专利名称：一种复合冲击材料表面强化方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及大型材料的表面强化以及小型材料的细微结构强化技术领域，可改善材料 表面应力大小和分布，提高金属工件使用寿命。特指一种基于激光冲击波和电磁脉冲的复 合冲击材料表面强化的方法与装置，尤其适应于需要抗疲劳、抗应力腐蚀的零部件。
背景技术：
传统的材料改性技术有锻打、冷挤压、激光热处理和机械喷丸等方法，使板料内部产 生残余压应力，以达到强化的目的，但存在着生产准备时间长，加工柔性差和制造成本高 等不足。目前，激光加工技术和材料激光喷丸强化技术己应用于航空航天、船舶工业和汽 车覆盖件等生产行业，但实际激光喷丸强化过程中，残余压应力分布和大小并不均匀，在 冲击区域外等部位还会产生拉应力。电磁脉冲是利用电磁感应定律，通过脉冲磁场穿过工 件而在工件上产生感应电流，产生的磁场与初始电场、磁场相互间产生了巨大的作用力， 从而使工件受力成形，被广泛用到机械、电子、汽车工业、轻化工及仪器仪表、航空航天、 兵器工业等诸多领域。
经检索目前国外文献中2007年8月DANE C BRENT [US]; HARRIS FRITZ B [US]; TARANOWSKI JOSEPHT [US]等人的"ACTIVE BEAM DELIVERY SYSTEM FOR LASER PEENING AND LASER PEENING METHOD",专利号为KR20070086485 (A),介绍了一 种可以移动的激光束来进行材料表面激光喷丸强化技术，即在工件固定情况下，通过激光
传递系统，使得激光束沿着一定的光学路径对板料进行完整喷丸，其缺陷如下(1)移动 光束的的过程复杂，难以精确控制。(2)虽然能多次按照一定的路径冲击材料表面，但难
以解决激光喷丸强化过程残余应力分布不合理的问题。(3)材料表面激光多次喷丸时搭接 处难以处理，无法保证搭接处激光喷丸后残余压应力的分布均匀。(4)无法对复杂曲面零 件进行强化，且无法保证复杂曲面过渡处在激光喷丸后获得较好的强化效果。
目前还未有采用电磁脉冲装置处理材料表面的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击材料表面强化的方 法与装置，用以提高材料表面性能，改善板料表面残余应力场的分布，提高材料的抗应力 腐蚀能力和疲劳寿命。
本发明复合冲击材料表面强化方法采用的技术方案是采用大功率重复频率脉冲激光器和电磁脉冲装置同时作用于试样板料，由计算机中央处理单元控制激光器和电磁脉冲装 置。
由计算机中央处理单元同时发出控制指令到激光控制器和电磁脉冲控制，通过激光控 制器使激光器发出激光束，再由可调节的外光路系统改变激光束路线，以光斑调节装置调 节激光束的光斑大小作用于试样板料；同时通过电磁脉冲控制器启动电磁力发生系统，再 经电磁脉冲装置产生涡流形成磁场作用于试样板料。
本发明复合冲击材料表面强化装置采用的技术方案是包括计算机中央处理单元、激 光器和电磁脉冲装置，计算机中央处理单元以激光控制器连接激光器、以电磁脉冲控制串 接电磁力发生系统后连接电磁脉冲装置，由激光器发出的激光束和电磁脉冲装置同向靠近 试样板料。
本发明提出基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击材料表面强化的技术方案，使金属 试样板料受到激光和电磁脉冲双重强化作用。 一方面，直接利用强脉冲激光束冲击试样表 面的柔性贴膜，使其表层气化电离并形成冲击波冲击材料表面；另一方面，利用电磁脉冲 使金属工件内产生涡流形成磁场而使金属工件受力，其有益效果是
1、 本发明电磁脉冲装置解决了激光冲击波压力分布不均匀的问题，同时激光冲击波 力效应的作用弥补了电磁脉冲装置的冲击力的不足，适应沿规划路径轨迹逐点冲击，可对 复杂金属工件表面进行充分强化，获得较好的喷丸效果。
2、 本发明利用重复频率脉冲激光穿过集磁器中心孔使金属试样工件受力，扩大单独 激光冲击喷丸强化区域，通过激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击，在板料表面形成一定的 分布均匀而合理的残余压应力，扩大残余压应力区域，防止材料表面产生有害的残余拉应 力，可应用于小孔疲劳强化，损伤修复再制造，阻止裂纹扩展，消除焊接应力和提高抗应 力腐蚀。
