阅读说明：本技术 一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置 (Ultrasonic vibration device for coaxial ultrasonic-assisted laser shot peening strengthening ) 是由 孟宪凯 汪卉 周建忠 许晓静 黄舒 李京 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置,主要包括振动杆、变幅杆、压电陶瓷、第一光学玻璃、第二光学玻璃,振动杆与变幅杆轴向中心加工有通孔,振动杆下端与变幅杆上端固定连接；第一光学玻璃位于振动杆顶部,第二光学玻璃位于变幅杆底部。振动杆上端延伸出上壳体的上表面、且与其固定连接,压电陶瓷装在振动杆上。所述的超声振动装置,压电陶瓷通电后,将电能转化为机械能产生超声波,通过变幅杆实现机械振动振幅的放大。振动杆与变幅杆轴向中心加工有通孔,为激光提供传播通道,实现超声振动波与激光冲击波同轴传播。保证两者在传播过程中耦合,促进材料的动态再结晶行为,制备具有超细晶粒表面的金属零件。(The invention provides an ultrasonic vibration device for coaxial ultrasonic-assisted laser shot peening strengthening, which mainly comprises a vibration rod, an amplitude transformer, piezoelectric ceramics, first optical glass and second optical glass, wherein a through hole is processed in the axial center of the vibration rod and the amplitude transformer, and the lower end of the vibration rod is fixedly connected with the upper end of the amplitude transformer; the first optical glass is positioned at the top of the vibrating rod, and the second optical glass is positioned at the bottom of the amplitude transformer. The upper end of the vibrating rod extends out of the upper surface of the upper shell and is fixedly connected with the upper surface of the upper shell, and the piezoelectric ceramic is arranged on the vibrating rod. After the piezoelectric ceramic is electrified, the ultrasonic vibration device converts electric energy into mechanical energy to generate ultrasonic waves, and amplification of mechanical vibration amplitude is achieved through the amplitude transformer. The axial centers of the vibrating rod and the amplitude transformer are provided with through holes for providing a propagation channel for laser and realizing the coaxial propagation of ultrasonic vibration waves and laser shock waves. Ensures the coupling of the two in the transmission process, promotes the dynamic recrystallization behavior of the material, and prepares the metal part with the surface of the ultra-fine crystal grains.)

一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置

技术领域

本发明专利属于超声辅助激光加工领域，特指一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置。

背景技术

激光喷丸强化技术，利用激光与材料的相互作用产生等离子体爆轰波，爆轰波压力以极高速度、超高压力在材料内部传播，诱导产生高密度位错结构以及一定程度的晶粒细化。例如申请号为CN201810047122.4的发明专利申请提出一种铜铬合金表面晶粒细化和强化的方法，通过激光冲击强化技术在铜铬合金的表面区域形成颗粒细小同时具有较高残余压应力的细晶层，一方面使铜铬表面组织细化提高了表面硬度，并且有利于材料服役；另一方面残余压应力的存在提高了表面硬度和抗疲劳。但是，激光冲击强化技术中的晶粒细化程度主要与动态再结晶过程有关，传统激光冲击强化技术具有动态再结晶程度低、晶粒细化程度低等缺点。

专利号为ZL201410177914.5的发明专利提出一种能显著提高航空铝合金材料抗振性能的方法及装置，首先通过激光温喷丸基于动态应变时效在材料表面得到高密度的位错及位错缠结，同时产生明显的晶粒细化组织；喷丸完成后，迅速将工件至于5～8℃的水溶液中急剧冷却，降低位错湮灭以及晶粒长大过程，最终在室温下得到高密度位错与超细晶粒共存的微观组织，显著增加材料的阻尼，提高材料的抗振性能。该方法通过热力耦合效应获得了较传统激光喷丸强化技术更小的晶粒尺寸，但是仍具有以下几个缺点：(1)高温对零件芯部材料性能的影响较大，不利于形成外强内韧的材料结构；(2)温度场的能量利用率较低，成本较高；(3)由于防止高温破坏，激光温喷丸强化装备复杂且昂贵。

超声波技术成熟且价格低廉，在激光加工技术中得到了广泛应用。申请号为201910029414.X的发明专利公开了一种随焊超声振动的激光焊接方法，在焊接过程中施加预热，并在熔池后方一定距离的焊缝正面施加超声振动，可以细化晶粒，有效减小焊接残余应力，减少气孔和裂纹，从而提高焊缝的疲劳性能。申请号为201711057771.4的发明专利公开了一种超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层的方法和装置，将超声振动时效直接引入到熔池微区，凭借超声波直接的空化效应、机械效应和热效应促进熔覆层应力场均匀化，细化晶粒组织，从根源上抑制裂纹的产生，制备出表面形貌良好，无裂纹的熔覆层。上述方法利用超声振动对激光诱导的熔池进行搅拌/冲击，实现组织细化，但具有以下缺点：(1)激光熔融过程中组织缺陷较多且难以控制，例如气孔、裂纹等；(2)激光熔融后材料表面出现残余拉应力，不利于疲劳强度的提高。

