CN102409157A - 一种中空激光强化方法 - Google Patents
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Abstract
本文公开了一种高效中空激光强化方法，其特征是所述的方法是采用环形高能量激光光斑作用在带能量吸收层和约束层的构件表面，构件受激光诱导的冲击波作用，使构件表面形成一定的残余压应力，从而使构件获得强化。该方法首先采用试片法获得不产生应力洞的环形光斑内外径大小，然后用该环形光斑作用在带能量吸收层和约束层的构件表面，使构件获得最佳强化效果。本方法有效避免采用大功率大光斑实心激光冲击时引起的“应力洞”问题，且强化效果好，效率高，节约生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面改性，特指一种高效中空激光强化方法，尤其适用于构件的大面积高效率强化。
背景技术
激光冲击强化技术是利用高功率、短脉冲激光辐照金属材料表面，材料表面受热气化并产生等离子体，由于等离子体的***在金属材料表面产生冲击波，冲击波的峰值压力可达到10GPa，在此作用下，材料的力学性能得到明显的改善。国内外的研究表明，激光冲击强化可有效提高铝合金、钛合金、碳钢、镍基合金、不锈钢、铸铁等金属材料的硬度和疲劳寿命。材料疲劳寿命的提高主要是由于表面残余压应力的存在，同时，冲击后在材料中存在的高密度位错和位相的改变，使材料的硬度和弯曲应力得到提高。激光冲击强化与传统的强化工艺如喷丸强化、锻打相比，表面残余压应力大，强度高，效果好，是一种洁净、无公害的处理方法。
为了提高激光冲击的效率，采用大能量大光斑的激光对材料进行强化，但通过研究激光功率密度、光斑形状对板料表层残余应力场分布的影响，表明提高激光功率密度可以增加板料表层残余应力，但随着功率密度增加会产生残余应力缺失，称之为“残余应力洞”现象，影响强化效果；产生“残余应力洞”的原因是当用大能量激光器冲击时产生的稀疏波比较强，冲击中心区域会产生反向塑性变形，从而会降低该区域在稳定状态的弹性残余压应力，出现残余应力洞现象。
专利号为US3850698名称为“Altering Material Properties”的专利，专利号为US4401477名称为“Laser Shock Processing”的专利以及专利号为US4937421名称为“Laser Peening Systerm and Method”的专利，运用脉冲激光冲击的方式强化工件，为材料表面强化提供了新的思路，其冲击波峰值压力比传统喷丸更大，强化深度更深。但这些专利提出的方法只用小光斑强化工件，其效率极低，当增大光斑直径增加能量时，很可能会产生“残余应力洞”影响强化效果。
通过采用圆形光斑、椭圆形光斑、方形光斑、中空光斑等不同形状的大能量激光光斑对板料进行冲击，并测试残余应力，结果表明采用中空光斑激光可有效避免残余应力洞的出现。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够避免“残余应力洞”的产生，实现各种金属材料大面积高效率的中空激光强化的方法，本方法能够提高强化效率，节约生产成本。
本发明是按照下述技术方案实现的：采用大功率脉冲激光器，使大功率脉冲激光器发出的可调式激光束通过光路***形成中空光束，辐照在构件表面形成环形光斑，通过调节环形光斑内外径大小和比例，使构件受此大能量大环形光斑辐照诱导冲击波，使构件表面形成无“应力洞”的残余压应力分布，从而使构件提高抗疲劳和应力腐蚀的能力，该强化方法的步骤是：
A）采用有限元分析软件找到不产生“应力洞”的环形光斑内外径大小及其内外径比率，确定激光脉宽、脉冲能量、激光光斑大小等工艺参数；
B）制备试片，试片进行光整预处理，表面附贴吸收层、约束层；
C）将试片用夹具固定在数控工作台上，根据A）所确定的工艺参数范围进行冲击试验；
D）测量冲击后试片的残余应力分布；
E）重复步骤B）、C）、D），找到不产生“应力洞”的环形光斑的内外径和内外径比率，确定激光脉宽、脉冲能量、激光光斑大小等工艺参数；
F）对待强化构件进行预处理，根据以上工艺参数，调节光路***，启动激光器对构件进行激光冲击强化；
G）取下构件，清理表面；
H) 重复步骤F）、G），完成下一构件的激光冲击强化。
上述所选择的环形光斑的内外径与大功率脉冲激光器的脉冲宽度、脉冲能量、光斑大小、构件的材料及处理状态有关，大功率激光器的激光脉宽0.1ns~10ns、能量0~200J、光束直径0.1~50mm，环形光斑的内径 满足条件：
，外径
满足条件：。
上述所制备试片的材质与构件的材料属性一致，试片形状为方形，边长为50mm，厚度与构件厚度一致。
在试片上所覆的吸收层和约束层与在待强化构件上所覆的吸收层和约束层一致；其中吸收层，包括铝箔、黑漆、黑胶带，约束层，包括水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶、合成树脂。
