技术领域
[0001] 本发明涉及超声激光复合加工技术领域，特别是涉及一种用于毫米级孔径超声激光复合加工头。
相关背景技术
[0002] 毫米级孔在航空航天、汽车及能源装备领域具有不可或缺的重要性。它们广泛应用于推进系统、润滑系统、冷却系统以及气密性测试等关键环节，直接影响设备的性能、效率与安全。这些微小孔径的精确设计与控制，对于提升整体系统的运行效率、减少磨损、保障气密性及延长使用寿命具有关键作用。然而，毫米级孔径在使用过程中会由于摩擦而发
生磨损，在频繁加载和卸载的情况下孔径周围的材料可能会发生疲劳破坏，在恶劣环境下
可能会受到腐蚀的影响，这些影响会导致毫米级孔径精度变差、裂纹和断裂、表面质量变
差；因此，亟需一种用于毫米级孔径超声激光复合加工头，能够有效强化毫米级的微孔的孔径内壁表面，提高其耐磨性和耐腐蚀性，延长孔的使用寿命。
具体实施方式
[0029] 本领域已被发现的可实施方案为：
[0030] 激光和超声联合作用技术是一种先进的材料加工技术，它结合了激光的高能量密度和超声的机械效应，可以显著改善材料的表面性能和内部结构。以下是激光和超声联合
作用对材料影响的一些具体方面：
[0031] 微观结构改善：超声振动可以细化激光加工过程中形成的熔池，促进晶粒的均匀生长和等轴晶的形成，从而提高材料的力学性能。
[0032] 缺陷抑制：在激光修复或增材制造过程中，超声振动有助于抑制气孔、裂纹等缺陷的形成，改善修复区域的微观组织。
[0033] 硬度和强度提升：通过超声振动，可以在激光加工或修复的材料中获得更高的硬度和强度，这对于提高材料的耐磨性和承载能力尤为重要。
[0034] 相变控制：超声振动可以影响激光加工过程中的相变行为，如减少有害相的析出，改善材料的热稳定性。
[0035] 残余应力减少：在激光加工过程中，超声振动有助于减少材料内部的残余应力，降低变形和开裂的风险。
[0036] 焊接性能提升：对于激光焊接，超声振动能够改善焊缝的流动性和金属蒸气的排放，提升焊接接头的质量。
[0037] 组织均匀性：超声振动在激光加工中的应用可以使材料的成分更加均匀，有助于实现更为均一的微观组织。
[0038] 加工精度和效率：超声振动还可以提高激光加工的精度和效率，尤其是在复杂结构的制造中，能够实现更加精细的加工控制。
[0039] 激光和超声联合作用技术在提高材料性能和加工质量方面具有广阔的应用前景。
[0040] 现有技术中，激光冲击强化通过激光脉冲在金属表面产生高能量冲击波，在材料表面植入更高的显微硬度和残余压应力以及更大程度的使材料表面晶粒细化，可以提高金
属材料的抗拉强度、耐疲劳性和抗腐蚀性能，从而改善材料的表面性能和延长其使用寿命。
[0041] 专利号为CN202310612275X的发明专利提出一种用于中大型金属管道内壁的激光冲击强化装置及方法，该专利可以在管道内部产生较深的残余应力层，改变管道内壁表层
的微观组织结构和力学性能，但无法应用在毫米级孔径的孔的内壁上。激光冲击强化面临
瞬时冲击波限制，导致塑性变形浅，晶粒细化层薄且性能不稳，限制性能提升。超声辅助技术应运而生，结合超声滚压，高效传递超声波能量至材料表面，促进加工硬化与晶粒细化，增强硬度与残余应力，优化表面形貌，显著提升材料质量。
[0042] 专利号为CN115198084A的发明专利提出一种超声辅助激光喷丸复合强化的设备及方法，该专利有效实现激光冲击波与超声冲击波的复合，促进材料的动态再结晶行为，制备具有超细晶粒表面的金属零件。
