專利名稱：利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光加工與材料表面改性領域，尤其是一種采用高能量密度激光束與高壓去離子水進行耦合得到的光水復合體對金屬構件表面進行噴丸強化以改善金屬構件力學性能及疲勞性能的方法與裝置。
背景技術：
科學技術的迅猛發展對金屬構件的精度、性能和壽命提出了越來越高的要求，其使用環境日益苛刻，許多金屬構件必須服役于高壓、高溫、高磨損和高腐蝕的外部條件，而金屬構件在其加工制造過程中難免會在表面產生各類的微裂紋和缺陷，從而導致應力集中，致使金屬構件破損直至失效。在現代工業的各個領域中，大約有80%的結構強度破壞是由于疲勞破壞造成的，這給工業技術各領域帶來嚴重威脅和巨大損失，因此，金屬構件的抗疲勞制造已成為現代工業技術領域的熱點研究問題。
在生產實踐中，金屬構件的抗疲勞制造方法多種多樣，常見的有表面淬火、化學熱處理、機械加工如滾壓、擠壓、噴丸、拋光等。隨著激光技術在工業各領域的廣泛使用，一種新的抗疲勞制造技術應運而生-激光噴丸強化技術(Laser Shock Peening, LSP),其利用高能量(GW/cm2)短脈沖(ns)激光束輻照涂覆有能量吸收層和能量約束層的金屬構件表面，能量吸收層吸收激光能量后迅速汽化生成等離子體，等離子體進一步吸收激光能量后爆炸產生爆轟波(GPa級)作用于金屬構件材料表面，并向其內部傳播，使金屬構件表面產生塑性變形和殘余壓應力場，表層材料晶粒細化，顯著提高金屬構件疲勞強度及抗腐蝕能力。目前，激光噴丸強化技術已經成功應用在汽車、航空航天的抗疲勞制造領域。
在對金屬構件實施激光噴丸強化工藝過程中，約束層的作用是限制等離子體爆轟波擴散，使其更為集中地作用于金屬構件表面，目前，常用的約束層材料有K9玻璃、柔性貼膜、流動水簾等，其中流動水簾被廣泛采用，其優勢體現在①成本低，柔性好，可循環使用； ②對復雜曲面的適用性強；③不會產生廢棄殘渣，環保無污染，但流動水簾有一個難以克服的缺點，即流水的剛性不足，其對爆轟波約束效果不佳，大大地削弱了激光噴丸效果。
一種性能優異的約束模式既需具備如K9玻璃的剛性，從而產生對等離子體爆轟波超強的阻抑作用，又需具備流動水簾的柔性，以滿足多工位、多角度、復雜金屬構件的噴丸強化；既能以較低的成本和較優的可操作性實現循環利用，達到綠色制造理念，又要符合環保、低碳、無污染的社會主流意識。挖掘與開發這樣一種優良的約束模式已經成為激光噴丸強化抗疲勞制造領域的一個研究熱點。公開號為1404954的中國專利“一種用于激光沖擊處理的柔性貼膜”，其利用兩種不同組分的有機硅膠和添加劑按一定的比例配比調和，通過有機玻璃模具將其涂覆在成形件或者強化件表面作為能量約束層，但是該裝置仍然存在不足①柔性貼膜在激光沖擊成形工藝中可以充分發揮其柔性優勢，但是由于其約束剛度不高，達不到K9玻璃那樣的約束強度，從而限制了其在激光沖擊強化工藝中的應用；②柔性貼膜制作過程復雜、繁瑣，不利于其在本領域的推廣使用柔性貼膜對于激光能量吸收較多，降低了激光能量的利用率。公開號為1608786的中國專利“以冰為約束層的激光沖擊處理方法及裝置”，其利用冰約束層與受沖擊工件在冰層形成時緊密結合，試樣的軸向和徑向均受到冰層約束。但是該方法仍然存在不足冰層在激光沖擊過程中會有融化現象，致使冰層與工件結合處不再緊密，從而使沖擊波壓力降低。
