一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置与流程

本发明属于金属构件表面处理技术领域，具体涉及一种利用激光诱导冲击波技术强化处理含裂金属构件表面以改变裂纹扩展路径的方法及装置，从而延长金属薄板类构件的剩余疲劳寿命，特别适合于改变变截面薄板类金属构件上裂纹扩展路径。

背景技术：
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金属薄板由于其重量较轻、易于成形为复杂形状的构件等优点被广泛地用在航空、汽车等领域。当构件出现微裂纹后，在疲劳载荷作用下，裂纹将会沿着截面强度较小和拉应力较大的路径扩展，从而导致构件过早失效，致使设备提前报废。裂纹扩展路径的长短对应着构件的剩余疲劳寿命的长短，因此在构件裂纹萌生后，采取有效的方法改变裂纹的扩展路径，对延长构件的剩余疲劳寿命和使用寿命有着很大的工程应用价值。

专利CN103868786A提供一种预测疲劳裂纹扩展规律的方法，介绍了一种根据一段时间内对裂纹扩展情况的跟踪观测，推断裂纹扩展规律，预测构件寿命的方法，此专利提供了一种预测疲劳裂纹扩展快慢的方法，但没有涉及到裂纹扩展路径对剩余疲劳寿命的影响。发明专利CN105067396A介绍一种控制金属构件疲劳裂纹扩展路径的方法，该方法是通过改变试样的几何形状特征来控制疲劳裂纹前缘的应力分布，从而来控制裂纹的扩展路径，该方法解决了试样疲劳裂纹扩展路径在表面的扩展长度与内部的扩展长度不一致的问题，但不涉及到采用表面处理的方法来改变裂纹的扩展路径，它的适用范围也十分有限。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置，以延长含裂构件的剩余疲劳寿命，本发明提供的一种基于激光冲击波技术的改变裂纹扩展路径的方法，该方法具体步骤如下：

(1)微裂纹在薄板类的金属构件24上形成以后，在循环疲劳载荷的作用下，裂纹容易在应力较大或强度较低的区域扩展，通过计算分析，确定裂纹扩展的方向。

(2)根据裂纹扩展方向，在裂纹前端和应力较大的一侧，确定激光冲击强化的位置，并对所述金属构件24上两侧待强化处理区域进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥。

(3)在金属构件24两侧待强化处理区域上分别涂覆黑漆作为激光的第一能量吸收层12及第二能量吸收层21，然后将带有能量吸收层的金属构件24装夹在夹具25上，夹具25固定在工作台26上。

(4)通过控制器2调整工作台26的位置，使金属构件24两侧待强化的区域分别对着第一激光冲击头9和第二激光冲击头18；打开第一喷水头22和第二喷水头23，流水在金属构件24的两侧形成第一约束层11和第二约束层20。

(5)受控的激光发生器3发出脉宽为ns量级、单脉冲能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量级的主激光脉冲束4，所述主激光脉冲束4被第一全反镜5反射及经过分光镜13后被分成两束光学特征完全相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14，所述第一分激光脉冲束6依次被第二全反镜7、第三全反镜8反射后到达第一激光冲击头9，经过第一聚焦透镜10会聚后，透过第一约束层11辐照在第一能量吸收层12上；所述第二分激光脉冲束14依次被第四全反镜15、第五全反镜16和第六全反镜17反射后到达第二激光冲击头18，经过第二聚焦透镜19会聚后，透过第二约束层20辐照在第二能量吸收层21上；由于第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14到达金属构件24两侧表面的路程相等，所以它们同时辐照于金属构件24两侧表面的第一能量吸收层12和第二能量吸收层21上；所述第一能量吸收层12及第二能量吸收层21分别吸收第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的能量后形成GPa量级的高压冲击波，高压冲击波作用在金属构件24两侧表面，使金属构件24两侧受冲击区域的表层产生塑性强化层，完成了对金属构件24的单次冲击强化处理。

(6)单次强化处理后，控制器2控制工作台26上下或前后移动方向和位置，以改变金属构件24的位置，控制下一个相邻光斑的强化位置，金属构件24新的位置确定后，激光发生器3再发出主激光脉冲束4以进行下次的冲击强化，主激光脉冲4的参数和频率受控制器2控制；依次完成多个位置的强化，以实现金属构件24待冲击处理表面的强化。

(7)冲击强化完毕后，先关闭激光发生器3，随后关闭控制器2，关闭第一喷水头22和第二喷水头23，将金属构件24从夹具25上取下来。

本发明提供一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的装置，该装置包括激光发生器3、导光分光系统、喷水系统、工件夹具系统及控制系统。

