一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法
【技术领域】
[0001]本发明方法涉及激光加工领域，特指一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，特别适合于工业棒材、铸件以及叶片等材料表面均匀强化处理。
【背景技术】
[0002]激光冲击强化(又叫激光喷丸)是一种新型的材料表面强化技术，利用强激光诱导的冲击波力学效应对材料进行加工，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点；其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力，大量的研宄证明激光冲击强化技术是延长裂纹萌生时间降低裂纹扩展速度提高材料寿命的有效手段。
[0003]普通激光冲击强化方法存在一定的局限性，比如:普通激光冲击强化处理叶片时，容易使吸收层翘曲剥落，导致叶片表面烧蚀、破损并且冲击产生的残余压应力场和表面微形貌不均匀；截面叶片沿展向长度方向强化效果不一致；叶片表面的激光冲击强化工艺无法达到标准。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供了一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，即每一层均采用能量均匀分布的方形光斑进行紧挨不搭接的激光冲击强化，相邻两层之间光斑位置在横向与纵向均按一定比例均匀交错的方法来实现金属件的表面均匀强化；该方法显著消除方形光斑的边界效应，使工件表层晶粒细化，提高大面积激光冲击强化的稳定性和可靠性，获得均匀强化效果并且加工效率高，实现叶片类零件边缘的均匀强化，具体步骤为:
(I)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，边长为a。
[0005](2)将工件安装在五轴工作台上，并在工件待加工表面覆盖吸收层，在吸收层表面绘制边长为a的方形网格，并确定总共冲击层数N。
[0006](3)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角重合，在冲击区域起始拐角作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
[0007](4)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接。
[0008](5)更换吸收层，并在吸收层表面重新绘制网格。
[0009](6)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角的重合位置从上一层中的冲击区域起始拐角X方向向冲击区域外偏移b，Y方向向冲击区域外偏移b，作为第二层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
[0010](7)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第二层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接。
[0011](8)重复步骤(5) (6) (7)，直至完成N层激光冲击强化。
[0012]本发明所采用的激光冲击强化用的脉冲激光束为正方形光斑，边长a为2_8mm，频率为l-5Hz，脉宽为8-30ns，脉冲能量3-15J ;激光强化冲击X轴和Y轴偏移量b=a/N ;采用流水作为约束层，厚度为Imm ;吸收层材料为铝箔，厚度为100 ym?
[0013]冲击层数N根据实验材料性质和激光冲击阈值来确定，为3-5层。
[0014]本发明的有益效果:消除方形光斑的边界效应，工件表层晶粒细化，提高大面积激光冲击强化的稳定性和可靠性，获得均匀强化效果且加工效率高。
【附图说明】
[0015]图1为方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法的示意图。
[0016]图2为均匀强化方法处理后的工件表面金相组织。
[0017]图3为未经处理的工件表面金相组织。
[0018]图4为两组试样检测点表面残余应力值曲线。
[0019]图5为两组试样检测点表面硬度值曲线。
[0020]图6为方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法的加工流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明作详细的说明。
[0022]本实施例所采用的试样基体材料为316L不锈钢，其几何尺寸为140mmX 70mmX 25mm。
[0023]激光器的工艺参数为:脉宽8ns，频率1Hz，脉冲能量6J，光斑形状为方形，光斑尺寸a为5mm，相邻方形光斑紧挨不搭接。
[0024]具体步骤为:
(I)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，边长为5mmο
[0025](2)将工件安装在五轴工作台上，并在工件待加工表面覆盖吸收层，在吸收层表面绘制边长为a的方形网格，并确定总共冲击层数N ;根据实验材料性质和激光冲击阈值来确定冲击层数N，取N=5。
[0026](3)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角重合，在冲击区域起始拐角作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
[0027](4)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接。
[0028](5)更换吸收层，并在吸收层表面重新绘制网格。
[0029](6)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角的重合位置从上一层中的冲击区域起始拐角X方向向冲击区域外偏移1_，Y方向向冲击区域外偏移1mm，作为第二层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
[0030](7)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第二层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接；
(8)重复步骤(5) (6) (7)，直至完成5层激光冲击强化。
[0031]在工件处理表面的方形区域内沿Y轴方向选取两条平行线，两条平行线相距15mm，与方形区域边相距5mm，在每条直线上等分取六个点，间距为5mm，共12个点，对取样点的残余应力和硬度进行检测分析。
[0032]如图2所示，经过强化处理的工件表层晶粒细化，晶粒之间排列紧密有序，获得较好的均匀强化效果。而图3中，未经强化处理的工件表层晶粒排列杂乱无章，并且晶粒间的间隙较大。
[0033]如图4、5所示，检测得到的表面残余应力值稳定在280MPa左右，硬度值稳定在350Hv左右，可以得出结论:经过方形光斑激光多层交错冲击均匀强化的工件表面性能显著提高，工件材料表层晶粒细化，提高大面积激光冲击强化的稳定性和可靠性，获得均匀强化效果且加工效率高。
【主权项】
1.一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，其特征在于:利用方形光斑激光多层均匀交错的方法来强化工件表面；其中每一层均采用能量均匀分布的方形光斑紧挨不搭接的方法进行冲击，每冲击一层后更换吸收层再进行下一层冲击，相邻两层之间光斑位置在横向与纵向均按一定比例均匀交错，每层激光冲击参数均相同；该方法显著消除方形光斑的边界效应，使工件表层晶粒细化，提高大面积激光冲击强化的稳定性和可靠性，获得均匀强化效果并且加工效率高。
2.如权利要求1所述的一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，其特征在于具体步骤如下: (1)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，边长为a ； (2)将工件安装在五轴工作台上，并在工件待加工表面覆盖吸收层，在吸收层表面绘制边长为a的方形网格，根据实验材料性质和激光冲击阈值来确定冲击层数N ; (3)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角重合，在冲击区域起始拐角作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致； (4)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接； (5)更换吸收层，并在吸收层表面重新绘制网格； (6)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角的重合位置从上一层中的冲击区域起始拐角X方向向冲击区域外偏移b，Y方向向冲击区域外偏移b，作为第二层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致； (7)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第二层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接； (8)重复步骤(5)(6) (7)，直至完成N层激光冲击强化。
3.如权利要求2所述的一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，其特征在于:所述方形光斑的边长a为2-8_ ;所述激光冲击强化的工艺参数为:激光频率为l-5Hz，脉宽为8-30ns，脉冲能量为3-15J。
4.如权利要求2所述的一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，其特征在于:激光强化冲击X轴和Y轴偏移量b=a/N，N为冲击层层数，N取值为3-5。
5.如权利要求2所述的一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，其特征在于:采用流水作为约束层，厚度为Imm ;吸收层材料为铝箔，厚度为100 μ m。
【专利摘要】本发明涉及激光加工领域，特指一种方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，即每一层均采用能量均匀分布的方形光斑进行紧挨不搭接的激光冲击强化，相邻两层之间光斑位置在横向与纵向均按一定比例均匀交错的方法来实现金属件的表面均匀强化。该方法显著消除方形光斑的边界效应，使工件表层晶粒细化，提高大面积激光冲击强化的稳定性和可靠性，获得均匀强化效果并且加工效率高。该发明可用于工业棒材、铸件以及叶片等表面均匀强化处理。
【IPC分类】C21D1-09
【公开号】CN104846156
【申请号】CN201510182755
【发明人】罗开玉, 朱轶杰, 景祥, 鲁金忠
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月17日