[发明专利]一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法

说明书

本发明公开一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法，装置包括激光发生模块、激光光路传导模块、激光入射角度调控模块、激光聚焦模块、曲面轨迹扫描模块、温度测量模块、控制装置和载物台。本发明相比于现有激光冲击强化装置及方法而言可实现作用在曲面零件表面的激光冲击波方向始终为法线方向，且在冲击强化过程中激光的焦距保持恒定，避免了因异形曲面轮廓而导致的曲面零件各部分激光冲击作用能量不一致等不利影响。曲面轨迹扫描、激光冲击强化、温度测量同时进行，并通过结合温度反馈信号与人工智能深度学习方法提高激光冲击表层强化的精度，实现均匀一致、有效改善零件表层残余压应力分布的强化效果。

技术领域

本发明涉及激光冲击表层强化技术领域，特别是指一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法。

背景技术

激光冲击强化技术是利用高峰值功率密度的脉冲激光作用于金属靶材表面的吸收层上，产生受约束的高压等离子体冲击波在材料表层产生微小爆炸，使金属材料表层产生塑性变形以及位错结构，获得表层残余压应力，从而提高金属材料的表面硬度、抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力，对提升高端装备关键构件的抗疲劳性能、抗应力腐蚀性能、抗冲击性能等具有重要意义。

目前激光冲击强化技术所使用的方法多为由激光器发射的激光束作用在零件表面的一个点位，零件安装在运动装置上并跟随其进行单方向移动以实现冲击点位的变化，例如：①申请公开号为CN110846486A的发明专利中公开了一种适用于板状试样激光喷丸强化装置，其设计装置多用于平面类零件的激光冲击强化，而对于异形曲面零件则难以达到均匀、恒定的冲击效果。为了提升对异形曲面零件的激光冲击强化效果，逐渐设计出一些新的装置与方法，例如：②申请公布号为CN110157895A的发明专利中公开了一种激光冲击强化装置及方法，采用光纤作为导光装置，同时配合关节式机械臂等运动夹持装置来实现激光束沿复杂路径对工件进行加工操作；以及③申请公开号为CN110732777A的发明专利中公开了一种双机器人联动的无干涉激光冲击强化方法，通过使用两台机器人辅助完成空间协同运动，实现复杂曲面的激光冲击强化。但上述装置都大大增加了成本，同时上述发明中也未能实现针对零件异形曲面轨迹的扫描识别功能。④授权公告号为CN109136526B的发明专利中公开了一种激光冲击强化曲面结构的方法，针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，但该方法对激光器的性能参数提出较高要求，影响其通用性，且缺少相关能量监测系统进行闭环反馈调节。⑤申请公开号为CN110802226A的发明专利中公开了一种激光熔融沉积和激光冲击强化复合制造装置及方法，采用在线监控系统采集制造过程中的相关能场信息，但未详细介绍如何实现针对复杂曲面零件的精准化激光冲击强化方法。此外，一些测量及扫描技术也逐渐应用于曲面零件的激光冲击强化装置中，例如：⑥授权公告号为CN107525464B的发明专利中公开了两维激光光路齿轮测量装置，通过激光干涉测量系统与相关部件的运动控制相结合，实现针对齿轮零件的特征测量。⑦授权公告号为CN109750151B的发明专利中公开了一种立体式激光冲击强化装置，先将工件扫描成三维模型，激光束沿着计算所得的路径，完成对工件的表面冲击强化；以及⑧申请公开号为CN110205478A的发明专利中公开了一种扫描式激光冲击强化装置，通过一维扫描振镜和运动夹持装置两者角度的配合，便于对复杂曲面的金属零件进行激光冲击强化加工。但上述专利中都未说明如何实现作用在曲面零件表面的激光入射冲击方向始终保持为曲面的法线方向，所涉及的装置也未能实现将轮廓扫描、激光冲击强化、实时温度测量三者同时进行。

上述专利在实际生产中均有一定局限性，主要体现在装置成本高、对激光器的性能要求高等方面；此外，现有专利均未详细说明如何实现作用在曲面零件表面的激光入射冲击方向始终保持为曲面的法线方向，以及如何实现将轮廓扫描、激光冲击强化、实时温度测量三者同时进行以达到均匀、恒定的冲击强化效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光冲击表层强化曲面零件的装置及方法，可以实现作用在曲面零件表面的激光入射冲击方向始终保持为曲面的法线方向，将轮廓扫描、激光冲击强化、实时温度测量三者同时进行以达到均匀、恒定的冲击强化效果。