3、 由于电磁强化是以磁场作介质，并能穿过非电导体材料，为非接触加工过程，无 工具与工件变形表面相接触，而激光也是通过冲击波的作用在贴有柔性贴膜的工件上，磁
场与柔性贴膜无相互作用，在成形部位表面无机械损伤，成形过程无机械接触，无摩擦， 不需润滑，所以，工件材料的物理和化学性能不变，对工作环境或工件均不污染，是一种 高效、清洁方便的绿色强化工艺。
4、 本发明将试样板料固定在多轴坐标台上，可调节多轴坐标台的移动和转动，使脉 冲激光和电磁脉冲能完整地冲击复杂曲面的表面，实现材料表面多次复合冲击处理及复杂 曲面材料的强化，且可实现三维立体冲击。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一歩详细说明。
图1是复合冲击材料表面强化装置结构示意图2是激光与电磁脉冲冲击消除焊接应力试样图3是试样板料11的激光与电磁脉冲冲击喷丸区域示意图4是激光冲击喷丸强化后试样板料11的残余应力分布图5是激光与电磁脉冲强化后试样板料11的残余应力分布图6是激光与电磁脉冲冲击抗疲劳处理试样图。 图中l-计算机中央处理单元；2-激光控制器；3-电磁脉冲控制器；4-激光器；5-外 光路系统；6-光斑调节装置；7-电磁脉冲装置；8-激光束；9-夹具；10-柔性贴膜；11-试样 板料；12-多轴联坐标台；13-多轴坐标台控制器；14-集磁器；15-电磁脉冲线圈；16-电磁 力发生系统；17-放电开关；18-脉冲储能电容器组；19-充电开关；20-充电装置；21-板料 圆形光斑冲击区域；22、 23、 24中心孔；25-板料；26-板料；27-焊接区域。
具体实施例方式
图1所示，计算机中央处理单元l以激光控制器2连接激光器4，激光器4发出激光 束8，在激光器4出口侧安装外光路系统5用以改变激光束8的方向，在激光器4和激光 束8之间连接光斑调节装置6，激光束8经光斑调节装置6调节光斑大小后作用于试样板 料11上。
计算机中央处理单元1以电磁脉冲控制器3串接电磁力发生系统16后连接电磁脉冲 装置7。电磁力发生系统16由放电开关17、脉冲储能电容器组18、充电开关19和充电 装置20构成。电磁脉冲装置7由集磁器14和电磁脉冲线圈15组成。激光束8和电磁脉 冲装置7在同一方向靠近试样板料11，激光束8穿过集磁器14的中心孔后作用于试样板 料11上。充电装置20向脉冲储能电容器组18充电，脉冲储能电容器组18对电磁脉冲线 圈15放电。
计算机中央处理单元1以多轴坐标台控制器13连接多轴联坐标台12。夹具9安装在 多轴联坐标台12上，试样板料11固定在夹具9上，在试样板料11上附贴柔性贴膜10， 柔性贴膜10有约束层与吸收层组成。计算机中央处理单元1以多轴坐标台控制器13连接 多轴联坐标台12。
本发明通过计算机中央处理单元1控制大功率重复频率脉冲激光器4和电磁脉冲装置 7，大功率重复频率脉冲激光器4和电磁脉冲装置7同时作用于试样板料11上的柔性贴膜10上。中央控制处理器1在工作时，同时发出控制指令到激光控制器2和电磁脉冲控制 器3。中央控制处理器1通过激光控制器2控制激光器4，使激光器4发出激光脉宽为4ns 10ns、能量为0 100J的激光束，通过可调节外光路系统5改变冲击路线，光斑调节装置 6调节激光束8的光斑直径大小，使光斑直径为0.2mm 20mm。激光束8穿过集磁器14 中心孔后作用在试样板料11上的柔性贴膜10表面，同时，中央控制处理器1通过电磁脉 冲控制器3启动电磁力发生系统16、电磁力发生系统16触发电磁脉冲装置7，使电磁脉 冲装置7产生涡流形成磁场作用于试样板料11上的柔性贴膜10表面，使试样板料11受 力，电磁脉冲装置7的放电能量为0 kJ 100kJ、电压为0.3 kV 20kV、电容为20nF 1600iiF，试样板料11距离电磁脉冲装置7中的电磁脉冲线圈15的距离为2mm 10ram。 