[发明专利]一种激光冲击强化金属管内外壁的装置与方法

权利要求书

1.一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，包括控制系统(1)、高功率激光器(2)、导光臂(3)、卡盘(13)、旋转台(14)、转接件(15)、二维移动平台、水箱(18)、水泵(17)、水管(4)以及喷嘴(5)；

所述卡盘(13)用于固定待冲击金属管，所述卡盘(13)固定在旋转台(14)上；所述旋转台(14)通过所述转接件(15)固定在二维移动平台上；所述转接件(15)左侧面与旋转台(14)底面固定，所述转接件(15)底面与二维移动平台上表面固定；所述二维移动平台可调节面与旋转台(14)的旋转面成90度角；所述高功率激光器(2)、旋转台(14)、二维移动平台、水泵(17)均与控制系统(1)相连接由其控制，高功率激光器(2)发射的激光经导光臂(3)之后打到金属管(12)管壁上，水泵(17)将水箱(18)内的水泵出至水管(4)内，之后由喷嘴(5)将水喷至金属管管壁上的激光光斑区域。

2.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，所述导光臂(3)内沿激光方向依次在第一拐角处设置第一反射镜(16)，第二拐角处设置第二反射镜(8)，第三拐角处设置第三反射镜(11)，并且在第二反射镜(8)和第三反射镜(11)之间设置由凹透镜(9)和凸透镜(10)组成的激光扩束准直系统，在导光臂(3)的出口处设置聚焦透镜(6)和保护镜(7)；

高功率激光器发射的激光脉冲依次通过导光臂内的第一反射镜(16)、第二反射镜()8、凹透镜(9)、凸透镜(10)、第三反射镜(11)、聚焦透镜(6)、保护镜(7)后作用于金属管壁。

3.根据权利要求2所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，所述导光臂(3)的高低长短可调。

4.根据权利要求2所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，所述第一反射镜(16)、第二反射镜(8)、第三反射镜(11)为全反射镜；所述保护镜(7)为K9玻璃；所述第一反射镜(16)、第二反射镜(8)、第三反射镜(11)镀有1060nm增反膜，所述凹透镜(9)、凸透镜(10)、聚焦透镜(6)、保护镜(7)镀有1060nm增透膜。

5.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，所述卡盘(13)与旋转台(14)之间做防水密封处理。

6.根据权利要求1所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的装置，其特征在于，喷嘴(5)与水泵(17)相连且安装在导光臂(3)下方、保护镜(7)左侧，所述喷嘴(5)能够控制进出水量与出水方向；所述水箱(18)位于工件与卡盘下方。

7.一种激光冲击强化金属管内外壁的方法，其特征在于，进行内径为D₁金属管内壁激光冲击强化时，包括如下步骤：

S1，首先用酒精对金属管壁进行清洗，随后在金属管内壁均匀覆盖一层黑胶带，用卡盘正爪固定金属管外表面；打开高功率激光器内置指示红光并调整导光臂与二维移动平台，使指示红光光斑位于金属管壁下边缘且与管口相切且光斑大小为4mm；

S2，启动水泵调整喷嘴出水口的水量与方向，使得在激光光斑区域形成厚度约为1.5mm厚度的均匀水流；

S3，设置高功率激光器参数为：波长1064nm，脉宽10-60ns可调，重复频率0.1-5Hz可调，单脉冲能量0-20J可调，光斑直径为4mm；

设置旋转台转速为设置二维移动平台X轴每隔移动2mm，控制激光光斑的横向搭接率与纵向搭接率均为50％。

S4，激光发出第一个激光脉冲后，控制旋转台开始以设定的转速转动，随后每1秒发出一个激光脉冲作用于金属管内壁，旋转台转完一圈即后，控制激光器停止出光，旋转台停止转动，二维移动平台X轴向左移动2mm；

S5，重复上述步骤S4，直至完成金属管内壁的冲击强化。

8.根据权利要求7所述的一种激光冲击强化金属管内外壁的方法，其特征在于，对外径为D₂的金属管外壁进行冲击强化时：将所述步骤S1的卡盘正爪固定金属管外表面改为卡盘反爪固定金属管壁内表面，将所述步骤S3的旋转台转速设置为将二维移动平台X轴设置为每隔移动2mm，其余参数及操作步骤均与权利要求7记载的进行内径为D₁金属管内壁激光冲击强化的参数和步骤相同。