1.本发明涉及金属表面激光强化处理技术领域，具体涉及一种轻便型激光冲击强化装置及使用方法。


背景技术：

2.激光以其优异特性广泛应用于多个领域，其中，激光冲击强化(lsp)技术基于高峰值功率(gw级)纳秒级脉冲激光与金属材料相互作用产生高压冲击波，在金属表层形成残余压应力、高密度位错和表面纳米化，大大改善其物理与机械性能，显著提升金属材料抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀等性能；作为一种先进的金属表面加工手段，激光冲击强化技术在航空航天及国防、船舶制造、核工业、石油化工、生物医疗、轨道交通、电网电力等领域核心部件的性能提升方面极具应用价值，并得到越来越广泛的应用和发展。
3.随着激光冲击强化技术的逐步成熟和应用，对激光冲击强化装备多应用场景需求和要求越来越迫切，受限于激光技术水平和激光传输结构的局限性，当前激光冲击强化装备普遍加工效率低和装备维护费用高、环境适应性差等，严重制约激光冲击强化产业化应用的推广与发展。尤其是在实际工程应用中，迫切需要激光冲击强化装备到加工和维护现场进行强化和维修加工作业，如飞机蒙皮裂纹修复、蒙皮孔强化、航空发动机外物损伤在线修复、舰船钢板焊缝强化、压力容器焊缝强化等，而现阶段的激光冲击强化装备普遍体积庞大、装备精密贵重、可移动性差、不便于携带、使用环境和装备维护要求高，无法满足现场加工作业要求。


技术实现要素：

4.技术目的：针对现有激光冲击强化装置体积大，不便与移动和携带，应用场景受限的不足，本发明公开了一种采用轻量化、紧凑化、模块化设计，可方便整体移动搬运，大大提升激光冲击强化装备的加工应用场景适应性的轻便型激光冲击强化装置及使用方法。
5.技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：一种轻便型激光冲击强化装置，包括装置基座和总控制器，在装置基座上设置用于发射脉冲激光的激光器，在激光器的输出端设置激光空间传输模块，所述激光空间传输模块设置在机械密封件内，包括靠近激光器输出端的光隔离器，以及沿光路设置的聚焦镜组，激光经聚焦镜组聚焦后从机械密封件的出口端射出；在装置基座上还设置用于带动激光器输出的激光光束移动的机械臂以及在冲击强化过程中约束等离子体的送水模块，送水模块的输出端与机械臂的移动端连接并与激光光路同步进行移动，激光器和送水模块均与总控制器电连接，由总控制器控制激光冲击强化过程。
6.优选地，本发明的机械密封件的出口端设置用于激光传输的柔性光纤，柔性光纤的末端固定在机械臂上，在机械臂上设置与柔性光纤末端连通的整形聚焦镜组，将从柔性光纤输出的激光聚焦在待加工工件的表面。
7.优选地，本发明的柔性光纤的两端采用曲面结构；曲面结构保证高损伤阈值，提高
冲击强化效果。
8.优选地，本发明的激光器和机械密封件固定在机械臂的移动端，在激光冲击强化时，机械臂带动激光器和机械密封件同步移动，将激光器和机械密封件固定在机械臂上，不需要使用柔性光纤进行传输，简化了整机激光冲击强化装置的光路传输结构，大大提高了激光传输效率，利于实现装备多应用场景的激光冲击强化加工作业。
9.优选地，本发明的机械密封件内设置用于激光冲击校准和轨迹规划的基准光源，以及用于改变基准光源光路与激光光路同轴从机械密封件的出口端输出的反射/分光镜组。
10.优选地，本发明的基准光源采用激光测距仪，反射/分光镜组沿激光的传输方向设置在聚焦镜组的后端，将激光测距仪的光束反射、分光后从机械密封件的出口端输出照射到待加工工件表面上。
11.优选地，本发明的装置基座包括支撑板，在支撑板下方设置吸盘式三脚架，在吸盘式三脚架与支撑板之间设置用于调节支撑板高度的伸缩杆。
