1.本发明涉及液体约束层的激光冲击强化技术领域，尤其涉及一种激光冲击液体约束层厚度控制系统。
背景技术：2.激光冲击强化(laser shock processing,lsp)技术是一种先进的表面强化技术，其不仅可以引入超过1mm的残余压应力层，同时因各种工艺参数(如激光脉冲能量、光斑搭接率等)可精确调节设定，能实现对材料性能指标的精确控制，因此可以很好地解决传统表面强化技术存在的难题。
3.激光冲击强化的技术原理是短脉冲、高功率密度的脉冲激光透过透明约束层辐照在涂覆吸收保护层的材料表面，吸收保护层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发，生成的高温高压等离子体继续吸收激光能量，进而产生高达数十gpa的高温高压等离子团，该等离子团在约束层的约束下发生爆炸，形成的高压冲击波向材料内部传播；由于冲击波的力效应，使材料表层发生塑性变形以及微观组织改变，并且产生的残余压应力深度远大于传统的表面改性技术，从而有效改善材料防应力腐蚀、耐磨损和抗疲劳等性能。
4.有研究表明，现阶段在激光冲击强化工艺中，水流是最佳的约束层，然而当水流被喷射在冲击面上时，水流的实际厚度不易控制，并且对于不同规格的样品，水流的厚度控制也有很大的难度；而且当冲击面为曲面时，水流的厚度就更难把控。
5.目前对控制液体约束层的厚度控制相关的文献较少，中国专利(申请号为20120581054.2，名称为一种控制液体约束层厚度的激光冲击方法及装置)公开了一种通过离心力控制水平约束层厚度的方法，但此装置的离心力不好控制，且对于不同形状的工件来说，离心力也不同，因此需要不断地去调整离心力。中国专利(申请号为202010938077.9，名称为一种金属板激光冲击的约束层调控装置及方法)公开了一种刚性约束系统来调控立式液体约束层的方法，但此系统对工件的尺寸要求要比较大，不适合频繁更换不同的工件，液体约束层的厚度不易控制。
技术实现要素：6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供了一种激光冲击液体约束层厚度控制系统，通过电机控制产生均匀可控厚度的液体约束层，然后通过液层厚度传感器传给显示控制器，从而更好地控制液体约束层的厚度。
7.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
8.一种激光冲击液体约束层厚度控制系统，包括显示控制器1，显示控制器1控制激光器2发出激光束3，激光束3作用在工件14侧部的冲击面上；工件14侧部的冲击面上依次设有幕布17、水流幕布16；
9.幕布17下端与压块15固连，上端绕过旋转轮18，由卷布轮19旋转张紧，旋转轮18与卷布轮19都固定在上位水箱8的下方；
10.水流幕布16通过上位水箱8形成，上位水箱8中存在一个浮子室5，浮子室5与上位水箱8相通，浮子室5内放置有浮子7，在浮子室5外侧对应放置一个浮子监测器6，浮子监测器6和显示控制器1连接。
11.所述的压块15沿滑轨20上下滑动，以适应不同大小的工件14，压块15通过两边的第三螺母21固定。
12.所述的上位水箱8中的去离子水流下后进入下位水箱13，之后由水泵11经水管10、调节阀9抽回上位水箱8中，在下位水箱13的出水口处设置过滤净化器12。
13.所述的水流幕布16外侧设有液层厚度传感器4，液层厚度传感器4和显示控制器1连接。
14.所述的上位水箱8的下方有一水流方形出口22，水流方形出口22侧面经第一螺母23、第一丝杠24和第一步进电机25连接，第一步进电机25用来控制水流的宽度；水流方形出口22下方经第二螺母28、第二丝杠27和第二步进电机26连接，第二步进电机26用来控制水流的厚度。
15.所述的一种激光冲击液体约束层厚度控制系统应用于液体作为约束层的激光冲击强化工艺，用于实时精准监测、控制水流厚度，适配平面与多种曲面的冲击面。
16.与现有技术相比，本专利的有益效果是：
17.1、对于竖直面的激光冲击装置，不再使用喷射水流，而是将水流引导至工件14的冲击面上，水流厚度更加稳定，水流厚度在空间上的分布也更加均匀，大大减小水流厚度不均对激光冲击强化效果的影响；
