一种激光冲击强化装置及其喷水管的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种激光冲击强化装置及其喷水管。本发明的激光冲击强化装置包括夹持套具，一端设有保护镜片的镜座以及用于激光冲击强化的喷水管，所述夹持套具包括第一夹具和第二夹具，在第一夹具和第二夹具上相对开设有第一凹槽和第二凹槽，所述镜座安装在第一凹槽中，所述喷水管安装在第二凹槽中，第一夹具和第二夹具的两端通过螺栓进行固定；本发明的喷水管包括管体，其具有进水口和出水口，以及与所述管体出水口连通的喷头，其具有截面形状为矩形的喷水口，并且在所述喷水口的两端相对开设有截面形状为弧形的凹槽。本发明的所述激光冲击强化装置能够形成平稳的水约束层，并且其能够通过调整喷射位置和喷射角度来适用各种情况的工件，适用性强。
【专利说明】一种激光冲击强化装置及其喷水管
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光冲击强化【技术领域】，具体涉及一种激光冲击强化装置及其喷水管。
【背景技术】
[0002]激光冲击强化技术，也称激光喷丸技术，是高功率密度(GW/cm2量级)、短脉冲(10~30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属工件表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温O10K)、高压OlGPa)等离子体，该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属工件表面，当冲击波的峰值压力超过工金属材料的动态屈服强度时，金属材料发生塑性变形并在表层产生平行于金属材料表面的拉应力，当激光作用结束后，由于冲击区域周围金属材料的反作用，其力学效应表现为金属材料表面获得较高的残余压应力，这些残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时，残余压应力的存在可以引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。
[0003]在激光冲击处理加工过程中，激光需要通过作为约束层的水层达到吸收层，激光能量被吸收层吸收产生高温高压等离子体，进而产生冲击波。特别是在进行连续激光冲击处理时，约束层的平整性将影响激光冲击处理是否能够实施或者是否能够连续实施。
[0004]现有的作为约束层的水层的实现方式主要包括两种，一种是将工件放置在水箱内进行水下加工；另一种是通过一根外置的圆形水管在工件表面形成流动水幕。第一种实现方式在实际操作过程中不够灵活，其不仅加工范围受到水箱尺寸的限制，而且在每次实施冲击后需要等待水面平复，加工效率较低；第二种实现方式不易控制水层的厚度和水流的稳定性，并且当激光与工件表面的距离有所变化时，不易调节水管喷水头的位置，此外其对于空间的冲击强化不易形成稳定的水流，并且圆形水管的喷水口还会影响水流的分布。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种激光冲击强化装置及其喷水管，其能够形成平稳且厚度可控的水约束层，此外还能够通过调整喷射位置和喷射角度来适用各种情况的工件，适用性强。
[0006]本发明提供一种用于激光冲击强化的喷水管，包括:
[0007]管体，其具有进水口和出水口；以及
[0008]与所述管体出水口连通的喷头，其具有截面形状为矩形的喷水口，并且在所述喷水口的两端相对开设有截面形状为弧形的凹槽。
[0009] 根据本发明提供的用于激光冲击强化的喷水管，所述凹槽的截面形状为半圆形。
[0010]根据本发明提供的用于激光冲击强化的喷水管，所述喷水口的宽度为2~3cm。
[0011]根据本发明提供的用于激光冲击强化的喷水管，所述管体与所述喷头之间通过连接器进行连接，所述连接器能够使所述喷头相对所述管体轴线方向转动15~90度。[0012]进一步地，所述连接器为万向蛇形连接器。
[0013]进一步地，在所述连接器上固定设有带手柄的转动盘，其能够手动驱动所述喷头相对所述管体轴线方向转动。
[0014]根据本发明提供的用于激光冲击强化的喷水管，所述喷头的喷水口端弯折。
[0015]进一步地，所述喷头垂直设置时，其喷水口端下管壁的弯折程度大于所述喷水口端上管壁的弯折程度。