由物理學知識可知當水以一定的壓力噴射到材料表面時，會在材料表面形成一個瞬時高壓作用區，此高壓作用區相比于在物體表面緩慢流動的水簾對等離子體爆轟波具有更強的阻抑作用，并且當水的壓力達到一定值時，高壓水本身也會實現自身能量轉換液壓能一動能一材料表面塑性變形能，最終實現材料表面的加工硬化。因此，尋求一種高壓水動態約束模式以提高激光噴丸強化抗疲勞制造的整體工藝效果十分有必要。公開號為 CN201864747U的中國專利“光水同軸的激光沖擊強化頭”利用了水導光的基本原理，通過激光束和水珠的耦合作用，實現了光水同軸沖擊強化，但是其存在一定缺陷①其中的水柱只是起到傳導激光的作用，水柱在工件表面仍然相當于流水約束層，約束剛度不夠其調焦機械裝置復雜繁瑣，加工費用高，不利于推廣使用。
通過對國內外文獻進行檢索，目前未發現將高壓水作為動態約束以及沖擊動力實現對材料表面激光噴丸強化的相關報道。本發明首次提出高壓水動態約束模式這一概念， 并且充分利用高壓水自身能量轉換這一優勢，結合水導光這一物理常識，提出了一種利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的抗疲勞制造方法及其裝置。發明內容
本發明的目的在于針對現有表面強化方法和裝置存在的不足，發明一種在高壓水動態約束模式下利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化抗疲勞制造的方法及裝置。其中，高壓力去離子水的作用為第一，作為動態約束介質，可以近似看作剛性約束，增強激光誘導等離子體爆轟波壓力;第二，作為傳導介質，使激光束沿著高速傳輸的水柱傳導，水束約束光束，使激光功率密度分布更為均勻；第三，高壓力的水柱以較高速度沖擊材料表面， 會對材料表面產生冷作硬化效應。本發明巧妙地將光和水耦合在一起形成光水復合體，進行金屬構件噴丸強化，克服了目前流動水簾約束模式下激光誘導等離子體爆轟波約束強度不夠的缺點，使得噴丸后金屬構件材料表層殘余壓應力分布更加均勻，殘余壓應力幅值大幅提高，表層材料晶粒納米化更加均勻，抗疲勞性能明顯改善。
本發明的技術方案之一是一種利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的方法，其特征在于利用水作為激光束的導光介質，使高能量密度激光束與具有一定壓力的去離子水進行耦合，利用耦合后的光水復合體對材料表面進行噴丸強化，材料表面吸收層吸收激光能量后誘導等離子爆轟波產生的壓力與高壓水流產生的壓力疊加，使得材料表面發生更加明顯的塑性變形，產生更大的殘余壓應力場，同時材料表層晶粒高度納米化，力學性能得到改善。
本發明的利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的方法包括如下具體步驟A)用工業酒精清洗金屬構件的表面，然后將能量吸收層涂覆在待處理區域，將金屬構件試樣放置于五軸聯動數控工作臺上；B)開啟液壓泵，調節液壓調壓閥壓力，控制液壓指示盤的壓力顯示在5(T80MPa壓力范圍之內，將儲水腔內慢慢充滿去離子水，此時的去離子水會流出噴嘴并且以5(T80MPa的沖擊力沖擊材料表面；C)開啟氣壓泵，調節氣壓調壓閥壓力，控制氣壓指示盤的壓力顯示在5 30MPa之間， 將壓力為5 30MPa的空氣輸送至高壓氣腔，經由下端噴嘴噴出；D)啟動計算機系統控制Nd= YAG固體激光器和五軸聯動數控工作臺至預定加工軌跡， 通過調節聚焦透鏡的高度調節焦點的位置，使Nd:YAG固體激光器發出激光能量為100 πιΓ2 J、光斑直徑為O. 2^2 mm的激光束，激光束與水耦合生產光水復合體，此時進一步調節液壓調壓閥的壓力，使其達到200 300 MPa，進行光水復合噴丸強化。
