、止动环(K)、从动锥齿轮(2 、主动锥齿轮(1Γ)、环形托架(7 、轴承座(9 及轴承(I(T)，支持架(3J和环形托架(7J通过圆周方向均匀分布的螺栓固定，轴承座(9 随环形托架(7J上下移动；聚焦透镜(4)安置于聚焦透镜镜座(4 上，垫圈(5”将其固定，聚焦透镜镜座(4J通过止动环(K)固定。
全文摘要
一种利用光水复合体对金属构件表面激光喷丸强化的方法与装置，涉及激光加工技术领域。本发明利用高能量密度激光束与具有一定压力的去离子水进行耦合后得到的光水复合体对材料表面进行喷丸强化。光水复合体喷丸强化解决了流水约束层由于厚度不均匀以及较高的柔性所带来的喷丸效果不理想的问题，具有一定压力的去离子水具备一定的动量，其约束效果可以近似于刚性约束，约束效果更好；同时，喷丸后，去离子水与激光诱导冲击压力叠加，使得材料表面产生的残余压应力幅值显著提高，残余压应力场分布更均匀，并且表层材料高度纳米化，有效地改善了材料的力学性能。
文档编号C21D10/00GK102925646SQ20121045604
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者黄舒, 左立党, 周建忠, 盛杰, 孟宪凯, 王宏宇, 田清, 钟辉 申请人:江苏大学