[0016]本发明还提供一种激光冲击强化装置，包括夹持套具，一端设有保护镜片的镜座以及上述任一所述的用于激光冲击强化的喷水管，
[0017]所述夹持套具包括第一夹具和第二夹具，在所述第一夹具和所述第二夹具上相对开设有第一凹槽和第二凹槽，所述镜座安装在所述第一凹槽中，所述喷水管安装在所述第二凹槽中，所述第一夹具和所述第二夹具的两端通过螺栓和螺母进行固定。
[0018]进一步地，在所述第一夹具和所述第二夹具的第二凹槽外侧还相对开设有一个以上的凹槽。
[0019]本发明的用于激光冲击强化的喷水管能够形成平稳并且厚度可控的水约束层，水约束层在工件表面分布均匀，不仅有利于激光冲击强化处理的连续实施，而且还能够强化得到性能更加优异的工件；本发明的激光冲击强化装置能够方便地对镜座和喷水管的位置以及喷水管的喷射角度进行全方位的调节，从而有利于满足各种实际工艺需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明一实施例的激光冲击强化装置的俯视图；
[0021 ] 图2为图1的A-A剖视图；
[0022]图3为本发明一实施例的喷水管的左视图；
[0023]图4为本发明一实施例的激光冲击强化装置的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]如图1和图2所示，本发明一实施例的激光冲击强化装置包括夹持套具5，一端设有保护镜片61的镜座6以及喷水管10，夹持套具5包括第一夹具51和第二夹具52，在第一夹具51和第二夹具52上相对开设有第一凹槽53和第二凹槽54，镜座6安装在第一凹槽53中，喷水管10安装在第二凹槽54中，第一夹具51和第二夹具52的两端通过螺栓57和螺母58进行固定。
[0026]本发明的激光冲击强化装置可以根据实施情况的需要来调整镜座6和喷水管10与工件7之间的垂直距离，具体地，可以通过松开螺母58来上下移动镜座6和喷水管10，从而使镜座6和喷水管10与工件7之间的垂直距离适宜，例如垂直距离可以为40-100mm。
[0027]在其中一种实施方式中，在第一夹具51和第二夹具52的第二凹槽54外侧还相对开设有一个以上的凹槽，其用于安装喷水管10，从而可以将喷水管10设置在不同的水平位置上，以更好地满足激光冲击强化工艺的要求。具体地，可以在第一夹具51和第二夹具52的第二凹槽54外侧相对开设第三凹槽55和第四凹槽56，各凹槽之间的间距可以根据实际需要进行调整，例如可以为5cm，此时喷水管10与镜座6的间距可以在5cm、IOcm和15cm中根据需要进行选择。在其它实施方式中，还可以在第一夹具51和第二夹具52的第二凹槽54外侧开设三个以上的凹槽。
[0028]如图3所示，本发明一实施例的用于激光冲击强化的喷水管10包括管体I和喷头2，管体I具有进水口和出水口，喷头2的一端与管体I的出水口连通，另一端为截面形状为矩形的喷水口，并且在所述喷水口的两端相对开设有截面形状为弧形的凹槽21，其中弧形的凹槽21有利于形成平稳的水约束层(即喷射水流)，而矩形的喷水口有利于使水约束层在工件表面分布均匀，从而有利于激光冲击强化处理的连续实施，此外，可以通过控制喷水口的宽度来实现不同厚度的水约束层，以满足各种实际需求。具体地，所述凹槽21的截面形状可以为半圆形，所述喷水口的宽度可以为2~3cm，从而形成厚度为2~3cm的平稳水约束层。
[0029]在其中一种实施方式中，所述管体I与所述喷头2之间通过连接器3进行连接，例如可以采用万向蛇形连接器，所述连接器3能够使所述喷头2相对所述管体I轴线方向转动15~90度,如可以相对所述管体I轴线方向顺时针和/或逆时针转动。此实施方式的喷水管10可以按照需要来调节喷射角度，有利于满足各种实际操作的需求。
[0030]参见图4，进一步地，还可以在所述连接器3上固定设置带手柄41的转动盘4，其能够手动驱动所述喷头2相对所述管体I轴线方向转动，并且转动盘4的转动角度与所述喷头2相对所述管体I轴线方向转动的角度相一致，从而便于实际操作。此外，还可以在所述管体I的出水口端固定设置带刻度的表盘(图中未示出)，所述表盘可以设置在所述转动盘4的下方，从而在对转动盘4进行转动时可以通过所述表盘上的刻度明确得知其所转动的角度，即确认喷头2相对所述管体I轴线方向转动的角度，以方便操作者进行实际操作。
[0031]上述任一实施方式的用于激光冲击强化的喷水管10中，喷头2的喷水口端弯折，其喷水口朝向镜座6设置，并且所述弯折的角度相对管体I轴线方向小于90度，从而可以减缓喷水管10中的水流的流动速度，以利于形成平稳的水约束层。进一步地，当喷头2垂直设置时，其喷水口端下管壁的弯折程度大于所述喷水口端上管壁的弯折程度，即，喷水口端下管壁相对喷水口端上管壁向上弯折，从而使水流更加平缓。