E)噴丸完畢后，關閉激光器與計算機系統，然后依次關閉液壓泵與氣壓泵，取下工件。
對金屬構件表面進行噴丸強化所使用的動力有兩個來源一個是經由液壓泵、液壓調壓閥、儲水腔、噴嘴噴出的高壓去離子水沖擊在金屬構件表面的壓力；另一個是高能量密度激光束在金屬構件表面誘導的等離子體爆轟波施加在材料表面的巨大沖擊力，上述兩個壓力疊加后引起材料表面塑性變形繼而誘導殘余壓應力場和晶粒納米化。
本發明的技術方案之二是一種利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的裝置，包括計算機控制系統l、Nd:YAG 固體激光器3、反光鏡2、五軸聯動數控工作平臺17、聚焦透鏡調焦系統25、儲水腔21、耐高壓玻璃10、液壓泵22、高壓氣腔14、氣壓泵13和噴嘴15 ;聚焦透鏡調焦系統25安裝在儲水腔21的上部，它包括移動套筒7、鎖緊螺母8、聚焦透鏡夾持圈6、墊圈5、聚焦透鏡4，聚焦透鏡4安置于聚焦透鏡夾持圈6上，墊圈5將其固定，聚焦透鏡夾持圈6與移動套筒7過盈配合，移動套筒7與腔體壁采用螺紋連接，通過手動調節移動套筒7的垂直位置調節聚焦透鏡4的焦點位置；儲水腔21通過液壓管路與液壓調節閥23和液壓泵22相連接，液壓泵22 進水口接至回流槽18 ;高壓氣腔14通過通氣管路與氣壓調壓閥12和氣壓泵13相連接，高壓氣腔14位于儲水腔21與待噴丸試樣19之間，高壓氣腔14下端靠近待噴丸試樣19的一面上，設有供儲水腔21中的去離子水及高壓氣腔14的氣體噴出的噴嘴15 ;計算機控制系統I控制五軸聯動數控工作平臺17與Nd = YAG固體激光器3 ;待噴丸試樣19安裝在防濺腔 20內，防濺腔20安裝在五軸聯動數控工作平臺17上，能量吸收層16覆置于待噴丸試樣19 上；在儲水腔21的底部設有出水口，耐高壓玻璃10安裝在儲水腔21上導光腔9的內部，并與儲水腔21底部的出水口相對；反光鏡2安裝在所述聚焦透鏡4的光路上，Nd: YAG固體激光器3安裝在反光鏡2的入射光一側；Nd:YAG固體激光器3發出的激光束經過聚焦透鏡4 的聚焦和柱形導光腔9的無水阻傳輸，穿透柱形導光腔9底端的耐高壓玻璃10，與儲水腔 21中噴出的去離子高壓水在儲水腔21底部的出水口處耦合，形成光水復合體，經過高壓氣腔14底端的噴嘴15噴出，噴射到金屬構件表面完成強化。
高壓氣腔14的噴嘴15到待噴丸試樣19表面之間的距離在1(T40 mm范圍之內。
由液壓泵22送到儲水腔21里的水是經過過濾、軟化后的去離子水，其經過液壓調壓閥后的壓力范圍為50 350 MPa。
由氣壓泵13輸出到高壓氣腔14的氣體壓力在5 30 MPa。
本發明的裝置還包括一個氣壓防濺裝置，該氣壓防濺裝置包括氣壓泵13，氣壓泵 13通過氣壓調壓閥12向噴嘴15的高壓氣腔14內輸出5 30 MPa的壓縮氣體，壓縮氣體通過噴嘴15與光水復合體之間的孔隙高速噴出，將工件19表面濺起的水滴吹落到光水復合體外部，實現防濺的目的，從而降低濺起的水滴對光水復合體的影響。
