一种激光器（１２），包括用于沿激光束中心线（２０）来产生激光束（１６）的激光源（１４）。射束管（２２）围绕着光束中心线（２０）的至少一部分（２４）。射束孔径（２６）位于射束管（２２）的出口（２８）处。末级射束光学透镜（３０）安装在管（２２）内的孔径（２６）的上游。气体清洗装置（３４）使清洗气（３５）流入到管（２２）内的透镜（３０）和孔径（２６）之间。管（２２）的收敛部分（４８）位于透镜（３０）和孔径（２６）之间。管（２２）内的至少一个套叠式部分（５４）位于管（２２）的收敛部分（５４）内的透镜（３０）和孔径（２６）之间。透镜（３０）的焦距数（ＦＮ）小于８，或者是小于７，也可降低为约５。气刀（６０）位于孔径（２６）和透镜（３０）的焦点（ＦＰ）之间，其用来使大量清洁气体（６４）在孔径和焦点之间的激光束上流动。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及对物体的激光冲击硬化，更具体地涉及用于减少激光冲击硬化的激光和物体之间的烟雾的装置和方法。
技术介绍
激光冲击硬化也称为激光冲击处理，它是一种通过对物体的表面区域进行激光冲击硬化来产生较深的残余压应力区域的工艺。激光冲击硬化通常使用一个或多个源自高功率和低功率脉冲激光器的辐射脉冲来在物体表面上产生的强冲击波，其类似于题为“改变材料特性”的美国专利No.3850698、题为“激光冲击处理”的美国专利No.4401477以及题为“材料特性”的美国专利No.5131957中所公开的方法。如本领域所理解并在本文中所使用的那样，激光冲击硬化意味着利用来自激光源的脉冲激光束，通过可形成等离子的表面上的薄层或涂层(如胶带或涂料)的瞬时消融或蒸发来在激光束的冲击点处产生爆炸力，从而在一部分表面上形成较强的局部压力。激光冲击硬化正被应用在燃气涡轮发动机领域的许多应用中，在题为“飞行器上的激光冲击硬化”的美国专利No.5756965、题为“激光冲击硬化过的燃气涡轮发动机的风扇叶片边缘”的美国专利No.5591009号、题为“用于激光冲击硬化过的燃气涡轮发动机的压缩机叶片边缘的变形控制”的美国专利No.5531570、题为“用于涡轮机的激光冲击硬化过的转子部件”的美国专利No.5492447、题为“用粘结带进行覆盖的激光冲击硬化”的美国专利No.5674329以及题为“用干胶带进行覆盖的激光冲击硬化”美国专利No.5674328中公开了其中的一些例子，所有这些专利均已转让给本专利技术的受让人。如在题为“激光硬化系统和方法”的美国专利No.4937421中所公开的那样，激光硬化已经用于在物体的外表面上产生压应力保护层，其能够显著地提高物体抵抗疲劳破坏的能力。这些方法通常使用在物体上流动的水幕或其它一些方法来提供等离子约束媒介。这种媒介使等离子可快速地达到冲击波压力，这将产生塑性变形和相关的形成了LSP效果的残余应力分布形式。水幕提供了一种约束媒介，其将由该工艺产生的冲击波约束并重定向到LSP’D零件的材料容积内，以产生有利的残余压应力。源自快速膨胀的等离子的压力脉冲将行进冲击波传播至零件内。这种由激光脉冲所引起的压缩冲击波导致了在零件中产生深度的塑性压缩应变。激光冲击硬化通常在包含了具有壁的外壳的单元或腔室内进行。激光冲击硬化工艺会产生蒸气和烟雾，它们充满了该腔室。由先前激光束发射所引起的烟雾会产生局部烟雾，这会降低光束撞击正经受激光冲击硬化的物体的激光冲击硬化表面的效率和功率。这种烟雾还导致了连续发射激增，这也干扰了激光冲击硬化工艺，从而降低了每次连续的激光束发射的效力。蒸气和烟雾还会导致激光束在到达物体或工件上的目标区域或激光冲击硬化区域之前被电离。已经使用过约20焦耳到约50焦耳的高能激光束或约3焦耳到约10焦耳的低能激光束，也可采用其它的能量级。例如可参见1997年10月7日颁发的美国专利No.5674329(Mannava等人，利用高能激光的LSP工艺)，以及1999年8月3日颁发的美国专利No.5932120(Mannava等人，利用低能激光的LSP工艺)。激光能量和激光束大小的组合提供了通常约200焦耳/平方厘米的能量密度。激光冲击硬化点通常形成为重排点上的重叠排。通常使用一排中两点之间以及相邻排的点之间大约为30％直径的重叠量。激光冲击硬化点和激光束通常是圆形的，但是也可具有其它的形状，如卵形或椭圆形(参见2003年4月1日颁发的Mannava等人的题为“激光冲击硬化的带整体式叶片的转子叶片边缘”的美国专利No.6541733)。因此，非常需要一种激光冲击硬化装置，其可减少激光冲击硬化区域中的烟雾和蒸气。还需要一种激光冲击硬化装置，其可减少或防止激光束在到达物体或工件上的目标区域或激光冲击硬化区域之前的电离。