12.优选地，本发明聚焦镜组采用高像差透镜组。
13.本发明还提供一种基于上述轻便型激光冲击强化装置的使用方法，包括步骤：s01、将装置基座固定在待加工工件处，打开总控制器、基准光源，总控制器控制机械臂移动使基准光源照射到待加工工件表面起始处，进行初始位置定位；s02、接着总控制器控制机械臂移动进行激光冲击强化加工行迹规划，行迹规划完成后回到起始处；s03、然后开启送水模块，调节水流量，在待加工金属部件表面形成0.5-1.5mm厚的均匀薄水层；s04、最后打开激光器，总控制器按照步骤s02的行迹规划路线控制机械臂带动激光光路输出端移动，进行冲击强化加工作业。
14.优选地，在本发明的步骤s04中，每个激光冲击强化位置的激光脉冲冲击数量≥50。
15.有益效果：本发明所提供的一种轻便型激光冲击强化装置及使用方法具有如下有益效果：1、本发明的一种轻便型激光冲击强化装置及使用方法适用性强，使用方法简单方便，结构紧凑，可实现多应用场景尤其是客户加工维修现场开展高效率激光冲击强化加工作业。
16.2、本发明采用小型化宽温全固态激光器，增加了户外应用场景的适应性，同时激光传输部分整体集成在一个密闭的机械结构内，提高装置工作安全性、稳定性。
17.3、本发明采用柔性光纤长距离柔性传输结构，利于实现装备多应用场景的柔性激光冲击强化加工作业。
18.4、本发明采用机械臂直接抓持激光器及激光传输模块，既实现输出激光的六维方向动态调整、又简化了整机激光冲击强化装置的光路传输结构，大大提高了激光传输效率，利于实现装备多应用场景的激光冲击强化加工作业。
19.5、本发明的装置基座吸盘式三脚架型重量轻，占地空间小，同时可以满足多种类型平面、曲面加工作业，增强了装备的场景适用性。
20.6、本发明的聚焦镜组为高像差透镜组，主要目的是实现镜组后焦面焦斑较大，好处是脉冲激光不容易空气击穿，否则，聚焦点能量稍高（》50mj）就容易空气击穿。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
22.图1为本发明整体结构图；图2为本发明激光空间传输模块结构及光路原理图；图3为本发明实施例2整体结构图；图4为本发明实施例2中激光空间传输模块结构及光路原理图。
具体实施方式
23.下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
24.如图1、图2所示为本发明所提供的一种轻便型激光冲击强化装置，包括装置基座1和总控制器2，在装置基座1上设置用于发射脉冲激光的激光器3，在激光器3的输出端设置激光空间传输模块，所述激光空间传输模块设置在机械密封件4内，包括靠近激光器输出端的光隔离器5，以及沿光路设置的聚焦镜组6，聚焦镜组6采用高像差透镜组，主要目的是实现镜组后焦面焦斑较大，好处是脉冲激光不容易空气击穿，否则，聚焦点能量稍高（》50mj）就容易空气击穿；激光经聚焦镜组6聚焦后从机械密封件4的出口端射出；在装置基座1上还设置用于带动激光器3输出的激光光束移动的机械臂7以及在冲击强化过程中约束等离子体的送水模块8，送水模块8的输出端与机械臂7的移动端连接并与激光光路同步进行移动，激光器3和送水模块8均与总控制器2电连接，由总控制器2控制激光冲击强化过程。
25.本发明将光路传输用的组件均设置在机械密封件4内，便于整体的携带和移动，提高装置的安全性和稳定性，在一个具体的实施例中，机械密封件4的出口端设置用于激光传输的柔性光纤9，柔性光纤9的末端固定在机械臂7上，在机械臂7上设置与柔性光纤9末端连通的整形聚焦镜组10，将从柔性光纤9输出的激光聚焦在待加工工件的表面；柔性光纤9为大模场多模传输光纤，可以实现激光的高效长距离柔性传输，柔性光纤9的两端采用曲面结构，光纤双端面采用曲面结构保证高损伤阈值,光纤外包金属铠甲；所述的整形聚焦透镜组将所述的柔性光纤输出的激光聚焦在待加工工件表面。