发明内容

本发明提出一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，可以实现在材料内部沿同一轴线传播并形成耦合场，在克服现有技术缺陷的同时，促进材料的动态再结晶行为，制备具有超细晶粒表面的金属零件，实现金属材料表面的晶粒细化，且效率高、成本低。

一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，其特征在于：主要包括振动杆、变幅杆、压电陶瓷、第一光学玻璃、第二光学玻璃，振动杆与变幅杆轴向中心加工有通孔，振动杆上端延伸出上壳体的上表面、且与其固定连接，压电陶瓷装在振动杆上、并由上壳体压紧；第一光学玻璃位于振动杆顶部；

振动杆下端与变幅杆上端固定连接，变幅杆下端延伸出下壳体的下表面、且与其固定连接，下壳体与上壳体固定连接；第二光学玻璃位于变幅杆底部。

进一步地，振动杆顶部、变幅杆底部均设有凹孔，第一光学玻璃位于振动杆顶部的凹孔内、且由第一对顶螺母压紧，第二光学玻璃位于变幅杆底部的凹孔内、且第二对顶螺母压紧。

进一步地，变幅杆底部的凹孔侧壁上设有进水口和出水口，端部设有滚珠。

进一步地，所述上壳体上加工有进气孔和出气孔。

进一步地，所述进气孔位于上壳体的下部，出气孔位于上壳体的上部。

进一步地，振动杆与变幅杆通过螺纹连接。

进一步地，上壳体的顶部设有能够与上部装置连接的弹簧。

进一步地，上壳体通过螺母固定在振动杆上，上壳体通过螺杆和螺母与下壳体连接。

进一步地，第一光学玻璃、第二光学玻璃的透光率高于99.9％。

本发明所述的超声振动装置，压电陶瓷通电后，将电能转化为机械能产生超声波，带动振动杆振动，振动杆通过螺纹与变幅杆连接，通过变幅杆实现机械振动振幅的放大。另外，振动杆与变幅杆轴向中心加工有通孔，振动杆顶部、变幅杆底部分别设置第一光学玻璃、第二光学玻璃，为激光提供传播通道。

在超声振动波与激光冲击波同时加载与金属表面进行喷丸强化处理的时候，超声振动波在金属表层诱导高频振动波，高频振动波使原子点阵在振动波传播路径上出现周期性的原子密集区域与疏松区域；在原子密集区域，超声振动波增加了材料势能，在激光冲击波的诱导下产生更高的位错密度；在原子疏松区域，超声振动波使原子间距增加、原子运动加剧，促使激光喷丸诱导的位错胞、位错墙等微观结构快速向低能态转变，形成亚晶界以及大角度晶界，促进材料的动态再结晶行为，并获得超细晶表层的金属材料。

因此，在使用时，将脉冲激光束对准振动杆与变幅杆轴向中心的通孔，同时为压电陶瓷加载电压，实现超声振动波与激光冲击波同轴传播。保证两者在传播过程中耦合，促进材料的动态再结晶行为，制备具有超细晶粒表面的金属零件。

另外，本发明通过在变幅杆底部的凹孔侧壁上设有进水口和出水口，端部设有滚珠，可以保证试样表面被水膜覆盖，实现激光冲击波压力的约束；同时还能实现超声振动装置在零件表面运动，保证光斑搭接与大面积喷丸。具有结构简单、成本低廉、绿色环保的优点。

附图说明

图1为本发明所述制备超细晶组织的同轴超声辅助激光喷丸强化装置。

图中：

1.脉冲激光，2.振动杆，3.螺母，4、5.第一对顶螺母，6.光学玻璃，7.上壳体，8.第一弹簧，9.压电陶瓷，10.接电端I，11.变幅杆，12.进气口，13.第一螺柱，14.下壳体，15.第一螺栓，16.进水口，17.黑胶带，18.金属零件，19.滚珠，20.出水口，21、22.第二对顶螺母，23.光学玻璃，24.第二螺栓，25.第二螺柱，26.出气口，27.接电端II，28.第二弹簧。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，主要包括振动杆2、变幅杆11、压电陶瓷9、第一光学玻璃6、第二光学玻璃23，其中，第一光学玻璃6、第二光学玻璃23的透光率高于99.9％。

