[发明专利]一种激光冲击强化技术的水约束层装置及其测量方法

说明书

本发明属于零件表面处理技术，涉及一种激光冲击强化技术的水约束层装置及其测量方法；本发明采用基于光的折射原理的激光测厚仪，并辅助相关光电转换器，形成了实时监控与反馈系统，并与激光冲击强化设备控制系统集成，形成了可准确测量水约束层厚度、动态反馈信号和实时调整机器人姿态的整套装置及其使用方法；该装置和方法具有无损、精确度高、效率高等优点；而测量点的位置对于测量精确度的影响较大，应选择水流动平缓且厚度均匀的部位；通过5至10次瞬时测量后取平均值，并剔除幅值大于平均值50％的异常测量值，提高测量的精确度。

技术领域

本发明属于零件表面处理技术，涉及一种激光冲击强化技术的水约束层装置及其测量方法。

背景技术

激光冲击强化技术是一种新型表面强化处理手段，其原理是高功率密度(GW/cm²)、短脉冲(ns级)的激光脉冲诱导等离子冲击波，产生冲击力，使材料表面发生弹塑性变形，形成深层残余压应力层和组织强化层。该技术主要用于提高航空发动机叶片/叶盘高周疲劳性能，并被推广应用于机械制造、航天、兵器、汽车、核电站等多领域中。

水是一种良好的水约束层材料。激光冲击强化技术利用激光在水中具有良好的穿透性，当激光脉冲作用到材料表面时，产生高压高应力速率的等离子冲击波，并利用水的表面张力约束冲击波的作用方向，从而有效增大冲击波对材料表面的作用时间和作用力。水约束层技术是激光冲击强化的关键技术之一，关系到激光冲击强化的加工质量及效率。

目前，水作为约束层具有结构适应性好、加工效率高、柔性好等优点，但是，也存在表面强化质量不均匀的问题，主要原因是水流过待强化零件表面时水约束层的厚度难以精确控制，厚度均匀性不佳，从而容易产生流水被击穿的现象，导致水约束层失效。

发明内容

本发明的目的是：提出一种激光冲击强化技术的水约束层装置及其使用方法，解决水流过待强化零件表面时水约束层的厚度难以精确控制、厚度均匀性不佳的难题，提高零件激光冲击强化表面质量的均匀性，提高零件的疲劳性能。

本发明的技术方案是：

一种激光冲击强化技术的水约束层装置，该装置由零件夹持机器人1、水喷头机器人2、激光出光口3、激光器4、激光测厚仪5、光电信号转换器6、水喷口7、水泵8、水箱9、计算机10组成；零件夹持机器人1与零件11连接，水喷头机器人2与水喷头7连接，零件夹持机器人1和水喷头机器人2分别与计算机10连接，激光出光口3与激光器4连接，激光器4与计算机10连接，激光测厚仪5与光电信号转换器6连接，光电信号转换器6与计算机10连接，水喷头7与水泵8连接，水泵8与水箱9连接，水泵8与计算机10连接；水喷头喷出的水束落在零件上，形成落水点13，并在零件表面铺展形成平稳的水约束层12，激光测厚仪5在零件上的照射点15位于水喷头7在零件上的落水点13与激光出光口3在零件上的光斑14之间，照射点15位于水约束层12的上游，光斑14位于水约束层12的下游。

所述落水点13与照射点15之间、照射点15与光斑14之间的距离的测算方法：落水点13与光斑14之间的距离约10至30mm，在两者的连线的中点做垂线，垂线上距中点－20至+20mm的范围内选取一个位置点作为照射点15。

所述激光测厚仪5是基于光的折射原理测量水约束层12的厚度，测量范围为0.1mm至100mm，精度不小于±0.25mm。

所述照射点15位于平面时，激光测厚仪5的中轴线应垂直于照射点15所在的平面。

所述照射点15位于曲面时，激光测厚仪5的中轴线应与照射点15所在曲面的法线同轴。

所述照射点15处测量的水约束层12的厚度范围为1至3mm。