所述导光分光系统包括主激光脉冲束4、第一分激光脉冲束6、第二分激光脉冲束14、第一全反镜5、分光镜13、第二全反镜7、第三全反镜8、第四全反镜15、第五全反镜16、第六全反镜17、第一激光冲击头9、第二激光冲击头18、第一聚焦透镜10和第二聚焦透镜19；主激光脉冲束4经过第一全反镜5、分光镜13后被分成两束完全相同的第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14，所述第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的能量分别为主激光脉冲束4的二分之一，第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的波长、频率与主激光脉冲束4的波长、频率相同；所述第一激光冲击头9与第二激光冲击头18对称设置在所述金属构件24的两侧，第一聚焦透镜10位于第一激光冲击头9内，第二聚焦透镜19位于第二激光冲击头18内。

所述喷水系统包括第一喷水头22、第二喷水头23，提供流水作为激光冲击强化金属构件24的第一约束层11、第二约束层20，第一喷水头22和第二喷水头23的水流速度相同，分别在金属构件24的两侧形成厚度为2mm的流动的水帘以作为第一约束层11和第二约束层20，且流水完全覆盖金属构件24待强化区域。

所述工件夹具系统包括工作台26、金属构件24、夹具25、第一能量吸收层12及第二能量吸收层21，所述金属构件24固定在夹具25上，所述夹具25固定在工作台26上，所述工作台26能够上下、前后移动，所述第一能量吸收层12及第二能量吸收层21涂覆在金属构件24的两侧，所述第一能量吸收层12及第二能量吸收层21的厚度为0.05mm。

所述控制系统包括计算机1及控制器2，控制信息由所述计算机1输入并传递给所述控制器2，所述控制器2通过数据线分别连接激光发生器3和工作台26，控制器2用于控制激光发生器3发出的主激光脉冲束4的参数及控制工作台26的移动速度和位置。

本发明具有以下技术特点：

1、采用激光冲击波作为改变裂纹扩展路径的能量源，属于非接触式强化处理方式，不需要改变构件的几何形状，不受构件大小的限制，不需要增加材料，具有较大的加工柔性。

2、激光束输出的能量、频率、光斑等参数具有高度的可调性，可以根据构件材料的不同机械性能进行调节，采用分光镜等可实现工件两侧强化的参数完全一样，保证了薄板类的工件在强化后不变形，保持了工件原有的精度。

3、激光束诱导冲击波的压力高达GPa量级，远高于任何金属材料的屈服极限，形成的残余压应力层的深度是喷丸、滚压等传统的强化方法形成的残余应力层的深度的2-5倍，而且形成的残余压应力的幅值还较大。

4、激光束在表层诱导的残余压应力的同时，表层材料的硬度得到了提高，晶粒得到了细化，材料的屈服极限和抗疲劳极限得到了提高，构件材料的机械性能得到了改善，大大延长了含裂工件剩余疲劳寿命。

5、采用脉宽为ns量级的激光进行冲击加工，激光的时间极短，具有很高的加工效率，而且装置结构简单，使用成本低，能耗少，无污染，节能环保，易于推广使用。

附图说明：

图1为本发明装置的示意图；

图2为本发明金属构件冲击强化后能量吸收层的表面形貌图；

图3(a)为本发明未强化金属构件裂纹扩展路径示意图；

图3(b)为本发明强化后金属构件裂纹扩展路径示意图；

图4(a)为本发明未强化金属构件的疲劳裂纹扩展条带扫描电镜图；

图4(b)为本发明强化后金属构件的疲劳裂纹扩展条带扫描电镜图。

图中：1：计算机；2：控制器；3：激光发生器；4：主激光脉冲束；5：第一全反镜；6：第一分激光脉冲束；7：第二全反镜；8：第三全反镜；9：第一激光冲击头；10：第一聚焦透镜；11：第一约束层；12：第一能量吸收层；13：分光镜；14：第二分激光脉冲束；15：第四全反镜；16：第五全反镜；17：第六全反镜；18：第二激光冲击头；19：第二聚焦透镜；20：第二约束层；21：第二能量吸收层；22：第一喷水头；23：第二喷水头；24：金属构件；25：夹具；26：工作台。

具体实施方式：

本发明所提供的一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的装置包括激光发生器3、喷水系统、导光分光系统、工件夹具系统、控制系统。其中导光分光系统包括主激光脉冲束4、分光镜13、第一全反镜5、第二全反镜7、第三全反镜8、第四全反镜15、第五全反镜16、第六全反镜17、第一聚焦透镜10、第二聚焦透镜19、第一激光冲击头9、第二激光冲击头18；喷水系统包括第一喷水头22、第二喷水头23；工件夹具系统包括工作台26、金属构件24、夹具25、第一能量吸收层12和第二能量吸收层21；控制系统包括计算机1、控制器2。