所述的聚焦透鏡調焦系統25包括移動套筒7、鎖緊螺母8、聚焦透鏡夾持圈6、墊圈 5、聚焦透鏡4，聚焦透鏡4安置于聚焦透鏡夾持圈6上，墊圈5將其固定，聚焦透鏡夾持圈6 與移動套筒7過盈配合，移動套筒7與腔體壁采用螺紋連接，通過手動調節移動套筒7的垂直位置調節聚焦透鏡4的焦點位置。
所述的聚焦透鏡調焦系統25包括聚焦透鏡鏡座4'、支持架3\墊圈5'、止動環 Sr、從動錐齒輪2r、主動錐齒輪1Γ、環形托架丁、軸承座9'及軸承1(Τ，支持架3'和環形托架Γ通過圓周方向均勻分布的螺栓固定，軸承座9'隨環形托架Γ上下移動；聚焦透鏡 4安置于聚焦透鏡鏡座4'上，墊圈5'將其固定，聚焦透鏡鏡座4'通過止動環K固定。設置有氣壓防濺裝置，通過氣壓泵13與氣壓調壓閥12向噴嘴15的高壓氣腔14內輸出5 30 MPa的壓縮氣體，壓縮氣體通過噴嘴15與光水復合體之間的孔隙高速噴出，將工件19表面濺起的水滴吹落到光水復合體外部，實現防濺的目的，從而降低濺起的水滴對光水復合體的影響。
本發明的有益效果是I、本發明使用高壓水動態約束模式，可將其近似看作剛性約束，對激光誘導等離子體爆轟波的約束效果更好，繼而使得材料表面沖擊效果較之于流動水簾約束模式下的激光噴丸更明顯,材料表面殘余壓應力幅值更大。
2、本發明中的高壓力去離子水對材料表面具有一定的沖擊作用，繼而使材料表面發生冷作硬化現象，產生塑性變形和殘余壓應力分布，此殘余壓應力場與激光噴丸作用產生的殘余壓應力場疊加，使材料表層及次表層殘余壓應力分布更均勻。
3、本發明中激光束是在高速噴射的去離子水中傳播的，依靠水與空氣界面的全反射實現激光束的傳導，水束約束光束，使激光功率密度分布更為均勻。
4、本發明的高壓去離子水利用其自身能量轉換體實現液壓能一動能一材料塑性變形能的轉換，對金屬構件表層進行噴丸，極大地克服了傳統激光噴丸工藝處理后殘余壓應力位于次表層、材料表面殘余應力分布不均的現象，使得材料表面整體晶粒細化，顯著提高材料力學性能和機械性能。


圖I是本發明的噴丸強化裝置的結構示意圖之一。
圖2是流水約束模式下激光噴丸6061-Τ6招合金試樣時厚度方向殘余應力分布不意圖。
圖3為本發明的光水復合體模式下噴丸6061-Τ6招合金試樣時厚度方向殘余應力分布。
圖4是本發明的噴丸強化裝置的結構示意圖之二。
圖中1、計算機控制系統；2、反光鏡；3、NdiYAG固體激光器；4、聚焦透鏡；5、墊圈；6、聚焦透鏡夾持圈；7、移動套筒；8、鎖緊螺母；9、柱形導光腔；10、耐高壓玻璃；11、氣壓指示盤；12、氣壓調壓閥；13、氣壓泵；14、氣腔；15、噴嘴；16、能量吸收層；17、五軸聯動數控工作臺；18、回流槽；19、待噴丸試樣；20、防濺腔；21、儲水腔；22、液壓泵；23、液壓調壓閥；24、液壓指示盤；25、聚焦透鏡調焦系統；26、腔體。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
實施例一。
如圖1、3所示。
一種利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的裝置包括儲水腔21及液壓泵 22 ;高壓氣腔14及氣壓泵13 ;五軸聯動數控工作臺17 ;聚焦透鏡調焦系統25 ；Nd:YAG固體激光器3 ;反光鏡2 ;液壓指示盤24 ;計算機控制系統I。
