一种水光同轴超快激光冲击强化装置的制作方法

本发明涉及激光冲击强化，尤其涉及一种水光同轴超快激光冲击强化装置。

背景技术：

1、激光冲击强化技术是一种利用高能激光诱导等离子体冲击波来改善金属材料表层力学性能的先进制造工艺，近年来在航空航天、汽车制造及精密模具等领域得到了广泛关注与应用。

2、例如中国发明专利cn113579969a，公开了一种激光冲击强化与机械抛光相结合的表面强化装置及方法，激光冲击强化设备和机械抛光设备相对安装，且均位于机械臂的伸缩范围之内，水循环组件与激光冲击强化设备安装在同一侧，激光冲击强化设备在水循环组件的配合下，用于对工件进行冲击强化操作，虽然上述现有技术将激光冲击强化工位与机械抛光工位集成在一起，通过机械臂实现工件的移动，在激光冲击强化后对工件表面进行机械抛光的微量加工，即可以较好的保留残余压应力层，又可以获得良好的表面质量，但是采用傍轴喷水方式，通过喷头在工件表面喷洒冷却水以形成流动水幕作为约束层，由于水流并非与激光束同轴输出，而是以一定夹角侧向冲击工件表面，极易在激光作用区域产生边缘湍流、水膜厚度不均及局部飞溅现象，导致水层覆盖稳定性差、约束效果不可控，同时，飞溅的水滴易侵入激光光路，附着在聚焦透镜或反射镜表面，不仅造成激光散射与能量损耗，严重时还会引发光学元件的热损伤，降低了加工质量与系统运行的可靠性。

3、因此，需要设计一种水光同轴超快激光冲击强化装置。

技术实现思路

1、为了克服非同轴侧喷易致湍流、水膜不均及飞溅，污染光路、损及光学元件，导致加工可靠性差的缺点，本发明提供一种水光同轴超快激光冲击强化装置。

2、本发明的技术实施方案是：一种水光同轴超快激光冲击强化装置，包括有机架、超快激光发生机构、水光同轴耦合机构、光束传输与整形机构、水压调控机构、动态水约束层厚度控制机构和多轴运动机构，机架上设有超快激光发生机构、水光同轴耦合机构、水压调控机构、动态水约束层厚度控制机构和多轴运动机构，水光同轴耦合机构上设有光束传输与整形机构，光束传输与整形机构与超快激光发生机构光路耦合，水光同轴耦合机构设置于光束传输与整形机构的出光端，水压调控机构与水光同轴耦合机构流体连通，多轴运动机构位于水光同轴耦合机构下方。

3、此外，特别优选的是，水光同轴耦合机构包括有支撑架、耦合腔体、喷嘴、激光入射口和高压去离子水入口，机架内部固定设有支撑架，支撑架内部固定设有耦合腔体，耦合腔体底部固定设有喷嘴，耦合腔体外部左侧固定设有激光入射口，耦合腔体外部右侧固定设有高压去离子水入口。

4、此外，特别优选的是，光束传输与整形机构包括有扩束镜、反射镜组和聚焦透镜，支撑架顶部沿光路方向依次设有扩束镜、反射镜组和聚焦透镜。

5、此外，特别优选的是，水压调控机构包括有水箱、高压水泵、进水管、第一电磁阀、排水管、第二电磁阀、连通管、压力传感器和流量调节阀，机架内部固定设有水箱，水箱顶部安装有高压水泵，水箱外部右侧固定设有进水管和排水管，进水管上安装有第一电磁阀，排水管上安装有第二电磁阀，水箱与高压去离子水入口之间连接有连通管，连通管上安装有压力传感器和流量调节阀。

6、此外，特别优选的是，多轴运动机构包括有固定框、连接块、支撑板、第一电动滑轨、第一电动滑块、第二电动滑轨、第二电动滑块、第三电动滑轨、第三电动滑块、固定板、转块、第一电机、放置盘和第二电机，机架内底部四角处固定设有固定框，固定框内部滑动连接有连接块，连接块顶部之间固定设有支撑板，机架内底部左右两侧安装有第一电动滑轨，第一电动滑轨上滑动安装有第一电动滑块，第一电动滑块前侧之间与支撑板连接，支撑板顶部前后两侧安装有第二电动滑轨，第二电动滑轨上滑动安装有两个呈左右对称分布的第二电动滑块，左右同侧的两个第二电动滑块之顶部间安装有第三电动滑轨，第三电动滑轨上滑动安装有第三电动滑块，两个第三电动滑块顶部之间固定设有固定板，固定板内部转动连接有转块，固定板左侧安装有第一电机，第一电机输出轴与转块连接，转块底部转动连接有放置盘，放置盘位于喷嘴下方，转块内部安装有第二电机，第二电机输出轴与放置盘连接。

