環形激光沖擊強化緊固孔的裝置和方法
【專利摘要】本發明為一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置和方法，該裝置設置在設有緊固孔的激光沖擊強化對象上方；包括有由上至下依次順序同軸設置的帶中心孔的內凹錐透鏡、帶中心孔的聚焦透鏡、外凸錐透鏡和聚焦透鏡；各透鏡設置在光學鏡片調整架上；各透鏡與緊固孔同軸設置；直徑大于內凹錐透鏡中心孔孔徑的圓形激光束由內凹錐透鏡上方軸向射入。本發明能夠將圓形激光束空間分離后再耦合形成新的環形激光束，并實現該新的環形激光束的空間能量分布調節，使其可承受的激光功率密度提高，通過該環形激光束沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，從而進一步提高緊固孔的疲勞性能。本發明提高了激光脈沖能量的利用率，操作簡單，便于推廣使用。
【專利說明】環形激光沖擊強化緊固孔的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明是關于一種用于緊固孔激光沖擊強化的裝置，尤其涉及一種由圓形激光束轉換成環形激光束來實現沖擊強化緊固孔的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]激光沖擊強化技術是利用納秒級脈沖激光與材料表面產生等離子體沖擊波效應，通過使材料表面產生微小塑性變形引入殘余壓應力層，從而提高金屬零件的疲勞性能。通常情況下，材料表面應布置吸收層(鋁箔膠帶或黑漆等)和約束層(去離子水等)后才可實施激光沖擊強化。激光沖擊強化屬于通用的表面強化技術，激光沖擊強化可用于關鍵疲勞零件或零件的關鍵疲勞部位，如:緊固孔、葉片、榫頭、焊縫、齒輪等。公開的發明專利“一種孔結構的激光沖擊處理方法”(ZL200710143348.6)，其中涉及了利用圓形激光束對緊固孔端周圍表面實施激光沖擊強化。現有的緊固孔激光沖擊強化技術是采用圓形激光束與緊固孔同軸入射輻照在緊固孔端周圍表面，圓形激光束的輻照直徑應大于緊固孔直徑，圓形激光束超過緊固孔直徑的部分在緊固孔端周圍材料表層產生殘余壓應力場，殘余壓應力場抑制了疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴展，從而提高緊固孔的疲勞壽命。現有的圓形光斑緊固孔激光沖擊強化技術是通過離焦量來控制圓形光斑的激光功率密度，整個光斑范圍內的激光功率密度只能同時增大或同時減小。
[0003]由上所述，現有的緊固孔激光沖擊強化方法的不足之處在于:①.采用圓形激光束同軸入射強化緊固孔，由于緊固孔部位無材料，浪費了作用在緊固孔部位的激光能量，在不改變激光輸出能量的情況下，可強化的緊固孔尺寸嚴重受限當需要較大的殘余壓應力值時，作用在緊固孔端 周圍表面的激光功率密度也較大，但激光功率密度越大，緊固孔邊緣的變形越嚴重，不利用疲勞性能，因此激光功率密度和緊固孔邊緣變形相互矛盾。
[0004]由此，本發明人憑借多年從事相關行業的經驗與實踐，提出一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置和方法，以克服現有技術的缺陷。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置和方法，可將圓形光斑轉換為環形光斑，并可調節該環形光斑的能量分布，通過環形光斑激光沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，從而進一步提高緊固孔的疲勞性能。
[0006]本發明的目的是這樣實現的，一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，該裝置設置在激光沖擊強化的對象上方，該激光沖擊強化的對象設有緊固孔；所述裝置包括有由上至下依次順序同軸設置的帶中心孔的內凹錐透鏡、帶中心孔的聚焦透鏡、外凸錐透鏡和聚焦透鏡；所述各透鏡均設置在一光學鏡片調整架上；所述各透鏡與所述緊固孔同軸設置；直徑大于內凹錐透鏡中心孔孔徑的圓形激光束由帶中心孔的內凹錐透鏡上方軸向射入。
