專利名稱：單頭激光器的高通過量激光沖擊噴丸處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光沖擊噴丸處理，更具體地，涉及用單頭激光器進行激光沖擊噴丸處理的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
激光沖擊噴丸處理(LSP)，也稱激光沖擊處理工藝是一種通過對制件的表面區(qū)進行激光沖擊噴丸處理而產(chǎn)生表面深層壓縮殘余應(yīng)力區(qū)的方法。激光沖擊噴丸處理通常采用一個或多個來自高能脈動激光器或低能脈動激光器的放射脈沖在制件表面上產(chǎn)生強烈的沖擊波，此方法類似于下列美國專利公開過的方法發(fā)明名稱為“改變材料性能”的US 3850698；發(fā)明名稱為“激光沖擊噴丸處理”的US 4401477；和發(fā)明名稱為“材料性能”的US 5131957。正如現(xiàn)有技術(shù)中所理解和應(yīng)用的那樣，激光沖擊噴丸處理意味著使用一種來自激光束源的脈動激光束在部分表面上產(chǎn)生局部壓縮力，而這要通過在激光束的沖擊點產(chǎn)生爆發(fā)力來實現(xiàn)，激光沖擊使上述表面的薄層或該表面上的涂覆層(例如膠帶或涂料)發(fā)生瞬間燒蝕或蒸發(fā)而產(chǎn)生等離子，從而在材料表面引起沖擊波。
正在發(fā)展中的激光沖擊噴丸處理方法在燃氣渦輪發(fā)動機的領(lǐng)域內(nèi)有許多用途，其中一些在下列美國專利公開過發(fā)明名稱為“關(guān)于航空用激光沖擊噴丸處理”的US 5756965；發(fā)明名稱為“激光沖擊噴丸處理渦輪發(fā)動機風(fēng)扇葉片邊緣”的US 5591009；發(fā)明名稱為“激光沖擊噴丸處理燃氣渦輪發(fā)動機壓氣機葉片邊緣的形變控制”的US5531570；發(fā)明名稱為“激光沖擊噴丸處理渦輪機的轉(zhuǎn)動件”的US5492447；發(fā)明名稱為“膠帶覆蓋的激光沖擊噴丸處理”的US 5674329；發(fā)明名稱為“干膠帶覆蓋的激光沖擊噴丸處理”的US 5674329所有這些專利均轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。
業(yè)已使用約20～50焦耳高能激光束或約3～10焦耳低能激光束，其它能量級的激光束也計劃使用，可參看例如授與Mannava等人的于1997年10月7日發(fā)布的美國專利No.5674329(“用高能激光器的LSP方法”)和授與Mannava等人的于1999年8月3日發(fā)布的美國專利No.5932120(“用低能激光器的LSP方法”)。采用不同的激光材料例如含釹的釔-鋯-拓榴石(NdYAG)、NdYLF等可產(chǎn)生低級激光束。低級激光沖擊噴丸處理工藝的發(fā)展在于努力降低激光設(shè)備的成本、降低維修費用，并降低激光沖擊噴丸處理工藝的成本，但是，這些激光機仍然比普通的激光鉆孔機復(fù)雜，而且昂貴。激光鉆孔機一般具有單一激光器。
眾所周知，可以發(fā)出每個脈沖的能量約為20～50焦耳的大激光脈沖，其前緣暫存上升時間為5～10毫微秒，其全寬度半最大脈沖寬度為20～50毫微秒。為了產(chǎn)生這樣的大激光脈沖，激光發(fā)生器變得復(fù)雜而且龐大，要加入6個至12個以上的玻璃激光桿或者說激光頭，以便傳輸LSP所需的能量。這類激光器只限于產(chǎn)生每幾秒1個脈沖至每秒2個脈沖左右。低能激光器傳輸約5～10焦耳的脈沖能量，它們能使可供選用的激光工藝?yán)鏝dYAG桿晶體付諸應(yīng)用。這些都可在較低能量但在約10Hz的較快脈動頻率下傳遞同樣的暫存特征。
在上述的任一種50焦耳的玻璃桿或5焦耳的YAG桿情況下，產(chǎn)生所需能量所必備的激光頭或者說激光桿的數(shù)目都使這種設(shè)備復(fù)雜而且昂貴，維修費用也高，且對于LSP生產(chǎn)的實用性較差。因此，非常希望有裝配單頭激光器的可用于激光沖擊噴丸處理(LSP)的激光沖擊噴丸設(shè)備和方法。