26.在本发明的机械密封件4内设置用于激光冲击校准和轨迹规划的基准光源11，以及用于改变基准光源11光路与激光光路同轴从机械密封件4的出口端输出的反射/分光镜组12，如图2所示，基准光源11的发光方向与激光的光路方向垂直，将反射/分光镜组12倾斜设置在激光光路是哪个，将基准光源11的发射光反射，使其与激光光路同轴输出，使用基准光进行加工行迹轨道的规划，在进行实际的激光冲击强化之前预先进行规划，无需使用三维扫描，降低装备的复杂性，更能满足户外作业的移动、便携需求。
27.为提高激光器3的环境适应能力，可以使用便携式宽温全固态激光器，激光器适应户外-50℃到60℃宽温工作，具备自我保护功能，工作频率1-100hz可调，输出脉冲能量100-1000mj，脉冲宽度半高全宽fwhm5-10ns。
28.本发明的装置基座1包括支撑板13，在支撑板13下方设置吸盘式三脚架14，在吸盘式三脚架14与支撑板13之间设置用于调节支撑板13高度的伸缩杆15，便于收放，在使用时吸盘式三脚架14能够对装置整体进行有效的支撑固定，机械臂7采用六轴机械臂，能够全方位进行激光光路输出端的调节，满足对中工件的强化需求。
29.本发明还提供一种基于上述轻便型激光冲击强化装置的使用方法，包括步骤：s01、将装置基座固定在待加工工件处，打开总控制器、基准光源，基准光源输出可见光，经柔性光纤传输到待加工工件上，总控制器控制机械臂移动使基准光源照射到待加工工件表面起始处，进行初始位置定位；s02、接着总控制器借助基准光源的输出光指引，控制机械臂移动进行激光冲击强化加工行迹规划，行迹规划完成后回到起始处；s03、然后开启送水模块，调节水流量，在待加工金属部件表面形成0.5-1.5mm厚的均匀薄水层；s04、最后打开激光器，总控制器按照步骤s02的行迹规划路线控制机械臂带动激光光路输出端移动，进行冲击强化加工作业。
30.在步骤s04中，每个激光冲击强化位置的激光脉冲冲击数量≥50，以保证待加工金属部件表面形成足够深的残余压应力层，激光冲击强化加工作业结束后，挪动所述的机械臂到另一个待加工区域。
31.下面为本实施例的具体参数：总控制器2为8寸工业平板电脑，内置激光器控制软件和机械臂控制软件，外形尺寸23cm
×
18cm
×
5cm，总重2kg；激光器3为中心波长为1064nm的宽温激光器，宽温工作环境-50℃到60℃，工作频率50hz，输出能量500mj，脉宽6ns，外形尺寸70
×
80
×
150，总重2kg；激光空间传输模块3整体外形尺寸80
×
90
×
200，总重2kg，其中光隔离器5为ф12mm隔离器，外形尺寸75
×
80
×
90，总重0.25kg，反射/分光镜组12为1064nm高透@45
°
&632.8nm高反@45
°
的长方形镜片，尺寸20
×
30
×
5，聚焦镜组6为2倍聚焦镜组，整体尺寸长60mm，两片镜片尺寸分别为ф12.7
×
3mm、ф25
×
4mm，基准光源11为635nm激光，尺寸ф11
×
40mm；机械密封件4为高强度铝合金机械件，外形尺寸85
×
90
×
200，重量0.25kg；柔性光纤9总外形尺寸ф10
×
5m，光纤长度4.85m,直径1.5mm，外包金属铠甲，整形聚焦镜组10外形尺寸ф25
×
0.15m，装置基座1为吸盘式三脚架型底座，总重5kg，展开外形尺寸50cm
×
50cm
×
40cm，六轴机械臂总重10kg；送水模块6外形尺寸30cm
×
30cm
×
20cm，总重4kg。
