本发明专利技术提供了本发明专利技术提供了一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，包括同步装置、激光装置、超声冲击装置、工作平台和控制系统；所述上壳体通过第二液压缸支撑在底座上；所述支承梁通过第二液压缸安装在上壳体底部，所述限位滑轨通过第一液压缸安装在上壳体底部；2个所述超声冲击装置通过同步装置连接，用于所述超声冲击装置同步移动和同步转动；所述激光装置用于产生激光束穿过上壳体所述照射在工件表面；所述控制系统控制所述激光装置延时于超声冲击装置进行激光冲击。本发明专利技术调节超声冲击装置的起始时间、旋转角度与速度，实现超声波方向与波阵面位置的动态控制，实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合。冲击波和超声冲击波实时耦合。冲击波和超声冲击波实时耦合。
【技术实现步骤摘要】
一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合装置及方法
[0001]本专利技术涉及激光加工
，特别涉及一种实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合的装置及方法。
技术介绍
[0002]激光冲击技术，利用纳秒脉冲激光与材料相互作用产生的冲击波，实现金属材料表面强化与成形加工。但单一激光束诱导的冲击波压力幅值低、时间短，导致零件表面残余压应力幅值低、晶粒细化程度低，强化/成形效果及其可控性较差。
[0003]中国专利技术专利提出了一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法，该专利技术专利将激光冲击强化技术与振动时效处理相结合，使表层晶粒细化、内部残余应力均匀化。但存在以下缺点：(1)采用激振器对试样整体进行时效处理，无法实现局部区域强化处理；(2)激光冲击与振动时效分开，无法改善激光冲击波压力幅值低、时间短的技术缺陷，塑性变形与残余压应力低，强化效果较差。
[0004]中国专利技术专利提出了一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，该专利技术专利实现了超声振动波和激光冲击波同轴传播，促进材料的动态再结晶行为，使材料表面获得超细晶粒。该专利技术虽然实现了超声冲击波和激光冲击波的同轴传播，但由于激光冲击波传播速度远高于超声冲击波的传播速度，因此该专利技术无法实现激光冲击波与超声冲击波的实时耦合，因此无法改善激光冲击波压力幅值低、时间短的技术缺陷，塑性变形与残余压应力较低。
[0005]中国专利技术专利提出了一种获取超细晶表层的超声辅助激光喷丸方法，该方法利用超声诱导高频振动波，在激光冲击波传播路径上形成周期性原子密集区域和疏松区域，促进材料晶粒细化，形成超细晶表层。该专利技术可以在激光冲击波传播路径上形成原子密集区域和疏松区域，促进晶粒细化，但存在以下缺点：(1)无法弥补激光冲击波与超声冲击波的传播速度差，不能实现激光冲击波与超声冲击波实时耦合，导致激光冲击波路径上存在周期性的原子疏松区；(2)原子疏松区会降低激光冲击波压力幅值，虽可以促进晶粒细化，但会降低塑性变形与残余压应力，进而削弱强化效果。
[0006]中国专利技术专利提出了一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法，该专利技术专利通过施加超声振动防止激光喷丸强化后冲击区域产生凹凸不平，超声振动与激光冲击波相互作用，可以在材料表面形成合理的残余压应力分布。但是该专利技术无法弥补激光冲击波与超声冲击波的传播速度差，不能实现激光冲击波与超声冲击波实时耦合，无法改善激光冲击波压力幅值低、时间短的技术缺陷，塑性变形与残余压应力较低。
技术实现思路
[0007]针对现有技术无法弥补激光冲击波与超声冲击波的传播速度差、不能实现激光冲击波与超声冲击波实时耦合的技术缺陷，本专利技术提供了一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置及方法，通过调节超声冲击装置的起始时间、旋转角度与速度，实现超声波方
向与波阵面位置的动态控制，进而弥补超声波与激光冲击波的传播速度差，最终实现激光冲击波和超声冲击波实时耦合，有效改善激光冲击波压力幅值低、时间短的技术缺陷，进而增加金属材料组织/应力强化或成形加工效果。
[0008]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0009]一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，包括同步装置、激光装置、超声冲击装置、工作平台和控制系统；
[0010]所述工作平台包括上壳体、第一液压缸、第二液压缸、限位滑轨和底座，所述底座上装夹可水平移动的工件，所述上壳体通过第二液压缸支撑在底座上；所述支承梁通过第二液压缸安装在上壳体底部，2个所述支承梁通过滑动副与限位滑轨连接，所述限位滑轨通过第一液压缸安装在上壳体底部；任一所述支承梁上设有传递桩；2个所述超声冲击装置安装在上壳体内，且2个所述超声冲击装置通过同步装置连接，用于所述超声冲击装置同步移动和同步转动；所述激光装置用于产生激光束穿过上壳体所述照射在工件表面；所述控制系统控制所述激光装置延时于超声冲击装置进行激光冲击，用于实现实时耦合。