[0043] 专利号为CN110804692A的发明专利提出一种用于同轴超声辅助激光喷丸强化的超声振动装置，该专利实现在材料内部沿同一轴线传播并形成耦合场，可制备具有超细晶
粒的表面。
[0044] 专利号为CN112899467A的发明专利提出一种激光冲击波和超声冲击波实时耦合装置及方法，该专利增强金属材料组织/应力强化或成形加工效果。
[0045] 但这些装置及方法都无法应用在毫米级孔壁强化上。
[0046] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0048] 实施例一
[0049] 参照图1‑图11，本发明提供一种用于毫米级孔径超声激光复合加工头，包括用于对微孔进行超声激光复合加工的加工头4，加工头4内设置有用于对脉冲激光5进行分束的
分束反射镜42，加工头4伸出微孔外的一端设置有用于给加工头4传输超声冲击波8的超声
装置3，超声装置3远离加工头4的一端设置有用于带动加工头4旋转的旋转装置2，旋转装置
2的底部设置有用于带动旋转装置2水平往复移动的伸缩装置1，超声装置3远离旋转装置2
的一端滑动连接有支撑座17，支撑座17与伸缩装置1固定连接。
[0050] 本发明通过伸缩装置1带动旋转装置2水平移动，旋转装置2带动超声装置3旋转，使加工头4能够对微孔进行脉冲激光以及超声的复合加工，使脉冲激光5以及超声的复合加
工能够有效强化毫米级的微孔的孔径内壁表面，提高毫米级的微孔的耐磨性和耐腐蚀性，
并延长毫米级的微孔的使用寿命。
[0051] 本发明适用于适用铝合金、钛合金、镍基合金、不锈钢等需要提高毫米级细长孔的耐磨性、耐腐蚀性与疲劳强度的材料；可加工深度0‑60mm的孔；直径5.3‑15.0mm的孔径；转速0‑600r/min；进给速度为0.1‑2mm/s。
[0052] 脉冲激光5的激光功率密度为2‑10GW/cm2，光斑直径为1‑2mm，频率为0‑10Hz，搭接率为50％‑70％。
[0053] 加工头4按照设定转速工作时，激光冲击波7与超声冲击波8交替作用，达到复合效应；提高硬化层和残余压应力场幅值及影响层深度，大幅增加材料内部的位错密度与结构
复杂性，同时促进动态再结晶过程，形成较深的纳米晶层。
[0054] 进一步优化方案，加工头4包括与超声装置3可拆卸连接的加工头壳体41，分束反射镜42设置在加工头壳体41远离超声装置3的一端内，分束反射镜42的每个反射面通过聚
焦镜44分别对应设置有保护镜45，保护镜45贯穿加工头壳体41的外壁并嵌设在加工头壳体
41的外壁内。
[0055] 加工头4中的分束反射镜42安装在加工头4内凸台轴向中心凹槽内，并用三爪压臂进行固定，脉冲激光5通过加工头4的通孔，经过分束反射镜42分成三束并折射，每两束激光夹角为120°，折射后的脉冲激光与孔内壁形成90°；三个聚焦镜44在加工头4内凸台圆周布
置，将折射后的脉冲激光聚焦；三个保护镜45和三个第一滚珠43圆周布置在加工头4上，保护镜45可防止水或杂质进入，每个第一滚珠43的直径为1mm，与折射聚焦后脉冲激光夹角为
60°。
[0056] 分束反射镜42是在三个直角面上镀反射膜，三个直角面之间为尖棱，未倒边，将直接入射在尖棱处的脉冲激光5分成三束激光，光路偏转90°，每两束激光夹角为120°；三个直角面镀金高反膜，反射率Ravg＞95％；损伤阀值：＞1J/cm2，20ns，20Hz，@1064nm。