在腔體26內設置有聚焦透鏡調焦系統25、儲水腔21及高壓氣腔14，儲水腔21內置一個柱形導光腔9，柱形導光腔9的底端安裝有耐高壓玻璃10，耐高壓玻璃10下方3 _ 處是儲水腔21的出水口，高壓去離子水經由出水口噴出到達高壓氣腔14內部；Nd: YAG固體激光器3發出的激光束經過反光鏡2的反射和聚焦透鏡4的聚焦，經柱形導光腔9的無水阻傳輸，透過柱形導光腔底端的耐高壓玻璃10，在儲水腔下部的出水口處與高壓去離子水耦合，形成光水復合體；光水復合體經過高壓氣腔14底端的噴嘴15噴出到金屬構件材料表面進行噴丸強化。
本發明的噴丸強化過程具體為本發明的噴丸強化的方法步驟包括先用工業酒精清洗待噴丸試樣20的表面，并在其表面涂覆能量吸收層17，將待噴丸試樣20固定于防濺腔16內；開啟液壓泵15，通過液壓調壓閥14調節壓力至5(T80 MPajK 柱以較小的壓力沖擊待噴丸試樣20表面，與此同時，開啟防濺用氣壓泵23，通過氣壓調壓閥24調節氣體壓力在5 30 MPa之間，將具有一定壓力的凈化空氣輸送至高壓氣腔22，氣體經由下端的噴嘴21噴出；開啟計算機控制系統30向Nd:YAG固體激光器32發出指令， NdiYAG固體激光器32發出能量為100 mj^2 J，光斑直徑為O. 2^2 mm，頻率為8 Hz激光束經過反光鏡31的反射和聚焦透鏡6的聚焦作用穿過柱形導光腔27，在儲水腔底端的出口處與高壓去離子水實現耦合，生成光水復合體，此時進一步調節液壓調壓閥的壓力，使其升高至20(T300 MPa并以此壓力沖擊材料表面，進行光水復合噴丸強化，對金屬構件表面進行噴丸強化。濺起的水滴經過噴嘴21的高溫汽化和高壓氣體形成的強大氣場，對水柱產生的牽引作用被消除，使得光水復合體的傳播順利實現；噴丸過程中通過調節計算機控制系統 30，控制Nd = YAG固體激光器32和五軸聯動數控工作臺19，實現預定噴丸軌跡。
實例光水復合體噴丸強化6061-Τ6鋁合金將尺寸為20 mmX20 mmX4 mm的6061-T6鋁板19安置于防濺腔20內，在6061-T6鋁板19表面涂覆能量吸收層16，開啟液壓泵22，調節液壓調壓閥23壓力至60 MPa，水柱以此壓力沖擊6061-T6鋁板19表面；與此同時，開啟氣壓泵13，調節氣體壓力至15 MPaJf 此壓力的凈化空氣輸送至高壓氣腔18，氣體經由下端噴嘴噴出；開啟計算機控制系統I向 NdiYAG固體激光器3發出指令，Nd: YAG固體激光器3發出激光束經過反光鏡2的反射和聚焦透鏡4的聚焦作用穿過柱形導光腔9，在儲水腔21底端的出口處與高壓去離子水實現耦合，生成光水復合體；進一步調節液壓調壓閥壓力，使其增至200 MPa，對6061-T6鋁板19表面進行噴丸強化，其中，激光能量為2 J，光斑直徑為2 mm，頻率2 Hz，并且計算機控制系統I控制五軸聯動數控工作臺的移動速度為I mm/s，激光光斑的搭接率為50%，噴丸結束后， 關閉Nd: YAG固體激光器3，2s秒后，關閉液壓泵22，停止噴射高壓去離子水，然后逐次關閉氣壓泵13，將噴丸后試樣從工作臺上取下，擦拭干凈。