18.2、水流厚度可精确控制，不再需要估算水流厚度的范围，尤其是在多次激光冲击强化中可实现对水流约束层厚度这一参数的精确控制。
19.3、适用的工件14尺寸范围广，不论大小都可以使用，也可用于平面和多种曲面冲击面的激光冲击强化工艺，适用范围广，实用性强。
附图说明
20.图1为本发明的结构示意图。
21.图2为本发明压块15连接在滑轨20上的示意图。
22.图3为本发明上位水箱8的出水宽度和厚度控制示意图。
23.图4为本发明水流厚度控制流程图。
24.图5为本发明使用前的准备流程图。
25.图6为本发明工件14表面为曲面的水流幕布16示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明做详细描述。
27.参照图1，一种激光冲击液体约束层厚度控制系统，包括显示控制器1，显示控制器1控制激光器2发出激光束3，激光束3作用在工件14侧部的冲击面上；工件14侧部的冲击面上依次设有幕布17、水流幕布16；
28.幕布17下端与压块15固连，上端绕过旋转轮18，由卷布轮19旋转张紧，旋转轮18与卷布轮19都固定在上位水箱8的下方；在激光冲击之前应选择合适的压块15，并固定，保证
压块15下端与工件14上表面平齐。
29.所述的压块15下表面紧贴工件14上表面，压块15沿如图2所示的滑轨20上下滑动，以适应不同大小的工件14，压块15通过两边的第三螺母21固定。
30.水流幕布16通过上位水箱8形成，上位水箱8中存在一个浮子室5，浮子室5与上位水箱8相通，浮子室5内放置有浮子7，感知上位水箱8内部的液面高度；在浮子室5外侧对应放置一个浮子监测器6，浮子监测器6和显示控制器1连接，当水上位水箱8内的水位高于设定值或低于设定值时，浮子监测器6将传输的信号发送到显示控制器1，显示控制器1则发送信号给调节阀9进行水流的控制，来保证上位水箱8内部的液面保持在设定值，进而保证上位水箱8内水压稳定，最终目的是保证水流的稳定。
31.上位水箱8中的去离子水流下后进入下位水箱13，之后由水泵11经水管10、调节阀9抽回上位水箱8中，实现去离子水的循环利用；此外为了避免水中可能会产生的杂质对整个水循环系统以及激光冲击强化的过程产生影响，在下位水箱13的出水口处设置过滤净化器12。
32.所述的水流幕布16外侧设有液层厚度传感器4，液层厚度传感器4和显示控制器1连接。
33.上位水箱8的下方有一水流方形出口22，如图3所示，水流方形出口22侧面经第一螺母23、第一丝杠24和第一步进电机25连接，第一步进电机25用来控制水流的宽度；水流方形出口22下方经第二螺母28、第二丝杠27和第二步进电机26连接，第二步进电机26用来控制水流的厚度；在激光冲击之前应提前应控制第一步进电机25，并确定水流的宽度；在激光冲击前，通过第二步进电机26来控制水流厚度，在激光冲击时，步进电机将通过显示控制器1来保证水流厚度的稳定，具体的控制流程如图4所示，其中th为水流实际厚度(单位mm)，tho是设定厚度(单位mm)，时刻用浮子检测器6检测水流实际厚度th，当浮子检测器6数值不在预定范围内时(|th-th0|＞1mm)，控制第一步进电机25移动|th-th0|mm来调节宽度，调节调节阀9使上位水箱8液面在规定值；当浮子检测器6数值在预定范围内时正常运行。
34.一种激光冲击液体约束层厚度控制系统应用于以水流等液体作为约束层的激光冲击强化工艺，用于实时精准监测、控制水流厚度，适配平面与多种曲面的冲击面。
35.参照图5，首先将上位水箱8的水加至合适位置，随后打开水流出口22，并打开水泵11，根据图4的控制流程方式调节调节阀9使液面稳定，最后进行激光冲击过程。
36.本发明的工作原理为：对于平面工件，首先应调节装置参数，确定工件14、压块15、幕布17等的相对位置，需要保证压块15下端与工件14上表面紧贴，幕布17平面与工件14的冲击面重合，这样工作时才能流畅地将水流引导到工件14的冲击面上；然后打开去离子水源，在上位水箱8以及下位水箱13添加合适的去离子水，控制第一步进电机25来调节宽度，宽度不宜太大，要结合光斑大小来确定，与此同时，控制第二步进电机26来调节水流厚度；之后，打开水泵10并调节调节阀9控制浮子7在预定的位置，此时将设定的数值写入显示控制器1；然后设置激光冲击强化的其他参数即可，在冲击强化过程中，若发现液层厚度传感器4监测到水流厚度发生变化，会根据图4所示进行实时自动调节，从而使水流厚度维持在预定值。
