一種大面積激光沖擊強(qiáng)化金屬表面的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域,特指一種大面積激光沖擊強(qiáng)化金屬表面的方法。本發(fā)明采用激光沖擊強(qiáng)化對(duì)工件表面按照一定的軌跡進(jìn)行間隔沖擊,多層疊加實(shí)現(xiàn)工件大面積搭接沖擊。該方法能有效減少激光沖擊強(qiáng)化時(shí)在沖擊區(qū)域邊界產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力,同時(shí)避免吸收層的破壞以及工件的翹曲,多層疊加能夠獲得均勻分布的沖擊強(qiáng)化效果。
【專利說(shuō)明】一種大面積激光沖擊強(qiáng)化金屬表面的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域,特指一種在強(qiáng)化大面積金屬表面時(shí)利用激光分層沖擊方式來(lái)減少在沖擊區(qū)域邊界產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力,同時(shí)避免吸收層被破壞以及工件發(fā)生翹曲的方法。
技術(shù)背景
[0002]20世紀(jì)60年代初期,Askaryon等人首次發(fā)現(xiàn)了激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波現(xiàn)象,他們利用調(diào)Q激光照射到金屬靶材表面,得到了大約0.1GPa的沖擊壓力;Clauer等人采用金屬靶面上加黑色涂層和透明約束層的沖擊結(jié)構(gòu),沖擊波幅值又進(jìn)一步提高到GPa量級(jí),從而形成現(xiàn)在常用的含約束層和吸收層的激光噴丸處理方法;在這之后,Clauer等人在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),先后對(duì)7075、2024、6061-T6等鋁合金材料進(jìn)行激光噴丸處理工藝研究,發(fā)現(xiàn)這些材料的硬度、強(qiáng)度和疲勞性能大大提高,展現(xiàn)了激光噴丸技術(shù)在航空工業(yè)中的廣闊應(yīng)用前景。
[0003]由于能量密度需要以及激光能量的可用性,即使能產(chǎn)生200J/脈沖的激光系統(tǒng)也將受限于單個(gè)脈沖所能覆蓋的區(qū)域,在對(duì)各種金屬材料的激光搭接沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,重復(fù)區(qū)域上可以獲得更為一致的殘余壓應(yīng)力分布;在對(duì)大面積或大零件的表面強(qiáng)化中,普遍選擇激光搭接沖擊,目前在進(jìn)行激光搭接沖擊時(shí),光斑沖擊軌跡主要是逐點(diǎn)逐行沖擊,即在冋一彳丁中,完成一次沖擊后,接著沖擊與其臨近的點(diǎn);完成一彳丁沖擊后,接著沖擊與如一行臨近的行。
[0004]然而在對(duì)薄工件進(jìn)行激光搭接沖擊時(shí),幾何效果在對(duì)最后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布有著重要的影響,如果搭接沖擊軌跡不合理的話,在對(duì)薄工件進(jìn)行沖擊時(shí)將會(huì)產(chǎn)生邊緣效應(yīng),即在沖擊區(qū)域邊緣產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力,影響沖擊效果,嚴(yán)重的甚至?xí)茐奈諏印⑹构ぜl(fā)生翹曲。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種在強(qiáng)化大面積金屬表面時(shí)利用激光分層沖擊方式來(lái)避免沖擊區(qū)域邊界產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力的方法;即在對(duì)大面積金屬,尤其是大面積薄板表面進(jìn)行搭接沖擊時(shí),提供一種激光光斑沖擊軌跡,減小沖擊時(shí)沖擊區(qū)域邊緣產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力,進(jìn)而增加其抗彎曲疲勞強(qiáng)度.具體技術(shù)方案為:
利用激光沖擊強(qiáng)化裝置對(duì)試樣進(jìn)行大面積搭接沖擊,采用激光沖擊強(qiáng)化對(duì)工件表面按照一定的軌跡進(jìn)行間隔沖擊,多層疊加實(shí)現(xiàn)工件大面積搭接沖擊.具體步驟如下:
(I)根據(jù)工件材料特性,確定激光沖擊強(qiáng)化的光斑形狀與尺寸V (圓形光斑為直徑6方形光斑為正方形邊長(zhǎng)Z ),搭接率(圓形光斑為a /d,方形光斑為i /Z,其中i為光斑相鄰搭接光斑中心連線上搭接部分的長(zhǎng)度);分層前確定所有激光沖擊的位置,在所有準(zhǔn)備沖擊的光斑位置中,任意選擇一個(gè)位于邊界拐角的光斑中心作為基準(zhǔn)點(diǎn)。
[0006](2)激光沖擊強(qiáng)化弟一彳了,將基準(zhǔn)點(diǎn)作為弟一層沖擊的起始點(diǎn),完成起始點(diǎn)沖擊后,控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑圓心距離,其中為激光沖擊總層數(shù),且;同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第行,完成第一層沖擊,其中依次取1,2,3...,同時(shí)A的取值不能使超出待加工區(qū)域;每完成一層沖擊后需更換吸收層。
