一种可用于狭窄结构表面处理的介入式激光冲击强化装置及方法

技术领域

本申请涉及一种可用于狭窄结构表面处理的介入式激光冲击强化装置及方法，属于激光冲击强化领域。

背景技术

激光冲击强化技术利用高强度激光产生的等离子冲击波对零件表面进行冲击，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力。现有的激光冲击强化工艺系统一般包括激光发生单元、位于工件表面的吸收保护层、位于吸收保护层表面的约束层、工件夹持单元。约束层的作用是让激光能量穿过并作用于吸收保护层，同时还要尽可能多地提供等离子体膨胀时的反作用力，提高冲击波耦合的效率。目前国内外普遍采用0.5-2mm的水膜作为透明约束层。吸收保护层的作用是吸收激光能量，产生等离子体，同时避免激光及等离子体对工件的损伤，目前普遍采用油漆、柔性胶带或具有一定厚度的金属箔片等作为吸收保护层。工件夹持单元的作用是在激光冲击过程中，夹紧工件并进行规定行程内一定自由度的运动，完成工件上相应区域的冲击。

由于激光冲击强化工艺头一般尺寸较大，又要兼顾水膜生成和光束传输，当前激光冲击强化设备主要针对工件外表面进行冲击，对狭窄空间处理困难，尤其是对工程领域普遍存在的内腔、内孔、复杂结构内表面或非直接可视部位，激光冲击强化处理工艺能力不足。CN102517423B“一种小孔强化方法”、CN103014276B“一种锥压与激光冲击相结合的小孔强化方法”等专利均是采用先对待开孔表面进行强化后再开孔的方法，改善孔内壁和端面的应力分布；专利CN112795772B“一种基于激光冲击强化和冷挤压的盲孔复合强化装置及方法”是采用硬质芯棒对孔内壁进行冷挤压强化，用激光对孔端面进行冲击强化处理。

管道内熔覆工艺为管道等狭窄空间激光冲击强化提供了新的启发，但熔覆工艺与激光冲击强化工艺有很大的不同，尤其是激光冲击强化需要维持充分的透明介质约束，工艺涉及很高的脉冲能量。

因而，业内需要新的工艺方法和系统，以实现狭窄空间的激光冲击强化。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于管道内腔、内孔等狭窄空间表面处理的介入式激光冲击强化装置，以拓展现有激光冲击强化装置的应用。这需要同时解决三大难题，一是将激光能量高效率传输到狭窄空间，二是狭窄空间下可以智能化施加处理工艺，三是必须在狭窄空间约束下实现充分的激光冲击强化处理。

本申请的一个方面，提供了一种可用于狭窄结构表面处理的介入式激光冲击强化装置，包括集成控制单元、激光器、介入式激光冲击强化工艺处理单元、供水单元；

所述集成控制单元用于发出指令，控制激光器发出激光、控制供水单元向介入式激光冲击强化工艺处理单元输送水约束层；

所述激光器发出激光，射入介入式激光冲击强化工艺处理单元；

供水单元与所述介入式激光冲击强化工艺处理单元管路连接；

所述介入式激光冲击强化工艺处理单元用于对工件的待加工表面进行介入式激光冲击强化；

所述介入式激光冲击强化工艺处理单元包括可伸缩管路、水约束层入口、喷嘴和转动关节；

所述转动关节相对于所述可伸缩管路具有转动自由度。

可选地，所述转动关节相对其连接的可伸缩管路具有转动自由度，由此可以调节喷嘴相对管道内壁周向方向的相对位置。

所述转动关节可以根据需要增加数量，如图8所示。另外，介入式激光冲击强化工艺处理单元(简称工艺头)末端可以根据需要，调整可伸缩机构，调节激光聚焦位置。

可选地，所述可伸缩管路包括可伸缩管路I和可伸缩管路II；

所述可伸缩管路I和可伸缩管路II通过所述转动关节连接；

所述可伸缩管路II的管壁上设有水约束层入口；

沿激光方向，所述可伸缩管路II的末端与所述喷嘴固定连接；

所述喷嘴设有窗口，作为激光和水约束层的喷射出口。

可选地，所述可伸缩管路优选由可装配的一系列管路组成，可以根据需要调节其长度、直径和数量，其功能是在狭窄空间传输激光能量，并保护不良工艺环境对光学系统造成的负面影响。

