一種激光沖擊波強(qiáng)化方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種激光沖擊波強(qiáng)化方法和裝置，由工作臺(tái)、夾具、工件、約束層、去離子水、噴嘴、聚焦鏡、整形透鏡、激光發(fā)生器和控制系統(tǒng)組成；整形透鏡的上表面由A、B、C、D、E、F、G七個(gè)平面組成，這七個(gè)平面構(gòu)成一個(gè)正六棱臺(tái)的六個(gè)側(cè)面和頂面，其中頂面A平行于整形透鏡的底面；平面A為一個(gè)正六邊形，其外接圓的直徑與激光發(fā)生器發(fā)出的平行激光束的直徑相等；采用正六邊形激光光斑產(chǎn)生的激光沖擊波強(qiáng)化金屬表面。采用本發(fā)明可以獲得疲勞壽命高于圓形光斑和方形光斑強(qiáng)化處理的金屬表面，可應(yīng)用于金屬表面的強(qiáng)化處理。
【專利說(shuō)明】一種激光沖擊波強(qiáng)化方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及特種加工領(lǐng)域，具體地是指一種激光沖擊波強(qiáng)化方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強(qiáng)化是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，可以在金屬制件表面獲得高幅殘余壓應(yīng)力層，大大提高制件的疲勞壽命，與常規(guī)噴丸技術(shù)相比，其殘余壓應(yīng)力層更深。21世紀(jì)初，美國(guó)將激光沖擊技術(shù)應(yīng)用到F101、F119和F414發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的強(qiáng)化和再制造上。
[0003]激光沖擊強(qiáng)化一般采用圓形激光光斑進(jìn)行，激光沖擊強(qiáng)化是通過(guò)強(qiáng)沖擊波對(duì)金屬表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，因此，會(huì)在表面造成塑形變形，當(dāng)對(duì)大面積的區(qū)域進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化時(shí)，為使整個(gè)處理區(qū)域得到強(qiáng)化，相鄰光斑之間必須要有一定的搭接量，形成一定的重疊區(qū)域，這些區(qū)域由很多圓弧形的塑形變形區(qū)域，相互交錯(cuò)，使表面粗糙度大幅上升，在很大程度上抵消了由殘余壓應(yīng)力引起的疲勞壽命提高。專利號(hào)為200810089032.8，名稱為一種激光束整形五分透鏡提出了采用方形光斑強(qiáng)化金屬表面，大大的降低了圓形光斑的不利因素，但是，采用方形光斑進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理時(shí)，其搭接區(qū)域形成多道方向相同、貫穿整個(gè)處理區(qū)域的塑形變形帶，疲勞裂紋很容易沿著這些區(qū)域擴(kuò)散。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種激光沖擊波強(qiáng)化方法和裝置，以提高激光能量的利用率，降低激光沖擊強(qiáng)化由 于塑性變形引起的表面粗糙度，阻止疲勞裂紋在搭接部位的擴(kuò)展，提高工件疲勞壽命。
[0005]為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:
一種激光沖擊波強(qiáng)化方法，其特征在于:采用正六邊形激光光斑產(chǎn)生的激光沖擊波強(qiáng)化金屬表面。
[0006]實(shí)施所述的一種激光沖擊波強(qiáng)化方法的裝置，其特征在于:由工作臺(tái)(I)、夾具
(2)、工件(3)、吸收層(4)、去離子水(5)、噴嘴(6)、聚焦鏡(7)、整形透鏡(8)、激光發(fā)生器
(9)、和控制系統(tǒng)(10)組成；夾具⑵安裝在工作臺(tái)⑴上；工件⑶安裝在夾具⑵上；吸收層(4)覆蓋在工件(3)的待處理表面；聚焦鏡(7)和整形透鏡(8)的軸心重合；激光發(fā)生器(9)發(fā)出的高能脈沖激光對(duì)準(zhǔn)整形透鏡(8)的軸心；通過(guò)聚焦鏡(7)聚焦后的激光光斑照射在吸收層(4)上；噴嘴(6)噴出的去離子水(5)覆蓋在聚焦后的激光光斑位置。
[0007]所述整形透鏡(8)的上表面由A、B、C、D、E、F、G七個(gè)平面組成,所述七個(gè)平面構(gòu)成一個(gè)正六棱臺(tái)的六個(gè)側(cè)面和頂面，平面A位于頂面且平行于整形透鏡(8)的底面；平面A為一個(gè)正六邊形，且平面A的接圓(81)的直徑與激光發(fā)生器(9)發(fā)出的平行激光束的直徑相等。
[0008]所述的高能脈沖激光(6)的脈寬范圍為l(T30ns，脈沖能量范圍為f 100J。
[0009]本發(fā)明的工作原理為:光斑搭接會(huì)引起的表面粗糙度上升，從而降低工件疲勞壽命。采用正六邊形搭接方式，與圓形光斑相比，可以大大降低粗糙度，提高工件疲勞壽命；與方形光斑相比，粗糙度基本相同，相鄰光斑搭接區(qū)域成120度角，且長(zhǎng)度較短，可以阻止疲勞裂紋在搭接部位的擴(kuò)展，提高工件疲勞壽命。
[0010]本發(fā)明具有有益效果。本發(fā)明通過(guò)采用整形透鏡，可以獲得正六邊形光斑，提高了激光能量的利用率，降低了激光沖擊強(qiáng)化由于塑性變形引起的表面粗糙度；通過(guò)采用正六邊形方式激光光斑沖擊強(qiáng)化處理工件，可以阻止疲勞裂紋在搭接部位的擴(kuò)展，提高工件疲勞壽命。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是激光沖擊波強(qiáng)化裝置示意圖；
