水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法。该装置包括排水罩、三维运动机构及复合加工机构；复合加工机构包括激光加工机构及超声频微锻造机构；激光加工机构集成有多种激光加工模式，通过选定任一激光加工模式以在待加工面上形成对应的激光改性层；液压压紧机构能够根据激光加工机构所选择的激光加工模式，通过液压推杆施予超声频微锻造机构对应的进给量，调整超声频微锻造机构与待加工面之间的压紧力。三维运动机构带动复合加工机构移动，促使激光加工机构形成激光改性层、超声频微锻造机构对激光改性层进行超声频微锻造原位强化。因此，本发明专利技术适用范围广，应用方便，显著提高效率，降低海洋工程装备的维护和更换成本。

Device and method of in situ strengthening laser modified layer by underwater ultrasonic frequency micro forging

【技术实现步骤摘要】
水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法
本专利技术涉及激光加工领域，具体涉及一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法，特别适用于水下金属材料工件的表面改性。
技术介绍
我国是一个海洋油气资源比较丰富的国家，在南海及东海领域拥有十分丰富的油气资源，仅在南海领域就有油气田180多个。大力开发海洋油气资源对缓解石油供应长期依赖进口的现状，确保国家石油战略安全具有十分积极的意义。海洋油气资源的开发需要大量适用于海洋环境中服役的高强钢，随着我国海洋石油工业的“深水战略”不断实施，海洋资源开发对高强钢的需求必将不断扩大，加之远海环境较近海环境更加恶劣复杂，其在严酷海洋环境中的服役安全问题必将日益凸显。海洋工程结构在服役过程中除了要面临高盐高湿的严酷复杂环境，还时常受到海风、海浪和海流等环境载荷以及作业动态载荷的反复作用，在结构内部产生不断变化的应力。在海洋油气资源勘探和开发过程中，腐蚀尤其是腐蚀疲劳是造成海洋石油工程结构恶性破坏事故和缩短使用寿命的主要原因，海洋工程结构完全具备有发生腐蚀疲劳破坏的环境因素和力学因素。海洋工程装备的腐蚀疲劳开裂或断裂主要发生在工件表面，通过对表面进行改性是提升海洋工程装备抗腐蚀疲劳的重要途径。激光表面改性技术是当前比较前沿的表面处理技术，激光表面改性技术主要包括激光熔凝技术、激光表面合金化、激光淬火等。激光熔凝技术是利用短波高频激光与金属表面的交互作用，材料表面局部熔化，并迅速移除激光，通过材料基体的热吸收及传导，使重熔的金属迅速冷却，改变材料原有的组织。激光相变硬化技术是在强化过程中表层温度低于熔点，通过固态相变生成马氏体进行强化的过程。在这两个过程中，固溶强化、细晶强化、位错强化等多种机理共同作用于材料表面，实现金属材料的表面强化，能够显著提高金属材料的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性及回火稳定性，并可在一定程度上进行金属材料表面缺陷修复。激光表面合金化技术是在表面熔覆一定厚度的合金改性层，从而提升表面的性能。利用激光改性技术对海洋工程构件进行表面强化，还面临一些技术瓶颈，例如，在激光表面熔凝改性过程中，由于熔体回流作用，激光表面改性区域表面易形成波纹或皱纹，表面具有较高的残余拉应力、搭接过程会造成回火软化等，此外激光致微裂纹、气孔、夹渣、未熔合极易成为腐蚀疲劳裂纹来源，不利于海洋构件疲劳韧性提升。
技术实现思路
针对当前海洋工程装备金属材料表面经常产生腐蚀微裂纹，甚至发生腐蚀疲劳，亟需进行表面强化的现状，本专利技术提出一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法。该装置为适应海洋工程装备所处海洋苛刻服役环境需求，在水下采用超声频微锻造技术，原位结合适宜的激光表面改性技术，改善海洋工程装备金属材料表层的组织和力学性能，降低腐蚀疲劳裂纹的敏感性，从而提高海洋工程装备的使用寿命。为实现上述的技术目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，包括排水罩、三维运动机构以及复合加工机构；其中：所述的排水罩，为上端封闭、下端敞口设置的空腔构件，且排水罩的敞口端配设有排水裙边，而封闭端则分别设置有空气进气口、保护气进气口；所述的三维运动机构，悬挂支撑于排水罩内；所述的复合加工机构，设置于排水罩内并位于三维驱动机构的下方，包括激光加工机构以及超声频微锻造机构；超声频微锻造机构与液压压紧机构的液压推杆连接，在液压推杆的作动下，超声频微锻造机构能够在排水罩内做相对于待加工面的升降运动；三维运动机构的动力输出端通过过渡连接板分别与激光加工机构、液压压紧机构连接；所述的激光加工机构，集成有两种以上的激光加工模式；激光加工机构通过选定任一激光加工模式，以在待加工面上形成对应的激光改性层；所述的液压压紧机构，能够根据激光加工机构所选择的激光加工模式，通过液压推杆施予超声频微锻造机构对应的进给量，调整超声频微锻造机构与待加工面之间的压紧力；所述的三维运动机构，带动复合加工机构按照所规划的扫描路径移动，促使激光加工机构在待加工面上形成激光改性层、超声频微锻造机构对激光改性层进行超声频微锻造原位强化。