1.一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置,其特征在于,包括激光组件和超声振动组件;
所述激光组件包括吸收层(2)、约束层(4)和激光束(9);所述吸收层(2)置于工件(1)的上表面,约束层(4)位于吸收层(2)上方;
所述超声振动组件包括冲击头(3)、冲击头盖(8)、变幅杆(5)、第一换能器(6)和第二换能器(10);所述第一换能器(6)与第二换能器(10)置于变幅杆(5)的一端;所述冲击头(3)与冲击头盖(8)均通过螺纹与变幅杆(5)另一端的外壁连接,冲击头盖(8)与冲击头(3)上下配合,冲击头盖(8)与冲击头(3)结合处的一侧形成流通约束层(4)的通道;所述变幅杆(5)为中心位置开设有中空结构,激光束(9)可通过变幅杆(5)上开设的中空结构辐照到工件(1)上。
2.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置,其特征在于,所述第一换能器(6)和第二换能器(10)组成双管并联式换能器,双管并联式换能器中间预留一定的空隙激光束(9)可通过。
3.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置,其特征在于,所述约束层(4)为水或者其它透明液体。
4.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置,其特征在于,所述变幅杆(5)上靠近冲击头(3)端面上安装有透明的防弹玻璃(7)。
5.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置,其特征在于,所述冲击头(3)形状根据曲面的曲率进行选择,使其能适合曲面强化,强化曲面曲率为正的工件(13)时冲击头(3)前端形状应为凹形,强化曲面曲率为负的工件(14)时冲击头(3)前端形状应为凸形。
6.一种基于权利要求1至5任一项所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置的方法,其特征在于,采用激光冲击和超声振动同时对工件(1)表面进行强化处理,在激光冲击工件(1)表面时,对冲击头(3)施加超声振动,利用一定频率、振幅和模态的超声振动与激光冲击波产生相互作用,在材料表面一定深度形成三维的压应力分布,冲击头(3)约束等离子体的横向爆炸,具体包括以下步骤:S1.对工件(1)的待强化表面进行预处理;
S2.设置吸收层(2)和约束层(4);在工件(1)表面贴上铝箔或者黑漆作为吸收层(2);使用水或其它透明液体作为约束层(4),约束层(4)经冲击头盖(8)与冲击头(3)结合处的侧边的入水口注入,经过冲击头(3),流向强化区域;
S3.设置超声振动的模态和参数,使冲击头(3)产生超声振动;
S4.调节光斑形状、光斑大小及激光功率密度等激光参数,激光束(9)经由空心路径,对工件(1)待强化表面进行激光冲击强化,在该过程中,根据强化路径控制工件(1)的移动,直至工件(1)待强化表面均被强化处理;
S5.停止超声振动,停止激光束(9)入射,并停止注入约束层(4);从而完成激光冲击和超声振动复合强化。
7.根据权利要求6所述的复合曲面强化装置的方法,其特征在于,步骤S2中水或其它透明液体作为约束层(4),控制约束层(4)流入速率,保证层流状态,由入水口始终流向激光强化区域;当约束层(4)上升至一定高度,会被透明的防弹玻璃(7)所阻碍,避免逆流空心路径,影响强化效果。
8.根据权利要求6所述的复合曲面强化装置的方法,其特征在于,步骤S3中超声振动模态为纵向振动或者呼吸式振动;超声振动频率为15~60kHz,超声振幅为2~40μm。
9.根据权利要求6所述的复合曲面强化装置的方法,其特征在于,所述冲击头(3)与工件(1)表面之间距离控制在0-0.01mm。
10.根据权利要求6所述的复合曲面强化装置的方法,其特征在于,步骤S4中激光冲击时光斑搭接率大于50%。