用HVS-1000硬度計對經過光水復合體噴丸強化的6061-T6鋁板進行顯微硬度的測量，載荷50克，保壓時間為15秒，每隔O. 07 mm測量一次，光束復合體噴丸區域的顯微硬度變化范圍為135 169 HV，平均值為152 HV，比流動水簾約束模式下激光噴丸后的相應值提高了約25. 3%，可見光水復合噴丸強化后，金屬構件表面顯微硬度值得到明顯提高。使用X-350A型X射線衍射法測試光水復合體噴丸后的試樣厚度方向殘余應力分布狀況，如圖 3所示，表面最大殘余壓應力值將近-300 MPa，且殘余壓應力層深度相比流動水簾約束時如圖2更深，約為O. 9 _，中間部位殘余拉應力層區域減小，殘余壓應力分布更為均勻。
實施例二。
如圖1、4所示。
一種利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的裝置，它包括計算機控制系統I、 NdiYAG固體激光器3、反光鏡2、五軸聯動數控工作平臺17、聚焦透鏡調焦系統25、儲水腔 21、耐高壓玻璃10、液壓泵22、高壓氣腔14、氣壓泵13和噴嘴15 ;聚焦透鏡調焦系統25安裝在儲水腔21的上部，它可采用圖I所示的調焦裝置，也可采用圖4所示的調焦裝置，圖I 所示的聚焦透鏡調焦系統25包括移動套筒7、鎖緊螺母8、聚焦透鏡夾持圈6、墊圈5、聚焦透鏡4，聚焦透鏡4安置于聚焦透鏡夾持圈6上，墊圈5將其固定，聚焦透鏡夾持圈6與移動套筒7過盈配合，移動套筒7與腔體壁采用螺紋連接，通過手動調節移動套筒7的垂直位置調節聚焦透鏡4的焦點位置。圖4所示的聚焦透鏡調焦系統25包括聚焦透鏡鏡座4'、支持架3'、墊圈5'、止動環8r、從動錐齒輪Ir、主動錐齒輪1Γ、環形托架丁、軸承座Y及軸承10、支持架3'和環形托架Γ通過圓周方向均勻分布的螺栓固定，軸承座9'隨環形托架丁上下移動；聚焦透鏡6'安置于聚焦透鏡鏡座4'上，墊圈5'將其固定，聚焦透鏡鏡座4' 通過止動環K固定。其中圖I所示的結構較為簡單，可優先采用。儲水腔21通過液壓管路與液壓調節閥23和液壓泵22相連接，液壓泵22進水口接至回流槽18 ;高壓氣腔14通過通氣管路與氣壓調壓閥12和氣壓泵13相連接，高壓氣腔14位于儲水腔21與待噴丸試樣19之間，高壓氣腔14下端靠近待噴丸試樣19的一面上，設有供儲水腔21中的去離子水及高壓氣腔14的氣體噴出的噴嘴15 ;計算機控制系統I控制五軸聯動數控工作平臺17與 NdiYAG固體激光器3 ;待噴丸試樣19安裝在防濺腔20內，防濺腔20安裝在五軸聯動數控工作平臺17上，能量吸收層16覆置于待噴丸試樣19上；在儲水腔21的底部設有出水口， 耐高壓玻璃10安裝在儲水腔21上導光腔9的內部，并與儲水腔21底部的出水口相對；反光鏡2安裝在聚焦透鏡4的光路上，NdiYAG固體激光器3安裝在反光鏡2的入射光一側； NdiYAG固體激光器3發出的激光束經過聚焦透鏡4的聚焦和柱形導光腔9的無水阻傳輸， 穿透柱形導光腔9底端的耐高壓玻璃10，與儲水腔21中噴出的去離子高壓水在儲水腔21 底部的出水口處耦合，形成光水復合體，經過高壓氣腔14底端的噴嘴15噴出，噴射到金屬構件表面完成強化。
本發明未涉及部分與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。9
權利要求
