本发明专利技术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；本发明专利技术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。提高测量的精确度。提高测量的精确度。
【技术实现步骤摘要】
一种激光冲击强化技术的水约束层装置及其测量方法
[0001]本专利技术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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的是：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。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]所述照射点15处测量的水约束层12的厚度范围为1至3mm。
[0013]所述的一种激光冲击强化技术的水约束层装置的测量方法，具体步骤如下：水通过水喷头7喷射在零件表面，形成落水点13，并铺展形成平稳的水约束层12；激光测厚仪5测量水约束层12的厚度，反馈给计算机10；计算机10通过水泵8调节水喷头7喷射的水束的流量大小，从而调节水约束层12的厚度；计算机10通过控制激光器4，将激光脉冲从激光出光口3射出，穿过水约束层12，照射到零件11表面的激光吸收层，产生冲击力；计算机10通过控制零件夹持机器人1和水喷头机器人2的姿态及位置，调节落水点13、照射点15和光斑14之间相对位置，既实现了对零件表面的逐点激光冲击强化，又实现了激光测厚仪5对水约束层12的同步测量。
[0014]所述水约束层12的厚度是通过取5至10次瞬时测量值的平均值，相邻两次测量的时间间隔为1～10s，并剔除幅值大于平均值50％的异常测量值。
[0015]本专利技术的优点是：
[0016]其一，本项目采用激光测厚仪测量水约束层的厚度，可根据厚度动态调节水泵的流量和机器人的姿态，调整水在零件表面的铺展情况，减少因厚度变化导致的水约束层被击穿的现象。
[0017]其二，本项目采用计算机控制零件夹持机器人和水喷头机器人的姿态和位置，控制水流的落水点、激光测厚仪的照射点与激光脉冲的光斑三者之间相对距离，确保激光测厚仪的照射点和激光脉冲的光斑上覆盖的水约束层流速稳定，厚度均匀，既有利于测量，又有利于提高激光冲击强化效果。
[0018]其三，激光测厚仪是一种无损测量方法，基于光的折射原理，通过光电转换器，获得实时的水约束层的厚度信息，具有非破坏、精度高、准确性好、效率高等优点。
[0019]研究结果表明，采用该方法后，平板零件表面形成1至～3mm厚度的水约束层，厚度波动不大于
±
0.5mm，激光冲击强化后，零件表面5个测量点的残余压应力层深度达到约1
±
0.15mm，表现出良好的残余压应力分布均匀性。
附图说明
[0020]图1本专利技术装置示意图
具体实施方式
[0021]下面结合附图对本专利技术进一步说明：
[0022]如图1所示，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。
[0023]所述落水点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。
[0024]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。
[0025]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；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。
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光冲击强化技术的水约束层装置，其特征在于：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。2.如权利要求1所述的激光冲击强化技术的水约束层装置，其特征在于：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)之间的距离为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)。3.如权利要求1所述的激光冲击强化技术的水约束层装置，其特征在于：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
...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗学昆，王欣，王强，宋颖刚，马世成，许春玲，宇波，于洋，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：
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