振动杆2与变幅杆11轴向中心加工有通孔，振动杆2下端与变幅杆11上端固定连接；第一光学玻璃6位于振动杆2顶部，第二光学玻璃23位于变幅杆11底部。具体的，振动杆2顶部、变幅杆11底部均设有凹孔，第一光学玻璃6位于振动杆2顶部的凹孔内、且由第一对顶螺母4、5压紧，第二光学玻璃23位于变幅杆11底部的凹孔内、且第二对顶螺母21、22压紧。振动杆2与变幅杆11轴向中心的通孔为脉冲激光提供传输路径，使激光可以在超声振动装置中间传输，进而实现超声振动波与激光冲击波沿相同轴线传输。

变幅杆11底部的凹孔侧壁上设有进水口16和出水口20，实现激光1与黑胶带17之间存在水膜，实现对激光冲击波压力的约束。变幅杆11底部的凹孔侧壁端部设有滚珠19，使超声振动装置可以在零件18表面运动，进而实现光斑搭接与大面积喷丸。

振动杆2上端延伸出上壳体7的上表面，采用螺母3将上壳体7压紧在振动杆2上，压电陶瓷9装在振动杆2上、并由上壳体7压紧。变幅杆11下端延伸出下壳体14的下表面、且与其固定连接，上壳体7通过第一螺柱13、第二螺柱25和第一螺母15、第二螺母24与下壳体14连接。

进一步地，所述上壳体7上加工有进气孔12和出气孔26，用于压电陶瓷9的冷却。所述进气孔12位于上壳体7的下部，出气孔26位于上壳体7的上部。上壳体7的顶部设有能够与上部装置连接的第一弹簧8、第二弹簧28。采用第一弹簧8、第二弹簧28将整个超声振动装置压在金属零件18与黑胶带17表面。

压电陶瓷9通过导线引出接电端Ⅰ10、接电端Ⅱ27，接电端Ⅰ10、接电端Ⅱ27与电源相连，当有电压施加在压电陶瓷9上时，压电陶瓷9将电能转化为机械能，产生超声振动波，并带动振动杆2振动。振动杆2通过螺纹与变幅杆11连接，超声振动波通过振动杆2传递到变幅杆11，变幅杆11将振幅放大后将超声振动波通过滚珠19传递到金属零件18，并向金属零件内部传播。该装置可以实现超声振动频率40～120KHz，超声功率200～1000W，激光光斑搭接率50％～75％。

脉冲激光通过第一光学玻璃6、振动杆2、变幅杆11、光学玻璃23以及黑胶带17表面的水膜与黑胶带17相互作用，产生冲击波并在水膜约束下向材料内部传播。超声振动波与激光冲击波形成耦合场，促进材料的动态再结晶行为，制备具有超细晶粒表面的金属零件。

以厚度为2mm的2024-T351铝合金板材为例，采用用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置进行超声辅助激光喷丸表面强化，具体如下：

采用螺母3将压电陶瓷9与上壳体7压紧在振动杆2上，压电陶瓷9通过导线引出接电端Ⅰ10、接电端Ⅱ27，振动杆2通过螺纹与变幅杆11连接，将电能转化为机械能。振动杆2与变幅杆11中间加工有通孔，使用第一对顶螺母4、5将第一光学玻璃6压紧在振动杆2顶部的凹孔内，并使用第二对顶螺母21、22将光学玻璃23压紧在变幅杆11底部的凹孔内，使激光可以在超声振动装置中间传输，进而实现超声振动波与激光传输方向同轴。其中，光学玻璃采用透光率高达99.99％的K9光学玻璃。

采用第一弹簧8、第二弹簧28将整个超声振动装置压在金属零件18与黑胶带17表面，而变幅杆11底部设置滚珠19，使超声振动装置可以在试样表面运动，实现光斑搭接率50％，喷丸面积4cm²。

压电陶瓷9通电后产生超声振动波，并通过振动杆2传递到变幅杆11，变幅杆11将振幅放大后将超声振动波通过滚珠19传递到2024-T351铝合金18，并向材料内部传播。同时，激光通过第一光学玻璃6、振动杆2、变幅杆11、光学玻璃23以及黑胶带17表面的水膜与黑胶带17相互作用，产生冲击波并在水膜约束下向材料内部传播。超声振动波与激光冲击波耦合，制备具有超细晶粒表面的2024-T351铝合金零件。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。