本發(fā)明屬于金屬材料表面強化，更具體的說是一種改善金屬材料表面應力分布情況的激光沖擊強化路徑。

背景技術：

1、金屬材料在現代工業(yè)中扮演著至關重要的角色。它們不僅是航空航天、汽車制造、電力設備等領域的基礎支柱，還在各種高科技應用中展現出獨特的價值。由于其卓越的強度、耐高溫性能和優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，金屬材料能夠承受極端的工作環(huán)境，確保設備的穩(wěn)定運行和長久耐用。隨著科技進步和工業(yè)需求的不斷提升，對金屬材料的性能要求也越來越高，金屬材料的性能對整個系統(tǒng)的使用壽命和性能至關重要。激光沖擊強化是一種有效的表面處理技術，主要是激光通過約束層作用在金屬表面的吸收層，吸收層形成高溫高壓的等離子體，在約束層的作用下等離子體形成高壓沖擊波從而向金屬材料內部傳播。利用沖擊波的力效應在材料表面發(fā)生塑性變形，使得材料表面微觀組織發(fā)生變化，同時在沖擊區(qū)域產生有利的殘余應力，可以有效改變金屬材料的物理特性、抗腐蝕性和機械性能。目前激光強化技術存在氣孔、裂紋和應力集中等缺陷，主要是通過調節(jié)激光加工參數解決上述問題。但這種方法效果并不明顯，且容易對沖擊強化的效果產生影響；目前，常用的激光沖擊強化方法是通過使每次擊打區(qū)域相互重疊的方式，依次鋪滿待加工表面。然而，這種加工路徑存在一些問題。首先，金屬材料內部的沖擊波會與下一次激光沖擊產生的沖擊波快速碰撞，導致兩次沖擊波之間的能量抵消，無法有效影響沖擊位置及附近的區(qū)域，造成能量浪費。其次，由于每次激光沖擊區(qū)域的重疊會導致應力的累積，激光輻照時會出現應力集中現象，從而影響金屬樣品的使用性能。

2、因此，針對上述問題，本項發(fā)明提出了一種隔點沖擊的激光沖擊強化路徑，并通過循環(huán)加載的方式實現所需的重疊率。隔點沖擊為激光強化產生的沖擊波在金屬材料內部提供了足夠的空間以便其有效傳播，并且同一位置受到附近位置產生的沖擊波的多次影響，從而增加有效殘余應力。同時，循環(huán)加載的方法可以避免因應力累積而導致的應力集中問題，從而有效調節(jié)金屬材料中殘余應力的分布情況。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的是針對現有激光沖擊強化過程中存在的應力集中等問題，提供一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法。激光沖擊強化過程中，對材料表面采用隔點沖擊和循環(huán)加載的方式，每次隔點沖擊使沖擊波可以材料內部有效傳播，循環(huán)加載通過多次隔點沖直到滿足搭接率的要求。這種方法可以使沖擊波在材料中充分傳播，并避免因應力累積導致的應力集中現象。

2、一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，該方法包括如下步驟：

3、步驟一，將準備好的金屬樣品放置于激光加工系統(tǒng)中；

4、步驟二，設置激光加工工藝參數，并根據搭接率設置沖擊強化路徑，開始對金屬樣品進行加工。

5、優(yōu)選的，步驟一所述的金屬樣品種類包括不銹鋼、鎳基合金、鋁合金、鈦合金和合金鋼，準備工作包括表面打磨光滑、選擇沖擊區(qū)域，設置約束層和吸收層。

6、優(yōu)選的，步驟一所述的激光加工系統(tǒng)包括激光發(fā)生器、光束整形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機器臂控制系統(tǒng)和輔助裝置。

7、優(yōu)選的，步驟一中所述的激光加工系統(tǒng)，激光器為脈沖激光器。

8、優(yōu)選的，步驟二中所述的激光加工參數，激光波長193-2940nm、功率10-109w/cm2，脈寬15fs-1000ns，加工頻率1hz-10mhz，搭接率30％-70％，沖擊次數1-10次，約束層包括水層、k9玻璃、空氣約束層、水膜與k9玻璃復合層，吸收層包括鋁箔、黑膠帶、碳粉。

9、優(yōu)選的，步驟二中所述的激光加工參數，若沖擊強化次數不為1，兩次沖擊強化之間更換起點和終點位置。

10、優(yōu)選的，步驟二中所述的沖擊強化路徑包括多次循環(huán)加載，通過多次循環(huán)加載滿足搭接率的要求。每次循環(huán)加載包括若干個隔點沖擊，隔點沖擊次數由每次光斑移動距離和搭接率共同決定。