进一步地，所述的激光加工机构包括光纤、激光加工头连接块、激光加工头、保护镜密封模块、红外测温仪；所述的激光加工头，上端设置光纤，下端则配装保护镜密封模块，侧部通过激光加工头连接块与过渡连接板紧固连接；所述的红外测温仪，安装在保护镜密封模块上，能够感测激光加工头在待加工面上所形成的激光改性层的温度。进一步地，所述保护镜密封模块包括金属壳体以及通过密封胶密封连接在金属外壳内的镜片；所述镜片的厚度为15~20mm。进一步地，所述的激光加工机构，集成有三种激光加工模式，分别为激光熔凝加工模式、激光淬火加工模式以及激光表面合金化加工模式。进一步地，所述的三维运动机构，包括X轴运动模块、Y轴运动模块、Z轴运动模块；所述的X轴运动模块，通过排水罩内壁支撑的横梁布置；所述的Y轴运动模块，与X轴运动模块的动力输出端连接；所述的Z轴运动模块，与Y轴运动模块的动力输出端连接；而Z轴运动模块的动力输出端则通过过渡连接板分别与激光加工机构、液压压紧机构连接。进一步地，所述的液压压紧机构，包括液压缸；液压缸通过液压推杆与超声频微锻造机构固定。进一步地，所述的超声频微锻造机构，包括超声换能器、变幅杆、滚柱连接块以及滚柱；超声换能器经过变幅杆与滚柱连接块连接，而滚柱则安装在滚柱连接块上；超声换能器外部安装有外壳，外壳通过壳体连接板与液压推杆相连。一种基于上述的水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置的方法，包括以下步骤：步骤1：利用牵引装置将排水罩投放到指定海域中，移动排水罩至指定工作区域，在排水罩下水的过程中，通过空气进气口往排水罩内一直充入高速空气，在水下形成局部干区；步骤2：通过三维运动机构将激光加工机构运动到指定的高度，根据不同的工作区域需求，通过激光加工机构选择不同的激光加工模式对指定的金属工件表面进行激光表面改性加工，然后打开保护气进气口，排水罩内保护气达到指定的流量和压力时，关闭空气进气口；步骤2.1：当选择激光熔凝加工模式时，根据激光加工机构中集成的激光熔凝工艺数据库，规划激光加工运动轨迹，利用激光加工头对指定的金属工件表面进行表面激光熔凝改性处理；在激光加工头工作的同时，驱动液压压紧机构的液压推杆，进而将超声频微锻造机构的滚柱向下运动，直至压紧在金属工件表面，达到预设的压紧力；金属工件表面在激光加工头的作用下进行激光熔凝加工、形成激光熔凝改性层后，随即利用滚柱对所形成的激光熔凝改性层进行超声频微锻造原位处理，如此直至完成指定区域的复合强化工作；步骤2.2：当选择激光淬火加工模式时，根据激光加工机构中集成的激光淬火工艺数据库，规划激光加工运动轨迹，利用激光加工头对指定的金属工件表面进行表面激光淬火改性处理；在激光加工头工作的同时，驱动液压压紧机构的液压推杆，进而将超声频微锻造机构的滚柱向下运动，直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，其特征在于，包括排水罩、三维运动机构以及复合加工机构；其中：/n所述的排水罩，为上端封闭、下端敞口设置的空腔构件，且排水罩的敞口端配设有排水裙边，而封闭端则分别设置有空气进气口、保护气进气口；/n所述的三维运动机构，悬挂支撑于排水罩内；/n所述的复合加工机构，设置于排水罩内并位于三维驱动机构的下方，包括激光加工机构以及超声频微锻造机构；/n超声频微锻造机构与液压压紧机构的液压推杆连接，在液压推杆的作动下，超声频微锻造机构能够在排水罩内做相对于待加工面的升降运动；/n三维运动机构的动力输出端通过过渡连接板分别与激光加工机构、液压压紧机构连接；/n所述的激光加工机构，集成有两种以上的激光加工模式；激光加工机构通过选定任一激光加工模式，以在待加工面上形成对应的激光改性层；/n所述的液压压紧机构，能够根据激光加工机构所选择的激光加工模式，通过液压推杆施予超声频微锻造机构对应的进给量，调整超声频微锻造机构与待加工面之间的压紧力；/n所述的三维运动机构，带动复合加工机构按照所规划的扫描路径移动，促使激光加工机构在待加工面上形成激光改性层、超声频微锻造机构对激光改性层进行超声频微锻造原位强化。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，其特征在于，包括排水罩、三维运动机构以及复合加工机构；其中：
所述的排水罩，为上端封闭、下端敞口设置的空腔构件，且排水罩的敞口端配设有排水裙边，而封闭端则分别设置有空气进气口、保护气进气口；
所述的三维运动机构，悬挂支撑于排水罩内；
所述的复合加工机构，设置于排水罩内并位于三维驱动机构的下方，包括激光加工机构以及超声频微锻造机构；
超声频微锻造机构与液压压紧机构的液压推杆连接，在液压推杆的作动下，超声频微锻造机构能够在排水罩内做相对于待加工面的升降运动；
三维运动机构的动力输出端通过过渡连接板分别与激光加工机构、液压压紧机构连接；
所述的激光加工机构，集成有两种以上的激光加工模式；激光加工机构通过选定任一激光加工模式，以在待加工面上形成对应的激光改性层；
所述的液压压紧机构，能够根据激光加工机构所选择的激光加工模式，通过液压推杆施予超声频微锻造机构对应的进给量，调整超声频微锻造机构与待加工面之间的压紧力；
所述的三维运动机构，带动复合加工机构按照所规划的扫描路径移动，促使激光加工机构在待加工面上形成激光改性层、超声频微锻造机构对激光改性层进行超声频微锻造原位强化。