[0007]在本發明的一較佳實施方式中，所述光學鏡片調整架上設有調節所述各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離的調整機構。[0008]在本發明的一較佳實施方式中，所述帶中心孔的內凹錐透鏡為上表面呈平面、下表面呈內凹圓錐面的圓形玻璃鏡片，該鏡片中心具有第一圓孔；所述平面與內凹圓錐面母線的夾角為α，0.05弧度<α〈0.5弧度。
[0009]在本發明的一較佳實施方式中，所述帶中心孔的聚焦透鏡為中心具有第二圓孔的聚焦透鏡；所述第二圓孔直徑大于第一圓孔直徑。
[0010]在本發明的一較佳實施方式中，所述外凸錐透鏡為上表面呈平面、下表面呈外凸圓錐面的圓形玻璃鏡片；所述平面與外凸圓錐面母線的夾角為β，0.05弧度<β〈0.5弧度。
[0011]在本發明的一較佳實施方式中，所述聚焦透鏡為一面呈球面、另一面呈平面或兩面均為球面的圓形玻璃鏡片。
[0012]在本發明的一較佳實施方式中，所述緊固孔的直徑為Φ2ι?πι~C>6mm。
[0013]本發明的目的還可以這樣實現，一種環形激光沖擊強化緊固孔的方法，圓形激光束軸向通過所述環形激光沖擊強化緊固孔的裝置中各透鏡后，分解為兩個同軸的圓環形光束并疊加在緊固孔孔端周圍表面上；通過調節各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離，進而調節兩個同軸環形光斑在緊固孔孔端周圍表面的疊加位置和能量分布，由耦合的環形光斑激光沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，提高緊固孔的疲勞性能。
[0014]在本發明的一較佳實施方式中，該方法至少包括以下步驟:
[0015](I)依序設置各透鏡，并使各透鏡與緊固孔呈同軸位置；
[0016](2)開啟激光發射器，使圓形激光束由帶中心孔的內凹錐透鏡上方軸向射入；
[0017](3)根據要求調整 各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離，以調節在緊固孔孔端周圍表面上的兩個同軸環形光斑的尺寸和疊加位置，進而調節耦合后的兩個同軸環形光斑的激光能量分布，以提高緊固孔的疲勞性能。
[0018]在本發明的一較佳實施方式中，在步驟(2)中，首先將帶中心孔的內凹錐透鏡放置在入射圓形激光束的光路上，圓形激光束的直徑大于內凹錐透鏡中心孔的孔徑；通過光學鏡片調整架調整帶中心孔的內凹錐透鏡的位置，使帶中心孔的內凹錐透鏡的中心軸與入射圓形激光束的光軸重合；再將帶中心孔的聚焦透鏡與帶中心孔的內凹錐透鏡同光軸間隔放置；之后將外凸錐透鏡、聚焦透鏡依次放置在帶中心孔的聚焦透鏡下方的圓形激光束的光路上，調整外凸錐透鏡和聚焦透鏡的位置，使鏡片中心軸與圓形激光束的光軸重合。
[0019]由上所述，本發明能夠將圓形激光束(光斑)空間分離后再耦合形成新的環形激光束(光斑)，并實現該新的環形激光束的空間能量分布調節，使其可承受的激光功率密度提高，通過該環形激光束沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，從而進一步提高緊固孔的疲勞性能。本發明對激光偏振性無要求，操作簡單，便于推廣使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]以下附圖僅旨在于對本發明做示意性說明和解釋，并不限定本發明的范圍。其中:
[0021]圖1:為本發明環形激光沖擊強化緊固孔的裝置結構示意圖。
[0022]圖2:為本發明中帶中心孔的內凹錐透鏡的結構示意圖。
[0023]圖3:為本發明中帶中心孔的聚焦透鏡的結構示意圖。[0024]圖4:為本發明中外凸錐透鏡的結構示意圖。
[0025]圖5:為本發明中第二環形激光束和第四環形激光束的位置關系示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為了對本發明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照【專利附圖】

【附圖說明】本發明的【具體實施方式】。