[0057] 进一步优化方案，相邻的两个保护镜45之间分别设置有第一滚珠43，第一滚珠43贯穿加工头壳体41且伸出加工头壳体41外，第一滚珠43伸入加工头壳体41内的部分设置在
超声装置3内。
[0058] 进一步优化方案，超声装置3包括与加工头壳体41螺纹连接并连通的变幅杆36，变幅杆36远离加工头壳体41的一端通过超声波换能器31连通有超声主轴22，超声主轴22贯穿
旋转装置2。
[0059] 超声装置长度为80mm，直径60mm。
[0060] 加工头4与变幅杆36通过螺纹连接，加工头4内凸台设有外螺纹，变幅杆36设有内螺纹。
[0061] 超声装置3通过螺杆34固定在保护套底294，即中空导电滑环室29下方。超声波换能器31通电后，将电能转化机械能产生超声波，通过变幅杆36实现机械振幅的放大，振幅传递到加工头4中的第一滚珠43，实现第一滚珠43的振动。
[0062] 变幅杆36一端安装在超声装置固定套33内，与振子315凹凸接触，另一端与加工头4螺纹连接；旋转底座32与超声装置3的超声装置固定套33之间设有平面推力球轴承35，降
低旋转时摩擦。
[0063] 变幅杆36伸出的长度为40‑60mm，直径为3‑5mm。
[0064] 超声参数为振幅0‑20μm；频率20‑50Hz，静压力200‑500N。
[0065] 变幅杆36底部设有三个激光通道和三个滚珠槽，三个激光通道和三个滚珠槽采用圆周布置。并使第一滚珠43与孔壁6以圆弧面接触。
[0066] 变幅杆36的第一滚珠槽与加工头4的套筒滚珠槽一一对应设置，使变幅杆36的滚珠槽与加工头4的套筒滚珠槽协调配合产生径向力，使得第一滚珠43径向振动；第一滚珠43的直径为1‑2mm。
[0067] 进一步优化方案，变幅杆36与加工头壳体41的连接处开设有若干个滚珠槽，滚珠槽与第一滚珠43一一对应设置。
[0068] 进一步优化方案，加工头壳体41、变幅杆36、超声主轴22的中心分别开设有为脉冲激光5提供传播通道的通孔，所有的通孔的中心轴线处于同一中心轴线。
[0069] 进一步优化方案，分束反射镜42安装在加工头壳体41的通孔远离变幅杆36的一端内。
[0070] 进一步优化方案，旋转装置2包括套设在超声主轴22上的中空导电滑环室29，中空导电滑环室29与超声波换能器31可拆卸连接，中空导电滑环室29远离超声波换能器31的一
端设置有蜗轮壳体28和蜗杆壳体23，蜗轮壳体28内转动连接有蜗轮27，蜗轮27安装在超声
主轴22上，蜗轮27啮合有蜗杆26，蜗杆26转动连接在蜗杆壳体23内，蜗杆26的蜗杆轴承25伸出蜗杆壳体23外的一端传动连接有第二驱动电机21。
[0071] 超声主轴22通过主轴轴承24与蜗轮壳体28转动连接。
[0072] 第二驱动电机21通过联轴驱动蜗杆26旋转，蜗杆26带动蜗轮27转动，超声主轴22通过键连接与蜗轮27同步转动。
[0073] 旋转装置2为涡轮蜗杆旋转平台，通过超声主轴22、中空导电滑环293、超声波换能器31和变幅杆36轴向中心的通孔为脉冲激光5提供传播通道；蜗轮壳体28固定连接有壳体连接291，超声主轴22与内六角螺栓311胀紧连接，中空导电滑环293安装在中空导电滑环室
29内，且中空导电滑环293设置在超声波换能器31上方，滑环定子端引线连接保护套292上
电源接口，滑环转子端引线连接超声波换能器31。
[0074] 通过旋转装置2能够带动超声主轴22、中空导电滑环293的转子端、超声波换能器31及旋转底座32、变幅杆36、加工头4同步转动。
