一种改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法

本发明属于高能激光材料表面工程，具体涉及一种改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、应力集中是导致工业领域服役构件失效破坏的主要原因之一，在构件加工过程中，对其内应力进行均匀化处理具有重要意义。激光冲击作为高能激光工业应用的重要技术工艺之一，在航空构件等高端装备制造领域具有重要应用潜力。残余压应力引入是激光冲击实现表面强化效果的主要因素，激光冲击诱导残余应力的均匀化分布有利于降低构件表层发生应力集中的几率。

3、目前，技术人员针对均匀化激光冲击表面处理的加工要求，提出合理控制搭接率、依据曲面曲率优选光斑尺寸等应对策略，取得一定技术效果。然而，上述技术策略调节材料表层残余应力分布的程度仍存在较大偏差，仅实现应力分布的定性控制，难以实现残余应力的均匀分布。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、一种改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，包括如下步骤：

4、确定激光光束尺寸及搭接率，并根据光束尺寸和搭接率制备粗糙表面柔性模板；

5、将柔性模板置于待处理材料表面，使得光束搭接区域对应的柔性模板表面粗糙度大于光束未搭接区域对应的柔性模板表面粗糙度，并在柔性模板外依次布置激光冲击吸收层和约束层，然后对待处理材料表面进行初次激光冲击表面加工；

6、去除柔性模板后，按照既定路径进行二次激光冲击表面加工，即可。

7、在激光冲击待处理材料表面强化过程中，圆形激光光束的应用最为普遍，而大面积冲击区域的处理需要借助多光斑的搭接。多光斑搭接是引发材料表面塑性变形及其诱导残余应力不均匀分布的重要因素，在单层激光冲击过程中，未搭接区域接收单次激光冲击压力作用，而搭接区域却接收了两次激光冲击压力作用，导致搭接区域的塑性变形程度和残余应力水平较未搭接光斑区域的高。

8、基于粗糙表面状态导致的激光光束非全垂直入射所引发的激光利用率降低的物理原理，本发明提出在激光光斑搭接区域进行粗糙表面预制的工艺对策，利用粗糙表面对激光冲击压力的削弱影响，实现搭接区域塑性变形程度以及残余应力水平的降低。

9、在一些实施例中，所述柔性模板为砂纸，砂纸表面与光束搭接区域对应的目数为1200～100目。

10、优选的，砂纸表面与光束搭接区域对应的目数为800～200目。

11、进一步优选目数原则为：砂纸目数对应表面粗糙度应大于待加工材料表面粗糙度，具体取值却决于光束搭接区域与未搭接区域的残余应力差值，若所述差值较大，则砂纸目数应相对选择更低值，以利用更大的表面粗糙程度来降低光束搭接区域的激光利用率。

12、在一些实施例中，所述柔性模板与光束未搭接区域对应的部位镂空设置。柔性模板实质上为镂空结构，其仅覆盖于光束搭接区域，而光束未搭接区域无柔性模板覆盖，其表面即待加工材料表面，其表面粗糙度即待加工材料的初始表面粗糙度。

13、柔性模板所采用的砂纸的目数可由技术人员根据实践经验进行选择，主要依据为不同目数砂纸诱导材料表面所形成的粗糙表面对激光冲击压力削弱作用的影响程度。多层激光冲击处理后材料表面残余应力分布状态为多光斑搭接区域的残余压应力水平相对未搭接区域更高，则柔性砂纸选用的砂纸的目数应增大，以进一步削弱激光冲击压力对靶材表面的直接作用；反之，则柔性砂纸选用的砂纸的目数应减小。

14、在一些实施例中，光束的形状为规则形态。

15、优选的，所述光束为圆形或方形。采用规则形态激光光束进行激光强化处理，靶材表面更易获得均匀化表面强化效果。

16、在一些实施例中，进行二次激光冲击表面加工时，在待加工材料表面再次涂覆吸收层和约束层。

17、优选的，进行二次激光冲击表面加工时，采用已确定的多光束搭接准则进行。

18、优选的，所述吸收层为黑漆或黑胶带；所述约束层为厚度1～2mm的去离子水幕。

19、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

20、(1)本发明基于非激光参数调整而实现激光冲击表面强化工艺效果的精准控制，降低高性能激光装备的设备依赖性，同时具有重要潜在经济效益。

21、(2)本发明所涉及工艺材料为工业砂纸等低值材料，材料获取难度以及工艺实施难度均较低。

技术特征：

1.一种改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：所述柔性模板为砂纸，砂纸表面与光束搭接区域对应的目数为1200～100目。

3.根据权利要求2所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：砂纸表面与光束搭接区域对应的目数为800～200目。

4.根据权利要求3所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：砂纸目数对应表面粗糙度应大于待加工材料表面粗糙度。

5.根据权利要求2所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：所述柔性模板与光束未搭接区域对应的部位镂空设置。

6.根据权利要求1所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：光束的形状为规则形态。

7.根据权利要求6所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：所述光束为圆形或方形。

8.根据权利要求1所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：进行二次激光冲击表面加工时，在待加工材料表面再次涂覆吸收层和约束层。

9.根据权利要求8所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：进行二次激光冲击表面加工时，采用已确定的多光束搭接准则进行。

10.根据权利要求8所述的改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，其特征在于：所述吸收层为黑漆或黑胶带；所述约束层为厚度1～2mm的去离子水幕。

技术总结
本发明公开了一种改善多层激光冲击强化效果均匀性的方法，包括如下步骤：确定激光光束尺寸及搭接率，并根据光束尺寸和搭接率制备粗糙表面柔性模板；将柔性模板置于待处理材料表面，使得光束搭接区域对应的柔性模板表面粗糙度大于光束未搭接区域对应的柔性模板表面粗糙度，并在柔性模板外依次布置激光冲击吸收层和约束层，然后对待处理材料表面进行初次激光冲击表面加工；去除柔性模板后，按照既定路径进行二次激光冲击表面加工，即可。利用粗糙表面对激光冲击压力的削弱影响，实现搭接区域塑性变形程度以及残余应力水平的降低。

技术研发人员：卢国鑫
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15