技术摘要：
本发明公开了一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方法，包括：激光器、导光部件、可切换聚焦组件、机械臂、约束层加载机构和夹持部件；导光部件的两端分别与激光器和可切换聚焦组件连接；可切换聚焦组件与控制系统连接，控制可切换聚焦组件切换透光率；约束层加载  全部
背景技术：
激光冲击强化是一种利用高能量脉冲激光诱导的冲击波来强化金属的新技术，能 够显著增强金属材料的抗疲劳性能。由于具有良好的可控性和可重复性，激光冲击强化技 术尤其适合薄壁且复杂曲面的航空发动机叶片等零件。航空发动机叶片以及涡轮盘榫槽等 结构表面一般为三维曲面结构，若采用相同能量分布的激光光束对上述曲面结构进行强化 处理，则会造成待加工曲面受力不均的结果，甚至导致局部曲面发生严重形变和应力集中 等现象。 现有的激光强化加工工艺无法实现参数实时可变，对于叶片这种具有复杂曲面的 零件而言，如果无法实时参数可控，则满足不了对零件强化的理想效果。如果激光能量密度 过小，壁厚处强化效果下降；若激光能量密度过大，壁薄处又会产生严重塑性变形和热损 伤，导致零件报废。发动机叶片或整体叶盘是航空发动机的核心零件，其精度和机械性能要 求较高，同时使用的是较难加工材料，并且加工效率低、周期长、成本高。如果无法实现参数 实时可变，激光冲击强化效果无法达到理想效果，则会大大降低零件可靠性和使用寿命，严 重地结果会直接导致零件变形报废。 因此，如何提出能够根据金属零件曲面结构形状特征而在线实时改变激光参数的 激光冲击强化新工艺是目前该技术领域研究人员亟待解决的技术难题。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提出的一种至少解决上述部分技术问题的激光冲击强化能量 密度动态调控装置及方法。 为了解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种激光冲击强化能量密度 动态调控装置，该装置包括：激光器、导光部件、可切换聚焦组件、机械臂、约束层加载机构 和夹持部件； 所述导光部件的一端与所述激光器连接，另一端与所述可切换聚焦组件连接；所 述可切换聚焦组件与控制系统连接，所述控制系统控制所述可切换聚焦组件切换透光率； 所述约束层加载机构在金属零件上形成约束层，所述可切换聚焦组件输出的激光 光束穿过约束层作用于金属零件； 所述金属零件固定在所述夹持部件上，所述夹持部件安装在机械臂上，所述机械 臂带动所述金属零件平移或旋转。 在一个实施例中，所述可切换聚焦组件包括：聚焦透镜、镜架和驱动机构； 所述镜架上沿环形设置有多个透镜槽，所述每一透镜槽内设置有不同透光率的聚 焦透镜； 4 CN 111575477 A 说　明　书 2/7 页 所述镜架的上还设有轴孔，所述轴孔位于所述环形的圆心处； 所述镜架安装在所述驱动机构上。 在一个实施例中，所述驱动机构为可双向转动的电机，所述电机的机轴端部驱动 连接于所述轴孔上。 在一个实施例中，所述约束层加载机构为水上约束层加载机构和水下约束层加载 机构中的一种； 所述水上约束层加载机构以对金属零件喷水的方式加载约束层，所述水下约束层 加载机构以将金属零件浸没于水中的方式加载约束层。 在一个实施例中，该装置还包括净水部件，所述净水部件与所述约束层加载机构 连接，所述净水部件为水约束层加载提供净化水。 在一个实施例中，所述控制系统还与机械臂和约束层加载机构电连接；所述控制 系统控制机械臂的运动和约束层加载机构加载约束层。 另一方面，本发明实施例提供一种激光冲击强化能量密度动态调控方法，实现能 量密度动态调控，包括步骤： S1、测量待加工金属零件曲面的形状参数，拟合所述待加工金属零件曲面的数学 函数表达式； S2、根据所述数学函数表达式，利用数值仿真分析和优化算法确定能量密度分布 函数的表达式； S3、根据所述能量密度分布函数表达式，得出金属零件各个位置加工时需要的能 量密度； S4、根据所述需要能量密度Ic与镜片的透光率n的关系式，得出金属零件各个位置 加工时需要的透光率； S5、根据所述得出的透光率，控制系统控制可切换聚焦组件切换至所述得出的透 光率对应的聚焦组件进行加工； S6、对加工完毕的金属零件进行检测，判断曲面的宏观形状、残余应力、表面完整 性是否符合要求；如果不符合要求且金属零件还未报废则重复上述步骤S1至S5的加工过 程，直至达到标准，若金属零件报废则停止加工。 在一个实施例中，所述的形状参数为曲面结构形状特征的位置坐标。 在一个实施例中，所述步骤S2包括，根据所述数学函数表达式，以曲面变形量和残 余应力为目标，得到不同位置坐标和其所需的能量密度，得到最终的能量密度分布函数表 达式。 在一个实施例中，所述需要的能量密度Ic与镜片的透光率n的关系为Ic＝n×I0，其 中n＜1，Ic为需要的能量密度，n为聚焦组件的透光率，I0为加工激光能量密度区间的最大能 量密度。 本发明的优点在于，本发明提供了一种激光冲击强化能量密度动态调控装置及方 法，其优点如下： (1)该装置可以通过控制系统控制可切换聚焦组件切换透光率，针对复杂曲面和 壁厚不均匀的结构，能够随着曲率的变化而在线实时改变能量密度，既能保证激光冲击强 度的一致性，也提高残余应力等表面完整性等参数分布的均匀性。 5 CN 111575477 A 说　明　书 3/7 页 (2)通过控制系统控制机械臂夹持曲面金属零件按照预定轨迹运动，并控制约束 层加载机构给曲面金属零件加载约束层，通过控制系统控制金属零件的运动轨迹保证了加 工位置的准确性。 (3)通过数据采集分析推导能量密度分布函数表达式，确定位置坐标和其所需的 能量密度，实现激光正反面变能量密度强化加工，控制聚焦组件按需求调整透光率以实时 改变能量密度；针对曲面结构的形状特征对激光能量密度分布进行调整，从而实现能量密 度动态调控，既能保证不同区域强化效果达到最佳，整体结构不发生扭曲变形，也提高残余 应力等表面完整性等参数分布的均匀性。 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明 书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 附图说明 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中： 图1为本发明实施例提供的激光冲击强化能量密度动态调控装置的结构示意图； 图2为本发明实施例提供的可切换聚焦组件的结构示意图； 图3为本发明实施例提供的激光冲击强化能量密度动态调控方法的流程图； 其中，1-激光器、2-导光部件、3-可切换聚焦组件、4-机械臂、5-约束层加载机构、 6-夹持部件、7-控制系统、8-金属零件、9-净水部件、10-水循环部件、31-聚焦透镜、32-镜 架、33-驱动机构、321-透镜槽、322-轴孔。