一种装备零部件装配后的激光冲击成形方法及装置

1.本发明涉及激光冲击成形加工领域，特别涉及一种装备零部件装配后的激光冲击成形方法及装置。


背景技术：

2.激光冲击成形是利用激光作用所产生的冲击波压力使材料变形的一种无模新技术。它是利用高能激光诱导的高幅冲击波压力的力效应而非热效应来实现金属板料的塑性成形。激光冲击金属板料变形时，冲击波压力达数千兆帕，远大于材料的动态屈服强度，从而使材料发生塑性变形，并改善金属板料性能。
3.高端装备的薄壁零部件长期在高温、高压和高速的服役环境下，会产生变形和扭曲，严重影响后期的使用性能和寿命。常规方法是将变形零部件从装备拆卸后转运到加工车间进行矫形或者直接更换，但是这种方法成本高、周期长、效率低，并且对于航空叶片等型面极其复杂的零部件，采用传统的数控矫形方法则无法恢复到其原先的形状和曲率。此外，对于在高空低温高湿的环境下服役的零部件，会在表面产生结冰，造成零部件重量增加和腐蚀破坏，严重影响服役安全。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种装备零部件装配后的激光冲击成形方法及装置，可实现变形零部件无须拆卸，直接在现场进行激光冲击成形或矫形，进而提高生产效率，并基于飞秒激光黑化烧蚀产生的微纳结构，采用超音速喷涂技术喷涂微纳颗粒涂层，实现在高空低温高湿的环境下的抗结冰功能。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种装备零部件装配后的激光冲击成形方法，包括如下步骤：
7.利用检测系统检测装配后的组件，获取装配后组件的每个零件的面形轮廓信息；
8.将获取装配后组件的每个零件的面形轮廓信息与目标形状和曲率对比，确定待加工面和需要激光冲击成形或矫形的变形量；
9.通过飞秒激光束对待加工面烧蚀处理，使待加工面表面形成表面黑化层，且黑化层表面为微纳结构；
10.通过纳秒激光束对待加工面激光冲击成形处理，所述黑化层为激光冲击成形的吸收层；在待加工面表面光斑聚焦区域中，利用流动的二氧化碳气流，形成约束层；
11.利用检测系统检测实时监测加工后的待加工面的面形轮廓信息，将加工后的面形轮廓信与目标形状和曲率对比，若超过目标形状和曲率误差要求范围，则更新需要激光冲击成形或矫形的变形量，重新激光烧蚀处理和激光冲击成形处理；
12.若在目标形状和曲率误差要求范围内，采用超音速喷涂装置对装配后的每个零件表面喷涂处理，形成超疏水抗结冰微纳颗粒涂层。
13.进一步，所述超音速喷涂装置喷涂的粉末为微纳米尺度的二氧化硅颗粒；所述超
音速喷涂装置喷出的粉末速度为380m/s。
14.进一步，所述飞秒激光束加工工艺参数为：飞秒激光的功率0.1-15w，飞秒激光的重复频率1-1000khz，飞秒激光的扫描速度1-3000mm/s；所述纳秒激光束的单脉冲能量最大为100j，光斑为5-50mm。
15.进一步，流动的所述二氧化碳气流流速不低于30m/s。
16.一种装备零部件装配后的激光冲击成形方法的装置，包括飞秒激光装置、纳秒激光装置、二氧化碳气流装置、喷涂超疏水表面装置、检测系统和控制系统；
17.所述飞秒激光装置用于产生飞秒激光束，所述飞秒激光束用于对待加工面烧蚀处理；所述纳秒激光装置用于产生纳秒激光束，所述纳秒激光束用于对烧蚀后的待加工面激光冲击；所述二氧化碳气流装置用于在待加工面形成流动的气体约束层；所述喷涂超疏水表面装置通过喷涂零件表面，用于形成超疏水抗结冰微纳颗粒涂层；
18.所述检测系统用于检测装配后组件的零件，所述控制系统与检测系统连接，用于确定待加工面和需要激光冲击成形或矫形的变形量。
19.进一步，所述二氧化碳气流装置包括二氧化碳气瓶、阀门、二氧化碳增压泵、二氧化碳缓冲罐、二氧化碳减压阀和二氧化碳质量流量控制器；所述二氧化碳气瓶依次连接阀门、二氧化碳增压泵、二氧化碳缓冲罐、二氧化碳减压阀和二氧化碳质量流量控制器；所述二氧化碳质量流量控制器的出口对准待加工面；所述二氧化碳质量流量控制器控制气流层压力或流速，用于抑制纳秒激光束诱导等离子体向外扩散。
20.进一步，所述超音速喷涂装置包括喷涂气体瓶、喷涂粉末罐和喷枪；所述喷涂气体瓶、喷涂粉末罐分别与喷枪连接，所述喷枪对准待加工面。
21.进一步，所述检测系统包括非接触式三维轮廓测量仪和高速摄像机；所述非接触式三维轮廓测量仪用于获取装配后组件的每个零件的面形轮廓信息；所述高速摄像机用于确定待加工零件的位置信息。