根据实际的强化目的，可由中央控制处理器编制程序1通过电磁脉冲控制器3控制脉冲储 能电容器组18的连续充放电及充放电时机，开始放电开关17是关闭的，充电开关19是 导通的，充电装置20向脉冲储能电容器组18充电，使其存储足够的能量，达到实际工作 电压要求后，通过计算机中央处理单元1控制触发放电开关17导通，充电开关19是关闭 的，脉冲储能电容器组18对电磁脉冲装置中电磁脉冲线圈15快速放电，产生高压强脉冲 电流，从而激发强脉冲磁场，在试样板料11和电磁脉冲线圈15之间产生电磁力的作用， 这样，使试样板料11在激光冲击波和电磁脉冲双重作用力下获得强化，可以根据不同的 强化要求调整激光冲击波与电磁肪冲的合力的大小与分布。
本发明通过改变上述激光脉宽、能量、光斑直径以及冲击路径等激光参数来调整冲击 压力的大小和冲击方向，通过改变试样板料11距离电磁脉冲装置7中的电磁脉冲线圈15 的距离，电磁脉冲装置7的放电能量，电压和电容来调整电磁场作用在试样板料11上的 力的大小，从而可以根据不同的材料及不同的需求调节各种参数，以达到充分强化材料的 目的。
冲击过程中当被冲击试样板料11是复杂曲面时,将试样板料11表面贴有柔性贴膜10， 可通过多轴坐标台转动控制器13控制多轴联坐标台12的转动。在产生激光和电磁脉冲的 同时，多轴联坐标台12受多轴坐标台转动控制器13控制后向待冲击位置作三维运动，从 而达到控制冲击位置的目的，使得脉冲激光和电磁脉冲能完整地冲击复杂曲面的表面。
图2所示为本发明的应力实例，将板料25和板料26通过采用HJ — 4C02激光器4焊 接，焊接功率和焊接速度分别为2. 2 3. OkW和1. 8 2mm/s，由于在焊接过程中在焊接处 产生有害拉应力，实际过程中通常还需对此拼焊板成形，如冲压成形，所以有必要对焊接 区域进行表面改性。可根据实际的焊接参数和不同的板料的响应特点，通过调整激光能量和光斑大小，以及电磁脉冲电压，来调整冲击波压力的大小和电磁脉冲作用力的大小，对 焊接区域27进行复合冲击强化，以消除有害残余应力，提高焊接区域的表面性能，使其 满足实际需要。在具体冲击过程中，由于激光和电磁脉冲作用时间极短，需保持激光冲击 波作用力和电磁脉冲产生的冲击力在同一时刻作用或合理的冲击节奏，可通过激光控制器 2和电磁脉冲控制器3使得脉冲激光和电磁脉冲在对材料表面作用时具有同步性或节奏 性。
以下通过2个实施例说明本发明具有良好的残余压应力分布以及冲击抗疲劳性能。 实施例l
图3中的试样板料11为2024铝合金板料，其尺寸为40X40mm，厚为0.5mm,将试 样板料H安装在夹具9上，通过光斑调节装置6调节光斑直径为8mm、激光能量为25J 对其冲击，中间的圆形为板料圆形光斑冲击区域21。冲击时残余应力分布如图4所示， 从图4可看到，试样板料11经激光冲击后，冲击区域内的残余压力分布并不均匀，压力 最大不在中心区，从中心区到2mm残余压应力有增大趋势，从2mm-4mm残余压应力逐 渐减小，而且在距中心处6-8mm的冲击区域外产生拉应力，可见激光喷丸强化有缺陷。
采用本发明图1所示的基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击装置对上述相同的试 样板料ll进行表面强化，其残余应力分布图如图5所示，从图5可看到，对比图4的单 独激光冲击强化，采用本发明复合冲击装置强化后，试样板料11的残余应力分布更加均 匀，而且冲击区域外并无残余拉应力，获得良好的残余压应力的分布及大小，从而能改进 板料的表面性能。 实施例2
图6所示为选用双联"狗骨型"紧固孔疲劳试件，试样光斑冲击区域的两个中心孔22 的直径为2mm，在冲击强化区域分别涂上吸收层(铝箔0.15mm)和约束层(4.5mm厚 K9光学玻璃)，其中， 一个中心孔23做单独激光喷丸强化，而另一个中心孔24做激光与 电磁脉冲复合冲击强化，对比中心孔23、 24实验，试样经实施例1中所述的两种不同方 法处理后，可依靠检测冲击区硬度和通过疲劳实验得出结果。结果得出单独激光处理的试 件表面冲击区域的硬度比未处理提高40%左右，疲劳寿命增加2 10倍。而经激光和电磁 脉冲复合冲击处理的试件的硬度比未处理提高70%，疲劳寿命增加3 15倍。可见，相对 激光单独喷丸强化时，激光与电磁脉冲复合进行处理，可以更高地提高疲劳性能及预防疲 劳裂纹的产生。
