CN106048144A - 一种激光增材薄壁件激光冲喷丸应力调控的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种激光增材薄壁件激光喷丸应力调控的方法涉及激光增材制造应力调控领域，该方法包括以下步骤，首先基于不同的激光增材制造参数，模拟出激光增材制造后材料表面的热致应力分布。其次模拟计算加工切屑剥离材料表面后残余应力释放导致的变形以及刀具施加的变形，并计算出加工后的应力分布。接着根据不同区域的应力分布及变形状况，制定激光冲击方案，先通过激光冲击成形矫正变形区域的位置偏差X与角度偏差θ。最后计算激光冲击矫形后试样件表面的残余应力分布，通过激光冲击强化调整试样表面的残余应力，使其趋于一致。

Description

一种激光增材薄壁件激光冲喷丸应力调控的方法

技术领域

本发明涉及激光增材制造应力调控领域，特指一种通过激光喷丸调控增材制造件表面应力状态和外形的方法。

背景技术

现代工业高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展，高性能难加工金属大型关键构件制造技术被公认为是重大高端装备制造业的基础和核心关键技术。激光增材制造技术有望为国防及工业重大装备中大型难加工金属构件的制造提供一条快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技术新途径。从1992年起，基于同轴送粉激光熔化沉积的致密金属零件激光增材制造技术在世界范围内引起了人们的高度关注，国内外众多大学及研究院所在钛合金、镍基高温合金、超高强度钢、不锈钢、难熔合金等高性能金属材料的激光增材制造工艺、装备、组织及性能研究等方面取得了大量研究成果。

激光增材制造技术作为一项新的制造技术，其制造件表面残余应力调控是该技术得以大规模应用不可或缺的研究领域。激光增材制造因其热加工的本质在样件制造完毕后会残留热致应力，该应力对材料的疲劳性能以及样件的尺寸精度将造成不利的影响，尤其对于激光增材制造的大型薄壁件，在进行表面机加工时，残余应力释放往往导致材料变形，实际生产过程中需要进行复杂的防变形工艺，如双边切削、热处理后切削、设计专用夹具等，这些繁琐的工艺、工装掩盖了激光增材制造快速高效的优点，阻碍其应用。因此本发明提出一种激光增材薄壁件激光喷丸应力调控的方法，它利用激光冲击波调控增材制造件表面的应力分布，强化了样件表面，并矫正了样件外形，简化了生产工艺，省去了复杂的工装夹具，使得激光增材制造零件能够广泛地应用于各行各业。

发明内容

基于以上不足，本发明提出一种激光增材薄壁件激光喷丸应力调控的方法，它利用激光冲击波调控增材制造件表面的应力分布，强化了样件表面，并矫正了样件外形。

本发明的方法技术方案如下：一种激光增材薄壁件激光喷丸应力调控的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

步骤1：基于不同的激光增材制造参数，模拟出激光增材制造后材料表面的热致应力分布；

步骤2：根据步骤1的结果，模拟计算加工切屑剥离材料表面后残余应力释放导致的变形以及刀具施加的变形，并计算出加工后的应力分布；在样件的侧面设有动态应变检测仪，通过动态应变检测仪，实时测量样件表面的应变状态，记录每个点与设计尺寸间的位置偏差X，以及面之间的角度偏差θ；

步骤3：基于步骤2的结果根据不同区域的应力分布及变形状况，制定激光冲击方案，先通过激光冲击成形矫正变形区域的位置偏差X与角度偏差θ；计算激光冲击矫形后试样件表面的残余应力分布，通过激光冲击强化调整试样表面的残余应力，使其趋于一致。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.有效调控激光增材制造件的表面应力，强化其使用寿命使其能够服役于更多工况。

