一种激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法及系统与流程

本发明涉及航空结构件加工领域，特别是涉及一种激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法及系统。

背景技术：

随着科技的进步发展，在例如航天的无疲劳寿命特殊要求的领域，发射航天设备进入太空已经不是什么难事，在国际空间站环绕地球飞行的近地轨道上，引力几乎和地面上一样强，如果国际空间站相对地球静止不动，那么它就会以自由落体的方式重新坠落在地面上，想要留在轨道上，就必须要以每秒至少8公里的速度飞行，那么如何保证飞行速度成了难题。

在航天设备总体结构不变的情况下，可以通过减轻其重量来加快绕轨道飞行的速度，航天设备中基本是一次性、无重复利用的零构件，而且一次性产品的加工，不需要高要求的疲劳寿命，但对零件结构在高温，高湿环境条件和高冲击，多频次振动等恶劣的力学环境下的强度，刚度和稳定性有着严格的要求。

针对无重复利用的一次性零件结构，在保证其功能情况下，可以去除部分材料或打薄零件结构，从而减轻整体结构的重量，使航天结构件更轻便灵活，获得较高的飞行速度，保证其太空中绕轨道飞行，同时也能节约材料，减少资源浪费，降低了环境污染，提高其经济性。

然而，零件结构在减重打薄后其力学性能严重下降，例如：强度，硬度和刚度等严重降低，材料的性能不能满足零件结构的功能，因此在高温，高湿度，高强度冲击的环境下，航天零件机构会提前断裂，融化，变形等不能正常工作，导致整个航天器发射失败，损失惨重。

目前，可以采用激光淬火，即利用聚焦后的高能量密度大的激光束快速扫描钢铁材料表面，热能通过传导使周围材料急速升温至奥氏体相变点以上，熔点以下的温度，停止加热后因材料基体的自冷作用，使被加热的表层材料以超过马氏体相变临界冷却速度急速冷却，从而完成相变硬化。激光淬火是一种新型环保的热处理方式，相较于传统热处理技术具有效率高，污染少，能耗低，应用灵活等优点。

然而，现有技术中，由于加工材料表面的粗糙度不一样，在激光加工过程中，材料表面对激光的吸收率就会不同，而激光的加工参数是不变的，所以材料加工后的表面硬化带宽度不同，从而影响工件表面的性能。

因此，如何有效实现零件的轻量化，同时保证其性能，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法及系统，用于实现零件的轻量化，同时满足其使用性能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法，包括以下步骤：

步骤s1：测量零件的初始疲劳寿命、表面硬度、强度以及结构尺寸参数作为所述零件的原始数据，并记录保存为数据x；

步骤s2：对所述零件进行轻量化加工；

步骤s3：测量轻量化加工后所述零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数，并记录保存为数据x0；

步骤s4：分析确定第一次激光淬火的激光器的加工参数，并记录保存为数据y0；

步骤s5：对所述零件的第一表面进行第n次激光淬火，n≥1；

步骤s6：检测激光淬火后所述零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数，并记录保存为数据xn；

步骤s7：将所述数据xn和xn-1对比分析，并根据其相对差值和误差调整激光器的加工参数，并将调整后的加工参数记录保存为数据yn；

步骤s8：判断所述数据xn与所述数据x之间的误差是否小于预设误差值，如果是，则加工完成，如果否，则重复步骤s5。

优选的，所述步骤s1与所述步骤s2之间，还包括：

步骤s1a：分析计算所述原始数据x，获得保证所述零件的初始疲劳寿命刚度下该零件的结构最小尺寸；

所述步骤s3具体为：根据所述结构最小尺寸对所述零件进行轻量化加工。

优选的，所述步骤s5中，在对所述零件的第一表面进行激光淬火时，如果所述零件的第一表面为大面积、低精度、高性能的零件表面，则选择连续式激光束进行激光淬火，如果所述零件的第一表面为复杂的、高精度、小范围的零件表面，则选择脉冲式激光束进行激光淬火。