权利要求
1、一种复合冲击材料表面强化方法，其特征是由计算机中央处理单元(1)控制大功率重复频率脉冲激光器(4)和电磁脉冲装置(7)，大功率重复频率脉冲激光器(4)和电磁脉冲装置(7)同时作用于试样板料(11)。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征是具体步骤为由计算机中央处理单元(1)同时发出控制指令到激光控制器(2)和电磁脉冲控制器(3)，通过激光控制器(2)使激 光器(4)发出激光束(8)，再由可调节的外光路系统(5)改变激光束(8)路线，以光 斑调节装置(6)调节激光束(8)的光斑大小作用于试样板料(11);同时通过电磁脉冲 控制器(3)启动电磁力发生系统(6)，再经电磁脉冲装置(7)产生涡流形成磁场作用于 试样板料(11)。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征是激光器(4)发出的激光脉宽为4ns 10ns， 能量为0J 100J;经光斑调节装置(6)调节的激光束(8)的光斑直径为0.2mm 20mm， 电磁脉冲装置(7)的放电能量为0 kJ 100kJ、电压为0.3 kV 20kV、电容为20 u F 1600 uF;试样板料(11)距离电磁脉冲装置(7)中的电磁脉冲线圈(15)的距离为2mm 10mm。
4、 根据权利要求2所述的方法，其特征是当试样板料(11)是复杂曲面时，通过多轴坐标台转动控制器(13)控制多轴坐标轴的转动(12)。
5、 一种实现权利要求1所述的复合冲击材料表面强化装置，包括计算机中央处理单 元(1)、激光器(4)和电磁脉冲装置(7),其特征是计算机中央处理单元(1)以激光 控制器(2)连接激光器(4)、以电磁脉冲控制器(3)串接电磁力发生系统(16)后连接 电磁脉冲装置(7)，由激光器(4)发出的激光束(8)和电磁脉冲装置(7)同向靠近试 样板料(11)。
6、 根据权利要求5所述的装置，其特征是所述电磁脉冲装置(7)由集磁器(14) 和电磁脉冲线圈(15)组成，激光束(8)穿过集磁器(14)的中心孔。
7、 根据权利要求5所述的装置，其特征是所述电磁力发生系统(16)由放电开关 (17)、脉冲储能电容器组(18)、充电开关(19)和充电装置(20)构成，充电装置(20)向脉 冲储能电容器组(18)充电，脉冲储能电容器组(18)对线圈(15)放电。
8、 根据权利要求5所述的装置，其特征是在激光器(4)出口侧安装外光路系统(5) 改变激光束(8)的方向，在激光器(4)和激光束(8)之间连接光斑调节装置(6)。
9、 根据权利要求5所述的装置，其特征是在试样板料(11)上附有柔性贴膜(10)， 柔性贴膜(10)由约束层与吸收层组成。
10、根据权利要求5所述的装置，其特征是试样板料(11)固定在多轴联坐标台U2) 的夹具(9)上，计算机中央处理单元(l)以多轴坐标台控制器(13)连接多轴坐标台(12)。
全文摘要
本发明公开了一种基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击材料表面强化方法及装置，由计算机中央处理单元控制激光器和电磁脉冲装置同时作用于试样板料，由可调节的外光路系统改变激光束路线，以光斑调节装置调节激光束的光斑大小；同时通过电磁脉冲控制器启动电磁力发生系统，使金属试样板料受到激光和电磁脉冲双重强化作用，通过调节多轴坐标台的移动和转动，使脉冲激光和电磁脉冲能完整地冲击复杂曲面的表面，实现三维立体冲击；本发明可防止材料表面产生有害的残余拉应力，应用于小孔疲劳强化，损伤修复再制造，阻止裂纹扩展，消除焊接应力和提高抗应力腐蚀。
文档编号C21D1/09GK101560587SQ200910027130
公开日2009年10月21日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者姜银方, 张朝阳, 张永康, 杨超君, 飞 王, 王永良, 钱晓眀, 顾永玉, 鲁金忠 申请人:江苏大学