11、優(yōu)選的，步驟二中所述的沖擊強化路徑在每次隔點沖擊過程中，光斑每次移動距離應不小于光斑直徑。相鄰兩列光斑的起點位置應有所不同，且光斑的移動距離與相鄰兩列之間的距離不一定相同。

12、優(yōu)選的，步驟二中的沖擊強化路徑每次循環(huán)加載需要包括多次隔點沖擊，多次沖擊強化完成對高溫合金表面依次沖擊強化，根據搭接率的要求進行重復多次循環(huán)加載，每次循環(huán)加載的起點位置應有所不同，以確保滿足搭接率的要求。

13、本發(fā)明所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，針對激光沖擊強化過程中出現的裂紋、氣孔和應力集中等問題，提出了一種調整激光沖擊路徑的解決方案。相比于傳統(tǒng)的激光強化路徑，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

14、1.本發(fā)明方法可以為激光強化產生的沖擊波提供足夠的空間實現沖擊波在金屬材料中的有效傳播，使沖擊波可以對激光作用點附近位置產生有效影響，提高金屬材料的殘余應力；

15、2.本發(fā)明方法通過循環(huán)加載的方式可以避免因為應力累積而產生的應力集中等問題，使應力分布更加均勻，提高金屬材料的使用性能。

技術特征：

1.一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，該方法包括如下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，其特征在于：步驟一所述的金屬樣品種類包括不銹鋼、鎳基合金、鋁合金、鈦合金和合金鋼，準備工作包括表面打磨光滑、選擇沖擊區(qū)域，設置約束層和吸收層。

3.根據權利要求1所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，其特征在于：步驟一所述的激光加工系統(tǒng)包括激光發(fā)生器、光束整形系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機器臂控制系統(tǒng)和輔助裝置。

4.根據權利要求1所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，其特征在于：步驟一中所述的激光加工系統(tǒng)，激光器為脈沖激光器。

5.根據權利要求1所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，其特征在于：步驟二中所述的激光加工參數，激光波長193-2940nm、功率10-109w/cm2，脈寬15fs-1000ns，加工頻率1hz-10mhz，搭接率30％-70％，沖擊次數1-10次，約束層包括水層、k9玻璃、空氣約束層、水膜與k9玻璃復合層，吸收層包括鋁箔、黑膠帶、碳粉。

6.根據權利要求1所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，其特征在于：步驟二中所述的激光加工參數，若沖擊強化次數不為1，兩次沖擊強化之間更換起點和終點位置。

7.根據權利要求1所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，其特征在于：步驟二中所述的沖擊強化路徑包括多次循環(huán)加載，通過多次循環(huán)加載滿足搭接率的要求。每次循環(huán)加載包括若干個隔點沖擊，隔點沖擊次數由每次光斑移動距離和搭接率共同決定。

8.根據權利要求1所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，其特征在于：步驟二中所述的沖擊強化路徑在每次隔點沖擊過程中，光斑每次移動距離應不小于光斑直徑。相鄰兩列光斑的起點位置應有所不同，且光斑的移動距離與相鄰兩列之間的距離不一定相同。

9.根據權利要求1所述的一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，其特征在于：步驟二中的沖擊強化路徑每次循環(huán)加載需要包括多次隔點沖擊，多次沖擊強化完成對高溫合金表面依次沖擊強化，根據搭接率的要求進行重復多次循環(huán)加載，每次循環(huán)加載的起點位置應有所不同，以確保滿足搭接率的要求。

技術總結
本發(fā)明涉及一種實現均勻應力分布的激光沖擊強化方法，激光光束產生的沖擊波在金屬材料中傳播，促使材料發(fā)生塑性變形，從而提高產品的使用性能。但在加工過程中存在應力集中、裂紋、氣孔等缺陷影響產品使用性能，本方法通過改變激光移動路徑進而改變沖擊波在材料中的傳播和作用方式來優(yōu)化金屬材料中殘余應力分布情況。具體而言，本方法采用隔點沖擊和循環(huán)加載的方式。通過這種方法，可以避免相鄰兩次沖擊波的快速碰撞，使沖擊波在金屬材料中有效傳播。此外，循環(huán)加載方式利用多次隔點沖擊使樣品表面達到所需的搭接率，相比于擊打區(qū)域相互重疊的方法，這種方式能夠有效避免由于應力累積而引發(fā)的應力集中現象。同時，通過使同一位置受到附近位置產生的沖擊波的多次影響，從而增加有效殘余應力。

技術研發(fā)人員：管迎春,陳威
受保護的技術使用者：北京航空航天大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2