[0011]进一步，所述同步装置包括驱动装置、齿条、第一滑动装置、第二滑动装置、摆动液压缸和液压系统；2个所述第一滑动装置分布在上壳体内，每个所述第一滑动装置上滑动安装摆动液压缸，所述摆动液压缸的输出轴直接或间接与超声冲击装置连接，所述液压系统用于同步控制2个所述摆动液压缸的转动；2个所述第二滑动装置安装在壳体内，每个所述第二滑动装置上滑动安装齿条，所述驱动装置输出端安装外齿轮，所述外齿轮分别与2个所述齿条啮合；每个所述齿条一端内安装轴承，所述摆动液压缸的输出轴穿过轴承，通过齿条的同步移动使所述摆动液压缸同步移动。
[0012]进一步，所述超声冲击装置包括冲击头、变幅杆和换能器；所述换能器直接或者间接与所述摆动液压缸的输出轴传动连接，所述换能器底部安装变幅杆，所述变幅杆末端安装冲击头，通过第一液压缸使冲击头与传递桩高副接触，通过同步装置使冲击头绕传递桩圆心转动。
[0013]进一步，设所述冲击头与工件表面之间初始夹角为α1，冲击头与工件表面之间终止夹角为α
n
，冲击头在初始夹角与终止夹角之间冲击n次，在超声冲击装置工作
△
T时间后，所述控制系统控制所述激光装置进行激光冲击，其中
△
T表达式为：
[0014][0015][0016]其中：S为两个所述传递桩的中心距；
[0017]α
i
为第i次冲击时所述冲击头与工件表面之间夹角，1＜i≤n；
[0018]R为所述传递桩；
[0019]L为超声冲击装置的总长度；
[0020]V
L
为激光冲击波在工件中的传播速度；
[0021]V
U1
为超声冲击波在工件内部和传递桩中的传播速度；
[0022]V
U2
为超声冲击波在变幅杆和振动头中的传播速度。
[0023]进一步，所设冲击头旋转角速度ω的表达式为：
[0024][0025]进一步，所述传递桩的材质与工件相同或近似，用于避免超声冲击波在传播过程中发生折射。
[0026]进一步，所述齿条上安装电磁装置，用于锁定齿条在第二滑动装置上的位置。
[0027]一种的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置的强化方法，包括如下步骤：
[0028]激光装置发出激光对工件进行预热；
[0029]所述控制系统控制同步装置使2个所述超声冲击装置同步转动，用于使超声冲击装置与工件表面夹角为α1；
[0030]调节2个传递桩的中心距离，通过第一液压缸调节传递桩高度和通过同步装置使2个所述超声冲击装置同步相向移动，使超声冲击装置的冲击头与传递桩接触并且压紧；
[0031]通过控制第二液压缸压缩，使传递桩与工件接触并且压紧；
[0032]工件表面覆盖约束层；
[0033]控制所述超声冲击装置释放超声冲击波，摆动液压缸使所述超声冲击装置转动，所述超声冲击装置在转动范围内释放n次超声冲击波；
[0034]在超声冲击装置工作
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，包括同步装置、激光装置、超声冲击装置、工作平台和控制系统；所述工作平台包括上壳体(6)、第一液压缸(5)、第二液压缸(12)、限位滑轨(3)和底座(13)，所述底座(13)上装夹可水平移动的工件(1)，所述上壳体(6)通过第二液压缸(12)支撑在底座(13)上；所述支承梁(9)通过第二液压缸(12)安装在上壳体(6)底部，2个所述支承梁(9)通过滑动副与限位滑轨(3)连接，所述限位滑轨(3)通过第一液压缸(5)安装在上壳体(6)底部；任一所述支承梁(9)上设有传递桩(4)；2个所述超声冲击装置安装在上壳体(6)内，且2个所述超声冲击装置通过同步装置连接，用于所述超声冲击装置同步移动和同步转动；所述激光装置用于产生激光束穿过上壳体(6)所述照射在工件(1)表面；所述控制系统控制所述激光装置延时于超声冲击装置进行激光冲击，用于实现实时耦合。2.根据权利要求1所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，所述同步装置包括驱动装置、齿条、第一滑动装置、第二滑动装置、摆动液压缸(25)和液压系统；2个所述第一滑动装置分布在上壳体(6)内，每个所述第一滑动装置上滑动安装摆动液压缸(25)，所述摆动液压缸(25)的输出轴直接或间接与超声冲击装置连接，所述液压系统用于同步控制2个所述摆动液压缸(25)的转动；2个所述第二滑动装置安装在壳体(6)内，每个所述第二滑动装置上滑动安装齿条，所述驱动装置输出端安装外齿轮(19)，所述外齿轮(19)分别与2个所述齿条啮合；每个所述齿条一端内安装轴承(24)，所述摆动液压缸(25)的输出轴穿过轴承(24)，通过齿条的同步移动使所述摆动液压缸(25)同步移动。3.根据权利要求2所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，所述超声冲击装置包括冲击头(32)、变幅杆(33)和换能器；所述换能器直接或者间接与所述摆动液压缸(25)的输出轴传动连接，所述换能器底部安装变幅杆(33)，所述变幅杆(33)末端安装冲击头(32)，通过第一液压缸(5)使冲击头(32)与传递桩(4)高副接触，通过同步装置使冲击头(32)绕传递桩(4)圆心转动。4.根据权利要求3所述的激光冲击波和超声冲击波实时耦合强化装置，其特征在于，设所述冲击头(32)与工件(1...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵曜民，孟宪凯，周建忠，鲁金忠，黄舒，蔡杰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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