本发明提供的一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法，该方法具体步骤如下：

(1)微裂纹在薄板类的金属构件24上形成以后，在循环疲劳载荷的作用下，裂纹总是向着应力较大和疲劳强度较低的区域扩展，通过计算分析，确定裂纹扩展的方向。

(2)根据裂纹扩展方向，在裂纹前端应力较大的一侧，确定激光冲击强化的位置，并对金属构件24上两侧待强化处理区域进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥。

(3)在金属构件24上经过清洁处理的待强化区域涂覆上黑漆作为激光的第一能量吸收层12和第二能量吸收层21，并将带有第一能量吸收层12和第二能量吸收层21的金属构件24装夹在夹具25上，夹具25固定在工作台26上。

(4)通过控制器2调整工作台26的位置，使金属构件24两侧待强化的区域分别对着第一激光冲击头9和第二激光冲击头18，所述的第一激光冲击头9和第二激光冲击头18对称设置，与金属构件24等距离；打开第一喷水头22和第二喷水头23喷水到金属构件24的两侧以形成第一约束层11和第二约束层20，第一约束层11和第二约束层20的水帘的厚度为2mm。

(5)激光发生器3发出脉宽为ns量级、单脉冲的能量为2-100J、功率密度为GW/cm²量级的主激光脉冲束4，所述主激光脉冲束4被第一全反镜5反射和经过分光镜13后被分成两束光学特征完全相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14，所述第一分激光脉冲束6依次被第二全反镜7、第三全反镜8反射后到达第一激光冲击头9，经过第一聚焦透镜10会聚后，透过第一约束层11的流水辐照在第一能量吸收层12上；所述第二分激光脉冲束14依次被第四全反镜15、第五全反镜16和第六全反镜17反射后到达第二激光冲击头18，经过第二聚焦透镜19会聚后，透过第二约束层20的流水辐照在第二能量吸收层21上；由于第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14到达金属构件24两侧表面的路程相等，所以它们同时辐照于金属构件24两侧表面的第一能量吸收层12和第二能量吸收层21上；所述第一能量吸收层12和第二能量吸收层21分别吸收第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的能量形成GPa量级的高压冲击波，高压冲击波作用在金属构件24两侧表面，使金属构件24两侧表层都产生塑性的强化层。

(6)单次强化后，控制器2控制工作台26上下或前后移动的方向和位置，改变金属构件24的位置，以控制下一个相邻光斑的强化位置，金属构件24新的位置确定后，激光发生器3再发出主激光脉冲束4进行下次的冲击强化，主激光脉冲4的频率受控制器2控制；依次完成多个位置的冲击强化，以实现金属构件24指定的待冲击强化区域表面的强化。

(7)冲击强化完毕后，先关闭激光发生器3，随后关闭控制器2，关闭第一喷水头22和第二喷水头23，将金属构件24从夹具25上取下来，清理金属构件24表面的残余吸收层，干燥后检验入库。

本发明提供一种基于激光冲击波技术改变裂纹传播途径的装置，该装置包括激光发生器3、导光分光系统、喷水系统、工件夹具系统及控制系统。

所述导光分光系统包括主激光脉冲束4、第一分激光脉冲束6、第二分激光脉冲束14、第一全反镜5、分光镜13、第二全反镜7、第三全反镜8、第四全反镜15、第五全反镜16、第六全反镜17、第一激光冲击头9、第二激光冲击头18、第一聚焦透镜10和第二聚焦透镜19；主激光脉冲束4经过第一全反镜5、分光镜13后被分成两束完全相同的第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14，所述第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的能量分别为主激光脉冲束4的二分之一，第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的波长、频率与主激光脉冲束4相同，所述的第一激光冲击头9和第二激光冲击头18对称设置，第一聚焦透镜10位于第一激光冲击头9内，第二聚焦透镜19位于第二激光冲击头18内。

所述喷水系统包括第一喷水头22、第二喷水头23，提供流水作为激光冲击强化金属构件24的第一约束层11和第二约束层20，第一喷水头22和第二喷水头23的水流速度相同，分别在金属构件24的两侧形成厚度为2mm的流动的水帘作为第一约束层11和第二约束层20，且水流完全覆盖待冲击强化区域。

所述工件夹具系统包括工作台26、金属构件24、夹具25、第一能量吸收层12和第二能量吸收层21，所述金属构件24固定在夹具25上，所述夹具25固定在工作台26上，所述工作台26能够上下、前后移动，所述构件24两侧表面冲击强化位置涂覆涂厚度为0.05mm的第一能量吸收层12和第二能量吸收层21。

所述控制系统包括计算机1、控制器2，控制信息由所述计算机1输入并传递给所述控制器2，所述控制器2通过数据线分别连接激光发生器3和工作台26，用于控制激光发生器3发出的主激光脉冲束4的参数，控制工作台26的移动速度和位置。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1：金属构件24的材料为高强度7075铝合金，金属构件24为CT试样，其外形尺寸为62.5mm×62mm×4mm，形貌如图2所示。具体实施如下：