圖2是本發(fā)明的整形透鏡示意圖；
圖3是本發(fā)明的正六邊形搭接方式強(qiáng)化金屬表面示意圖。
[0012]圖中:1工作臺(tái)2夾具3工件4吸收層5去離子水6噴嘴7聚焦鏡8整形透鏡9激光發(fā)生器10控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0013]為更好的闡述本發(fā)明的實(shí)施細(xì)節(jié)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種激光沖擊波強(qiáng)化方法和裝置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]本發(fā)明的一種激光沖擊波強(qiáng)化裝置如圖1所示，由工作臺(tái)1、夾具2、工件3、吸收層
4、去離子水5、噴嘴6、聚焦鏡7、整形透鏡8、激光發(fā)生器9、和控制系統(tǒng)10組成。整形透鏡8的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0015]夾具2安裝在工作臺(tái)I上；工件3安裝在夾具2上；吸收層4覆蓋在工件3的待處理表面；聚焦鏡7和整形透鏡8的軸心重合；激光發(fā)生器9發(fā)出的高能脈沖激光對(duì)準(zhǔn)整形透鏡8的軸心；通過(guò)聚焦鏡7聚焦后的激光光斑照射在吸收層4上；噴嘴6噴出的去離子水5覆蓋在聚焦后的激光光斑位置。
[0016]實(shí)施實(shí)例一:
本實(shí)例中，正六邊形搭接方式強(qiáng)化金屬表面方式如圖3所示。所述激光發(fā)生器9為高能脈沖激光，脈寬為10ns，最高脈沖能量為12J ;吸收層4為厚度為80 μ m的鋁箔；工件3材質(zhì)為L(zhǎng)Y2鋁合金；聚焦后正六邊形激光光斑邊長(zhǎng)為1.5mm。
[0017]激光發(fā)生器9發(fā)出的高能脈沖激光透過(guò)整形透鏡8后，并經(jīng)聚焦鏡7聚焦后，輻照到吸收層4對(duì)工件3進(jìn)行第一個(gè)光斑的激光沖擊強(qiáng)化；控制系統(tǒng)10控制工作臺(tái)I沿X方向和Y方向完成激光沖擊強(qiáng)化，光斑之間的搭接距離為0.1mm。
[0018]實(shí)施實(shí)例二:
本實(shí)例中，所述激光發(fā)生器9為高能脈沖激光，脈寬為10ns，最高脈沖能量為12J ;吸收層4為厚度為100 μ m的鋁箔；工件3材質(zhì)為A304不銹鋼；聚焦后正六邊形激光光斑邊長(zhǎng)為1.5mm。
[0019]激光發(fā)生器9發(fā)出的高能脈沖激光透過(guò)整形透鏡8后，并經(jīng)聚焦鏡7聚焦后，輻照到吸收層4對(duì)工件3進(jìn)行第一個(gè)光斑的激光沖擊強(qiáng)化；控制系統(tǒng)10控制工作臺(tái)I沿X方向和Y方向完成激光沖擊強(qiáng)化，光斑之間的搭接距離為0.2mm。
[0020]實(shí)施實(shí)例三:本實(shí)例中，所述激光發(fā)生器9為高能脈沖激光，脈寬為10ns，最高脈沖能量為12J ;吸收層4為厚度為150 μ m的鋁箔；工件3材質(zhì)為TC17鈦合金；聚焦后正六邊形激光光斑邊長(zhǎng)為
1.Smnin
[0021]激光發(fā)生器9發(fā)出的高能脈沖激光透過(guò)整形透鏡8后，并經(jīng)聚焦鏡7聚焦后，輻照到吸收層4對(duì)工件3進(jìn)行第一個(gè)光斑的激光沖擊強(qiáng)化；控制系統(tǒng)10控制工作臺(tái)I沿X方向和Y方向完成激光沖擊強(qiáng)化，光 斑之間的搭接距離為0.5mm。
【權(quán)利要求】
1.一種激光沖擊波強(qiáng)化方法，其特征在于:采用正六邊形激光光斑產(chǎn)生的激光沖擊波強(qiáng)化金屬表面。
2.實(shí)施如權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊波強(qiáng)化方法的裝置，其特征在于:由工作臺(tái)(1)、夾具(2)、工件(3)、吸收層(4)、去離子水(5)、噴嘴(6)、聚焦鏡(7)、整形透鏡⑶、激光發(fā)生器(9)、和控制系統(tǒng)(10)組成；夾具(2)安裝在工作臺(tái)(I)上；工件(3)安裝在夾具(2)上；吸收層(4)覆蓋在工件(3)的待處理表面；聚焦鏡(7)和整形透鏡(8)的軸心重合；激光發(fā)生器(9)發(fā)出的高能脈沖激光對(duì)準(zhǔn)整形透鏡(8)的軸心；通過(guò)聚焦鏡(7)聚焦后的激光光斑照射在吸收層(4)上；噴嘴(6)噴出的去離子水(5)覆蓋在聚焦后的激光光斑位置。
3.如權(quán)利要求2所述的一種激光沖擊波強(qiáng)化裝置，其特征在于:所述整形透鏡(8)的上表面由A、B、C、D、E、F、G七個(gè)平面組成，所述七個(gè)平面構(gòu)成一個(gè)正六棱臺(tái)的六個(gè)側(cè)面和頂面，平面A位于頂面且平行于整形透鏡(8)的底面；平面A為一個(gè)正六邊形，且平面A的接圓(81)的直徑與激光發(fā)生器(9)發(fā)出的平行激光束的直徑相等。
4.如權(quán)利要求2所述的一種激光沖擊波強(qiáng)化裝置，其特征在于:所述的高能脈沖激光(6)的脈寬范圍為l(T30 ns，脈沖能量范圍為I~100J。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK103526008SQ201310476633
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】戴峰澤, 張永康, 溫德平 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)