發(fā)明概述激光沖擊處理機中用于產(chǎn)生沿主光束通道的主激光束的激光裝置具有一個僅帶有單一激光桿的脈動的自由運行振蕩器。外接于自由運行激光振蕩器的電-光轉(zhuǎn)換器或者說Pockel傳感器從操作上沿主光束通道設(shè)置以阻塞主激光束的來自自由、運行振蕩器的初始慢速上升時間，并使來自激光桿的主激光束的脈沖銳化。
在激光裝置的示例性實施例中，電-光轉(zhuǎn)換器將能量從主光束通道沿轉(zhuǎn)儲通道拒斥至轉(zhuǎn)儲器中。用至少一條光學(xué)傳輸電路形成至少一個來自主激光束的穩(wěn)定的激光束，并將該激光束導(dǎo)引至至少一個激光沖擊噴丸處理目標(biāo)區(qū)。用一個與上述電-光轉(zhuǎn)換器可控連接的延遲脈沖發(fā)生器來觸發(fā)上述電-光轉(zhuǎn)換器。可用一個與上述延遲發(fā)生器工作連接的快速光敏二極管來測量來自激光振蕩器的初始激光輸出脈沖；并觸發(fā)延遲脈沖發(fā)生器來轉(zhuǎn)換Pockel傳感器。在激光裝置的更詳細的示例性實施例中，設(shè)置了電源、閃光燈、激光桿，以激光桿發(fā)射激光輸出脈沖，該脈沖的能量大于1焦耳，其上升時間約為幾百微秒，其脈寬范圍約為幾百微秒至1毫秒。設(shè)置Pockel傳感器來銳化主激光束，以便使其能量大于1焦耳。
在激光沖擊噴丸設(shè)備的該示例性實施例中，一臺束分離器從作業(yè)上設(shè)置在沿主光束通道的電-光轉(zhuǎn)換器之后，以便沿兩條光學(xué)傳輸電路(包括一條光學(xué)傳輸電路)分離主激光束，所述的兩條光學(xué)傳輸電路工作時可形成兩束穩(wěn)定的激光束(包括一束穩(wěn)定的激光束)，兩條光學(xué)傳輸電路將穩(wěn)定的激光束投射到兩個激光沖擊噴丸處理目標(biāo)區(qū)(包括一個激光沖擊噴丸處理目標(biāo)區(qū))。
附圖簡述

圖1是具有單頭激光器的激光沖擊噴丸設(shè)備的簡單視圖；圖2是圖1所示激光沖擊噴丸設(shè)備的激光裝置和光學(xué)儀器簡單示意圖。
本發(fā)明詳細說明圖1示出一種用于激光沖擊噴丸處理一種制件或者說一種工件的沖擊噴丸機10。圖中示出的工件是安裝在一種多軸計算機數(shù)字控制(CNC)的機械手127內(nèi)的燃氣渦輪發(fā)動機葉片8。穩(wěn)定的激光束2照射在目標(biāo)區(qū)42。圖1所示激光沖擊噴丸機10具有一個帶有振蕩器33的激光裝置31。采用一種控制器24來調(diào)制和激發(fā)激光束裝置，以可控的方式對帶涂覆層的激光沖擊噴丸處理表面55發(fā)射激光束2，并控制機械手127的工作和移動。
圖2更具體地示出激光裝置31。該激光裝置31中的振蕩器33只有單一的產(chǎn)生激光的桿36。典型的振蕩器33是普通的脈動YAG自由運行振蕩器。這種振蕩器的實例有Convergant-Prima P50，以及其他的主要為激光鉆孔制造的YAG激光器。這些激光器在頻率1～100Hz以上和脈寬從幾百微秒至1毫秒以上的條件下發(fā)出1～50焦耳的能量。這些激光器可從幾個供貨公司購得，例如Trumpf，Rofin Sinar，Lasag，和JK?？梢园凑找栽S多方法與小于500瓦特(一般小于200瓦特)的平均功率相結(jié)合的參數(shù)(例如脈沖重復(fù)頻率×能量/脈沖)操作上述激光器。上述的自由運行振蕩器的前緣上升時間約為幾百微秒，這時間太慢，難以形成用于激光沖擊噴丸處理的沖擊波和聲波。
用一個外接于自由運行振蕩器33的電-光轉(zhuǎn)換器或者說Pockel傳感器64來阻塞自由運行振蕩器33的主激光束34的初始慢速上升時間。從而將能量拒斥到主光束通道66之外。在預(yù)定時間內(nèi)，Pockel傳感器64的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到“打開”狀態(tài)，其余的輸出脈沖則通過Pockel傳感器，并通過光學(xué)儀器35，而聚焦在待激光沖擊噴丸處理的制件的激光沖擊噴丸處理表面55上。可以采用其他的可產(chǎn)生激光的介質(zhì)例如釹釔，顯然，這些介質(zhì)不是關(guān)鍵性的，但它們可在10Hz或更高頻率(用于激光處理的速度)下產(chǎn)生1～50焦耳的能量。
