一种吸收层可调的激光喷丸成形装置和方法

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1.本发明属于激光喷丸技术领域，具体涉及一种激光喷丸成形的装置及其方法。

背景技术：

2.壁板件的高精度、高性能成形是重大装备制造的关键技术之一，也是制造领域的重要共性技术。机翼、动车鼻翼、船舶壳板等装备关键部件不仅决定了装备外形，而且对装备的整体性能和寿命具有重要影响，其制造的关键在于复杂壁板的整体成形。壁板件复杂型面、渐变结构、不均匀厚度等特征极大影响成形过程中应力应变形成、叠加和演变，现有成形技术，包括蠕变时效成形、喷丸成形等无法满足成形要求，需创新与复杂特征相适应、多维参数可控的成形方法。
3.激光喷丸成形通常需要多次激光喷丸，每次激光喷丸后需要更换吸收层，过程繁琐。吸收层常采用铝箔、黑胶带或黑漆等，吸收层厚度一般为固定的不可调节，因此需要新的吸收层的制备技术。

技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种吸收层可调的激光喷丸成形装置及方法，通过制备厚度可调的黑磷化膜作为激光喷丸时的吸收层，达到激光喷丸成形精度高和操作工艺简单的目的。
5.为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案为：一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，包括激光喷丸强化系统、x-y-z三轴加工平台和工作槽，所述工作槽固定在所述x-y-z三轴加工平台上，所述喷丸强化系统位于工作槽上方，所述工作槽上方还设置有激光辐照系统和三维信息采集器，所述工作槽内设置有工件、工具阳极、加热装置和温度传感器，所述工件与电箱阴极相连，所述工具阳极与电箱阳极相连，所述工具阳极位于所述工件的上方，并与工件保持一定的距离，所述工作槽与磷化液流动系统连接。
6.上述方案中，所述激光喷丸强化系统包括第一脉冲激光器、第一反射镜和第一聚焦透镜；所述第一激光器发出的激光束经第一反射镜进行反射后通过第一聚焦透镜聚焦至工件表面。
7.上述方案中，所述激光辐照系统包括第二脉冲激光器、第二反射镜和第二聚焦透镜；所述第二激光器发出的激光束经第二反射镜进行反射后通过第二聚焦透镜聚焦至工件表面。
8.上述方案中，所述工件通过夹具固定在工作槽内，所述工具阳极和距离传感器固定在外部固定器上，所述距离传感器用于测量所述工具阳极底端距离所述工件的距离。
9.上述方案中，所述磷化液流动系统包括蓄液槽，所述蓄液槽内设置有磷化液，所述蓄液槽蓄液槽上设有蓄液槽出水口，所述工作槽上设置有工作槽进水口和工作槽出水口，所述蓄液槽中的磷化液经蓄液槽出水口流出，经工作槽进水口流入工作槽，反应后从工作槽出水口流出。
10.上述方案中，还包括计算机和运动控制器，所述运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，所述计算机与所述温度传感器、所述三维信息采集器、所述加热装置、所述第一脉冲激光器、所述第二脉冲激光器和所述电箱连接。
11.上述方案中，所述工具阳极为惰性电极，工具阳极为直径0.5 mm的圆柱体，工具阳极的底端距离工件保持0.1-1mm的距离。
12.上述方案中，所述工具阳极垂直于工件所在平面，第二脉冲激光器产生的激光束经过第二凸透镜后，激光束轴线与工件所在平面的夹角呈30-60度。
13.本发明还提供一种吸收层可调的激光喷丸成形方法，包括以下步骤：s1 打开蓄液槽的出水口和工作槽进水口，蓄液槽中的原液经蓄液槽出水口流出，经工作槽进水口流入工作槽，当工作槽中的磷化液达到一定的高度后，关闭蓄液槽的出水口和工作槽进水口；s2 打开加热装置，使得工作槽中磷化液的温度达到一定温度，同时温度传感器实时反馈工作槽中磷化液的温度，计算机控制加热装置，使得温度保持恒定，持续一定时间，工件表面形成黑的磷化膜，表面的磷化膜作为激光喷丸成形的吸收层；s3 