22.本发明的有益效果在于：
23.1.本发明所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法及装置，针对装备后的叶片进行现场激光冲击成形或矫形，省去零部件拆卸转运的时间和人工成本；激光冲击过程中，采用飞秒激光烧蚀对零部件进行黑化处理，提高零部件对纳秒激光的吸收率，无须人工黏贴铝箔或者喷涂黑漆作为吸收层，从而减少了激光冲击成形过程中繁杂的辅助工序；采用高压气流作为激光冲击过程中的约束层，替代传统的水流或者玻璃，使用范围更广，应用场景无限制；基于飞秒激光烧蚀形成的微纳结构，采用超音速喷涂在零部件表面喷涂超疏水抗结冰微纳颗粒涂层，微纳多级结构能够提高微纳颗粒涂层与零部件的结合强度，服役持久性极大提升。
24.2.本发明所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法及装置，可实现变形零部件无须拆卸，直接在现场进行激光冲击成形或矫形，进而提高生产效率，并基于飞秒激光黑化烧蚀产生的微纳结构，采用超音速喷涂技术喷涂微纳颗粒涂层，实现在高空低温高湿的环境下的抗结冰功能。
附图说明
25.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地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明所述的装备零部件装配后的激光冲击成形装置的示意图。
27.图2为本发明所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法的流程图。
28.图3为利用本发明中飞秒激光黑化烧蚀处理后表面的形貌图。
29.图4是利用本发明中超音速喷涂后表面的形貌图。
30.图5是利用本发明所制备超疏水表面的接触角测量结果。
31.图中：
32.1-控制计算机；2-中央控制器；3-飞秒激光器；4-纳秒激光器；5-二氧化碳减压阀；6-二氧化碳质量流量控制器；7-飞秒激光束；8-纳秒激光束；9-高压输气软管；10-非接触式三维轮廓测量仪；11-二氧化碳气瓶；12-阀门；13-二氧化碳增压泵；14-二氧化碳缓冲罐；15-喷涂气体瓶；16-喷涂粉末罐；17-高速摄像机；18-喷枪；19-航空叶片。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.如图1所示，本发明所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法的装置，包括飞秒激光器3、纳秒激光器4、二氧化碳气流装置、喷涂超疏水表面装置、检测系统和控制系统；装备件为组装后的航空叶片19，组装后的航空叶片19通过夹具安装三维平台上，所述飞秒激光器3用于产生飞秒激光束7，所述飞秒激光束7用于对待加工面烧蚀处理；所述纳秒激光器4用于产生纳秒激光束8，所述纳秒激光束8用于对烧蚀后的待加工面激光冲击；所述二氧化碳气流装置用于在待加工面形成流动的气体约束层；所述喷涂超疏水表面装置通过喷涂叶片表面，用于形成超疏水抗结冰微纳颗粒涂层；所述检测系统用于检测装配后的航空叶片19，所述控制系统与检测系统连接，用于确定待加工面和需要激光冲击成形或矫形的变
形量。控制系统用于控制检测系统、飞秒激光器3、纳秒激光器4、二氧化碳气流装置和喷涂超疏水表面装置。
37.所述二氧化碳气流装置包括二氧化碳气瓶11、阀门12、二氧化碳增压泵13、二氧化碳缓冲罐14、二氧化碳减压阀5和二氧化碳质量流量控制器6；所述二氧化碳气瓶11通过高压输气软管9依次连接阀门12、二氧化碳增压泵13、二氧化碳缓冲罐14、二氧化碳减压阀5和二氧化碳质量流量控制器6；所述二氧化碳质量流量控制器6的出口对准航空叶片19的待加工面；中央控制器2通过控制二氧化碳质量流量控制器6，控制气流层压力或流速，用于抑制纳秒激光束诱导等离子体向外扩散。
38.所述超音速喷涂装置包括喷涂气体瓶15、喷涂粉末罐16和喷枪18；所述喷涂气体瓶15、喷涂粉末罐16分别与喷枪18连接，所述喷枪18对准航空叶片19待加工面。
39.所述检测系统包括非接触式三维轮廓测量仪10和高速摄像机17；所述非接触式三维轮廓测量仪10用于获取装配后的每个叶片的面形轮廓信息；所述高速摄像机17用于确定待加工叶片的位置信息。
