[发明专利]一种激光冲击强化装置及方法

说明书

本发明涉及金属表面处理，一种激光冲击强化装置，其包括高重频低能量激光器、导光装置、聚焦装置、约束层加载装置和金属零件；所述导光装置一端连接所述高重频低能量激光器、另一端连接所述聚焦装置；所述约束层加载装置在所述金属零件表面形成约束层；所述聚焦装置输出的光斑穿过所述约束层作用于所述金属零件表面。本发明采用的高重频低能量激光冲击强化方法，频率较高，加工效率有很大提高。

技术领域

本发明属于金属表面处理领域，具体涉及一种激光冲击强化方法及装置。

背景技术

激光冲击强化技术又称为激光喷丸，是利用短脉冲(ns级)，高峰值功率密度(10⁹W/cm²以上)激光透过约束层冲击覆盖在金属表面的激光吸收保护膜，产生高压瞬态等离子体冲击波，高达GPa的冲击波压力使得金属材料表层发生高应变塑性变形，形成很大的残余压应力，同时微观组织发生很大的变化，能显著提高金属材料抗外力损伤、抗腐蚀等疲劳性能的表面处理技术。

目前激光冲击强化方法多采用大能量纳秒激光进行激光冲击强化，据查资料，目前大能量激光冲击强化最大的重复频率为20Hz，激光冲击强化效率较低。

发明内容

本发明的目的是至少解决激光冲击强化效率低的问题。该目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种激光冲击强化装置，其包括高重频低能量激光器、导光装置、聚焦装置、约束层加载装置和金属零件；所述导光装置一端连接所述高重频低能量激光器、另一端连接所述聚焦装置；所述约束层加载装置在所述金属零件表面形成约束层；所述聚焦装置输出的光斑穿过所述约束层作用于所述金属零件表面。

根据本发明实施例的激光冲击强化装置，采用高重频低能量激光进行冲击强化，激光器的重复频率在10kHz级别时，频率较高，加工效率得到很大提高；高重频达到10kHz，聚焦光斑按0.2mm计算，每小时加工面积11304cm²，高能量激光冲击强化按目前最大频率20Hz，光斑3mm计算，每小时加工5086.8cm²。加工效率提升1倍。结合激光强化效果，本发明实施例一定程度上可以替代喷丸。从成本来看，低能量高重频的激光器价格只有大能量激光器的二分之一，甚至更低。所以加工成本会大大降低。

另外本发明实施例的高重频低能量激光器相对于通常激光冲击强化设备中高能量固体激光器，体积重量方面大大的减小，便于运输，提高了激光冲击强化的应用范围。

此外，相对于传统的高能量低重频激光进行激光冲击强化，本发明实施例是另外一种进行激光冲击强化的途径和方法。

另外，根据本发明实施例的激光冲击强化装置，还可具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述高重频低能量激光器，工作频率大于100Hz，脉宽在ns级别，能量小于1J。工作频率大于100Hz，既能达到激光冲击强化的效果，又能提升工作效率。

在本发明的一些实施例中，所述导光装置为光纤，所述光纤与聚焦装置之间设有整形装置，所述整形装置与所述聚焦装置一体化设置组成整形聚焦装置。光纤传输相对于透镜传输方式更加灵活性。透镜传输激光，激光只能沿着直线传输，在激光加工领域，要求光束沿复杂路径对工件进行加工操作时，很多时候实现不了，但是光纤就可以解决这个问题。

在本发明的一些实施例中，所述聚焦装置安装在运动夹持装置上。运动夹持装置在支撑聚焦装置的同时，能使其在不同角度、方向上进行位置调整，使聚焦的光斑工作角度更加灵活。

在本发明的一些实施例中，所述金属零件安装在零件运动装置上。零件运动装置在固定金属零件的同时，可以使金属零件平移或旋转。

在本发明的一些实施例中，所述约束层加载装置采用水光一体式加载装置。