将成形板材的最终三维参数导入计算机，与目前工件的三维形貌进行对比，规划激光喷丸的具体参数，运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，打开第一激光器，进行激光喷丸成形；s4 三维信息采集器对喷丸完成后的工件进行三维形貌采集，与成形板材最终三维参数进行对比，确定再次喷丸的区域和参数；s5 运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，将需要再次喷丸的区域移动至工具阳极的下方，距离传感器测量工具阳极的底部距离工件的距离，将测量距离反馈至计算机，由计算机控制三维移动平台，调整工具阳极与工件的距离，打开工作槽出水口，按照s1所述的内容更换磷化液。s6 同时打开第二激光器和电箱，第二激光器发出的激光束经聚焦辐照在工件表面，激光产生的热量通过热传导到达工件局部区域的表面，电箱控制局部区域的电流和电压，运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，实现局部区域的定域磷化膜沉积；s7 运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，打开第一激光器，调整激光喷丸成形参数，定向沉积磷化膜的区域进行再次激光喷丸；s8 重复s4-s7，最终，保证成形工件与预置参数在允许误差范围内，关闭所有设备。
14.上述方案中，所述激光喷丸用的激光器为百焦耳级多维参数可调重频固体纳秒激光器，光斑尺寸、光束波形、光场分布和脉冲宽度可调，所述激光辐照用的激光器为皮秒激光器，首次进行激光喷丸成形时，采用的为方形光斑，光斑的边长为5-8mm，激光能量为50-100j，再进行局部激光喷丸再整形时，采用圆形光斑，光斑的直径0.5-2mm，激光能量为1-10j。
15.本发明有益效果:（1）电解磷化是在外加电流的作用下，使磷化液中的磷酸根离子在工件(阴极)表面进行沉积，但是精度和区域难以控制，在此基础上加入激光辐照辅助，通过激光辐照能够激光提高临界反应电流密度，实现局部区域电解磷化沉积磷化膜，利用激光的热效应能过加快局部区域的电解磷化反应，激光的力效应促进附近磷化液的流动，及时去除附近区域的气泡。另一方面，激光辐照降低了反应电子的活化能，抑制了浓差极化，使反应继续并稳定地进行，细化晶粒，提高了磷化膜的平整度。（2）黑磷化膜作为激光喷丸成形的吸收层，激光吸收率高，并且激光喷丸成形后无需去除，具有提高成形工件耐磨性和耐蚀性的作用。（3）大能量大光斑高效成形，小能量小光斑精密成形方式有利于提高板材成形精度，节省成形时间。（4）磷化膜定域沉积将激光热效应和电解磷化技术协同，实现特
定区域的磷化膜沉积，其他无需再次激光喷丸的区域不发生磷化反应，简化吸收层的涂敷过程。极大节省吸收层涂敷时间。
附图说明
16.图1为本发明装置的结构示意图。
17.图2为本发明实施例的方法工艺流程图。
18.图3为实施例中的磷化膜的表面宏观形貌图。
19.图4为实施例中的磷化膜的表面微观形貌图。
20.图5为实施例中的磷化膜的截面形貌图。
21.图6为实施例中的喷丸后的表面宏观形貌图。
22.图7为实施例中的不同处理试样后的表面残余应力分布图。
具体实施方式
23.下面结合附图，对本发明的技术方案做更详细的说明。
24.如图1所示，本实施例提供的一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，包括激光喷丸强化系统，激光辐照系统、电解磷化加工系统、运动控制系统、磷化液流动系统、信息采集系统，加热系统。激光喷丸强化系统包括第一脉冲激光器1、第一反射镜2和第一聚焦透镜3；所述第一激光器1发出的激光束经第一反射镜2进行反射后通过第一聚焦透镜3聚焦至工件13表面；激光辐照系统包括第二脉冲激光器7、第二反射镜6和第二聚焦透镜5；所述第二激光器7发出的激光束经第二反射镜6进行反射后通过第二聚焦透镜6聚焦至工件13表面；电解磷化加工系统包括电箱8、工件13和工具阳极4；所述工件13与电箱8阴极相连，通过夹具14固定在工作槽19的下方，所述工具阳极4与电箱8阳极相连，并固定在工件13的上方，并与工件13保持一定的距离，工具阳极4和距离传感器25固定在外部固定器24上，距离传感器25用于测量工具阳极的底部距离工件的距离。