32.实施例2如图3和图4所示，本发明还提供一种结构相较于实施例1结构更加紧凑，便于携带和存放的轻便型激光冲击强化装置，在本实施例中激光器3和机械密封件4固定在机械臂7的移动端，在激光冲击强化时，机械臂7带动激光器3和机械密封件4同步移动，采用机械臂直接抓持激光器及激光传输模块，既实现输出激光的六维方向动态调整、又简化了整机激光冲击强化装置的光路传输结构，大大提高了激光传输效率，利于实现装备多应用场景的激光冲击强化加工作业。
33.由于没有柔性光纤进行传输，为便于对基准光的校准，本实施例中的基准光源11采用激光测距仪，分光镜组12沿激光的传输方向设置在聚焦镜组6的后端，将激光测距仪的光束反射、分光后从机械密封件4的出口端输出照射到待加工工件表面上；具体光路原理如
图4所示，激光测距仪的输出光路方向与激光器3的输出方向平行，使用两组相互平行的反射/分光镜组12，经过两次反射，使激光测距仪的输出光路与激光器3的光路同轴输出，通过激光测距仪进行激光冲击距离的标定，实时显示工作距离和位置，便于对机械臂的移动进行控制。
34.为保证激光测距仪的测量精度，本发明聚焦镜组6设置在反射/分光镜组12之前，不会因聚焦影响光路距离，保证测量结果的精准，保证对工件的加工质量。
35.本发明还提供一种基于上述轻便型激光冲击强化装置的使用方法，包括步骤：s01、将装置基座固定在待加工工件处，打开总控制器、激光测距仪，激光测距仪实时显示工作距离与位置，总控制器控制机械臂移动使激光测距仪照射到待加工工件表面起始处，进行初始位置定位；s02、接着总控制器控制机械臂移动进行激光冲击强化加工行迹规划，行迹规划完成后回到起始处；s03、然后开启送水模块，调节水流量，在待加工金属部件表面形成0.5-1.5mm厚的均匀薄水层；s04、最后打开激光器，总控制器按照步骤s02的行迹规划路线控制机械臂带动激光光路输出端移动，进行冲击强化加工作业。
36.在步骤s04中，每个激光冲击强化位置的激光脉冲冲击数量≥50，以保证待加工金属部件表面形成足够深的残余压应力层，激光冲击强化加工作业结束后，挪动所述的装置基座到另一个待加工金属表面区域，重复步骤上述开展下一个待加工金属表面区域的激光冲击强化加工作业下面为本实施例的具体参数：装置基座1为高强度铝合金材质底座，支撑板13的板面尺寸35cm
×
25cm
×
1.5cm，吸盘式三脚架14收起长度15cm，最大拉伸长度45cm，总重3kg；总控制器2为8寸工业平板电脑，内置激光器控制软件和机械臂控制软件，外形尺寸23cm
×
18cm
×
5cm，总重2kg；激光器3为中心波长1064nm的宽温激光器，宽温工作环境-50℃到60℃，工作频率1-100hz，输出能量10-1000mj，脉宽6ns，外形尺寸90
×
80
×
150，总重2kg；激光传输模块整体外形尺寸90
×
80
×
200，总重2kg，光隔离器5为ф12mm隔离器，外形尺寸65
×
70
×
90，总重0.25kg，聚焦镜组6为平凸聚焦镜，ф25
×
5mm，焦距f=600mm，反射/分光镜组12为1064nm高透@45
°
&635nm高反@45
°
的长条形镜片，尺寸20
×
30
×
5，激光测距仪输出测距光中心波长635nm，尺寸20
×
35
×
70mm；机械密封件4高强度铝合金机械件，外形尺寸90
×
80
×
200，重量0.25kg；机械臂7为六轴机械臂，总重12kg；送水模块6总重3kg。
37.实验验证与研究分析表明，本发明可实现激光冲击强化装备的安全可靠、紧凑化和多应用场景加工作业，同时具备便携搬运能力，具有很好的使用价值和应用前景。
38.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。