[0007](3)選擇第一行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離為的位置作為第ffi+Ι層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)步驟(2)完成第》+1層沖擊,依次取I,2,3....,()。
[0008](4)選擇位于第行,與第組沖擊起始點(diǎn)同為一列的光斑作為第層沖擊的起始點(diǎn),其中當(dāng)不變時(shí),依次取1,2,3...0;當(dāng)增加到極限時(shí),下一次+1,=1,(依次為2,3,4…);控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑圓心距離,完成該組沖擊中第行的沖擊強(qiáng)化,同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第行j依次取1,2,3..,直至完成第層沖擊;當(dāng)層沖擊完成時(shí),整個(gè)激光沖擊過(guò)程結(jié)束。
[0009]其中高功率脈沖激光器參數(shù)包括:激光脈沖能量為2-20 J、激光脈寬為10-40 ns、重復(fù)頻率為0.5-10 Hz ;方形光斑,其能量分布為平頂分布,Z=3-8mm,=8-15% ;圓形光斑,其能量分布為準(zhǔn)高斯分布,i/=2-6mm, =30-50%?
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):(1)改變沖擊軌跡,減小沖擊邊界產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力,提高材料抗彎曲疲勞強(qiáng)度,同時(shí)避免吸收層被破壞以及工件發(fā)生翹曲;(2)結(jié)合工作臺(tái)控制系統(tǒng),分組沖擊,每組沖擊內(nèi)沖擊位置規(guī)則,方便操作。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是實(shí)施例1、2沖擊位置示意圖。
[0012]圖2是實(shí)施例1沖擊分層示意圖。
[0013]圖3是實(shí)施例1沖擊光斑整體示意圖。
[0014]圖4是實(shí)施例2沖擊分層示意圖。
[0015]圖5是實(shí)施例2沖擊分光斑整體意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)作明詳細(xì)說(shuō)明。
[0017]本發(fā)明利用激光沖擊強(qiáng)化裝置對(duì)試樣進(jìn)行大面積搭接沖擊,采用激光沖擊強(qiáng)化對(duì)工件表面按照一定的軌跡進(jìn)行間隔沖擊,多層疊加實(shí)現(xiàn)工件大面積搭接沖擊。具體步驟如下:
(I)根據(jù)工件材料特性,確定激光沖擊強(qiáng)化的光斑形狀與尺寸V (圓形光斑為直徑?/、方形光斑為正方形邊長(zhǎng)ζ),搭接率(圓形光斑為i Α/,方形光斑為A/ζ,其中i為光斑相鄰搭接光斑中心連線上搭接部分的長(zhǎng)度);分層前確定所有激光沖擊的位置,在所有準(zhǔn)備沖擊的光斑位置中,任意選擇一個(gè)位于邊界拐角的光斑中心作為基準(zhǔn)點(diǎn)。
[0018](2)激光沖擊強(qiáng)化弟一彳了,將基準(zhǔn)點(diǎn)作為弟一層沖擊的起始點(diǎn),完成起始點(diǎn)沖擊后,控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑圓心距離,其中為激光沖擊總層數(shù),且;當(dāng)激光沖擊搭接率為時(shí),相鄰兩行光斑中心連線間距離為,同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第行,完成第一層沖擊,其中依次取1,2,3...,同時(shí)A的取值不能使超出待加工區(qū)域;每完成一層沖擊后需更換吸收層。
[0019](3)選擇第一行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離為的位置作為第ffi+Ι層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)步驟(2)完成第》+1層沖擊,依次取I,2,3....,()。
[0020](4)選擇位于第行,與第組沖擊起始點(diǎn)同為一列的光斑作為第層沖擊的起始點(diǎn),其中當(dāng)不變時(shí),依次取1,2,3...0;當(dāng)增加到極限時(shí),下一次+1,=1,(依次為2,3,4…);控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑圓心距離,完成該組沖擊中第行的沖擊強(qiáng)化,同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第行j依次取1,2,3..,直至完成第層沖擊;當(dāng)層沖擊完成時(shí),整個(gè)激光沖擊過(guò)程結(jié)束。
[0021]其中高功率脈沖激光器參數(shù)包括:激光脈沖能量為2-20 J、激光脈寬為10-40 ns、重復(fù)頻率為0.5-10 Hz ;方形光斑,其能量分布為平頂分布,Z=3-8mm,=8-15% ;圓形光斑,其能量分布為準(zhǔn)高斯分布,i/=2-6mm, =30-50%?