运动控制系统包括计算机17和运动控制器23。所述运动控制器23控制x-y-z三轴加工平台11；加热系统包括计算机17、加热装置12，信息采集系统包括计算机17、温度传感器15和三维信息采集器16，温度传感器实时采集工作槽19中磷化液的温度，并反馈给计算机17，三维信息采集器16采集激光喷丸后工件13的形貌变化，并反馈给计算机17，计算机17控制第一脉冲激光器1、第二脉冲激光器7、加热装置12、电箱8。磷化液流动系统包括蓄液槽20、磷化液21、蓄液槽出水口22、工作槽进水口18、工作槽出水口10、蓄液槽20中的原液21经蓄液槽出水口22流出，经工作槽进水口18流入工作槽，反应后可从工作槽出水口10流出。
25.优选的，第一脉冲激光器1为百焦耳级多维参数可调重频固体纳秒激光器，光斑尺寸、光束波形、光场分布和脉冲宽度可调。第二脉冲激光器7为皮秒激光器。
26.优选的，工具阳极4为惰性电极，工具阳极为直径0.5 mm的圆柱体，工具阳极的一段靠近工件，并且保持0.1-1mm的距离。所述电箱用于控制电解磷化槽中电流和电压的大小。工具阳极4圆柱体轴线垂直于工件13表面，第二脉冲激光器7产生的激光束经过第二凸透镜5后，激光束轴线与工件的夹角呈30-60度。距离传感器25用于测量工具阳极的底部距离工件的距离，将测量距离反馈至计算机，由计算机控制三维移动平台，调整工具阳极与工件的距离。
27.本实施例提供的一种吸收层可调的激光喷丸成形方法，包括如图2所示的步骤：s1 打开蓄液槽20的出水口和工作槽进水口18，蓄液槽20中的原液21经蓄液槽出水口22流出，经工作槽进水口18流入工作槽，当工作槽中的磷化液达到一定的高度后，关闭蓄液槽20的出水口和工作槽进水口18。s2 打开加热装置12，使得工作槽19中磷化液9的温度达到一定温度，同时温度传感器15实时反馈工作槽中磷化液的温度，计算机控制加热装置，使得温度保持恒定，持续一定时间，工件表面形成黑的磷化膜，表面的磷化膜作为激光喷丸成形的吸收层。s3 将成形板材的最终三维参数导入计算机，与目前工件的三维形貌进行对比，规划激光喷丸的具体参数，运动控制器23控制x-y-z三轴加工平台11，打开第一激光器，进行激光喷丸成形。s4 三维信息采集器16对喷丸完成后的工件进行三维形貌采集，与成形板材最终三维参数进行对比，确定再次喷丸的区域。s5 运动控制器23控制x-y-z三轴加工平台11，将需要再次喷丸的区域移动至工具阳极4的下方，打开工作槽出水口10，按照s1所述的内容更换磷化液。s6 同时打开第二激光器和电箱，激光器发出的激光束经聚焦辐照在工件表面，激光产生的热量通过热传导到达工件局部区域的表面，电箱控制局部区域的电流和电压，运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，实现局部区域的定域磷化膜沉积。s7 运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，打开第一激光器，调整激光喷丸成形参数，定向沉积磷化膜的区域进行再次激光喷丸。s8 重复s4-s7，最终，保证成形工件与预置参数在允许误差范围内，关闭所有设备。
28.优选的，所述电解磷化液，其成分包括10ml-20ml/l的磷酸、2.5g-3g/l的间硝基苯磺酸钠、0.5-1g/l的酒石酸和3g-5g/l的氢氧化镁，余量为去离子水。局部定域磷化膜沉积时，电解池采用的直流电，电流密度为0.5-50 a/dm2。局部定域磷化膜沉积时，第二激光发生器提供脉冲光源，其主要参数包括波长(1064 nm)、光斑直径(20 μm)、脉冲宽度(12 ps)，输出功率10-20w，扫描间距10-40μm.。局部定域磷化膜沉积时，计算机(17)控制第二激光发生器和电箱同时启动，局部区域满足磷化膜沉积的条件，实现局部区域磷化膜沉积。黑磷化膜作为激光喷丸成形的吸收层，表面为鳞片状形貌，激光吸收率高。
29.优选的，首次大面积喷丸前，可以根据激光喷丸的参数调整吸收层的厚度，吸收层的厚度可根据磷化膜制备时加热温度和加热时间调节，加热温度为50-60摄氏度，时间5-10分钟。