优选的，所述步骤s8之后，还包括：

步骤s9：对于所述零件中尖锐、凹陷等应力集中区的复杂表面，选择脉冲式激光束进行淬火加工。

优选的，所述步骤s9之后，还包括：

步骤s10：对所述零件的第二表面进行第n次激光淬火，并重复所述步骤s6至所述步骤s8；

或者，步骤s10a：翻转所述零件，对所述零件的反面进行第n次激光淬火，并重复所述步骤s6至所述步骤s8。

优选的，所述步骤s10之后，还包括：

步骤s11：在所述零件的全部表面完成激光淬火加工后，检测所述零件的整体尺寸及表面特性是否达到标准要求，并计算相应误差；对所述零件的整体强度进行校核，并验证其疲劳寿命强度是否符合标准。

一种激光热力效应协同变刚度减重轻量化系统，包括：

yag激光器，用于发射高能密度激光束；

热处理装置，用于将一定功率的激光束扫描金属零件表面进行激光淬火；

实时监测装置，用于检测所述零件在激光淬火后的表面硬度、强度以及结构尺寸参数；

控制器，用于反馈调节热处理装置，并实时反馈调节激光斑点大小和焦点深度，实现表面淬火。

优选的，所述控制器具体用于对比分析每一次激光淬火后，所述零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数之间的差值，并确定激光器的加工参数。

优选的，所述热处理装置包括用于淬火所述零件表面的激光头以及用于带动所述激光头移动的移动装置。

优选的，还包括用于夹持零件，并可带动所述零件转动的以加工所述零件各表面的旋转装置。

本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法和系统，其中方法包括以下步骤：测量零件的初始疲劳寿命、表面硬度、强度以及结构尺寸参数作为所述零件的原始数据，并记录保存为数据x；对所述零件进行轻量化加工；测量轻量化加工后所述零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数，并记录保存为数据x0；分析确定第一次激光淬火的激光器的加工参数，并记录保存为数据y0；对所述零件的第一表面进行第n次激光淬火；检测激光淬火后所述零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数，并记录保存为数据xn；将所述数据xn和xn-1对比分析，并根据其相对差值和误差调整激光器的加工参数，并将调整后的加工参数记录保存为数据yn；判断所述数据xn与所述数据x之间的误差是否小于预设误差值，如果是，则加工完成，如果否，则重复淬火步骤。该激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法，可以有效减轻航空领域中，零件结构件的重量，降低耗材，同时，可以有效避免零件结构的硬度、强度和刚度等性能的降低，零件结构的功能可以得到保证，以完成相应的功能。

本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化系统，包括：yag激光器，用于发射高能密度激光束；热处理装置，用于将一定功率的激光束扫描金属零件表面进行激光淬火；实时监测装置，用于检测所述零件在激光淬火后的表面硬度、强度以及结构尺寸参数；控制器，用于反馈调节热处理装置，并实时反馈调节激光斑点大小和焦点深度，实现表面淬火。该激光热力效应协同变刚度减重轻量化系统，在零件构件减重轻量化后可以直接通过激光头以及激光束导向机组进行激光淬火，然后由实时监测装置将表面变化数据反馈给控制器，采用功率调节装置灵活调整激光束功率，激光斑点和加热速度等参数，达到表面淬火效果，即零件的强度、硬度、刚度等性能得到强化，同时，yag激光器可发射高能密度激光束，因而不需要淬火零件进行黑化处理，可以直接进行激光淬火。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法的流程图；

图2为本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法的原理图；

图3为本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化系统一种具体实施方式的结构示意图；

其中：1-旋转装置；2-激光头；3-移动装置；4-控制器；5-热处理装置；6-yag激光器；7-激光束导向机组；8-功率调节装置；9-实时监测装置。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法及系统，能够在保证零件使用性能的前提下，显著降低零件的重量。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图3，图1为本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法的流程图；图2为本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法的原理图；图3为本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化系统一种具体实施方式的结构示意图。

