一种用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置及强化方法

本发明涉及激光加工，具体涉及一种用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置及强化方法。

背景技术：

1、纤维金属层板是近年来备受关注的兼具高减重潜力和高耐损伤性能的新型复合材料之一，它结合了金属材料和纤维复合材料的性能优势，适用于飞机蒙皮、壳体和舱门等结构件的制造，广泛应用于航空航天等领域。

2、在实际服役过程中，纤维金属层板在服役过程中疲劳裂纹总是萌生于金属外层表面。此外，由于金属材料与纤维复合材料热膨胀系数不一致，固化成形后金属层会产生残余拉应力，进一步降低纤维金属层板的疲劳性能。

3、激光冲击强化技术是一种利用高能短脉冲激光冲击诱导应力强化和组织强化效应实现材料表面改性的表面处理技术，具有柔性高、热影响区小和可控性好等优势，被广泛用于材料的表面改性以提高其综合性能。

4、纤维金属层板独特的多界面结构导致金属层/纤维层界面的存在。良好的界面性能是保证负载有效地从金属层传递到纤维层的前提。由于金属层和纤维层声阻抗存在差异，激光诱导应力波在传播到金属层/纤维层界面时会发生反射和透射现象。根据应力波传播理论，当激光诱导冲击波到达纤维金属层板背部时，应力波会在自由表面反射，反射波与入射波的叠加可能导致纤维金属层板界面损伤，如图2所示。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置及强化方法，可以实现纤维金属层板的无损伤冲击强化处理，灵活性高。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，包括激光冲击强化模块、吸波模块和刚度加强模块；

4、所述激光冲击强化模块包括激光器、六轴联动机械臂和送水装置；所述激光器用于产生激光束；所述激光束用于冲击工件的金属层表面；所述六轴联动机械臂用于夹持工件改变姿态；所述送水装置用于在工件的金属层表面形成约束层；

5、所述吸波模块包括压力控制器、液压装置和吸波器；所述液压装置的伸出杆上设吸波器，通过液压装置施加外力使吸波器与工件底部接触；所述压力控制器用于控制液压装置施加的压力；

6、所述刚度加强模块包括球形橡胶压块和弹性阻尼，若干所述球形橡胶压块位于激光束冲击点的工件周边，且每一所述球形橡胶压块通过弹性阻尼按压在工件的金属层表面上。

7、进一步，所述吸波器通过夹具安装在液压装置的伸出杆上，且所述吸波器与伸出杆同轴设置；所述吸波器与激光束同轴设置。

8、进一步，所述吸波器的声阻抗高于或等于所述工件的金属层的声阻抗。

9、进一步，所述吸波器的形状为球形，所述球形的吸波器可以滚动安装在液压装置的伸出杆上；所述吸波器直径至少大于10倍激光束的光斑直径。

10、进一步，所述激光冲击强化模块还包括激光头，所述激光束穿过激光头冲击工件的金属层表面；所述激光头的外侧通过夹具均布若干所述球形橡胶压块；且所述球形橡胶压块与所述送水装置不在同一平面内。

11、进一步，还包括控制系统和视觉识别装置，所述视觉识别装置用于识别工件的姿态，所述控制系统根据识别的工件的姿态，控制六轴联动机械臂使冲击点的工件的金属层表面与激光束垂直。