[0027]如圖1、圖5所示，本發明提出一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置100，該裝置100設置在激光沖擊強化的對象13上方，所述激光沖擊強化的對象13為金屬材料(如:鋁合金、鈦合金等)，該激光沖擊強化的對象13設有緊固孔12 ;所述裝置100包括有由上至下依次順序同軸設置的帶中心孔的內凹錐透鏡1、帶中心孔的聚焦透鏡2、外凸錐透鏡3和聚焦透鏡4 ;所述各透鏡均設置在一光學鏡片調整架(圖中未示出)上；所述各透鏡與所述緊固孔12同軸設置；直徑大于內凹錐透鏡I中心孔孔徑的圓形激光束5由帶中心孔的內凹錐透鏡I上方軸向射入；所述光學鏡片調整架上設有調節所述各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔12孔端面之間距離的調整機構；該光學鏡片調整架上還設有調節各透鏡呈同軸狀態的調整機構。
[0028]進一步，在本實施方式中，如圖1~圖4所示，所述帶中心孔的內凹錐透鏡I為上表面呈平面、下表面呈內凹圓錐面的圓形玻璃鏡片，該鏡片中心具有第一圓孔101，第一圓孔101的孔徑為Dl ;所述平面與內凹圓錐面母線的夾角為α ,0.05弧度<α〈0.5弧度。所述帶中心孔的聚焦透鏡2為中心具有第二圓孔201的聚焦透鏡，第二圓孔201的孔徑為D2 ;所述第二圓孔201直徑大于第一圓孔101直徑。所述外凸錐透鏡3為上表面呈平面、下表面呈外凸圓錐面的圓形玻璃鏡片；所述平面與外凸圓錐面母線的夾角為β，0.05弧度<β〈0.5弧度。所述聚焦透鏡4為兩面均為球面的圓形玻璃鏡片(聚焦透鏡4也可以為一面呈球面另一面呈平面的形狀)。`
[0029]本發明還提出一種利用所述環形激光沖擊強化緊固孔的裝置100進行環形激光沖擊強化緊固孔的方法，如圖1所示，圓形激光束5 (圓形激光束直徑為D5)軸向通過所述環形激光沖擊強化緊固孔的裝置100中各透鏡后，分解為兩個同軸的圓環形光束8和10，該兩個同軸的圓環形光束8和10耦合并疊加在緊固孔12孔端周圍表面上，形成新的環形激光束11 (如圖5所示)；通過調節各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔12孔端面之間距離，進而調節環形激光束11中兩個同軸環形光斑在緊固孔12孔端周圍表面的疊加位置和能量分布，由耦合的環形光斑激光沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，由此提高緊固孔的疲勞性能。
[0030]進一步，在本實施方式中，該方法至少包括以下步驟:
[0031](I)依序設置各透鏡，并使各透鏡與緊固孔呈同軸位置；
[0032](2)開啟激光發射器，使圓形激光束由帶中心孔的內凹錐透鏡上方軸向射入；
[0033](3)根據要求調整各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離，以調節在緊固孔孔端周圍表面上的兩個同軸環形光斑的尺寸和疊加位置，進而調節耦合后的兩個同軸環形光斑的激光能量分布，以提高緊固孔的疲勞性能。
[0034]在步驟(2)中，首先將帶中心孔的內凹錐透鏡I放置在入射圓形激光束5的光路上，圓形激光束5的直徑大于內凹錐透鏡I中心孔(即:第一圓孔101)的孔徑；通過光學鏡片調整架調整內凹錐透鏡I的位置，使帶中心孔的內凹錐透鏡I的中心軸與入射圓形激光束5的光軸重合；然后將帶中心孔的聚焦透鏡2與帶中心孔的內凹錐透鏡I同光軸間隔放置，兩者的距離為U_2，帶中心孔的聚焦透鏡2與緊固孔12的孔端的距離為L2_12 ;最后將外凸錐透鏡3和聚焦透鏡4依次放置在帶中心孔的聚焦透鏡2下方的圓形激光束5的光路上，調整外凸錐透鏡3和聚焦透鏡4的位置，使外凸錐透鏡3和聚焦透鏡4中心軸與圓形激光束5的光軸重合；外凸錐面鏡3和聚焦透鏡4之間距離為L3_4，聚焦透鏡4與與緊固孔12的孔端的距離為L4_12 ；