[0075] 进一步优化方案，伸缩装置1包括设置在蜗杆壳体23下方的丝杠14，丝杠14螺纹连接有螺母座15，螺母座15的顶面与蜗杆壳体23的底面固定连接，丝杠14的一端与支撑座17
转动连接，丝杠14的另一端转动连接有螺杆固定器13。
[0076] 伸缩装置1的进给速度V与激光冲击频率f、光斑直径r及搭接率η关系：V＝f·r·η。
[0077] 旋转装置2的超声主轴转动速度N与激光冲击频率f关系：N＝60·f。
[0078] 待强化孔的工件由三爪卡盘夹持并转动，转速N0与待强化孔的半径R及搭接率η关系：N0＝(f·r·η·R)/2π。
[0079] 伸缩装置1为双线轨第一滚珠丝杠直线平台，伸缩装置1由第一驱动电机11驱动，蜗杆壳体23从内部螺钉连接安装在螺母座15和滑块16上。
[0080] 超声装置支撑座171内圈设有第二滚珠，便于超声装置3在超声装置支撑座171内滑动；超声装置支撑座171可通过螺栓进行张紧，一方面预防超声装置3工作时振动造成位
置偏移，另一方面也为在加工不同深度孔时，为超声装置3提供支撑。
[0081] 进一步优化方案，支撑座17包括与丝杠14转动连接的螺杆支撑座172，螺杆支撑座172的顶面固定连接有超声装置支撑座171，超声装置支撑座171与超声装置3滑动连接。
[0082] 丝杠14的两侧对称设置有导轨18，导轨18上滑动连接有滑块16，滑块16与蜗杆壳体23的底部固定连接，两个导轨18的基座相对的一侧的两端分别与螺杆固定器13、螺杆支
撑座172固定连接。
[0083] 设置第一驱动电机11的旋转速度，通过联轴器12将第一驱动电机11的旋转运动转化为丝杠14的旋转运动，螺母座15沿着丝杠14轴线移动，将旋转运动转化为沿导轨18方向
的直线运动，旋转装置2、超声装置3及加工头4便可直线伸缩运动；根据加工场景不同，导轨
18基座可安装在不同角度平台上，优选水平工作台；根据加工孔材料不同，可选择0.1‑2mm/s的进给速度，有效移动距离0‑80mm。根据变幅杆36伸出长度，可满足0‑60mm有效深度的深孔的加工强化。
[0084] 工作过程：
[0085] 根据待强化孔的直径和深度选择略小于孔的铜管，铜管上涂抹一层机油，将由黑漆构成的能量吸收层贴膜裹在铜管上，接着将铜管伸入孔内，加热铜管受热膨胀后贴膜贴
在孔壁6上，铜管冷却后拔出，即孔壁6上形成能量吸收层；能量吸收层由黑漆构成能量吸收层的厚度70‑90μm柔性贴膜，需外置喷水管向孔内喷微弱水流形成约束层。
[0086] 旋转装置2通过超声主轴22带动超声波换能器31、变幅杆36以及加工头4同步旋转，激光冲击波7与超声冲击波8带动第一滚珠43形成的超声滚压交替作用，伸缩装置1完成深度方向进给，进而实现激光冲击波7与第一滚珠43在孔内壁复合加工强化，将超声冲击波
8和激光冲击波7相结合；通过激光冲击波7与超声冲击波8复合效应诱导出高密度位错和大
量纳米晶，引入高幅度残余压应力和显微硬度，从而提高应力强度因子，有效降低疲劳裂纹扩展速率，从而大大提高强度、耐磨性与疲劳性能。
[0087] 在使用时，将脉冲激光5对准超声主轴22、超声波换能器31与变幅杆36轴向中心的通孔，脉冲激光5先经过分束反射镜42分成三束激光，每两束激光夹角为120°，三束光与孔径内壁形成90°反射，再经过聚焦镜44聚焦在孔壁6表面。
