一种光水同轴的激光冲击强化头

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一种光水同轴的激光冲击强化头\n技术领域\n[0001] 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。\n背景技术\n[0002] 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。\n[0003] 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。\n[0004] 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。\n[0005] 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。\n发明内容\n[0006] 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。\n[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：\n[0008] 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。\n[0009] 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。\n[0010] 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。\n[0011] 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。\n[0012] 本发明的优点与积极效果为：\n[0013] 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。\n[0014] 2．本发明可以通过调焦模块对聚焦镜焦平面到水喷嘴出口之间的距离进行调节，进而实现水柱长度的调节来匹配不同的工艺需求。\n[0015] 3．本发明可以通过调整水的流态和焦点位置，利用水柱的全反射约束和整形激光光束。\n[0016] 4．本发明可以利用水流的动能提高对等离子体的约束效果，提高激光冲击的效率。\n附图说明\n[0017] 图1为本发明的外部结构示意图；\n[0018] 图2为本发明的内部结构剖视图；\n[0019] 图3为本发明水喷嘴模块的结构示意图；\n[0020] 图4为本发明调焦模块的结构示意图；\n[0021] 图5为本发明全反射光束整形的示意图之一；\n[0022] 图6为本发明全反射光束整形的示意图之二；\n[0023] 图7为图6的局部放大图；\n[0024] 其中：1为上连接法兰，2为导向块，3为水冷座，4为水冷块，5为旋钮，6为外壳，7为轴承座，8为下连接法兰，9为下保护镜座，10为水喷嘴，11为进水管，12为螺纹压环，13为上保护镜片，14为密封圈，15为旋转螺母，16为聚焦镜座，17为第一齿轮，18为齿轮背母，\n19为滚针轴承，20为下保护镜压环，21为下保护镜片，22为出口，23为第二齿轮，24为齿轮轴座，25为齿轮轴，26为弹簧，27为弹簧压片，28为聚焦镜螺纹压环，29为压圈，30为聚焦镜，31为平键，32为水柱。\n具体实施方式\n[0025] 下面结合附图对本发明作进一步详述。\n[0026] 如图1、图2所示，本发明包括上连接法兰1、导向块2、水冷座3、调焦模块、下连接法兰8及水喷嘴模块，调焦模块包括外壳6、轴承座7、旋转螺母15、聚焦镜座16、聚焦镜30、压圈29、聚焦镜螺纹压环28、旋钮5及传动机构，水喷嘴模块包括下保护镜座9、水喷嘴10、下保护镜压环20、下保护镜片21及进水管11。其中上连接法兰1、导向块2、水冷座3、外壳\n6、轴承座7、下连接法兰8、下保护镜座9依次通过螺钉相连、并用销钉定位，形成内部中空结构，水喷嘴10与下保护镜座9螺纹连接；上连接法兰1的一端与导向块固接，另一端与激光冲击强化系统上一级模块相连，在上连接法兰1的内壁上制有内螺纹，并在止口处安装有上保护镜片13，该上保护镜片13通过与上连接法兰1螺纹连接的螺纹压环12固定，螺纹压环12与上保护镜片13之间由密封圈14密封。