40.所述飞秒激光器3在叶片表面进行激光黑化烧蚀过程中，主要通过扫描振镜进行对烧蚀路径进行控制。纳秒激光器4对零部件进行激光冲击成形时，主要通过三维平台使航空叶片19运动或小型机械臂配合振镜系统对光斑扫描路径进行控制，在冲击成形过程中，确保激光束与零部件表面保持垂直；若由于空间限制，无法保证激光束与零部件表面保持垂直，需要激光束以斜入射的方式进行冲击时，则调控激光束能量、光斑尺寸和光束脉宽等参数，确保激光功率密度满足诱导高能等离子的要求。
41.控制系统包括控制计算机1和中央控制器2。所述飞秒激光器3、纳秒激光器4、二氧化碳气流装置、喷涂超疏水表面装置和非接触式三维轮廓测量仪10均与控制计算机1和中央控制器2相连，实现实时控制。
42.如图2所示，实施例的航空叶片装配后的激光冲击成形方法，包括如下步骤：
43.s01：组装后的航空叶片19通过夹具安装三维平台上；
44.s02：打开高速摄像机17，确定组装后的航空叶片19的位置坐标信息并反馈到控制系统；采用非接触式三维轮廓测量仪检测装配后的航空叶片，获取装配后的每个叶片的面形轮廓信息；
45.s03：控制系统将获取装配后的每个叶片的面形轮廓信息与目标形状和曲率对比，确定待加工面和需要激光冲击成形或矫形的变形量；
46.s04：通过飞秒激光束对待加工面烧蚀处理，使待加工面表面形成表面黑化层，且黑化层表面为微纳结构；所述飞秒激光束7加工工艺参数为：激光功率为10w，激光重复频率500khz，扫描速度2000mm/s，如图3所示。
47.s05：通过纳秒激光束对待加工面激光冲击成形处理，所述黑化层为激光冲击成形的吸收层；在待加工面表面光斑聚焦区域中，利用流动的二氧化碳气流，形成约束层；所述纳秒激光束8加工工艺参数为：纳秒激光器单脉冲能量为10j，方形光斑，尺寸为5mm，脉宽10ns，波长1064nm。流动的所述二氧化碳气流流速不低于30m/s。
48.s06：采用非接触式三维轮廓测量仪实时监测加工后的待加工面的面形轮廓信息，将加工后的面形轮廓信与目标形状和曲率对比，若超过目标形状和曲率误差要求范围，则更新需要激光冲击成形或矫形的变形量，重新激光烧蚀处理和激光冲击成形处理；
49.s07：若在目标形状和曲率误差要求范围内，采用超音速喷涂装置对装配后的每个叶片表面喷涂处理，形成超疏水抗结冰微纳颗粒涂层。所述超音速喷涂装置喷涂的粉末为微纳米尺度的二氧化硅颗粒；所述超音速喷涂装置喷出的粉末速度为380m/s，如图4所示。
50.超疏水抗结冰微纳颗粒涂层的接触角测量结果如图5所示。
51.所述飞秒激光束加工工艺参数为：飞秒激光的功率0.1-15w，飞秒激光的重复频率1-1000khz，飞秒激光的扫描速度1-3000mm/s；所述纳秒激光束的单脉冲能量最大为100j，光斑为5-50mm。
52.本发明所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法及装置，针对装备后的叶片进行现场激光冲击成形或矫形，省去零部件拆卸转运的时间和人工成本；激光冲击过程中，采用飞秒激光烧蚀对零部件进行黑化处理，提高零部件对纳秒激光的吸收率，无须人工黏贴铝箔或者喷涂黑漆作为吸收层，从而减少了激光冲击成形过程中繁杂的辅助工序；采用高压气流作为激光冲击过程中的约束层，替代传统的水流或者玻璃，使用范围更广，应用场景无限制；基于飞秒激光烧蚀形成的微纳结构，采用超音速喷涂在零部件表面喷涂超疏水抗结冰微纳颗粒涂层，微纳多级结构能够提高微纳颗粒涂层与零部件的结合强度，服役持久性极大提升。
53.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
54.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种装备零部件装配后的激光冲击成形方法，其特征在于，包括如下步骤：利用检测系统检测装配后的组件，获取装配后组件的每个零件的面形轮廓信息；将获取装配后组件的每个零件的面形轮廓信息与目标形状和曲率对比，确定待加工面和需要激光冲击成形或矫形的变形量；通过飞秒激光束对待加工面烧蚀处理，使待加工面表面形成表面黑化层，且黑化层表面为微纳结构；通过纳秒激光束对待加工面激光冲击成形处理，所述黑化层为激光冲击成形的吸收层；在待加工面表面光斑聚焦区域中，利用流动的二氧化碳气流，形成约束层；利用检测系统检测实时监测加工后的待加工面的面形轮廓信息，将加工后的面形轮廓信与目标形状和曲率对比，若超过目标形状和曲率误差要求范围，则更新需要激光冲击成形或矫形的变形量，重新激光烧蚀处理和激光冲击成形处理；若在目标形状和曲率误差要求范围内，采用超音速喷涂装置对装配后的每个零件表面喷涂处理，形成超疏水抗结冰微纳颗粒涂层。