在该实施方式中，激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法包括以下步骤：

步骤s1：测量零件的初始疲劳寿命、表面硬度、强度以及结构尺寸参数作为零件的原始数据，并记录保存为数据x；

步骤s2：对零件进行轻量化加工；

步骤s3：测量轻量化加工后零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数，并记录保存为数据x0；

步骤s4：分析确定第一次激光淬火的激光器的加工参数，并记录保存为数据y0；

步骤s5：对零件的第一表面进行第n次激光淬火，n≥1；

步骤s6：检测激光淬火后零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数，并记录保存为数据xn；

步骤s7：将数据xn和xn-1对比分析，并根据其相对差值和误差调整激光器的加工参数，并将调整后的加工参数记录保存为数据yn；

步骤s8：判断数据xn与数据x之间的误差是否小于预设误差值，如果是，则加工完成，如果否，则重复步骤s5。

该激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法，可以有效减轻航空领域中，零件结构件的重量，降低耗材，同时，可以有效避免零件结构的硬度、强度和刚度等性能的降低，零件结构的功能可以得到保证，以完成相应的功能。

进一步，步骤s1与步骤s2之间，还包括：

步骤s1a：分析计算原始数据x，获得保证零件的初始疲劳寿命刚度下该零件的结构最小尺寸；

步骤s3具体为：根据结构最小尺寸对零件进行轻量化加工。

在上述各实施方式的基础上，步骤s4与步骤s5之间具体包括：

步骤s41：对零件的第一表面进行第一次激光淬火；

步骤s42：检测第一次激光淬火后零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数，并记录保存为数据x1；

步骤s43：将数据x1和x0对比分析，并根据其相对差值和误差调整激光器的加工参数，并将调整后的加工参数记录保存为数据y1。

在上述各实施方式的基础上，步骤s5中，在对零件的第一表面进行激光淬火时，采用两种工作模式加工，如果零件的第一表面为大面积、低精度、高性能的零件表面，则选择连续式激光束进行激光淬火，如果零件的第一表面为复杂的、高精度、小范围的零件表面，则选择脉冲式激光束进行激光淬火。

在上述各实施方式的基础上，步骤s5中，还可以采用“变参数”淬火过程：即在零件的不同部位，强度等性能要求不同、薄厚度也不近相同，则在零件较厚的部位可以减小激光功率等参数，在零件较薄部分可以增加激光功率等参数。

在上述各实施方式的基础上，步骤s5中，可以采用“跟随式”加工方式：即激光束扫描热处理淬火后，相隔一定的冷却时间，对表面硬度等工艺性能进行检测，然后改变参数，再次对表面进行激光淬火，至少零件表面的硬度等性能达到变刚度减薄之前的标准。也就是说，在对零件进行第n次激光淬火和第n+1次激光淬火时，相差预设冷却时间。

在上述各实施方式的基础上，步骤s5中，还可以采用“双面式”强化加工：即在高湿度，高温度等苛刻的环境下，需强化轻量化零件结构的正反表面，同时保证其心部性能具有一定的韧性。当然，还可以采用“旋转式”激光淬火：即固定可移动激光淬火装置，通过旋转工件，进行正反面，不同部位的激光淬火。

在上述各实施方式的基础上，步骤s8之后，还包括：

步骤s9：对于零件中尖锐、凹陷等应力集中区的复杂表面，选择脉冲式激光束进行淬火加工，以保证零件的复杂表面的强度，避免出现强度薄弱位置，影响整个零件的性能。

在上述各实施方式的基础上，步骤s9之后，还包括：

步骤s10：对零件的第二表面进行第n次激光淬火，并重复步骤s6至步骤s8；

或者，步骤s10a：翻转零件，对零件的反面进行第n次激光淬火，并重复步骤s6至步骤s8。

当然，对于零件反面的加工可以在零件的全部正面加工完成后进行，主要目的是将零件的每个面都进行加工，以保证零件不同表面的综合性能，当然，应当根据每个表面的结构特点以及要求的不同，选择不用的激光淬火参数进行加工。

在上述各实施方式的基础上，步骤s10之后，还包括：

步骤s11：在零件的全部表面完成激光淬火加工后，检测零件的整体尺寸及表面特性是否达到标准要求，并计算相应误差；对零件的整体强度进行校核，并验证其疲劳寿命强度是否符合标准。

