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专利号: 201710309505X
申请人: 江苏大学
专利类型:其他
专利状态:已下证
专利领域: 铁的冶金
更新日期:2023-09-24
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种激光冲击和超声振动挤压协同强化装置,其特征在于,包括激光组件、振动组件、液压组件和连接组件;

所述激光组件包括吸收层(2)、约束层(3)、激光束(4)和激光器(14);所述吸收层(2)置于金属板料(5)上表面,约束层(3)置于吸收层(2)上方,激光器(14)位于金属板料(5)上方发出的激光束(4)对金属板料(5)上表面的孔(7)进行激光冲击强化;

所述振动组件包括芯棒(1)、换能器(13)和超声波发生器(18);所述芯棒(1)包括依次连接的连接段(101)、导向段(102)、配合段(103)、前锥段(104)、工作环(105)和后锥段(106);超声波发生器(18)与换能器(13)电连接;

所述液压组件包括缸筒(16)、活塞杆(20)、活塞(21)、缸体(23)和液压泵站(26);活塞杆(20)安装在缸筒(16)内部,活塞杆(20)的一端和活塞(21)连接,所述活塞杆(20)的另一端与换能器后盖板(31)通过连接套筒(15)相连接,并安装在支架体(19)内,所述缸体(23)通过油管和液压泵站(26)连接;

所述连接组件包括夹具(8)、工作台(9)、前端盖(10)、套筒(11)、换能器导向套筒(12)、连接套筒(15)、支架体(19)和后端盖(25);所述夹具(8)安装在工作台(9)上,前端盖(10)与套筒(11)的一端连接,套筒(11)的另一端与换能器导向套筒(12)的一端螺纹连接,且换能器导向套筒(12)安装在工作台(9)上,支架体(19)的一端与换能器导向套筒(12)的另一端连接,支架体(19)的另一端与缸体(23)的下端连接,后端盖(25)安装在缸体(23)的上端;所述芯棒(1)的连接段(101)与换能器(13)连接,并安装在换能器导向套筒(12)内,换能器导向套筒(12)安装在工作台(9)的上方。

2.根据权利要求1所述激光冲击和超声振动挤压协同强化装置,其特征在于,所述芯棒(1)的前锥段(104)和后锥段(106)轴向长度不超15mm,前锥段(104)和后锥段(106)的表面粗糙度Ra≤0.2μm,前锥角和后锥角为2.5~4°;所述工作环(105)的表面粗糙度Ra≤0.1μm。

3.根据权利要求1所述激光冲击和超声振动挤压协同强化装置,其特征在于,所述换能器(13)包括换能器前盖板(27)、预紧力螺钉(28)、压电陶瓷(29)、电极片(30)、换能器后盖板(31)、绝缘管(32)和绝缘片(33);

所述芯棒(1)的连接段(101)与换能器前盖板(27)螺纹连接,换能器前盖板(27)上方依次安装绝缘片(33)、电极片(30)、压电陶瓷(29),每对压电陶瓷(29)间都安装有电极片(30),最上方的压电陶瓷(29)依次与电极片(30)、绝缘片(33)、换能器后盖板(31)相连,换能器(13)各个部分之间由预紧力螺钉(28)相连接,预紧力螺钉(28)外表面套有绝缘管(32)。

4.一种根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动挤压协同强化装置的方法,其特征在于,采用激光冲击强化和超声振动挤压强化同时对金属板料(5)上已开的孔(7)进行强化,所述芯棒(1)与孔(7)成间隙配合状态以对孔(7)进行约束,在激光冲击金属板料(5)外表面时,孔(7)中的芯棒(1)施加超声振动,利用功率超声与激光冲击波产生相互作用,在孔(7)的孔壁附近形成三维的压应力分布,具体包括以下步骤:S1.对已开孔(7)的金属板料(5)外表面进行预处理,在所述金属板料(5)外表面先设置吸收层(2),再在吸收层(2)上设置约束层(3);

S2.根据所述孔(7)的尺寸选择芯棒(1)型号尺寸,芯棒配合段(103)与孔(7)间隙配合;

S3.将所述芯棒(1)的轴线与孔(7)轴线对准后使芯棒(1)穿过孔(7),芯棒(1)的连接段(101)与换能器(13)连接,换能器后盖板(31)与液压组件的活塞杆连接;

S4.超声波发生器(18)与换能器(13)电连接,设置超声波发生器(18)的振动模态和参数,打开超声波发生器(18),使芯棒(1)产生模态的超声振动;

S5.调节在金属板料(5)上方的激光器(14)的光斑形状、光斑大小及激光功率密度,在芯棒(1)产生模态的超声振动的同时对孔(7)四周的外表面进行激光冲击强化;

S6.完成激光冲击后,打开液压泵站(26),启动液压组件,将芯棒(1)匀速缓慢挤压的通过孔(7),关闭超声波发生器(18),完成激光冲击和超声振动挤压协同强化。

5.根据权利要求4所述激光冲击和超声振动挤压协同强化装置的方法,其特征在于,所述步骤S1中的吸收层(2)为铝箔,约束层(3)为水。

6.根据权利要求4所述激光冲击和超声振动挤压协同强化装置的方法,其特征在于,所述步骤S2中配合段(103)与孔(7)的配合公差为H6/h5、H7/h6、H8/h7或H9/h9。

7.根据权利要求4所述激光冲击和超声振动挤压协同强化装置的方法,其特征在于,所述步骤S4中超声波发生器(18)采用呼吸式振动;超声振动频率为15~60kHz,交替式径向振幅为2~40μm;芯棒(1)通过孔(7)的速度为10~50mm/min。

8.根据权利要求4所述激光冲击和超声振动挤压协同强化装置的方法,其特征在于,所述步骤S5中激光器(14)的激光冲击位置为绕孔(7)的孔周进行,周向光斑搭接率和径向光斑搭接率均大于50%。

9.根据权利要求4所述激光冲击和超声振动挤压协同强化装置的方法,其特征在于,所述步骤S5中激光器(14)的激光入射角(401)大于60°。

10.根据权利要求4所述激光冲击和超声振动挤压协同强化装置的方法,其特征在于,所述步骤S6中芯棒(1)与孔(7)之间超声挤压强化通过芯棒(1)的工作环(105)与孔(7)相互挤压完成,超声挤压余量保持在1%~6%。