1.一種利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的方法，其特征在于利用水作為激光束的導光介質，使高能量密度激光束與具有設定壓力的去離子水進行耦合，以高壓去離子水為約束層，同時利用耦合后的光水復合體對材料表面進行噴丸強化，材料表面吸收層吸收激光能量后誘導等離子爆轟波產生的壓力與高壓水流產生的壓力疊加，使得材料表面發生塑性變形，產生殘余壓應力場，同時材料表層晶粒高度納米化，力學性能得到改善。
2.根據權利要求I所述的利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的方法，主要包括如下步驟 A)用工業酒精清洗金屬試樣表面，然后將能量吸收層涂覆在待處理區域，將金屬試樣放置于五軸聯動數控工作臺上； B)開啟液壓泵，調節液壓調壓閥壓力，控制液壓指示盤的壓力在5(T80MPa之間，將儲水腔內慢慢充滿去離子水，此時的去離子水會流出噴嘴并且以5(T80 MPa的沖擊力沖擊材料表面； C)開啟氣壓泵，調節氣壓調壓閥壓力，控制氣壓指示盤的壓力在5 30MPa之間，將壓力為5 30 MPa的空氣輸送至高壓氣腔，經由下端噴嘴噴出； D)啟動計算機系統控制Nd= YAG固體激光器和五軸聯動數控工作臺至預定加工軌跡，調節聚焦透鏡調焦系統調節焦點位置，使Nd: YAG固體激光器發出激光能量為100 πιΓ2 J、光斑直徑為O. 2^2 mm的激光束，激光束與水耦合生成光水復合體，此時進一步調節液壓調壓閥的壓力，使其升高至20(T300 MPa，此時的去離子水會以20(T300 MPa的沖擊力沖擊材料表面進行光水復合噴丸強化； E)噴丸完畢后，關閉激光器與計算機系統，然后依次關閉液壓泵與氣壓泵，取下工件。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征是對金屬構件表面進行噴丸強化所使用的動力有兩個來源一個是經由液壓泵、液壓調壓閥、儲水腔、噴嘴噴出的高壓去離子水沖擊在金屬構件表面的壓力；另一個是高能量密度激光束在金屬構件表面誘導的等離子體爆轟波施加在材料表面的巨大沖擊力，上述兩個壓力疊加后弓I起材料表面塑性變形繼而產生殘余壓應力場和晶粒納米化。
4.一種利用光水復合體對金屬構件表面噴丸強化的裝置，其特征是它包括計算機控制系統(l)、Nd:YAG固體激光器(3)、反光鏡(2)、五軸聯動數控工作平臺(17)、聚焦透鏡調焦系統(25)、儲水腔(21)、耐高壓玻璃(10)、液壓泵(22)、高壓氣腔(14)、氣壓泵(13)和噴嘴(15);所述聚焦透鏡調焦系統(25)安裝在儲水腔(21)的上部，所述儲水腔(21)通過液壓管路與液壓調節閥(23)和液壓泵(22)相連接，液壓泵(22)進水口接至回流槽(18);所述高壓氣腔(14)通過通氣管路與氣壓調壓閥(12)和氣壓泵(13)相連接，高壓氣腔(14)位于儲水腔(21)與待噴丸試樣(19)之間，高壓氣腔(14)下端靠近待噴丸試樣(19)的面上，設有供儲水腔(21)中的去離子水及高壓氣腔(14)的氣體噴出的噴嘴(15);計算機控制系統(I)控制五軸聯動數控工作平臺(17)與Nd = YAG固體激光器(3);待噴丸試樣(19)安裝在防濺腔(20)內，防濺腔(20)安裝在五軸聯動數控工作平臺(17)上，能量吸收層(16)覆置于待噴丸試樣(19)上；在儲水腔(21)的底部設有出水口，所述的耐高壓玻璃(10)安裝在儲水腔(21)上導光腔(9)的內部，并與儲水腔(21)底部的出水口相對；反光鏡(2)安裝在所述聚焦透鏡(4)的光路上，NdiYAG固體激光器(3)安裝在反光鏡(2)的入射光一側；Nd:YAG固體激光器(3)發出的激光束經過聚焦透鏡(4)的聚焦和柱形導光腔(9)的無水阻傳輸，穿透柱形導光腔(9)底端的耐高壓玻璃(10)，與儲水腔(21)中噴出的去離子高壓水在儲水腔(21)底部的出水口處耦合，形成光水復合體，經過高壓氣腔(14)底端的噴嘴(15)噴出，噴射到金屬構件表面完成強化。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特征是高壓氣腔(14)的噴嘴(15)到待噴丸試樣(19)表面之間的距離在1(T40 mm范圍之內。
6.根據權利要求4所述的裝置，其特征是由液壓泵(22)送到儲水腔(21)里的水是經過過濾、軟化后的去離子水，其經過液壓調壓閥后的壓力范圍為5(T350 MPa。
7.根據權利要求4所述的裝置，其特征是它還包括一個氣壓防濺裝置，該氣壓防濺裝置包括氣壓泵(13)，氣壓泵(13)通過氣壓調壓閥(12)向噴嘴(15)的高壓氣腔(14)內輸出5 30 MPa的壓縮氣體，壓縮氣體通過噴嘴(15)與光水復合體之間的孔隙高速噴出，將工件(19)表面濺起的水滴吹落到光水復合體外部，實現防濺的目的，從而降低濺起的水滴對光水復合體的影響。
8.根據權利要求4所述的裝置，其特征是所述的聚焦透鏡調焦系統(25)包括移動套筒(7)、鎖緊螺母(8)、聚焦透鏡夾持圈(6)、墊圈(5)、聚焦透鏡(4)，聚焦透鏡(4)安置于聚焦透鏡夾持圈(6)上，墊圈(5)將其固定，聚焦透鏡夾持圈(6)與移動套筒(7)過盈配合，移動套筒(7)與腔體壁采用螺紋連接，通過手動調節移動套筒(7)的垂直位置調節聚焦透鏡(4)的焦點位置。
9.根據權利要求4所述的裝置，其特征是所述的聚焦透鏡調焦系統(25)包括聚焦透鏡鏡座(4 、支持架O、墊圈O、止動環(K)、從動錐齒輪(2 、主動錐齒輪(1Γ)、環形托架(7 、軸承座(9 及軸承(I(T)，支持架(3J和環形托架(7J通過圓周方向均勻分布的螺栓固定，軸承座(9 隨環形托架(7J上下移動；聚焦透鏡(4)安置于聚焦透鏡鏡座(4 上，墊圈(5”將其固定，聚焦透鏡鏡座(4J通過止動環(K)固定。
全文摘要
一種利用光水復合體對金屬構件表面激光噴丸強化的方法與裝置，涉及激光加工技術領域。本發明利用高能量密度激光束與具有一定壓力的去離子水進行耦合后得到的光水復合體對材料表面進行噴丸強化。光水復合體噴丸強化解決了流水約束層由于厚度不均勻以及較高的柔性所帶來的噴丸效果不理想的問題，具有一定壓力的去離子水具備一定的動量，其約束效果可以近似于剛性約束，約束效果更好；同時，噴丸后，去離子水與激光誘導沖擊壓力疊加，使得材料表面產生的殘余壓應力幅值顯著提高，殘余壓應力場分布更均勻，并且表層材料高度納米化，有效地改善了材料的力學性能。
文檔編號C21D10/00GK102925646SQ20121045604
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月14日 優先權日2012年11月14日
發明者黃舒, 左立黨, 周建忠, 盛杰, 孟憲凱, 王宏宇, 田清, 鐘輝 申請人:江蘇大學