37.参照图6，对于小型曲面的工件14，只需根据平面的工件14的操作流程实施即可；而对于大型曲面的工件14，则需要根据曲面外形的形状，利用机械臂进行位姿调整，使得冲
击区域距离激光源的距离最近。
38.对于小批量生产，根据曲面曲率大小使水流与工件14相互交叉，从而保证光斑冲击区域的吸收层与牺牲层完全接触；而对于大批量生产，将方形开口22设置成工件14外形的形状，从而保证液体约束层厚度的稳定。
39.综上所述，本发明适用于平面以及曲面的工件14，可以有效控制液体约束层的厚度。需要明确的是，本发明不知针对于水流这一约束层，对于其他的液体约束层也是适用的。
技术特征：1.一种激光冲击液体约束层厚度控制系统，包括显示控制器(1)，显示控制器(1)控制激光器(2)发出激光束(3)，激光束(3)作用在工件(14)侧部的冲击面上，其特征在于：工件(14)侧部的冲击面上依次设有幕布(17)、水流幕布(16)；幕布(17)下端与压块(15)固连，上端绕过旋转轮(18)，由卷布轮(19)旋转张紧，旋转轮(18)与卷布轮(19)都固定在上位水箱(8)的下方；水流幕布(16)通过上位水箱(8)形成，上位水箱(8)中存在一个浮子室(5)，浮子室(5)与上位水箱(8)相通，浮子室(5)内放置有浮子(7)，在浮子室(5)外侧对应放置一个浮子监测器(6)，浮子监测器(6)和显示控制器(1)连接。2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述的压块(15)沿滑轨(20)上下滑动，以适应不同大小的工件(14)，压块(15)通过两边的第三螺母(21)固定。3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述的上位水箱(8)中的去离子水流下后进入下位水箱(13)，之后由水泵(11)经水管(10)、调节阀(9)抽回上位水箱(8)中，在下位水箱(13)的出水口处设置过滤净化器(12)。4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述的水流幕布(16)外侧设有液层厚度传感器(4)，液层厚度传感器(4)和显示控制器(1)连接。5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述的上位水箱(8)的下方有一水流方形出口(22)，水流方形出口(22)侧面经第一螺母(23)、第一丝杠(24)和第一步进电机(25)连接，第一步进电机(25)用来控制水流的宽度；水流方形出口(22)下方经第二螺母(28)、第二丝杠(27)和第二步进电机(26)连接，第二步进电机(26)用来控制水流的厚度。6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：应用于液体作为约束层的激光冲击强化工艺，用于实时精准监测、控制水流厚度，适配平面与多种曲面的冲击面。
技术总结一种激光冲击液体约束层厚度控制系统，包括显示控制器，显示控制器控制激光器发出激光束，激光束作用在工件侧部的冲击面上；工件侧部的冲击面上依次设有幕布、水流幕布；幕布下端与压块固连，上端绕过旋转轮，由卷布轮旋转张紧，旋转轮与卷布轮都固定在上位水箱的下方；水流幕布通过上位水箱形成，上位水箱中存在一个浮子室，浮子室与上位水箱相通，浮子室内放置有浮子，在浮子室外侧对应放置一个浮子监测器，浮子监测器和显示控制器连接；本发明通过电机控制产生均匀可控厚度的液体约束层，然后通过液层厚度传感器传给显示控制器，从而更好地控制液体约束层的厚度。更好地控制液体约束层的厚度。更好地控制液体约束层的厚度。
技术研发人员：黄科 孙斌 方学伟 李纪康 汤可鑫 王冰璘 张琦
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.05.13
技术公布日：2022/7/5