30.优选的，局部喷丸前，可以根据激光喷丸的参数调整吸收层的厚度，吸收层的厚度可根据定域磷化膜制备时电流密度和第二激光器的激光辐照参数调整。三维信息采集器（16）在每次激光喷丸完之后均对成形工件三维形貌进行采集，传输至计算机并且与初始设定参数相对比，确定局部激光喷丸的区域和参数。
31.优选的，激光喷丸成形完成时，残余的表面的吸收层无需去除，具有提高工件耐磨和耐蚀性的作用。激光喷丸成形的约束层为透明的磷化液，约束层的深度由磷化液的液面高度决定。
32.优选的，首次进行激光喷丸成形初成形时，采用的为方形光斑，光斑的边长为5-8mm，激光能量为50-100j，再进行局部激光喷丸再整形时，采用圆形光斑，光斑的直径0.5-2mm，激光能量为1-10j。
33.实施案：以以下成分的磷化液为例，10ml/l的磷酸、2.5g/l的间硝基苯磺酸钠、0.5/l的酒石酸和3g/l的氢氧化镁，余量为去离子水。采用加温磷化的方式，进行了磷化试
验，然后进行激光喷丸成形试验。在60℃的温度条件下，加温制备10 min，磷化膜表面试样形貌如图3至图5所示，表面为灰黑，涂层厚度大于10 μm。如图6所示，激光喷丸成形之后，试样表面的涂层被明显去除，没有明显烧蚀的现象。如图7所示，在激光喷丸能量为3j时，以磷化膜作为吸收层的表面残余应力为-65mpa，而使用黑胶带作为吸收层试样的表面残余应力为-40mpa，明显以磷化膜作为吸收层的喷丸效果优于黑胶带作为吸收层的试样。

技术特征：

1.一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，包括激光喷丸强化系统、x-y-z三轴加工平台(11)和工作槽（19），所述工作槽（19）固定在所述x-y-z三轴加工平台(11)上，所述喷丸强化系统位于工作槽（19）上方，其特征在于，所述工作槽（19）上方还设置有激光辐照系统和三维信息采集器（16），所述工作槽（19）内设置有工件（13）、工具阳极（4）、加热装置（12）和温度传感器（15），所述工件（13)与电箱（8）阴极相连，所述工具阳极（4）与电箱（8）阳极相连，所述工具阳极（4）位于所述工件（13）的上方，并与工件（13）保持一定的距离，所述工作槽（19）与磷化液流动系统连接。2.根据权利要求1所述的一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，其特征在于，所述激光喷丸强化系统包括第一脉冲激光器（1）、第一反射镜（2）和第一聚焦透镜（3）；所述第一激光器（1）发出的激光束经第一反射镜（2）进行反射后通过第一聚焦透镜（3）聚焦至工件（13）表面。3.根据权利要求2所述的一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，其特征在于，所述激光辐照系统包括第二脉冲激光器（7）、第二反射镜（6）和第二聚焦透镜(5）；所述第二激光器（7）发出的激光束经第二反射镜（6）进行反射后通过第二聚焦透镜（6）聚焦至工件（13）表面。4.根据权利要求3所述的一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，其特征在于，所述工件（13)通过夹具（14）固定在工作槽（19）内，所述工具阳极（4）和距离传感器（25）固定在外部固定器（24）上，所述距离传感器（25）用于测量所述工具阳极（4）底端距离所述工件（13）的距离。5.根据权利要求4所述的一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，其特征在于，所述磷化液流动系统包括蓄液槽（20），所述蓄液槽（20）内设置有磷化液（21），所述蓄液槽蓄液槽（20）上设有蓄液槽出水口（22），所述工作槽（19）上设置有工作槽进水口（18）和工作槽出水口（10），所述蓄液槽（20）中的磷化液（21）经蓄液槽出水口（22）流出，经工作槽进水口（18）流入工作槽，反应后从工作槽出水口（10）流出。6.