[0022]實(shí)施例1,如圖2對(duì)60_X 10 mmX 2 mm的Ti6342的中心10_X 10 mm區(qū)域進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化,使用圓形光斑,調(diào)節(jié)激光參數(shù)為:激光能量3J,脈寬27ns,光斑直徑4mm,能量密度3.5GW/cm2,搭接率選擇50%,重復(fù)頻率為0.5Hz,沖擊方式為雙面沖擊。
[0023]將工件夾持在保持架上,用鋁箔作為吸收層,噴嘴對(duì)試樣碰水形成水幕作為約束層,移動(dòng)X-Y工作臺(tái)以改變沖擊位置,具體沖擊方式如圖2所示,121個(gè)光斑分16層進(jìn)行沖擊。以待沖擊區(qū)拐角作為基準(zhǔn)點(diǎn),將基準(zhǔn)點(diǎn)作為弟一層沖擊的起始點(diǎn),完成起始點(diǎn)沖擊后,控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑圓心距離8_完成第一層第一行,同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第4行、第7行,完成第一層沖擊,每完成一層沖擊后需更換吸收層;選擇第一行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離為2mm的位置作為第2層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)第一層過(guò)程完第2層沖擊;選擇第一行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離為4mm的位置作為第3層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)第一層過(guò)程完第3層沖擊;選擇第一行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離為8mm的位置作為第4層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)第一層過(guò)程完第4層沖擊;選擇位于第2行,與基準(zhǔn)點(diǎn)同為一列的光斑作為第5層沖擊的起始點(diǎn),控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑圓心距離8mm完成第5層第一行,同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第5行、第8行完成第5層沖擊;選擇第2行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離分別為2mm、4mm、6mm的位置作為第6層、第7層、第8層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)第5層過(guò)程完第6-8層沖擊;分別選擇第3、4行,重復(fù)第1-4層與5-8層的過(guò)程完成9_12層與13-16層的沖擊,當(dāng)16層沖擊完成時(shí),整個(gè)沖擊過(guò)程結(jié)束;相比相同參數(shù)下,不分組逐點(diǎn)逐行的沖擊方式,分層方式激光沖擊強(qiáng)化未產(chǎn)生明顯殘余拉應(yīng)力,不分組逐點(diǎn)逐行的沖擊方式下,抗彎曲疲勞強(qiáng)度約為330MPa,分層沖擊方式下,抗彎曲疲勞強(qiáng)度約為360MPa,提升比較明顯。
[0024]實(shí)施例2,如圖1對(duì)60mmX 10 mmX 2 mm的Ti6342的中心10_X 10 mm區(qū)域進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化;使用方形光斑,調(diào)節(jié)激光參數(shù)為:激光能量13J,脈寬15ns,光斑邊長(zhǎng)3mm,搭接率選擇10%,重復(fù)頻率為0.5Hz,沖擊方式為雙面沖擊。
[0025]將工件夾持在保持架上,用鋁箔作為吸收層,噴嘴對(duì)試樣碰水形成水幕作為約束層,移動(dòng)X-Y工作臺(tái)以改變沖擊位置;具體沖擊方式如圖3所示,25個(gè)光斑分9層進(jìn)行沖擊。以待沖擊區(qū)拐角作為基準(zhǔn)點(diǎn),將基準(zhǔn)點(diǎn)作為第一層沖擊的起始點(diǎn),將矩形光斑的中心對(duì)準(zhǔn)起始點(diǎn),完成起始點(diǎn)沖擊后,控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑中心水平距離8.1mm完成第一層第一行,同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第3行、第5行,完成第一層沖擊,每完成一層沖擊后需更換吸收層;選擇第一行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離為2.7mm的位置作為第2層