12、进一步，所述控制系统与吸波模块连接，所述控制系统控制吸波器的接触压力。

13、一种用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置的强化方法，包括如下步骤：

14、通过六轴联动机械臂夹持工件，通过六轴联动机械臂调整工件使激光束焦点位于强化初始点，且在强化初始点工件附近的金属层表面与球形橡胶压块接触；

15、通过液压装置使吸波器对工件下表面施加压力；

16、通过送水装置，使工件的金属层表面形成流水约束层；

17、利用激光束冲击工件的金属层表面，通过六轴联动机械臂控制工件的进给量和进给过程的姿态，用于保持工件的金属层表面始终与入射激光束垂直。

18、进一步，所述激光器为纳秒脉冲激光器，脉宽为8-20ns，光斑直径为1.5～3mm；所述送水装置形成2～3mm厚的流水约束层。

19、进一步，吸波器对工件下表面施加压力f具体为：

20、

21、其中：σ为接触应力，σ取值小于工件金属层的屈服强度；r为吸波器的半径，μ1为吸波器的泊松比，μ2为工件下表面金属层的泊松比；e1为吸波器的弹性模量；e2为工件下表面金属层的弹性模量。

22、本发明的有益效果在于：

23、1.本发明所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，通过在工件下表面的金属层上施加吸波器，通过选用声阻抗更高的材料作为吸波器，可以有效减弱反射波的强度，避免激光冲击过程中纤维金属层板界面损伤。

24、2.本发明所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，采用压力控制器驱动液压系统控制吸波器与层板自由表面的接触压力，不仅可以避免接触面空气膜的不利影响，而且强化过程中接触压力控制更精确。

技术特征：

1.一种用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，其特征在于，包括激光冲击强化模块、吸波模块和刚度加强模块；

2.根据权利要求1所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，其特征在于，所述吸波器(6)通过夹具安装在液压装置(5)的伸出杆上，且所述吸波器(6)与伸出杆同轴设置；所述吸波器(6)与激光束(9)同轴设置。

3.根据权利要求1所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，其特征在于，所述吸波器(6)的声阻抗高于或等于所述工件(13)的金属层的声阻抗。

4.根据权利要求3所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，其特征在于，所述吸波器(6)的形状为球形，所述球形的吸波器(6)可以滚动安装在液压装置(5)的伸出杆上；所述吸波器(6)直径至少大于10倍激光束(9)的光斑直径。

5.根据权利要求1所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，其特征在于，所述激光冲击强化模块还包括激光头(11)，所述激光束(9)穿过激光头(11)冲击工件(13)的金属层表面；所述激光头(11)的外侧通过夹具均布若干所述球形橡胶压块(7)；且所述球形橡胶压块(7)与所述送水装置(12)不在同一平面内。

6.根据权利要求1所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，其特征在于，还包括控制系统和视觉识别装置，所述视觉识别装置用于识别工件(13)的姿态，所述控制系统根据识别的工件(13)的姿态，控制六轴联动机械臂(3)使冲击点的工件(13)的金属层表面与激光束(9)垂直。

7.根据权利要求6所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置，其特征在于，所述控制系统与吸波模块连接，所述控制系统控制吸波器(6)的接触压力。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置的强化方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置的强化方法，其特征在于，所述激光器(1)为纳秒脉冲激光器，脉宽为8-20ns，光斑直径为1.5～3mm；所述送水装置(12)形成2～3mm厚的流水约束层。

10.根据权利要求8所述的用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置的强化方法，其特征在于，吸波器(6)对工件(13)下表面施加压力f具体为：

技术总结
本发明提供了一种用于薄壁纤维金属层板表面改性的激光冲击强化装置及强化方法，包括激光冲击强化模块、吸波模块和刚度加强模块；所述激光冲击强化模块包括激光器、六轴联动机械臂和送水装置；所述吸波模块包括压力控制器、液压装置和吸波器；所述液压装置的伸出杆上设吸波器，通过液压装置施加外力使吸波器与工件底部接触；所述压力控制器用于控制液压装置施加的压力；所述刚度加强模块包括球形橡胶压块和弹性阻尼，若干所述球形橡胶压块位于激光束冲击点的工件周边，且每一所述球形橡胶压块通过弹性阻尼按压在工件的金属层表面上。本发明可以实现纤维金属层板的无损伤冲击强化处理，灵活性高。

技术研发人员：杨宇,任旭东,周王凡,吴永胜,薛景辉
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13