可选地，所述介入式激光冲击强化工艺处理单元还包括45度反射镜、聚焦镜、窗口保护片；

沿激光方向，所述可伸缩管路II的内腔内依次设有聚焦镜、窗口保护片；

所述转动关节的内腔内设有45度反射镜；

所述水约束层入口位于所述喷嘴和所述窗口保护片之间的可伸缩管路II的管壁上；

所述喷嘴和所述窗口保护片之间的可伸缩管路II的内腔内形成水约束层腔体。

可选地，可伸缩管路I包括可伸缩管路IA和可伸缩管路IB，其中，所述可伸缩管路IB的外径小于所述可伸缩管路IA的内径，收缩状态下，所述可伸缩管路IB收于所述可伸缩管路IA内部；

所述可伸缩管路IB与所述转动关节连接，所述转动关节的外径小于所述可伸缩管路IB的内径，收缩状态下，转动关节收于可伸缩管路IB的内部，确保靠近工件内部端的管路直径小于靠近工件外部端的管路直径。

可选地，所述可伸缩管路II包括可伸缩管路IIA和可伸缩管路IIB，所述可伸缩管路IIA与所述转动关节连接，其中，所述可伸缩管路IIA的外径小于所述转动关节的内径，收缩状态下，所述可伸缩管路IIA收于转动关节的内部；所述可伸缩管路IIA的外径小于所述可伸缩管路IIB的内径；

所述可伸缩管路IIB与所述喷嘴连接，所述喷嘴的外径小于所述可伸缩管路IIB的内径，收缩状态下，喷嘴收于可伸缩管路IIB的内部，以实现靠近工件待处理表面的管路直径最小化的目的。

所述工艺头经过针对性设计制造，使其影响介入式加工的关键部位尺寸小于狭窄空间的典型约束尺寸，从而实现狭窄空间介入式激光冲击强化处理。

可选地，所述激光器与所述介入式激光冲击强化工艺处理单元通过反射镜形成激光传输光路，为多关节光管-反射镜组成的传输方法；

或所述激光器与所述介入式激光冲击强化工艺处理单元通过光纤连接，形成激光传输光路，为柔性光纤传输方法。

可选地，所述光纤为液核光纤。由于激光冲击强化的激光能量很大，一般光纤很难可靠实现能量的传输，本申请优选液核光纤，即中心为高纯水，管壁为折射率小于水的物质，如特氟龙。

可选地，所述激光器的波长包括红外波段和绿光可见光波段

可选地，所述介入式激光冲击强化装置还包括测控单元和运动控制单元；

所述测控单元安装于所述喷嘴处，用于获得、传输局部的位置信息；

所述测控单元包括光学成像模块和/或位移感应模块；

所述运动控制单元用于接收所述测控单元传输的位置信息。

可选地，上述工艺头不仅可以介入狭窄空间，传输透明介质和强激光，还可以及时传输局部的位置信息。位置信息由测控单元提供，如光学成像单元或位移感应单元，反馈于运动控制系统，用于解决狭窄空间的智能化处理问题。

作为一种具体的实施方式，一种可用于狭窄结构表面处理的介入式激光冲击强化装置，包括总控单元、激光器、工艺头、运动系统、供水系统、测控系统、工件和工件夹持单元。总控单元控制激光器发出激光，通过工艺头相对工件的相对运动，实现狭窄空间约束下的激光冲击强化处理。相对运动包括以工件运动为主，以工艺头运动为主及两者协调运动三类。

本申请的另一个方面，提供一种基于狭窄空间的介入式激光冲击强化方法，利用上述的可用于狭窄结构表面处理的介入式激光冲击强化装置，通过介入式激光冲击强化工艺处理单元与工件的相对运动，基于水约束层和激光的同轴输出，进行狭窄空间的介入式激光冲击强化。

本申请使用可以介入狭窄空间的工艺头，通过工艺头与工件的相对运动，基于同轴送水激光冲击强化技术，实现包括内管道、发动机整体叶盘叶根在内的狭窄部位激光冲击强化处理。

可选地，所述介入式激光冲击强化方法包括：

(1)利用介入式激光冲击强化工艺处理单元的转动关节和可伸缩管路，调节喷嘴和所述工件的待加工表面的相对位置；

其中喷嘴和所述工件的待加工表面的相对位置具体是指喷嘴与所述工件的待加工表面具有一定距离和角度的位置；

(2)通过集成控制单元，输出激光和水约束层，所述激光由可伸缩管路进入，由喷嘴射出作用在所述工件的待加工表面；

所述水约束层由水约束层入口进入，由喷嘴喷出作用在所述工件的待加工表面。

可选地，步骤(2)包括：

所述激光由可伸缩管路的端口射入，依次经过可伸缩管路I、转动关节，经转动关节处的45度反射镜反射后进入聚焦镜、窗口保护片、水约束层腔体，经由喷嘴射出激光，所述激光作用在所述工件的待加工表面；