[0032]如图4所示，在使用上述任一实施方式的激光冲击强化装置对工件进行激光强化处理时，首先将镜座6安装在夹持套具5的第一凹槽51中，并且使镜座6位于工件7的上方，在根据需要调节其距离工件7的垂直距离后，根据需要将喷水管10安装在第二凹槽52、第三凹槽53或第四凹槽54中，并且使喷水管10的喷水口朝向镜座6，在根据需要调节其距离工件7的垂直距离后，通过螺栓57和螺母58将夹持套具5固定。激光冲击强化装置安装调整完毕后，使一定功率密度的激光通过上一级调焦装置后进入镜座6，激光通过镜座6下端的保护镜片61，形成所需的激光光斑，打在覆有涂层8的工件7上；同时，水在一定压力下通过喷水管10射出，在到达工件7的表面时形成平稳且厚度与喷头喷水口宽度相同的水约束层。并且，当需要调节喷头2的喷射角度时，可以通过手柄41转动固定在连接器3上的转动盘4即可以实现。
[0033]本发明上述任一实施方式的激光冲击强化装置不仅可以形成平稳且厚度可控的水约束层，还可以对镜座6与工件7的垂直距离、喷水管10与工件7的垂直距离、喷水管10与镜座6的间距、喷水管10的喷射角度进行全方位的调节，从而满足各种工艺需求，其操作方便，适用性强。
[0034]利用本发明的激光冲击强化装置对铝合金工件进行激光冲击强化处理时，将镜座6垂直设置在工件7上方1OOcm处，将喷水管10垂直安装在第三凹槽55中，即使其与镜座6的间距为IOcm,喷水管10喷头2垂直设置在管体I下方并且与其连通,喷水口的宽度为
2.5cm，在喷水口两端相对开设有截面形状为半圆形的凹槽，喷水口端形成有弯折，并且喷水口端下管壁相对管体I的管壁弯折75度，喷水口端上管壁相对管体I的管壁弯折45度，采用功率密度为1.5Gff/cm2的激光对铝合金工件进行强化处理。
[0035]相对于现有技术中采用一根外置的圆形水管在相同的铝合金工件表面形成2-3cm的流动水幕所进行的激光冲击强化处理(激光功率密度为1.5GW/cm2)，利用本发明上述激光冲击强化装置对铝合金工件处理后，铝合金工件的疲劳裂纹扩展寿命显著延长。
[0036]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种用于激光冲击强化的喷水管，其特征在于，包括: 管体，其具有进水口和出水口 ；以及 与所述管体出水口连通的喷头，其具有截面形状为矩形的喷水口，并且在所述喷水口的两端相对开设有截面形状为弧形的凹槽。
2.根据权利要求1所述的用于激光冲击强化的喷水管，其特征在于，所述凹槽的截面形状为半圆形。
3.根据权利要求1所述的用于激光冲击强化的喷水管，其特征在于，所述喷水口的宽度为2~3cm。
4.根据权利要求1所述的用于激光冲击强化的喷水管，其特征在于，所述管体与所述喷头之间通过连接器进行连接，所述连接器能够使所述喷头相对所述管体轴线方向转动15~90度。
5.根据权利要求4所述的用于激光冲击强化的喷水管，其特征在于，所述连接器为万向蛇形连接器。
6.根据权利要求5所述的用于激光冲击强化的喷水管，其特征在于，在所述连接器上固定设有带手柄的转动盘，其能够手动驱动所述喷头相对所述管体轴线方向转动。
7.根据权利要求4所述的用于激光冲击强化的喷水管，其特征在于，所述喷头的喷水口端弯折。
8.根据权利要求7所述的用于激光冲击强化的喷水管，其特征在于，所述喷头垂直设置时，其喷水口端下管壁的弯折程度大于所述喷水口端上管壁的弯折程度。
9.一种激光冲击强化装置，其特征在于，包括夹持套具，一端设有保护镜片的镜座以及权利要求1至8任一所述的用于激光冲击强化的喷水管， 所述夹持套具包括第一夹具和第二夹具，在所述第一夹具和所述第二夹具上相对开设有第一凹槽和第二凹槽，所述镜座安装在所述第一凹槽中，所述喷水管安装在所述第二凹槽中，所述第一夹具和所述第二夹具的两端通过螺栓和螺母进行固定。
10.根据权利要求9所述的激光冲击强化装置，其特征在于，在所述第一夹具和所述第二夹具的第二凹槽外侧还相对开设有一个以上的凹槽。
【文档编号】C21D1/09GK103740894SQ201310750747
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】孙帮成, 李明高, 李国清, 高峰, 李欣伟, 李明 申请人:唐山轨道客车有限责任公司