[0035]入射圓形激光束5經過帶中心孔的內凹錐透鏡I后，被分解為透過第一圓孔101形成的圓形光束6和經內凹錐透鏡折射形成的第一環形激光束7 ;隨著激光向前傳播，圓形光束6的尺寸保持不變，而第一環形激光束7的尺寸不斷增大，但其外徑和內徑的差值保持不變；通過帶中心孔的聚焦透鏡2后，第一環形激光束7被聚焦為第二環形激光束8并同軸照射在緊固孔12的孔端周圍；由于帶中心孔的聚焦透鏡2上的第二圓孔201大于第一圓孔101，所以，圓形光束6穿過所述第二圓孔201后照射在外凸錐透鏡3上，圓形光束6通過外凸錐透鏡3先聚焦后發散，形成第三環形激光束9 ;第三環形激光束9通過聚焦透鏡4聚焦，形成第四環形激光束10并同軸照射在緊固孔12的孔端周圍；該兩個同軸的第二環形激光束8和第四環形激光束10耦合并疊加在緊固孔12孔端周圍表面上，形成新的第五環形激光束11。
[0036]在本實施方式中，調節U_2和L2_12的大小，即可調節第二環形激光束8的外徑O1和內徑Φ2。
[0037]當L2_12不變時,增大Lp2會減小Φ/Φ2比值，減小U_2會增大Φ/Φ2比值。
[0038]當Lp2不變時，增大L2_12會同比例縮小O1和內徑Φ2，減小L2_12會同比例擴大O1和內徑Φ2 ；
[0039]在本實施方式中，調節L3_4和L4_12的大小，即可調節第四環形激光束10的外徑Φ3和內徑Φ4。
[0040]當L4_12不變時，增大L3_4會減小比值，減小U_2會增大比值。
[0041]當L3_4不變時，增大L4_12會同比例縮小O1和內徑Φ2，減小L4_12會同比例擴大O1和內徑Φ2 ；
[0042]在本實施方式中，當各間距調整到位并固定U_2、L2_12、L3_4、L4_12后，即確定了第二環形激光束8和第四環形激光束10的尺寸和疊加位置，第二環形激光束8和第四環形激光束10相互搭接耦合形成新的環形激光束11 ;由于新的環形激光束11與緊固孔12同心分布，可用新的環形激光束11進行緊固孔12的激光沖擊強化；一般情況下，緊固孔12的直徑不大于新的環形激光束11的內徑；第二環形激光束8和第四環形激光束10的相互位置關系決定了新的環形激光束11內的激光功率密度分布情況；如圖5所示，為第二環形激光束8和第四環形激光束10的典型位置關系。
[0043]調整第二環形激光束8和第四環形激光束10的相對位置，即可對新的環形激光束11的能量分布進行調控；此外，通過改變帶中心孔的內凹錐透鏡I的第一圓孔101的孔徑，可改變圓形光束6和第一環形激光束7的能量比例，由此，可以改變第二環形激光束8和第四環形激光束10的能量比例。
[0044]由上所述，本發明能夠將圓形激光束(光斑)空間分離后再耦合形成新的環形激光束(光斑)，并實現該新的環形激光束的空間能量分布調節，使其可承受的激光功率密度提高，通過該環形激光束沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，從而進一步提高緊固孔的疲勞性能。本發明對激光偏振性無要求，操作簡單，便于推廣使用。
[0045]在本實施方式中，所述緊固孔12的直徑為Φ 2mm~Φ6mm ;所有透鏡均雙面鍍激光增透膜。
[0046]本發明與現有技術相比具有以下優勢:
[0047]( I)通過對環形光斑進行能量調控，改變環形光斑內的激光功率密度分布，從而改變緊固孔端周圍材料的受力狀態和殘余壓應力分布。例如，如圖5所示，能量調控后的環形光斑在內徑和外徑附近的激光功率密度相對較低，而處于內徑和外徑中間部分的激光功率密度相對較高，這樣不僅能量產生有利疲勞性能的高幅值殘余壓應力，而且能夠減小緊固孔邊緣變形；
[0048](2)本發明中的光斑轉換過程中幾乎無能量損失，轉換后的環形光斑作用在緊固孔端周圍材料表面，所有激光脈沖能量完全參與緊固孔激光沖擊強化，與圓形光斑激光沖擊強化相比，本發明提高了激光脈沖能量的利用率。
[0049]以上所述僅為本發明示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本發明的范圍。任何本領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和原則的前提下所作出的等同變化與修改，均應屬于本發明保 護的范圍。
【權利要求】
1.一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，該裝置設置在激光沖擊強化的對象上方，該激光沖擊強化的對象設有緊固孔；其特征在于:所述裝置包括有由上至下依次順序同軸設置的帶中心孔的內凹錐透鏡、帶中心孔的聚焦透鏡、外凸錐透鏡和聚焦透鏡；所述各透鏡均設置在一光學鏡片調整架上；所述各透鏡與所述緊固孔同軸設置；直徑大于內凹錐透鏡中心孔孔徑的圓形激光束由帶中心孔的內凹錐透鏡上方軸向射入。