所述水约束层由供水单元输出，经管路、水约束层入口进入水约束层腔体内，经由喷嘴喷出，所述水约束层作用在所述工件的待加工表面。

作为一种具体的实施方式，所述激光由可伸缩管路端口射入，依次经过可伸缩管路、转动关节，经反射镜反射后进入聚焦镜、窗口片，然后进入水约束层腔体。该腔体通过喷嘴喷出稳态水流，稳定传输聚焦的激光能量，作用于工件上，实现狭小空间的激光冲击强化。通过相对运动，实现大面积、大行程加工。

可选地，所述工件的待加工表面包括管道内腔、工件内孔表面、叶盘表面、叶盘结构中的叶片根部中的至少一种。

本申请能产生的有益效果包括：

(1)可以根据工件的长度调整可伸缩管路的长度和数量，加大了本装置的应用范围。

(2)在垂直于内腔表面的方向上，设有可伸缩管路和喷嘴，可以根据内腔的直径调整可伸缩管路的长度和数量。

(3)安装有反射镜的转动关节，相对与其连接的可伸缩管路具有转动自由度，当工件较大不容易转动时，可以调整喷嘴与工件周向方向的相对位置。

(4)本装置采用同轴送水的方式，不存在侧面送水必须解决的水膜厚度控制难题，既节省空间又稳定可靠。

(5)可以根据需要，智能化调整可伸缩管路、转动关节的数量，以适应不同结构复杂空间的需求。

(6)本申请提供了一种可以对管道内腔、孔内壁等狭窄空间表面处理的介入式激光冲击强化装置和方法，可有效解决现有激光冲击强化装置很难处理管道内壁、内孔表面等狭窄空间的问题。

附图说明

图1为本申请介入式激光冲击强化工艺处理单元状态1的示意图；

图2为本申请介入式激光冲击强化工艺处理单元状态2的示意图；

图3为本申请采用导光管传输激光的系统整体示意图；

图4为本申请采用光纤传输激光的系统整体示意图；

图5为本申请介入式激光冲击强化装置应用于内腔结构的示意图；

图6为本申请介入式激光冲击强化装置应用于试件外表面的示意图；

图7为本申请介入式激光冲击强化装置应用于狭窄空间的示意图；

图8为本申请变形装置用于复杂内腔的示意图。

其中：

1、可伸缩管路IA；2、可伸缩管路IB；3、可伸缩管路IIA；4、可伸缩管路IIB；5、水约束层入口；6、喷嘴；7、窗口保护片；8、聚焦镜；9、45度反射镜；10、转动关节；11、激光；12、水约束层；

a、集成控制系统；b、激光器；c、水箱；d、水约束层传输管道；e、水约束层加压装置；f、介入式激光冲击强化单元；g、工件；h、机械手；k、反射镜；m、液核光纤。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

实施例1

如图1所示，本申请介入式激光冲击强化工艺处理单元包括可伸缩管路IA 1、可伸缩管路IB 2、可伸缩管路IIA3、可伸缩管路IIB 4、喷嘴6和转动关节10，可伸缩管路IA 1、可伸缩管路IB 2可伸缩连接，可伸缩管路IIA3、可伸缩管路IIB 4可伸缩连接；可伸缩管路IB2和可伸缩管路IIB 4通过转动关节10连接，喷嘴6与可伸缩管路IIB 4连接，且可以收缩进入可伸缩管路IIB 4；

可伸缩管路IIA3，内安装有聚焦镜8、窗口保护片7，可以收缩进入转动关节10的直线部分，调整可收缩管路3，不仅可以调整装置径向总体长度，还可以调整聚焦镜的位置，从而调整激光焦点的位置。