7、此外，特别优选的是，动态水约束层厚度控制机构包括有光学水膜测厚传感器和控制器，机架外部安装有控制器，喷嘴上安装有光学水膜测厚传感器，超快激光发生机构、高压水泵、第一电磁阀、排水管、第二电磁阀、压力传感器、流量调节阀、第一电动滑轨、第一电动滑块、第二电动滑轨、第二电动滑块、第三电动滑轨、第三电动滑块、第一电机、第二电机和光学水膜测厚传感器与控制器电性连接。

8、此外，特别优选的是，还包括有在线监控机构，支撑板上设有在线监控机构，在线监控机构包括有等离子体光谱诊断传感器和声学信号传感器，支撑板顶部安装有等离子体光谱诊断传感器和声学信号传感器，等离子体光谱诊断传感器和声学信号传感器与控制器电性连接。

9、此外，特别优选的是，水光同轴耦合机构还包括有水柱稳定器，水柱稳定器为设置于喷嘴出口端外侧的同轴环形气体护罩，并连接有高压气源。

10、此外，特别优选的是，还包括有冷却循环机构，冷却循环机构与水压调控机构的高压水泵流体连通。

11、此外，特别优选的是，超快激光发生机构的输出光路上还设置有光闸和能量衰减器。

12、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

13、1、通过超快激光经扩束、反射及聚焦后由激光入射口进入耦合腔体，同时高压水泵将加压去离子水由高压去离子水入口送入，二者在腔内同轴汇流后经喷嘴喷出形成水光同轴复合束，避免傍轴喷水的湍流、水膜不均及飞溅污染，达到水层稳定、约束可控、光路洁净的效果。

14、2、本发明通过设置多轴运动机构，第一电动滑轨、第二电动滑轨和第三电动滑分别驱动第一电动滑块、第二电动滑块和第三电动滑块实现放置盘纵向、横向和深度的调节，并配合第一电机驱动转块旋转完成工件水平角度调节、第二电机驱动放置盘自转实现角度微调，使工件待加工面始终与喷嘴保持准确相对位置，提升复杂曲面工件的加工精度，保障加工质量稳定可控。

15、3、本发明通过光学水膜测厚传感器实时采集喷嘴喷出的水约束层厚度数据并反馈至控制器，控制器根据实测厚度动态调节高压水泵输出功率与流量调节阀开合幅度，实时修正高压水流量与压力，同时压力传感器实时采集水路压力数据，配合流量调节阀实现水压的闭环稳定控制，达到水约束层厚度始终维持在工艺标准范围内、冲击波压力稳定均匀、材料表层改性效果一致的效果。

1.一种水光同轴超快激光冲击强化装置，包括有机架（1）和超快激光发生机构（2），机架（1）上设有超快激光发生机构（2），用于输出飞秒级超快激光束，其特征在于，还包括有水光同轴耦合机构（3）、光束传输与整形机构（4）、水压调控机构（5）、动态水约束层厚度控制机构（6）和多轴运动机构（7），机架（1）上设有水光同轴耦合机构（3）、水压调控机构（5）、动态水约束层厚度控制机构（6）和多轴运动机构（7），水光同轴耦合机构（3）上设有光束传输与整形机构（4），光束传输与整形机构（4）用于对激光束进行扩束、准直和聚焦，光束传输与整形机构（4）与超快激光发生机构（2）光路耦合，水光同轴耦合机构（3）设置于光束传输与整形机构（4）的出光端，水压调控机构（5）与水光同轴耦合机构（3）流体连通，水压调控机构（5）用于调节并维持去离子水柱的压力，动态水约束层厚度控制机构（6）用于根据水膜厚度信号调节水压调控单元的输出压力，控制水约束层厚度，多轴运动机构（7）位于水光同轴耦合机构（3）下方，用于承载待强化工件并实现工件与水光同轴耦合机构（3）之间的相对运动。

2.如权利要求1所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，水光同轴耦合机构（3）包括有支撑架（301）、耦合腔体（302）、喷嘴（303）、激光入射口（304）和高压去离子水入口（305），机架（1）内部固定设有支撑架（301），支撑架（301）内部固定设有耦合腔体（302），耦合腔体（302）底部固定设有喷嘴（303），耦合腔体（302）外部左侧固定设有激光入射口（304），耦合腔体（302）外部右侧固定设有高压去离子水入口（305）。