上述自由運行振蕩器33由一對閃光燈70來激勵，該閃光燈70驅(qū)動可產(chǎn)生激光的桿36，并由頻率約為10Hz或更高的電源72供電。來自自由運行YAG激光振蕩器33的激光桿36的激光輸出脈沖74的能量大于1焦耳，而上升時間為幾百微秒，脈寬為幾百微秒至1毫秒(見圖2中的第一能量上升曲線圖80即焦耳與時間(J-T)的關(guān)系曲線)。輸出脈沖74被傳送到起初是關(guān)閉的Pockel傳感器64，在關(guān)閉狀態(tài)下，Pockel傳感器64吸收和/或拒斥從自由運行YAG激光振蕩器33沿轉(zhuǎn)儲通道89(不與主光束通道66對準(zhǔn))進入轉(zhuǎn)儲器88的輸出脈沖74的所有能量。主光束通道66與轉(zhuǎn)儲通道89呈轉(zhuǎn)儲銳角91。被從Pockel傳感器64拒斥的能量78以拒斥能量曲線圖84(J與T的關(guān)系)表示。
在最初的一個輸出脈沖74被拒斥入轉(zhuǎn)儲器88后，Pockel傳感器64便在短時間內(nèi)(通常小于5毫微秒)打開，而在隨后下移至主光束通道66的主激光束34中形成一個銳化的脈沖76，如圖2中第二能量上升曲線82所示。此時，主激光束34的能量至少為1焦耳，(低于1焦耳則被拒斥出激光脈沖的前暫存端)，并通過束光學(xué)傳輸電路43傳送，傳輸電路43含有聚焦透鏡90，將主激光束34聚焦在激光沖擊噴丸處理表面55上，激光束撞擊該表面產(chǎn)生用于激光沖擊噴丸處理的沖擊波和聲學(xué)壓縮波。
Pockel傳感器64的相對于激光脈沖發(fā)射的時間是重要的。自由運行的振蕩器33不可能足夠精確地通過電源72的脈動以重復(fù)脈沖頻率來觸發(fā)Pockel傳感器64，那么可以用一個與Pockel傳感器64可控地連接的延遲脈沖發(fā)生器103來觸發(fā)Pockel傳感器64。并可用快速光敏二極管104精確測量激光輸出端的初始激光脈沖，并觸發(fā)延遲脈沖發(fā)生器103在預(yù)定的和可重復(fù)的時延內(nèi)轉(zhuǎn)換Pockel傳感器64，以便精確地建立快速激光沖擊噴丸處理的脈沖前緣上升時間。
束分離器49將主激光束送入兩條用于形成穩(wěn)定的激光束2的束光學(xué)傳輸電路43，每條束光學(xué)傳輸電路43具有光學(xué)儀器35，以向目標(biāo)區(qū)42導(dǎo)引穩(wěn)定的激光束2。上述光學(xué)儀器35具有光學(xué)元件包括透鏡90，它們用于傳送激光束2并將它聚焦在激光沖擊噴丸處理表面55上。
位于目標(biāo)區(qū)42內(nèi)的激光沖擊噴丸表面55在圖中分別示于葉片8的前緣(LE)的壓力側(cè)和負力側(cè)46和48。激光沖擊噴丸表面55涂覆有燒蝕涂覆層57例如涂料或膠帶，以便形成美國專利No.5674329和5674328所述的涂覆表面。上述涂覆層57成為一個可在其上面放置干凈的封鎖介質(zhì)例如流體簾(例如流動的水簾)21。在進行激光沖擊噴丸處理的過程中，在穩(wěn)定的激光束2通過由水噴嘴19配送的流水簾21而發(fā)射到激光沖擊噴丸處理表面55上時葉片8不斷地移動。上述的激光沖擊噴丸處理方法通常用于在激光沖擊噴丸處理表面55上形成交疊的激光沖擊噴丸的圓形斑點。
在壓縮預(yù)應(yīng)力區(qū)56產(chǎn)生激光束沖擊引發(fā)的深層壓縮殘余應(yīng)力，該壓縮殘余應(yīng)力通常約為50～150千磅/英寸2，并連續(xù)地從激光沖擊噴丸表面54連續(xù)地延伸至預(yù)應(yīng)力區(qū)內(nèi)約20～50密耳的深度。通過重復(fù)地發(fā)射通常在激光沖擊噴丸表面55上散焦加或減幾個密耳的激光束2便產(chǎn)生激光束沖擊引發(fā)的深層壓縮殘余應(yīng)力。