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)第一層過(guò)程完第2層沖擊;選擇第一行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離為5.4mm的位置作為第3層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)第一層過(guò)程完第3層沖擊;選擇位于第2行,與基準(zhǔn)點(diǎn)同為一列的光斑作為第4層沖擊的起始點(diǎn),控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑中心距離8.1mm完成第4層第一行,同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第4行完成第4層沖擊;選擇第2行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離分別為2.7mm,5.4mm的位置作為第5層、第6層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)第4層過(guò)程完第5、6層沖擊;選擇第3行,重復(fù)第1-3層與2-6層的過(guò)程完成7-9層沖擊;當(dāng)9層沖擊完成時(shí),整個(gè)沖擊結(jié)束。
[0026] 相比相同參數(shù)下,不分組逐點(diǎn)逐行的沖擊方式,分層方式激光沖擊強(qiáng)化未產(chǎn)生明顯殘余拉應(yīng)力,不分組逐點(diǎn)逐行的沖擊方式下,抗彎曲疲勞強(qiáng)度約為350MPa,分層沖擊方式下,抗彎曲疲勞強(qiáng)度約為370MPa,提升比較明顯。
【權(quán)利要求】
1.一種大面積激光沖擊強(qiáng)化金屬表面的方法,其特征在于,采用激光沖擊強(qiáng)化對(duì)工件表面按照一定的軌跡進(jìn)行間隔沖擊,多層疊加實(shí)現(xiàn)工件大面積搭接沖擊,具體步驟如下: (1)根據(jù)工件材料特性,確定激光沖擊強(qiáng)化的光斑形狀與尺寸A搭接率;分層前確定所有激光沖擊的位置,在所有準(zhǔn)備沖擊的光斑位置中,任意選擇一個(gè)位于邊界拐角的光斑中心作為基準(zhǔn)點(diǎn); (2)激光沖擊強(qiáng)化弟一彳了,將基準(zhǔn)點(diǎn)作為弟一層沖擊的起始點(diǎn),完成起始點(diǎn)沖擊后,控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑圓心距離,其中為激光沖擊總層數(shù),且;同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第行,完成第一層沖擊,其中依次取1,2,3...,同時(shí)A的取值不能使超出待加工區(qū)域;每完成一層沖擊后需更換吸收層; (3)選擇第一行中距離基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離為的位置作為第《+I層沖擊的起始點(diǎn),重復(fù)步驟⑵完成第》+1層沖擊,依次取I,2,3....,; (4)選擇位于第行,與第組沖擊起始點(diǎn)同為一列的光斑作為第層沖擊的起始點(diǎn),其中當(dāng)不變時(shí),依次取1,2,3...0;當(dāng)增加到極限時(shí),下一次+1,=1,依次為2,3,4...;控制X-Y工作臺(tái)水平移動(dòng)令相鄰光斑圓心距離,完成該組沖擊中第行的沖擊強(qiáng)化,同樣方式依次激光沖擊強(qiáng)化第行,A依次取1,2,3..,直至完成第層沖擊;當(dāng)層沖擊完成時(shí),整個(gè)激光沖擊過(guò)程結(jié)束。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大面積激光沖擊強(qiáng)化金屬表面的方法,其特征在于: 所述光斑形狀為圓形光斑或方形光斑,圓形光斑為直徑6方形光斑為正方形,邊長(zhǎng)為L(zhǎng) ,所述搭接率,圓形光斑為I A/,方形光斑為I Λ,其中I為光斑相鄰搭接光斑中心連線上搭接部分的長(zhǎng)度。
3.如權(quán)利要求1所述的一種大面積激光沖擊強(qiáng)化金屬表面的方法,其特征在于所述激光沖擊強(qiáng)化工藝參數(shù)為:激光脈沖能量為2-20 J、激光脈寬為10-40 ns、重復(fù)頻率為0.5-10Hz ;對(duì)于方形光斑,其能量分布為平頂分布,Z=3-8mm, =8-15% ;對(duì)于圓形光斑,其能量分布為準(zhǔn)高斯分布,t/=2-6mm, =30-50%。
【文檔編號(hào)】C21D10/00GK104164554SQ201410337747
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】羅開玉, 林通, 魯金忠 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)