3.如权利要求2所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，光束传输与整形机构（4）包括有扩束镜（401）、反射镜（402）组和聚焦透镜（403），支撑架（301）顶部沿光路方向依次设有扩束镜（401）、反射镜（402）组和聚焦透镜（403）。

4.如权利要求3所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，水压调控机构（5）包括有水箱（501）、高压水泵（502）、进水管（503）、第一电磁阀（504）、排水管（505）、第二电磁阀（506）、连通管（507）、压力传感器（508）和流量调节阀（509），机架（1）内部固定设有水箱（501），水箱（501）顶部安装有高压水泵（502），水箱（501）外部右侧固定设有进水管（503）和排水管（505），进水管（503）上安装有第一电磁阀（504），排水管（505）上安装有第二电磁阀（506），水箱（501）与高压去离子水入口（305）之间连接有连通管（507），高压水泵（502）将水箱（501）中的水体加压，形成稳定高压水流，经连通管（507）送至高压去离子水入口（305），连通管（507）上安装有压力传感器（508）和流量调节阀（509）。

5.如权利要求4所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，多轴运动机构（7）包括有固定框（701）、连接块（702）、支撑板（703）、第一电动滑轨（704）、第一电动滑块（705）、第二电动滑轨（706）、第二电动滑块（707）、第三电动滑轨（708）、第三电动滑块（709）、固定板（710）、转块（711）、第一电机（712）、放置盘（713）和第二电机（714），机架（1）内底部四角处固定设有固定框（701），固定框（701）内部滑动连接有连接块（702），连接块（702）顶部之间固定设有支撑板（703），机架（1）内底部左右两侧安装有第一电动滑轨（704），第一电动滑轨（704）上滑动安装有第一电动滑块（705），第一电动滑块（705）前侧之间与支撑板（703）连接，支撑板（703）顶部前后两侧安装有第二电动滑轨（706），第二电动滑轨（706）上滑动安装有两个呈左右对称分布的第二电动滑块（707），左右同侧的两个第二电动滑块（707）顶部之间安装有第三电动滑轨（708），第三电动滑轨（708）上滑动安装有第三电动滑块（709），两个第三电动滑块（709）顶部之间固定设有固定板（710），固定板（710）内部转动连接有转块（711），固定板（710）左侧安装有第一电机（712），第一电机（712）输出轴与转块（711）连接，转块（711）底部转动连接有放置盘（713），放置盘（713）位于喷嘴（303）下方，转块（711）内部安装有第二电机（714），第二电机（714）输出轴与放置盘（713）连接，第一电动滑轨（704）驱动第一电动滑块（705）沿竖直方向升降，调节喷嘴（303）与工件的纵向间距，第二电动滑轨（706）驱动第二电动滑块（707）沿水平方向横向平移，实现工件横向进给，第三电动滑轨（708）驱动第三电动滑块（709）沿水平纵向移动，实现工件前后进给，第一电机（712）驱动转块（711）绕水平轴旋转，调整工件姿态角，第二电机（714）驱动放置盘（713）绕自身中心轴旋转，实现工件周向角度微调。

6.如权利要求5所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，动态水约束层厚度控制机构（6）包括有光学水膜测厚传感器（601）和控制器（602），机架（1）外部安装有控制器（602），喷嘴（303）上安装有光学水膜测厚传感器（601），超快激光发生机构（2）、高压水泵（502）、第一电磁阀（504）、排水管（505）、第二电磁阀（506）、压力传感器（508）、流量调节阀（509）、第一电动滑轨（704）、第一电动滑块（705）、第二电动滑轨（706）、第二电动滑块（707）、第三电动滑轨（708）、第三电动滑块（709）、第一电机（712）、第二电机（714）和光学水膜测厚传感器（601）与控制器（602）电性连接。

7.如权利要求6所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，还包括有在线监控机构（8），支撑板（703）上设有在线监控机构（8），在线监控机构（8）包括有等离子体光谱诊断传感器（801）和声学信号传感器（802），支撑板（703）顶部安装有等离子体光谱诊断传感器（801）和声学信号传感器（802），等离子体光谱诊断传感器（801）和声学信号传感器（802）与控制器（602）电性连接。

8.如权利要求2所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，水光同轴耦合机构（3）还包括有水柱稳定器，水柱稳定器为设置于喷嘴（303）出口端外侧的同轴环形气体护罩，并连接有高压气源。

9.如权利要求4所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，还包括有冷却循环机构，冷却循环机构与水压调控机构（5）的高压水泵（502）流体连通。

10.如权利要求1所述的一种水光同轴超快激光冲击强化装置，其特征在于，超快激光发生机构（2）的输出光路上还设置有光闸和能量衰减器。