2.矫正由于残余应力释放导致的变形，控制尺寸精度，避免了由于加工变形产生的产品报废。

3.应力调控与矫形相结合，简化了工艺流程，省去了机加工的变形控制设计，在机加工时省去了中途停机热处理公艺，保证了加工的连贯性。

4.避免了机加工时防变形夹具设计，节约了成本。

附图说明

图1是切削加工样件变形示意图；

图2是动态应变检测仪布置示意图；

图3是激光冲击矫形示意图；

图4是激光增材制造后材料表面残余应力分布；

图5是切削后材料表面残余应力分布；

图6是激光冲击后材料表面残余应力分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

以下实施例用来说明本发明，但不是限制本发明。

本发明涉及激光增材制造应力调控领域，特指一种通过激光喷丸调控增材制造件表面应力状态和外形的方法，首先基于不同的激光增材制造参数，模拟出激光增材制造后材料表面的热致应力分布。其次模拟计算加工切屑剥离材料表面后残余应力释放导致的变形以及刀具施加的变形，并计算出加工后的应力分布。接着根据不同区域的应力分布及变形状况，制定激光冲击方案，先通过激光冲击成形矫正变形区域的位置偏差X与角度偏差θ。最后计算激光冲击矫形后试样件表面的残余应力分布，通过激光冲击强化调整试样表面的残余应力，使其趋于一致。

一种激光增材薄壁件激光喷丸应力调控的方法，该方法包括以下步骤，

步骤1：基于不同的激光增材制造参数，模拟出激光增材制造后材料表面的热致应力分布；激光功率为1500w，送分率0.02g/mm，扫描速度7mm/s时材料的残余应力如图4所示，材料中间区域具有较大的拉应力。

步骤2：根据步骤1的结果，模拟计算加工切屑剥离材料表面后残余应力释放导致的变形以及刀具施加的变形，并计算出加工后的应力分布如图4所示，加工后拉应力有所减小，但材料表面仍然表现为拉应力；在样件的侧面设有动态应变检测仪，通过动态应变检测仪，实时测量样件表面的应变状态，记录每个点与设计尺寸间的位置偏差X，以及面之间的角度偏差θ；

步骤3：基于步骤2的结果根据不同区域的应力分布及变形状况，制定激光冲击方案，先通过激光冲击成形矫正变形区域的位置偏差X与角度偏差θ；计算激光冲击矫形后试样件表面的残余应力分布，通过激光冲击强化调整试样表面的残余应力，使其趋于一致。

具体实施例1：

步骤1’，首先通过激光功率500W，扫描速度350mm/min，送粉量9g/min，制造一件薄壁件试样。

步骤2’，基于步骤1’的激光增材制造参数，模拟出激光增材制造后材料表面的热致应力分布。

步骤3’，根据步骤2’的计算结果，模拟计算加工切屑1剥离样件3表面后残余应力释放导致的变形以及刀具2施加的变形，并计算出加工后的应力分布，在样件3的侧面涂有光学显影剂4，并设有动态应变检测仪6，通过动态应变检测仪6，实时检测样件3表面的应变状态，记录每个点与设计尺寸5间的位置偏差X，以及面之间的角度偏差θ。

步骤4’，基于步骤3’的结果根据不同区域的应力分布及变形状况，制定激光冲击方案，在需要矫形的区域涂覆黑漆10作为吸收层，涂水机器人8在样件3表面施加水膜作为约束层，激光器7发射激光对变形区域进行冲击，使材料反向变形，矫正变形区域的位置偏差X与角度偏差θ。激光冲击后材料表的残余应力分布如图6所示，材料表面呈现为压应力。

所述激光冲击成形是指：材料发生弯曲变形后，采用大功率激光冲击试样表面时，会在材料表面施加微小的塑性变形和残余压应力层，在残余压应力的作用下材料将沿着激光入射相反的方向突起，形成弯曲变形从而将材料矫直。此方法通过残余应力使材料成形，而非通过冲击力使材料发生变形成形。

计算激光冲击矫形后试样件3表面的残余应力分布，通过激光冲击强化调整试样表面的残余应力，使其趋于一致。

Claims (1)

1.一种激光增材薄壁件激光喷丸应力调控的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

步骤1：基于不同的激光增材制造参数，模拟出激光增材制造后材料表面的热致应力分布；

步骤2：根据步骤1的结果，模拟计算加工切屑剥离材料表面后残余应力释放导致的变形以及刀具施加的变形，并计算出加工后的应力分布；在样件的侧面设有动态应变检测仪，通过动态应变检测仪，实时测量样件表面的应变状态，记录每个点与设计尺寸间的位置偏差X，以及面之间的角度偏差θ；

步骤3：基于步骤2的结果根据不同区域的应力分布及变形状况，制定激光冲击方案，先通过激光冲击成形矫正变形区域的位置偏差X与角度偏差θ；计算激光冲击矫形后试样件表面的残余应力分布，通过激光冲击强化调整试样表面的残余应力，使其趋于一致。