激光束2快速地?zé)g涂覆層57而產(chǎn)生會在材料表面引起沖擊波的等離子流。其他的燒蝕材料也可用作合適的替換涂料來涂覆制件表面。這些涂覆材料包括美國專利No.5674329和5674328所公開的金屬箔料或塑料膠帶。如果制件不加可燒蝕的涂覆層57，也可以使制件材料發(fā)生表層燒蝕。通過上述的流水簾21使上述的沖擊波改變方向向著涂覆的表面而在低于涂覆表面的材料內(nèi)產(chǎn)生移動的沖擊波(壓力波)，這些沖擊波的振幅和大小決定壓縮應(yīng)力的深度和強度。上述的燒蝕涂覆層57用來保護目標(biāo)表面并產(chǎn)生等離子。
雖然上面已經(jīng)說明了據(jù)認為是本發(fā)明的優(yōu)選的和示例性實施例，但是，業(yè)內(nèi)人士將會根據(jù)上述本發(fā)明的說明而明白本發(fā)明的其他改型，因此，要求在所附權(quán)利要求書內(nèi)保護所有落在本發(fā)明的實際精神和范圍的所有這些修改。
零部件一覽表2 穩(wěn)定的激光束8 燃氣渦輪發(fā)動機葉片10激光沖擊噴丸設(shè)備19水噴嘴21流動水簾24控制器31激光裝置33振蕩器34主激光束35光學(xué)儀器36產(chǎn)生激光的桿42目標(biāo)區(qū)43傳輸電路46壓力側(cè)48負壓側(cè)49束分離器54激光沖擊噴丸處理表面55激光沖擊噴丸處理表面56壓縮預(yù)應(yīng)力區(qū)57可燒蝕的涂覆層58圓形斑點64電-光轉(zhuǎn)換器或者說Pockel傳感器66主光束通道70閃光燈72電源74激光輸出脈沖76銳化的脈沖78被拒斥的能量80第一能量上升曲線圖82第二能量上升曲線圖84被拒斥能量曲線圖
88 轉(zhuǎn)儲器89 轉(zhuǎn)儲通道90 聚焦透鏡91 轉(zhuǎn)儲銳角103延遲脈沖發(fā)生器104快速光敏二極管127機械手LE 葉片前緣
權(quán)利要求
1.一種激光沖擊噴丸設(shè)備(10)，它具有一個用于一沿主光速通道(66)產(chǎn)生一主激光束(34)的激光裝置(31)；該激光裝置(31)具有一個僅帶有單個激光桿(36)的自由運行脈動振蕩器(33)；一個外接于該自由運行振蕩器(33)并沿主激光束(34)的主光束通道(66)按操作關(guān)系設(shè)置的電-光轉(zhuǎn)換器(64)，用于阻斷來自該自由運行振蕩器(33)的主激光束(34)的初始慢速上升時間并將能量拒斥于該主光束通道(66)之外；和至少一條用于形成至少一個來自主激光束(34)的穩(wěn)定激光束(2)并將穩(wěn)定激光束(2)引向至少一個激光沖擊噴丸處理目標(biāo)區(qū)(42)的光學(xué)傳輸電路(43)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的處理機，其特征在于，還具有一個從上述電-光轉(zhuǎn)換器(64)至一個轉(zhuǎn)儲器(88)的轉(zhuǎn)儲通道(89)，沿著該傳輸通道(89)將能量拒斥至主光束通道(66)之外。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的處理機，其特征在于，還具有一個與上述電-光轉(zhuǎn)換器(64)可控地連接以便觸發(fā)電-光轉(zhuǎn)換器(64)的延遲脈沖發(fā)生器(103)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的處理機，其特征在于，上述的電-光轉(zhuǎn)換器(64)是一個Pockel傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的處理機，其特征在于，還具有一個從電-光轉(zhuǎn)換器(64)至轉(zhuǎn)儲器(88)的轉(zhuǎn)儲通道(89)，沿著該轉(zhuǎn)儲通道(89)將能量拒斥到主光束通道(66)之外。