水喷嘴10的下方为加工平面。\n[0027] 如图3所示，下保护镜座9的一端通过下连接法兰8与调焦模块中的轴承座7相连，另一端通过下保护镜压环20安装有下保护镜片21，下保护镜压环20与下保护镜片21之间设有密封圈14。下保护镜座9的另一端插入水喷嘴10内、与水喷嘴10螺纹连接，连接处通过止口定位，保证定心精度，并在下保护镜座9与水喷嘴10之间用密封圈14密封。在水喷嘴10的内壁与下保护镜座9的另一端及下保护镜压环之间形成水腔，下保护镜片21之上为光腔，水腔与光腔通过下保护镜压环20及密封圈14分隔开。水喷嘴10的侧壁上设有进水管11，底部开有出口22，去离子水由进水管11进入水腔，然后从出口22沿光束喷出，水流速度和流态可以通过调节进水流量和压力进行调节，保证水流动的顺畅，无紊流；\n由出口22喷出的水柱32与光束的光轴同轴。\n[0028] 如图4所示，外壳6与轴承座7连接成调焦模块的壳体，旋转螺母15为中空结构、其一端通过滚针轴承19可转动地安装在外壳6及轴承座7连接成的内部空间中，滚针轴承\n19可以保证旋转螺母15的同心度和顺畅程度；旋转螺母15的另一端设有与外壳6相连的水冷座3，水冷座3的外表面安装有1～4个相互独立的水冷块4，保证强化头可以进行连续加工。聚焦镜座16螺纹连接在旋转螺母另一端的内部，聚焦镜座16的下端设有聚焦镜\n30，聚焦镜30的下方设有压圈29，聚焦镜30及压圈29通过与聚焦镜座16下端螺纹连接的聚焦镜螺纹压环28固定；在聚焦镜30与聚焦镜座16之间设有密封圈14。聚焦镜30的上端外表面设有导向块2，导向块2及聚焦镜座16上均开有键槽，键槽内设有限制聚焦镜座\n16转动的平键31。在旋转螺母15旋转的同时，聚焦镜座16可沿导向块2上下升降，导向块2可保证旋转螺母15在旋转时的同轴度。旋钮5位于外壳6的外部，通过传动机构与旋转螺母15相连，并使旋转螺母15旋转。传动机构包括第一齿轮17、齿轮背母18、第二齿轮\n23、齿轮轴25、齿轮轴座24、弹簧26及弹簧压片27，第一齿轮17通过螺纹副及齿轮背母18固定在旋转螺母15上、位于滚针轴承19的上方，外壳6的侧壁上开有孔，齿轮轴座24固接在外壳6的外表面上、将所述孔密封，齿轮轴25的一端设有旋钮5，另一端由齿轮轴座24穿过、与第二齿轮23相连，第二齿轮23与第一齿轮17相啮合。齿轮轴25及第二齿轮23可沿外壳6的径向往复移动，第二齿轮23上设有弹簧压片27，在弹簧压片27与齿轮轴座24之间设有使齿轮轴25复位的弹簧26。\n[0029] 本发明的工作原理为：\n[0030] 如图2及图5～7所示，去离子水由进水管11进入水腔，并由水喷嘴10底部的出口喷出；激光光束经上保护镜片13照射在聚焦镜30上，光束经过聚焦镜30的聚焦后，部分光束通过下保护镜片21射到水柱32上，而后经过全反射被限制在水柱约束的区域内。当工艺需要水柱直径在0.5～1.5mm、水柱长度（加工平面到水喷嘴下表面之间的距离）为15～\n20mm时，激光可以在水柱中实现多次反射，进而实现光束的均场和光斑尺寸的控制。为适应具体工艺，可以通过调节聚焦镜焦平面到水喷嘴出口之间的距离，进而调节合适的水柱长度，保证加工可以在水流状态最好的位置进行，具体为：沿外壳6的径向向内推动旋钮5及齿轮轴25，使第二齿轮23与第一齿轮17啮合；转动旋钮5，通过齿轮轴25带动第二齿轮23转动，进而使第一齿轮17带动旋转螺母15转动；由于平键31的限制，与旋转螺母15螺纹连接的聚焦镜座16在旋转螺母15旋转的同时上下升降，调整聚焦镜30的焦平面到水喷嘴\n10的出口之间的距离。选择好后，停止转动旋钮5并松开，通过弹簧26的弹力复位。\n[0031] 水喷嘴的出口可以制造不同的口径，以适应不同工艺的需要。\n[0032] 本发明通过光水同轴的方式减小现有水约束层施加方式引起的参数波动，提高加工的稳定性和灵活性。同时，利用光束从水面射入空气时的全反射实现激光束的约束和整形。最后，利用水的动能加强水约束层的约束效果。通过上述三个方面提高激光冲击强化的效果，降低其实施自动化、工厂化生产的难度。