(1)在薄板类的金属构件24的微裂纹扩展方向的前端区域确定为激光冲击强化区域，冲击强化区域在金属构件24两侧对称分布，强化区域的长宽分别为27mm和13mm，强化区域中心距金属构件24中心线5mm、距金属构件24中央窄槽的顶端为20mm，且强化区域的长度方向与金属构件24的中心线成30°夹角。

(2)将金属构件24用酒精清洗，并吹干，在金属构件24两侧待激光冲击的区域粘贴厚度为0.05mm的专用黑漆胶带作为第一能量吸收层12和第二能量吸收层21，将含有能量吸收层的金属构件24装夹在夹具25上，夹具25固定在工作台26上。打开第一喷水头22和第二喷水头23，并调节水的流量，使水流在金属工件24上两侧待冲击的区域形成厚度为2mm的流水层，该流水层分别作为第一约束层11和第二约束层20，以提高冲击强化的效果。

(3)根据金属构件24的航空铝合金7075材料的力学性能参数，优化激光冲击的参数，优化后的参数由计算机1输入，并传至控制器2控制激光发生器3发出主激光脉冲束4。主激光脉冲束4的参数为：波长1064nm，脉冲宽度21ns，能量为6J，频率为1Hz，通过分光镜13得到第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14，两个分激光脉冲束的能量为3J；调整第一激光冲击头9和第二激光冲击头18与金属构件24的位置，使得第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14分别经过第一激光冲击头9和第二激光冲击头18后在金属构件24上的光斑直径为3mm，分别在金属构件24的两侧表面诱导冲击波实现表层的冲击强化，随后工作台26接受来自控制器2的指令移动确定下一次冲击的位置，使相邻光斑搭接率为50％，依次顺序冲击加载，最终在金属构件24两侧形成了27mm×13mm的长方形的冲击强化区域。

激光冲击强化后，在能量吸收层的表面留下激光烧蚀的痕迹，如图2所示。去除在金属构件24两侧表面的残余的能量吸收层后，洗净金属构件24，金属构件24的冲击区域表面留下较浅塑性变形的压痕，如图3(a)所示，随后在PLN-100/500型微机控制电液伺服拉扭疲劳试验机上进行循环的疲劳拉伸试验，施加载荷为3KN，外力的方向的为垂直金属构件24的轴线，加载频率为8Hz，加载模式为拉拉疲劳，直至金属构件24被拉断。为了比较激光冲击对疲劳裂纹扩展路径和疲劳寿命的影响，在相同的工况下，对没有经过激光冲击处理的金属构件也进行对比疲劳试验。试验结果表明：在循环载荷作用下，未冲击强化的金属构件经过26,280次后完全断裂，冲击强化处理的金属构件经63,080次后完全断裂，强化处理后金属构件24的疲劳寿命是未强化处理的2.4倍。裂纹扩展的路径分别如图3(a)和图3(b)所示，由图3可以看出，未处理的疲劳裂纹在疲劳拉伸载荷的作用下沿金属构件24的轴线扩展，裂纹扩展路径近似成直线，而激光冲击处理后，裂纹扩展的路径发生了较大的改变而成曲线。这是因为在冲击强化区域引入了残余压应力，表层材料的屈服极限也得到了很大的提高，而未处理区域的材料仍然保持原有的材料特性，在疲劳拉伸载荷作用下，由于冲击强化区域内存在着残余压应力，使强化区域内材料所受的实际拉应力幅度减小，而且强化后材料的屈服极限提高，使裂纹在冲击强化区域内扩展较为困难，所以裂纹沿着强化区域的边界扩展，扩展路径发生了较大偏转，偏离了金属构件的中心线，裂纹的扩展路径成曲线。通过扫描电镜观察断口，裂纹稳定扩展区的形貌如图4(a)和图4(b)所示。可以清楚地看到大量裂纹前端局部瞬时的微观塑性变形痕迹，即疲劳裂纹条带。在等幅循环应力作用下，每一条疲劳条带基本上是相互平行的波浪形条纹，每一条代表一次载荷循环，循环次数与疲劳条带数目是相等的，其法线方向大致指向疲劳裂纹的扩展方向。由图4(a)和图4(b)可知，未处理金属构件的疲劳条带宽度大约为0.74μm,而处理后的疲劳条带宽度窄得多为0.32μm，疲劳条带的宽度是裂纹在一次疲劳拉伸载荷作用下前进的距离，可以得出金属构件经过激光冲击强化后裂纹的扩展速率明显降低，同时，裂纹扩展路径也变长，正是这两个方面的原因，使得冲击处理后的金属构件的疲劳寿命得到很大的延长。