2.根据权利要求1所述的水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，其特征在于，所述的激光加工机构包括光纤、激光加工头连接块、激光加工头、保护镜密封模块、红外测温仪；
所述的激光加工头，上端设置光纤，下端则配装保护镜密封模块，侧部通过激光加工头连接块与过渡连接板紧固连接；
所述的红外测温仪，安装在保护镜密封模块上，能够感测激光加工头在待加工面上所形成的激光改性层的温度。


3.根据权利要求2所述的水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，其特征在于，所述保护镜密封模块包括金属壳体以及通过密封胶密封连接在金属外壳内的镜片；所述镜片的厚度为15~20mm。


4.根据权利要求1所述的水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，其特征在于，所述的激光加工机构，集成有三种激光加工模式，分别为激光熔凝加工模式、激光淬火加工模式以及激光表面合金化加工模式。


5.根据权利要求1所述的水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，其特征在于，所述的三维运动机构，包括X轴运动模块、Y轴运动模块、Z轴运动模块；
所述的X轴运动模块，通过排水罩内壁支撑的横梁布置；
所述的Y轴运动模块，与X轴运动模块的动力输出端连接；
所述的Z轴运动模块，与Y轴运动模块的动力输出端连接；而Z轴运动模块的动力输出端则通过过渡连接板分别与激光加工机构、液压压紧机构连接。


6.根据权利要求1所述的水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，其特征在于，所述的液压压紧机构，包括液压缸；液压缸通过液压推杆与超声频微锻造机构固定。


7.根据权利要求1所述的水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，其特征在于，所述的超声频微锻造机构，包括超声换能器、变幅杆、滚柱连接块以及滚柱...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙桂芳，王占栋，倪中华，陈明智，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32