根据权利要求4所述的一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，其特征在于，还包括计算机（17）和运动控制器(23)，所述运动控制器(23)控制x-y-z三轴加工平台(11)，所述计算机（17）与所述温度传感器（15）、所述三维信息采集器（16）、所述加热装置（12）、所述第一脉冲激光器（1）、所述第二脉冲激光器（7）和所述电箱（8）连接。7.根据权利要求1所述的一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，其特征在于，所述工具阳极（4）为惰性电极，工具阳极为直径0.5 mm的圆柱体，工具阳极的底端距离工件保持0.1-1mm的距离。8.根据权利要求书1所述的一种吸收层可调的激光喷丸成形装置，其特征在于，所述工具阳极（4）垂直于工件（13）所在平面，第二脉冲激光器（7）产生的激光束经过第二凸透镜（5）后，激光束轴线与工件所在平面的夹角呈30-60度。9.一种吸收层可调的激光喷丸成形方法，其特征在于，包括以下步骤：s1 打开蓄液槽（20）的出水口和工作槽进水口（18），蓄液槽（20）中的原液（21）经蓄液槽出水口（22）流出，经工作槽进水口（18）流入工作槽，当工作槽中的磷化液达到一定的高度后，关闭蓄液槽（20）的出水口和工作槽进水口（18）；s2 打开加热装置（12），使得工作槽（19）中磷化液（9）的温度达到一定温度，同时温度
传感器（15）实时反馈工作槽中磷化液的温度，计算机控制加热装置，使得温度保持恒定，持续一定时间，工件表面形成黑的磷化膜，表面的磷化膜作为激光喷丸成形的吸收层；s3 将成形板材的最终三维参数导入计算机，与目前工件的三维形貌进行对比，规划激光喷丸的具体参数，运动控制器(23)控制x-y-z三轴加工平台(11)，打开第一激光器，进行激光喷丸成形；s4 三维信息采集器（16）对喷丸完成后的工件进行三维形貌采集，与成形板材最终三维参数进行对比，确定再次喷丸的区域和参数；s5 运动控制器(23)控制x-y-z三轴加工平台(11)，将需要再次喷丸的区域移动至工具阳极（4）的下方，距离传感器（25）测量工具阳极的底部距离工件的距离，将测量距离反馈至计算机，由计算机控制三维移动平台，调整工具阳极与工件的距离，打开工作槽出水口（10），按照s1所述的内容更换磷化液；s6 同时打开第二激光器和电箱，第二激光器发出的激光束经聚焦辐照在工件表面，激光产生的热量通过热传导到达工件局部区域的表面，电箱控制局部区域的电流和电压，运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，实现局部区域的定域磷化膜沉积；s7 运动控制器控制x-y-z三轴加工平台，打开第一激光器，调整激光喷丸成形参数，定向沉积磷化膜的区域进行再次激光喷丸；s8 重复s4-s7，最终，保证成形工件与预置参数在允许误差范围内，关闭所有设备。10.根据权利要求9所述的一种吸收层可调的激光喷丸成形方法，其特征在于，所述激光喷丸用的激光器为百焦耳级多维参数可调重频固体纳秒激光器，光斑尺寸、光束波形、光场分布和脉冲宽度可调，所述激光辐照用的激光器为皮秒激光器，首次进行激光喷丸成形时，采用的为方形光斑，光斑的边长为5-8mm，激光能量为50-100j，再进行局部激光喷丸再整形时，采用圆形光斑，光斑的直径0.5-2mm，激光能量为1-10j。

技术总结

本发明涉及一种吸收层可调的激光喷丸成形装置和方法，包括激光喷丸强化系统、x-y-z三轴加工平台和工作槽，工作槽固定在x-y-z三轴加工平台上，喷丸强化系统位于工作槽上方，工作槽上方还设置有激光辐照系统和三维信息采集器，工作槽内设置有工件、工具阳极、加热装置和温度传感器，工件与电箱阴极相连，工具阳极与电箱阳极相连，工具阳极位于工件的上方，并与工件保持一定的距离，工作槽与磷化液流动系统连接。本发明利用普通加温磷化和激光电解磷化复合作用的方法对工件的全部或者局部区域沉积黑磷化膜，将激光热效应和电解磷化技术协同，实现特定区域的磷化膜沉积，其他无需再次激光喷丸的区域不发生磷化反应，简化吸收层的涂敷过程。的涂敷过程。的涂敷过程。