2.如權利要求1所述的環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，其特征在于:所述光學鏡片調整架上設有調節所述各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離的調整機構。
3.如權利要求1所述的環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，其特征在于:所述帶中心孔的內凹錐透鏡為上表面呈平面、下表面呈內凹圓錐面的圓形玻璃鏡片，該鏡片中心具有第一圓孔；所述平面與內凹圓錐面母線的夾角為α，0.05弧度〈0〈0.5弧度。
4.如權利要求3所述的環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，其特征在于:所述帶中心孔的聚焦透鏡為中心具有第二圓孔的聚焦透鏡；所述第二圓孔直徑大于第一圓孔直徑。
5.如權利要求4所述的環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，其特征在于:所述外凸錐透鏡為上表面呈平面、下表面呈外凸圓錐面的圓形玻璃鏡片；所述平面與外凸圓錐面母線的夾角為β，0.05弧度<β〈0.5弧度。
6.如權利要求5所述的環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，其特征在于:所述聚焦透鏡為一面呈球面、另一面呈平面或兩面均為球面的圓形玻璃鏡片。
7.如權利要求1所述的環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，其特征在于:所述緊固孔的直徑為Φ 2mm~Φ6_。
8.一種利用權利要求1~7任一項裝置進行環形激光沖擊強化緊固孔的方法，圓形激光束軸向通過所述環形激光沖擊強化緊固孔的裝置中各透鏡后，分解為兩個同軸的圓環形光束并疊加在緊固孔孔端周圍表面上；通過調節各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離，進而調節兩個同軸環形光斑在緊固孔孔端周圍表面的疊加位置和能量分布，由耦合的環形光斑激光沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，提高緊固孔的疲勞性能。
9.如權利要求8所述的環形激光沖擊強化緊固孔的方法，其特征在于:該方法至少包括以下步驟: (O依序設置各透鏡，并使各透鏡與緊固孔呈同軸位置； (2)開啟激光發射器，使圓形激光束由帶中心孔的內凹錐透鏡上方軸向射入； (3)根據要求調整各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離，以調節在緊固孔孔端周圍表面上的兩個同軸環形光斑的尺寸和疊加位置，進而調節耦合后的兩個同軸環形光斑的激光能量分布，以提高緊固孔的疲勞性能。
10.如權利要求9所述的環形激光沖擊強化緊固孔的方法，其特征在于:在步驟(2)中，首先將帶中心孔的內凹錐透鏡放置在入射圓形激光束的光路上，圓形激光束的直徑大于內凹錐透鏡中心孔的孔徑；通過光學鏡片調整架調整帶中心孔的內凹錐透鏡的位置，使帶中心孔的內凹錐透鏡的中心軸與入射圓形激光束的光軸重合；再將帶中心孔的聚焦透鏡與帶中心孔的內凹錐透鏡同光軸間隔放置；之后將外凸錐透鏡、聚焦透鏡依次放置在帶中心孔的聚焦透鏡下方的圓形激光束的光路上，調整外凸錐透鏡和聚焦透鏡的位置，使鏡片中心軸與圓形激光束的光 軸重合。
【文檔編號】C21D10/00GK103484653SQ201310397715
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】曹子文, 鞏水利, 毛智勇, 車志剛, 鄒世坤 申請人:中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所