本发明有如下技术优势：
1）与传统的强化工艺如喷丸强化、碾压相比，表面残余压应力大，强度高，效果好，是一种洁净、无公害的处理方法。
2）采用中空激光冲击强化，冲击区外边界产生的稀疏波向中心汇聚，内边界产生的稀疏波向外发散，两波叠加抵消，可有效避免大光斑大能量引起的“应力洞”问题，应力分布更加合理。
3）大光斑大能量的使用，有效解决大面积冲击强化效率低的问题，强化效率高。
4）采用大光斑大能量中空激光进行冲击强化，冲击后构件表面不平度更小。
5）采用大光斑大能量中空激光进行冲击强化，可降低成本低，无论军用还是民用均具有明显优势。
6）冲击时使构件表面产生残余压应力，大大地提高构件的疲劳寿命，抗应力腐蚀性能力。
附图说明
图1 本发明装置示意图。
1大功率激光器， 2光学变束***， 3中空激光形成***， 4构件， 5数控工作台，6计算机控制***。
具体实施方案
采用大功率脉冲激光器，使大功率脉冲激光器发出的可调式激光束通过光路***形成中空光束，辐照在构件表面形成环形光斑，通过调节环形光斑内外径大小和比例，使构件受此大能量大环形光斑辐照诱导冲击波，使构件表面形成无“应力洞”的残余压应力分布，从而使构件提高抗疲劳和应力腐蚀的能力，其特征在于：构件受大能量环形光斑辐照诱导冲击波作用，使构件表面形成一定的残余压应力，从而使构件获得强化，该强化方法的步骤是：
A）采用有限元分析软件找到不产生“应力洞”的环形光斑内外径大小及其内外径比率，确定激光脉宽、脉冲能量、激光光斑大小等工艺参数；
B）制备试片，试片进行光整预处理，表面附贴吸收层、约束层；
C）将试片用夹具固定在数控工作台上，根据A）所确定的工艺参数范围进行冲击试验；
D）测量冲击后试片的残余应力分布；
E）重复步骤B）、C）、D），找到不产生“应力洞”的环形光斑的内外径和内外径比率，确定激光脉宽、脉冲能量、激光光斑大小等工艺参数；
F）对待强化构件进行预处理，根据以上工艺参数，调节光路***，启动激光器对构件进行激光冲击强化；
G）取下构件，清理表面；
H) 重复步骤F）、G），完成下一构件的激光冲击强化。上述所选择的环形光斑的内外径与大功率脉冲激光器的脉冲宽度、脉冲能量、光斑大小、构件的材料及处理状态有关，大功率激光器的激光脉宽0.1ns~10ns、能量0~200J、光束直径0.1~50mm，环形光斑的内径
满足条件：
，外径满足条件：
。
上述所制备试片的材质与构件的材料属性一致，试片形状为方形，边长为50mm，厚度与构件厚度一致。在试片上所覆的吸收层和约束层与在待强化构件上所覆的吸收层和约束层一致；其中吸收层，包括铝箔、黑漆、黑胶带，约束层，包括水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶、合成树脂。
Claims (5)
1.一种中空激光强化方法，采用大功率脉冲激光器，使大功率脉冲激光器发出的可调式激光束通过整形光路***形成中空光束，辐照在构件表面形成环形光斑，其特征在于：通过调节环形光斑内外径大小和比例，使构件受此大能量大环形光斑辐照诱导冲击波，使构件表面形成无“应力洞”的残余压应力分布，使构件提高抗疲劳和应力腐蚀的能力。
2.根据权利要求1所述的一种高效中空激光强化方法，其特征在于：具体步骤是：
A）采用有限元分析软件找到不产生“应力洞”的环形光斑内外径大小及其内外径比率，确定激光脉宽、脉冲能量、激光光斑大小工艺参数；
B）制备试片，试片进行光整预处理，表面附贴吸收层、约束层；
C）将试片用夹具固定在数控工作台上，根据A）所确定的工艺参数范围进行冲击试验；
D）测量冲击后试片的残余应力分布；
E）重复步骤B）、C）、D），找到不产生“应力洞”的环形光斑的内外径和内外径比率，并确定激光脉宽、脉冲能量、激光光斑大小工艺参数；
F）对待强化构件进行预处理，根据以上工艺参数，调节光路***，启动激光器对构件进行激光冲击强化；
G）取下构件，清理表面；
H) 重复步骤F）、G），完成下一构件的激光冲击强化。
3. 根据权利要求2所述的一种高效中空激光强化方法，其特征在于：所选择的环形光斑的内外径与大功率脉冲激光器的脉冲宽度、脉冲能量、光斑大小、构件的材料及处理状态有关，大功率激光器的激光脉宽0.1ns~10ns、能量0~200J、光束直径0.1~50mm，环形光斑的内径 
满足条件：
，外径
满足条件：
。
4. 根据权利要求2所述的一种高效中空激光强化方法，其特征在于：所制备试片的材质与构件的材料属性一致，试片形状为方形，边长60mm，厚度与构件厚度一致。
5.根据权利要求2所述的一种高效中空激光强化方法，其特征在于：在试片上所覆的吸收层和约束层与在待强化构件上所覆的吸收层和约束层一致；吸收层为铝箔、黑漆、黑胶带，约束层包括水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂。
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