2.根据权利要求1所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法，其特征在于，所述超音速喷涂装置喷涂的粉末为微纳米尺度的二氧化硅颗粒；所述超音速喷涂装置喷出的粉末速度为380m/s。3.根据权利要求1所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法，其特征在于，所述飞秒激光束加工工艺参数为：飞秒激光的功率0.1-15w，飞秒激光的重复频率1-1000khz，飞秒激光的扫描速度1-3000mm/s；所述纳秒激光束的单脉冲能量最大为100j，光斑为5-50mm。4.根据权利要求1所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法，其特征在于，流动的所述二氧化碳气流流速不低于30m/s。5.一种根据权利要求1所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法的装置，其特征在于，包括飞秒激光装置、纳秒激光装置、二氧化碳气流装置、喷涂超疏水表面装置、检测系统和控制系统；所述飞秒激光装置用于产生飞秒激光束，所述飞秒激光束用于对待加工面烧蚀处理；所述纳秒激光装置用于产生纳秒激光束，所述纳秒激光束用于对烧蚀后的待加工面激光冲击；所述二氧化碳气流装置用于在待加工面形成流动的气体约束层；所述喷涂超疏水表面装置通过喷涂零件表面，用于形成超疏水抗结冰微纳颗粒涂层；所述检测系统用于检测装配后组件的零件，所述控制系统与检测系统连接，用于确定待加工面和需要激光冲击成形或矫形的变形量。6.根据权利要求5所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法的装置，其特征在于，所述二氧化碳气流装置包括二氧化碳气瓶(11)、阀门(12)、二氧化碳增压泵(13)、二氧化碳缓冲罐(14)、二氧化碳减压阀(5)和二氧化碳质量流量控制器(6)；所述二氧化碳气瓶(11)依次连接阀门(12)、二氧化碳增压泵(13)、二氧化碳缓冲罐(14)、二氧化碳减压阀(5)和二氧化碳质量流量控制器(6)；所述二氧化碳质量流量控制器(6)的出口对准待加工面；所述二氧化碳质量流量控制器(6)控制气流层压力或流速，用于抑制纳秒激光束诱导等离子体向外扩散。7.根据权利要求5所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法的装置，其特征在于，所述超音速喷涂装置包括喷涂气体瓶(15)、喷涂粉末罐(16)和喷枪(18)；所述喷涂气体瓶
(15)、喷涂粉末罐(16)分别与喷枪(18)连接，所述喷枪(18)对准待加工面。8.根据权利要求5所述的装备零部件装配后的激光冲击成形方法的装置，其特征在于，所述检测系统包括非接触式三维轮廓测量仪(10)和高速摄像机(17)；所述非接触式三维轮廓测量仪(10)用于获取装配后组件的每个零件的面形轮廓信息；所述高速摄像机(17)用于确定待加工零件的位置信息。

技术总结
本发明提供了一种装备零部件装配后的激光冲击成形方法及装置，包括如下步骤：利用检测系统检测装配后的组件，获取装配后的每个零件的面形轮廓信息；确定待加工面和需要激光冲击成形或矫形的变形量；通过飞秒激光束对待加工面烧蚀处理，使待加工面表面形成表面黑化层；通过纳秒激光束对待加工面激光冲击成形处理，所述黑化层为激光冲击成形的吸收层；在待加工面表面光斑聚焦区域中，利用流动的二氧化碳气流，形成约束层；采用超音速喷涂装置对装配后的每个零件表面喷涂处理，形成超疏水抗结冰微纳颗粒涂层。本发明可实现变形零部件无须拆卸，直接在现场进行激光冲击成形或矫形。直接在现场进行激光冲击成形或矫形。直接在现场进行激光冲击成形或矫形。


技术研发人员：童照鹏 任旭东 张宇泽 葛勇州 刘怀乐 叶云霞 周王凡
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/5