在转动关节10上设有45度反射镜9，可以将激光方向由平行于内腔表面方向引导至垂直于内腔表面方向。

在可伸缩管路IIB4上设有水约束层入口5，在所述喷嘴6上设有窗口，作为激光11与水约束层12的喷射出口。

可伸缩管路IB 2可以收缩进入/伸出管路IA1，可以根据内腔的长度增加或减少可伸缩管路IA 1、可伸缩管路IB 2的长度或组合数量，如图1、2所示；可伸缩管路IB2的外径小于可伸缩管路IA1的内径，收缩状态下，可伸缩管路IB2收于可伸缩管路IA1内部；

可伸缩管路IB2与转动关节10连接，转动关节10的外径小于可伸缩管路IB2的内径，收缩状态下，转动关节10收于可伸缩管路IB2的内部，确保靠近工件内部端的管路直径小于靠近工件外部端的管路直径。

可伸缩管路IIB 4可以向可伸缩管路IIA3方向伸缩，可伸缩管路IIA3收进可伸缩管路IIB 4。可伸缩管路IIA3与所述转动关节10连接，其中，所述可伸缩管路IIA3的外径小于转动关节10的内径，收缩状态下，可伸缩管路IIA3收于转动关节10的内部；可伸缩管路IIA3的外径小于可伸缩管路IIB4的内径。

可伸缩管路IIB4与喷嘴6连接，喷嘴6的外径小于可伸缩管路IIB4的内径，收缩状态下，喷嘴6收于可伸缩管路IIB4的内部，以实现靠近工件待处理表面的管路直径最小化的目的。

转动关节10相对可伸缩管路IB 2具有转动自由度，通过调节转动角度可以控制喷嘴6与内腔周向方向的相对位置，对于大型管道不容易转动的情况比较适用。

如图1所示，可以根据内腔表面的长度，可伸缩管路IA 1、可伸缩管路IB 2的长度和数量，同理，可以根据内腔表面的内径，调整可伸缩管路IIA3、可伸缩管路IIB 4和喷嘴6的长度。

实施例2

如图3所示，可用于狭窄结构表面处理的介入式激光冲击强化装置包括集成控制系统a、激光器b、反射镜k、介入式激光冲击强化工艺处理单元f、水箱c、水约束层传输管道d、水约束层加压装置e；集成控制系统a分别与激光器b和水箱c连接，发出指令，控制激光器b发出击激光、控制水箱c向介入式激光冲击强化工艺处理单元f输送水约束层；

水箱c通过水约束层传输管道d、水约束层加压装置e与介入式激光冲击强化工艺处理单元f连通，输送水约束层；

激光器b与介入式激光冲击强化工艺处理单元f通过反射镜k形成激光传输光路。

通过介入式激光冲击强化工艺处理单元f的转动关节和可伸缩管路，以及机械手h控制工件g运动，使介入式激光冲击强化工艺处理单元f与工件g形成相对运动。

实施例3

如图4所示，可用于狭窄结构表面处理的介入式激光冲击强化装置包括集成控制系统a、激光器b、液核光纤m、介入式激光冲击强化工艺处理单元f、水箱c、水约束层传输管道d、水约束层加压装置e；

除激光器b与介入式激光冲击强化工艺处理单元f通过液核光纤m连接，形成激光传输光路之外，其他各部件的连接关系与实施例2一致。

实施例4

采用实施例2或实施例3的介入式激光冲击强化装置进行狭窄空间的介入式激光冲击强化的方法，具体包括：

集成控制系统发出指令，激光器发出激光，激光经过反射镜或液核光纤传输，从可伸缩管路1进入装置后，依次经过可伸缩管路2、转动关节10、反射镜9、聚焦镜8、可伸缩管路3、窗口保护片7、可伸缩管路4，最后由喷嘴6射出。

集成控制系统发出指令，水箱输出水约束层，经水约束层传输管道、水约束层加压装置，经水约束层入口5进入介入式激光冲击强化工艺处理单元内，经喷嘴6喷出。激光和水约束层同轴射出。

应用例

实施例2或实施例3的介入式激光冲击强化装置可以用于管道内腔的表面冲击强化处理(如图3、4所示)，也可以用于外表面的冲击强化处理。

实施例2或实施例3的介入式激光冲击强化装置可以用于典型狭窄空间的表面冲击强化处理，如图5所示的管道内壁、图6所示的外壁和图7所示的复杂叶盘结构的叶根部位。

实施例2或实施例3的介入式激光冲击强化装置可以用于复杂内腔的表面冲击强化处理(如图8所示)。由于相关工艺头可以转动和伸缩，因而可以对一般很难处理的管道凹陷部位进行处理。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。