具体的，本实施例所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法，首先检测零件表面的原始数据，并记录为x，然后对零件进行减重轻量化，减重后检测零件表面数据并记录为x0，然后对零件进行激光淬火，经过一段时间后对零件表面进行检测，并记录数据xn，判断xn(此时n＝1)与x0的误差，利用xn与x0的误差反馈控制激光淬火的参数，然后对零件整体进行检测，并判断xn与x的误差是否符合小于预设误差值，如果否，则采用脉冲式激光淬火对零件的表面进行激光淬火，如果是，则旋转零件加工其他表面，在对零件的其他表面进行一定次数的加工后，检测零件该表面并记录数据x0，当零件的各表面的检测结果均符合要求后，则完成加工。

该激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法，在减薄零件结构后，采用激光淬火，零件被激光加热后产生热效应和力效应，强化了金属零件表面，而其心部韧性不变，保证减重后零件结构的寿命，强度和刚度不变，甚至更好。具体的，激光热力效应是指激光淬火会产生热效应和力效应，零构件减重轻量化后，两个激光效应同时作用，使零件达到表面淬火效果。其中，激光热效应是指激光束作为热源迅速加热金属表面至相变温度以上，并使金属产生相变，然后零件表面的热量通过热传导迅速传到内部，进行自激冷却，产生激光热效应使零件表面硬化；激光力效应：不施加外力于金属零件，吸收激光束能量后零件表面迅速升温，产生温度梯度，同时其热膨胀或收缩一定程度受到外界约束，从而有热应力作用于零件，并产生激光力效应强化其强度，刚度。

除上述激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法外，本发明还提供了一种激光热力效应协同变刚度减重轻量化系统，如图3所示。

该激光热力效应协同变刚度减重轻量化系统包括：

yag激光器，用于发射高能密度激光束；

热处理装置，用于将一定功率的激光束扫描金属零件表面进行激光淬火；

实时监测装置，用于检测零件在激光淬火后的表面硬度、强度以及结构尺寸参数；

控制器，用于反馈调节热处理装置，并实时反馈调节激光斑点大小和焦点深度，实现表面淬火。

该激光热力效应协同变刚度减重轻量化系统，其激光淬火的过程为，yag激光器6发射高能密度激光束，热处理装置5将一定功率的激光束扫描金属零件表面进行激光淬火，然后实时监测装置9检测零件表面性能，通过控制器4反馈调节热处理装置5，实时反馈调节激光斑点大小和焦点深度，实现零件表面淬火。

在上述各实施方式的基础上，控制器4具体用于对比分析每一次激光淬火后，零件的表面硬度、强度以及结构尺寸参数之间的差值，并确定激光器的加工参数。

在上述各实施方式的基础上，热处理装置5包括用于淬火零件表面的激光头2以及用于带动激光头2移动的移动装置3。

在上述各实施方式的基础上，还包括用于夹持零件，并可带动零件转动的以加工零件各表面的旋转装置1，该旋转装置1可以用于悬空装夹工件，采用悬空装夹是由于激光淬火过程中无冲击力等外力，所以零件结构采用悬空装夹方式，例如：两端线性固定。

该系统选用掺钕钇铝石榴石(nd:yag)晶体激光器，yag激光器6可用光导纤维导光，金属材料对该激光器的吸收率约为50％-60％，因而不需要淬火零件进行黑化处理，可以直接进行激光淬火。

具体的，该系统包括：掺钕钇铝石榴石晶体激光器，即yag激光器6、热处理装置5、移动装置3、激光头2、旋转装置1、实时监测装置9，其中，热处理装置5还包括用于调节激光淬火功率的功率调节装置8、激光束导向机组7以及控制器4。

更具体的，在零件构件减重轻量化后可以直接通过激光头2以及激光束导向机组7进行激光淬火，然后由实时监测装置9将表面变化数据反馈给控制器4，采用功率调节装置8灵活调整激光束功率，激光斑点和加热速度等参数，达到表面淬火效果，即零件的强度、硬度、刚度等性能得到强化。

以上对本发明所提供的激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。