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的處理機，其特征在于，還具有一個與Pockel傳感器(64)可控地連接以便觸發(fā)Pockel傳感器(64)的延遲脈沖發(fā)生器(103)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的處理機，其特征在于，還具有一個按操作關(guān)系設(shè)置于激光裝置(31)內(nèi)用于測量來自激光振蕩器(33)的初始激光輸出脈沖的快速光敏二極管(104)，該光敏二極管(104)與上述延遲脈沖發(fā)生器(103)按操作關(guān)系連接以便觸發(fā)延遲脈沖發(fā)生器(103)而轉(zhuǎn)換Pockel傳感器(64)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的處理機，其特征在于，還具有向該激光沖擊噴丸區(qū)噴射流體的噴嘴。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的處理機，其特征在于，還具有指向激光沖擊噴丸區(qū)的流體噴嘴。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的處理機，其特征在于，還具有至少一個按操作關(guān)系設(shè)置用來激勵激光桿(36)的閃光燈(70)；一個與上述閃光燈(70)可致動地連接的電源(72)；和該電源(72)在大約10Hz或更高的頻率下為上述閃光燈供電。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的處理機，其特征在于，還具有至少一對按操作關(guān)系設(shè)置用來激勵激光桿(36)的閃光燈(70)；一個與上述閃光燈(70)可移動連接的電源(72)；和該電源(72)在大約10 Hz或更高的頻率下為上述閃光燈供電。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的處理機，其特征在于，還具有上述電源(72)、閃光燈(70)、激光桿(36)用于從激光桿(36)發(fā)射激光輸出脈沖(74)，該脈沖(74)的能量大于1焦耳，其上升時間約為幾百微秒，其脈寬范圍從幾百微秒至1毫秒；和上述電-光轉(zhuǎn)換器(64)是一種用于銳化主激光束(34)使之具有至少1焦耳能量的Pockel傳感器(64)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的處理機，其特征在于，還具有一個與上述Pockel傳感器(64)可控地連接以便觸發(fā)Pockel傳感器(64)的延遲脈沖發(fā)生器(103)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的處理機，其特征在于，還具有一個按操作關(guān)系設(shè)置在激光裝置(31)內(nèi)用于測量來自激光振蕩器(33)的初始激光輸出脈沖的快速光敏二極管(104)，該二極管(104)與上述延遲脈沖發(fā)生器(103)按操作關(guān)系以便觸發(fā)該延遲脈沖發(fā)生器(103)而轉(zhuǎn)換該Pockel傳感器(64)。
全文摘要
一種置于激光沖擊噴丸設(shè)備內(nèi)用于產(chǎn)生沿主光束通道(66)的主激光束(34)的激光裝置(31)。該裝置(31)具有一個僅帶單個激光桿(36)的脈動的自由運行振蕩器(33)。外接于該自由運行振蕩器(33)的一個電－光轉(zhuǎn)換器(64)從工作上沿主光束通道(66)設(shè)置，以便阻塞主激光束(34)的來自自由運行振蕩器(33)的初始慢速上升時間，并將能量拒斥于主光束通道(66)之外。至少用一條光學(xué)傳輸電路(43)來形成至少一個來自主激光束(34)的穩(wěn)定的激光束(2)，并將該穩(wěn)定的激光束(2)導(dǎo)引向至少一個激光沖擊噴丸目標(biāo)區(qū)(42)。用一個與上述電－光轉(zhuǎn)換器(64)可控連接的延遲脈沖發(fā)生器(103)將能量從主光束通道(66)沿轉(zhuǎn)儲通道(89)拒斥到轉(zhuǎn)儲器(88)，并銳化主激光束(34)的脈沖。
文檔編號B23K26/06GK1598006SQ20041005769
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者T·J·羅克斯特羅 申請人:通用電氣公司