技术实现思路
激光冲击硬化装置包括具有可沿激光束中心线来产生激光束的激光源的激光器、围绕着至少一部分光束中心线的射束管，以及位于射束管出口处的射束孔径。该装置的一个代表性实施例包括安装在射束管中且位于孔径上游的末级射束光学透镜。气体清洗装置将清洗气排放到管内的末级射束光学透镜和孔径之间。气体清洗装置的一个代表性实施例包括设于管上的末级射束光学透镜和孔径之间的清洗气入口以及与该清洗气入口相连的清洗气源。两种特别有用的清洗气是空气和氮气。管的收敛部分位于末级射束光学透镜和孔径之间。管在从末级射束光学透镜朝向孔径的下游方向上收敛。孔径的代表性实施例还包括位于管内的末级射束光学透镜和孔径之间的至少一个套叠式部分，在一个更具体的实施例中，该套叠式部分位于射束管的收敛部分内。在该装置的代表性实施例中，末级射束光学透镜具有小于8的焦距数(focal number)，焦距数定义为末级射束光学透镜的焦距与透镜直径之比。末级射束光学透镜具有穿过射束孔径并位于射束管之外的焦点。在该装置的一些更具体的实施例中，焦距数小于7或约为5。该装置的代表性实施例还包括位于孔径和透镜焦点之间的气刀(gas knife)。该气刀用于使大量清洁气体在孔径和焦点之间的激光束上流过。该装置的代表性实施例与激光冲击硬化单元相结合地使用，该激光冲击硬化单元具有外壳和位于外壳内的激光冲击硬化区域。射束管和气刀设置在外壳内，而激光源可位于外壳之外。流体喷嘴位于激光冲击硬化区域的附近并朝向该区域而定位。排放接受器设置在外壳内的激光冲击硬化区域的下方，而流体容器如水槽则设置在外壳之外。真空管线从排放接受器通到流体容器中，以便将从敞开的排放接受器的流体喷嘴中流出的液体排放到流体容器中。该激光冲击硬化装置减少了激光冲击硬化区域中的烟雾和蒸气，并减少或消除了激光束在到达物体或工件上的目标区域或激光冲击硬化区域之前的电离。附图说明图1是烟雾减少的激光冲击硬化腔室的示意图。图2是图1所示激光冲击硬化腔室中的激光管孔径和气刀的放大视图。图3是图1所示激光射管的缩接和套叠式部分的放大视图。图4是在图1所示的烟雾减少的激光冲击硬化腔室中使用的陡角度激光束的示意图。图5是位于激光束焦点和激光管孔径之间的图1所示的陡角度激光束的放大视图。各幅图中的标号含义如下8燃气涡轮发动机的叶片；10激光冲击硬化装置；11激光冲击硬化表面；12激光器；14激光源；16激光束；20激光束的中心线；22射束管；24部分；25孔径支撑头；26射束孔径；27带螺纹的调节螺钉；28出口；30光学透镜；34气体清洗装置；35清洗气；40清洗气入口；42清洗气源；48收敛部分；50下游方向；54套叠式部分；57套叠旋钮；59第一套叠件；60气刀；61第二套叠件；64清洁气体；68激光冲击硬化单元；70外壳；72激光冲击区域；74流体喷嘴；76排放接受器；80流体容器；82真空管线；84空气喷嘴；90框架；91透镜支撑架；92可调滑块；94导轨；86定位螺钉；100大旋钮；127操纵装置；A聚焦角度；D直径；DD散焦距离；FN焦距数；FL焦距；FP焦点。具体实施例方式在图1中显示了用于对物体或工件的激光冲击硬化表面11进行激光冲击硬化的冲击硬化装置10的一个代表性实施例，工件显示为安装在多轴计算机数控(CNC)操纵装置127上的燃气涡轮发动机叶片8。冲击硬化装置10与激光冲击硬化单元68本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光冲击硬化装置（１０），包括： 具有激光源（１４）的激光器（１２），其用于沿激光束中心线（２０）来产生激光束（１６）， 围绕着所述激光束中心线（２０）的至少一部分（２４）的射束管（２２），和 位于所述射束管（２２）的出口（２８）处的射束孔径（２６）。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：WL劳伦斯，PM佩罗泽克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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