[发明专利]一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，特指一种用于激光冲击强化叶片的水约束层的喷射方法，以及实现这种方法的装置，粘附叶片表面形成均匀厚度的水膜，适用于结构金属小曲率(曲率半径大于50 mm)光滑表面的激光冲击强化处理的水约束层。

背景技术

激光冲击强化(LSP：又叫激光喷丸)是一种新型的材料表面强化技术，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点，具有常规加工方法无可比拟的优点，具有显著的技术优势，能大幅增强金属材料的耐久性，防止表面出现裂纹，提高材料的使用寿命降低维修成本；21世纪初，美国将LSP技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。

要实现激光冲击波的力学强化效果，必须在激光冲击过程中使用约束层，约束层覆盖在工件表面，其厚度、材质(成分和性能)直接影响激光冲击强化的效果；目前，国内外文献和试验中所使用的约束层介质包括K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶、合成树脂和水等，玻璃类约束层对冲击波压力提升效果最明显，但仅适用于平面加工，且易碎，难于清理；硅胶和合成树脂与靶材结合力小，且难以重复利用；水约束层的优点是廉价、清洁、重复效果好，可加工曲面，而且流动的水约束层可以带走等离子体爆炸后的固体粉尘颗粒，具有明显的优势，工业中激光冲击强化结构金属构件通常使用水约束层。

目前国内外激光冲击强化工业应用最典型的航空构件是发动机叶片和整体叶盘的激光冲击强化处理，在对叶片曲面进行激光冲击强化的过程中，由程序控制多轴工作台使叶片进行移动或转动，保证激光束垂直于待加工点处的切平面(加工平面)；目前国内多采用传统的加工平面的水约束层的方法和装置，即水龙头的喷射出水角度和位置在加工过程中不变，在实际激光冲击过程中由于要保证入射激光束和叶片冲击点垂直，而不能够保证水龙头的喷射出水角度实时变化，在水流速稍大时，会在叶片凸面部分曲面和水约束层间形成空隙，从而入射激光束烧蚀叶片表面，形成加工破坏；在叶片凹面部分曲面形成较厚的水膜影响激光冲击强化效果；为了使激光冲击叶片过程中形成稳定、均匀厚度的水约束层，国内发明专利ZL200510094810.9“基于激光冲击技术的新型水约束层增压的方法和装置”中提出利用水龙头随行控制器实现对水约束层的实时控制，但主要集中在水约束层的控制，并未涉及水龙头喷嘴形状和结构设计，也没有进一步说明水龙头随行控制器的控制方法和实现装置。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于激光冲击强化叶片的水约束层喷射方法，即通过待加工叶片上沿激光束方向的竖直截面上三个点(探测点Ⅰ和探测点Ⅱ和一个待加工点)所对应的标准曲线段近似代替叶片上的实际曲线段，使水龙头的水流方向与待加工点切平面方向之间的角度为10o-15o，并使水从标准曲线段中点(近似为实际曲线段中点)流入叶片待加工表面，从而保证在曲线段下端点处区域(待加工区域)形成稳定、均匀厚度的水约束层。

同时，本发明提供一种稳定、均匀厚度的水约束层的喷射装置，包括测距仪平台，支架，测距仪，控制器Ⅰ，控制器Ⅱ，水龙头，过渡接头，信号线，软管和水箱；所述的测距仪上安装有探测头Ⅰ和探测头Ⅱ，探测头Ⅰ和探测头Ⅱ连线与测距仪底面垂直，探测头Ⅰ和探测头Ⅱ之间的距离可调(10-20 mm)，测距仪的输出端通过信号线Ⅰ与控制器Ⅰ的输入端相连。

控制器Ⅰ为总控制器，用于控制五轴工作台，控制器Ⅱ，水龙头的移动和转动；五轴工作台的输入端与控制器Ⅰ的输出端相连；测距仪平台位于激光器与五轴工作台之间；测距仪通过支架固定在测距仪平台上使得激光器发出的激光束能够通过测距仪与测距仪平台之间的空隙，不发生干涉，测距仪的信号输出端通过信号线Ⅰ与控制器Ⅰ的输入端相连；控制器Ⅱ安装在过渡接头上，其输入端与控制器Ⅰ的输出端相连；水龙头位于五轴工作台上方，高于探测头Ⅰ10-20 mm，通过过渡接头与软管相连；水箱安装在水龙头上方，与软管相连。