[0088] 同时，在进行加工时，需外置喷水管向孔内喷水，水在孔内表面形成水膜，即约束层，可以保证内壁表面被水流覆盖，实现激光冲击波7压力的约束以及对第一滚珠43的润滑。
[0089] 加工头4按照设定的旋转方向9转速工作时，激光与超声交替作用，激光冲击诱导峰值压力超高、作用时间短的冲击波，使材料在超高应变率条件下产生高密度位错结构与
影响层较深的残余压应力场；，超声冲击诱导峰值压力较高、作用时间长的冲击波，能够改善表面形貌，大幅降低材料表面粗糙度，可产生显著细化的晶粒组织，微观组织稳定性高且残余压应力幅值高；加工头4旋转，激光冲击波7与超声冲击波8交替作用，达到复合；激光冲击波7与超声冲击波8复合效应提高硬化层和残余压应力场幅值及影响层深度，大幅增加材
料内部的位错密度与结构复杂性，同时促进动态再结晶过程，形成较深的纳米晶层，从而提高毫米级细长孔的耐磨损性能、耐腐蚀性与疲劳强度。
[0090] 本发明集成了激光冲击强化和超声滚压强化的增益效果，使得强化内孔孔壁6表面获得更深的影响层深度、更大和更均匀的残余压应力，表面层晶粒将进一步细化，其耐磨性、耐腐蚀性及抗疲劳性能进一步提高。
[0091] 与传统的激光冲击强化工艺相比，本发明在第一滚珠43的强力约束下，使得内孔孔壁表层的金属产生塑性流动，从而填补了激光冲击强化过程中形成的凹陷或波浪形貌，
有效降低了内孔表面的粗糙度，显著提升了其表面质量。
[0092] 本发明采用旋转装置2，使激光和第一滚珠43圆周布置、效率和精度得到提高。
[0093] 本发明可加工强化直径5.3‑15.0mm，深度0‑60mm的细长孔孔壁6，实现对毫米级孔径内壁的使用性能的改善。
[0094] 实施例二
[0095] 以孔径为8mm，深度为20mm的钛合金板为例，工作过程如下：
[0096] 将孔径为8mm，深度为20mm的钛合金板安装在三爪卡盘，并设定参数转动。
[0097] 将加工头4的第一滚珠43靠紧孔内壁，电源通过保护套292接口连接中空导电滑环293的定子端，超声波换能器31通过接电铜片314与导电滑环的转子端接线，超声波换能器
31将电能转化为机械能；振动波通过变幅杆36将振幅放大通过第一滚珠43传递到孔内壁表
面，变幅杆36与加工头4的滚珠槽限制第一滚珠43只能径向振动。
[0098] 根据待强化孔的直径和深度选择略小于孔的铜管，铜管上涂抹一层机油，将由黑漆构成的能量吸收层贴膜裹在铜管上，接着将铜管伸入孔内，加热铜管，受热膨胀后贴膜贴在孔壁6上，铜管冷却后拔出。外置喷水管向孔内喷微弱水流，在孔壁6上形成水膜即可，形成约束层，润滑第一滚珠43。
[0099] 激光器打开，脉冲激光5通过超声主轴22、超声波换能器31、变幅杆36的轴向中心的通孔，经过分束反射镜42分成三束激光并折射，与孔内壁表面形成90°，最后经过聚焦镜
44聚焦作用在孔内壁表面上，进行激光冲击强化。
[0100] 设置第一驱动电机11与第二驱动电机21转速，伸缩装置1与旋转装置2启动，设定参数，超声主轴22带动超声波换能器31、变幅杆36、加工头4同步沿着旋转方向9旋转，第一滚珠43与聚集后的激光束交替作用在孔内壁表面上，实现超声冲击波8与激光冲击波7的复
合强化，制备具有超细晶粒表面的孔内壁。
[0101] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0102] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
