[发明专利]一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置

说明书

本发明提供了一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，主要包括振动杆、变幅杆、压电陶瓷、第一光学玻璃、第二光学玻璃，振动杆与变幅杆轴向中心加工有通孔，振动杆下端与变幅杆上端固定连接；第一光学玻璃位于振动杆顶部，第二光学玻璃位于变幅杆底部。振动杆上端延伸出上壳体的上表面、且与其固定连接，压电陶瓷装在振动杆上。所述的超声振动装置，压电陶瓷通电后，将电能转化为机械能产生超声波，通过变幅杆实现机械振动振幅的放大。振动杆与变幅杆轴向中心加工有通孔，为激光提供传播通道，实现超声振动波与激光冲击波同轴传播。保证两者在传播过程中耦合，促进材料的动态再结晶行为，制备具有超细晶粒表面的金属零件。

技术领域

本发明专利属于超声辅助激光加工领域，特指一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置。

背景技术

激光喷丸强化技术，利用激光与材料的相互作用产生等离子体爆轰波，爆轰波压力以极高速度、超高压力在材料内部传播，诱导产生高密度位错结构以及一定程度的晶粒细化。例如申请号为CN201810047122.4的发明专利申请提出一种铜铬合金表面晶粒细化和强化的方法，通过激光冲击强化技术在铜铬合金的表面区域形成颗粒细小同时具有较高残余压应力的细晶层，一方面使铜铬表面组织细化提高了表面硬度，并且有利于材料服役；另一方面残余压应力的存在提高了表面硬度和抗疲劳。但是，激光冲击强化技术中的晶粒细化程度主要与动态再结晶过程有关，传统激光冲击强化技术具有动态再结晶程度低、晶粒细化程度低等缺点。

专利号为ZL201410177914.5的发明专利提出一种能显著提高航空铝合金材料抗振性能的方法及装置，首先通过激光温喷丸基于动态应变时效在材料表面得到高密度的位错及位错缠结，同时产生明显的晶粒细化组织；喷丸完成后，迅速将工件至于5～8℃的水溶液中急剧冷却，降低位错湮灭以及晶粒长大过程，最终在室温下得到高密度位错与超细晶粒共存的微观组织，显著增加材料的阻尼，提高材料的抗振性能。该方法通过热力耦合效应获得了较传统激光喷丸强化技术更小的晶粒尺寸，但是仍具有以下几个缺点：(1)高温对零件芯部材料性能的影响较大，不利于形成外强内韧的材料结构；(2)温度场的能量利用率较低，成本较高；(3)由于防止高温破坏，激光温喷丸强化装备复杂且昂贵。

超声波技术成熟且价格低廉，在激光加工技术中得到了广泛应用。申请号为201910029414.X的发明专利公开了一种随焊超声振动的激光焊接方法，在焊接过程中施加预热，并在熔池后方一定距离的焊缝正面施加超声振动，可以细化晶粒，有效减小焊接残余应力，减少气孔和裂纹，从而提高焊缝的疲劳性能。申请号为201711057771.4的发明专利公开了一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置，将超声振动时效直接引入到熔池微区，凭借超声波直接的空化效应、机械效应和热效应促进熔覆层应力场均匀化，细化晶粒组织，从根源上抑制裂纹的产生，制备出表面形貌良好，无裂纹的熔覆层。上述方法利用超声振动对激光诱导的熔池进行搅拌/冲击，实现组织细化，但具有以下缺点：(1)激光熔融过程中组织缺陷较多且难以控制，例如气孔、裂纹等；(2)激光熔融后材料表面出现残余拉应力，不利于疲劳强度的提高。

发明内容

本发明提出一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，可以实现在材料内部沿同一轴线传播并形成耦合场，在克服现有技术缺陷的同时，促进材料的动态再结晶行为，制备具有超细晶粒表面的金属零件，实现金属材料表面的晶粒细化，且效率高、成本低。

一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，其特征在于：主要包括振动杆、变幅杆、压电陶瓷、第一光学玻璃、第二光学玻璃，振动杆与变幅杆轴向中心加工有通孔，振动杆上端延伸出上壳体的上表面、且与其固定连接，压电陶瓷装在振动杆上、并由上壳体压紧；第一光学玻璃位于振动杆顶部；

振动杆下端与变幅杆上端固定连接，变幅杆下端延伸出下壳体的下表面、且与其固定连接，下壳体与上壳体固定连接；第二光学玻璃位于变幅杆底部。