[发明专利]一种光水同轴的激光冲击强化头

说明书

技术领域

本发明属于激光冲击强化领域，具体地说是一种光水同轴的激光冲击强化头。

背景技术

激光冲击强化技术（Laser Shock Peening，LSP）是利用高能量密度（GW/cm²量级），短脉冲（ns）脉冲激光冲击材料，在材料表面产生强烈的激光诱导等离子体。其爆破产生的GPa级冲击波作用于材料表面并向内部传播，使材料表面一定区域内产生塑性变形和复杂的位错结构，形成很大的残余压应力，提高零件的疲劳强度和抗腐蚀能力。目前这一技术已广泛应用于机械制造工程、航空航天、微电子、国防、医疗等各行各业中。

在激光冲击强化过程中，为了抑制等离子体的自由扩散，得到更集中，更长作用时间的冲击波，通常会在激光加工区域添加一层约束层。常用的约束层材料有石英、玻璃、柔性膜和水等，其中水因为成本低、柔性好、不会因碎裂产生残渣、对复杂形状的零件表面适应性强等优点得到了最广泛的使用，但其有一个主要的缺点是水层的刚度不足，难以提供强大的约束力。

现有的水约束层的实现方式主要有两种，一种是将零件放置到水箱里，进行水下加工；另一种是通过外置的水喷嘴在零件表面形成厚度约为2-3mm的流动水幕。这两种方式各有特点，前一种方式能够获得较为平整的约束层界面，加工过程比较稳定，但是加工系统不够灵活，加工范围受到了水箱尺寸的限制，而且每次冲击后需等待水面平复，加工效率较低。而后一种方式简单、灵活性高，但水层厚度不易控制，水幕偏置于激光束一侧，而且其落点距激光光束需要一定距离，因此在处理某些形状的零件时，可能难以达到激光束和水幕的最佳配合点。另外，上述两种水约束层在高冲击频率下，水层容易飞溅，光路中的水珠和水雾对激光形成散射，严重时可能会附着到光学镜片上，损坏光学镜片。

另外从光学的角度上讲，现有的冲击强化设备通常是通过离焦量估算光斑尺寸，误差较大；而且通常对光束缺少约束，常会造成加工表面的激光功率分布发生改变，影响工艺的稳定性。如果要保证功率分布的均匀性则需要添加比较复杂的光束整形设备，而这种设备通常都是非常昂贵的。

发明内容

为了解决现有冲击强化设备存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种光水同轴的激光冲击强化头。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括水喷嘴模块及调焦模块，其中调焦模块的一端与激光冲击强化系统上一级模块相连，调焦模块的另一端与水喷嘴模块的一端连接，水柱由水喷嘴模块的另一端流出；所述调焦模块包括旋钮、外壳、轴承座、旋转螺母、聚焦镜座及聚焦镜，外壳与轴承座相连、形成内部中空结构，旋转螺母可转动地安装在外壳及轴承座连接成的内部空间中，所述聚焦镜座可上下往复移动地连接于旋转螺母内，在聚焦镜座上设有聚焦镜；所述旋钮位于外壳的外部、通过传动机构与旋转螺母相连；所述水喷嘴模块包括下保护镜座、水喷嘴、下保护镜片及进水管，下保护镜座的一端与调焦模块中的轴承座相连，另一端设有下保护镜片，水喷嘴与下保护镜座螺纹连接，在水喷嘴的内壁与下保护镜座另一端之间形成与光腔分隔的水腔，水喷嘴的侧壁上设有进水管，底部开有出口，由出口喷出的水柱与光束同轴。

其中：所述外壳的一端依次连接有水冷座、导向块及上连接法兰，外壳的另一端与轴承座的一端连接，轴承座的另一端与水喷嘴模块相连；所述旋转螺母为中空结构、其一端通过轴承可转动地安装在轴承座内，另一端的内部与聚焦镜座的一端螺纹连接，聚焦镜座的另一端与导向块抵接；在水冷座的外表面设有1～4个水冷块；所述导向块及聚焦镜座上均开有键槽，键槽内设有限制聚焦镜座转动的平键；所述上连接法兰内设有上保护镜片。

所述传动机构包括第一齿轮、第二齿轮、齿轮轴及齿轮轴座，其中齿轮轴座安装在外壳上，齿轮轴的一端设有旋钮，另一端穿过齿轮轴座、连接有第二齿轮；所述第一齿轮安装在旋转螺母上、与第二齿轮相啮合；所述齿轮轴及第二齿轮沿外壳的径向往复移动，在外壳的侧壁上开有供第二齿轮移动通过的孔；所述第二齿轮上设有弹簧压片，在弹簧压片与齿轮轴座之间设有弹簧。

    所述下保护镜片通过下保护镜压环安装在下保护镜座的另一端，光腔与水腔通过下保护镜压环及下保护镜片分隔开；所述下保护镜座与水喷嘴的连接处通过止口定位；所述聚焦镜与聚焦镜座之间及下保护镜座与水喷嘴之间分别设有密封圈。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明采用光水同轴的方式，对冲击强化过程中产生的等离子体进行约束，加工更加灵活，适应性更强。