專利名稱：一種面向抗疲勞制造的受控激光噴丸強化方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械制造與激光應用技術(shù)領(lǐng)域，特指一種根據(jù)零件抗疲勞性能強化要求確定 相應殘余應力分布，并根據(jù)此殘余應力分布確定激光噴丸強化工藝參數(shù)的方法和裝置。
技術(shù)背景科學技術(shù)的快速發(fā)展對精密機械零部件的精度、性能和壽命提出了越來越高的要求，其 使用環(huán)境也變得越來越苛刻，許多機械結(jié)構(gòu)必須在高壓、高溫、高磨損和高腐蝕的外部條件 下使用。而零部件在加工過程中難免會出現(xiàn)各種裂紋和缺陷，應力集中區(qū)也應運而生，從而 導致零部件的破損或失效。因此，機械零件的抗疲勞設(shè)計和制造已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重 要課題。隨著激光技術(shù)的日益推廣，出現(xiàn)了一種新穎的激光噴丸強化技術(shù)，其利用高功率密 度、短脈沖的強激光輻射覆蓋有約束層和涂層的金屬零件表面，使表層汽化電離并形成沖擊 波，由于激光誘導產(chǎn)生的沖擊波峰值壓力大于材料的動態(tài)屈服強度,促使金屬表面發(fā)生塑性 變形,并在表層內(nèi)形成有益的殘余壓縮應力，從而提高金屬零件抗疲勞性能。目前可查閱文獻中，美國Battlell's Columbus實驗室的A.H. Clauer和B.P. Fairand等人在專 利U.S.4401477 "Laser shock processing"中提出了利用高能量短脈沖激光輻照零件表面以產(chǎn) 生強沖擊波，并在表層內(nèi)形成殘余壓應力從而改善零件機械性能的方法，但文中所述的激光 噴丸強化方法是非控性的，而且不能實現(xiàn)激光噴丸強化效果的在線檢測與判斷。美國通用電 氣公司KE.小沃倫在專利CN1611615 "監(jiān)控的激光沖擊強化"中提供了一種對約束水膜實施 自動監(jiān)控的激光沖擊強化系統(tǒng)，該系統(tǒng)使激光器在脈沖方式下以適當?shù)闹貜皖l率工作，保證 每次強化脈沖之后可以重新建立足夠厚度的光滑水膜，以提高激光脈沖的重復頻率，改進激 光沖擊 雖化過程的效率。另外美國通用電氣公司的PP.吳在專利CNn54967 "用于監(jiān)視激光 沖擊處理的系統(tǒng)和方法"中提出將激光沖擊過程中線譜在其發(fā)射峰周圍的譜線展寬與限定線 譜的譜線展寬比較以驗證激光沖擊系統(tǒng)操作是否合理，同時該系統(tǒng)實現(xiàn)了激光沖擊強化過程 中沖擊波壓力和強度的監(jiān)視與控制。但上述兩項專利僅僅對激光沖擊強化過程中脈沖的發(fā)射 及其引起的沖擊波壓力進行了監(jiān)控，并未涉及沖擊后零件中誘導的殘余壓應力以及由此引起 的零件疲勞性能影響的研究。美國加州大學的Hackle等人采用實驗方法對傳統(tǒng)的機械噴丸 和激光噴丸所產(chǎn)生的殘余應力大小及其分布對零件疲勞性能的影響進行了研究，研究表明， 采用激光噴丸技術(shù)可在Inconel鎳基合金中產(chǎn)生更深和更大的殘余壓應力，激光噴丸較機械 噴丸能獲得均勻一致的殘余應力，且與激光參數(shù)間存在著定量對應關(guān)系，采用試驗參數(shù)進行 多次試驗，其穩(wěn)定性和一致性都較好，但對于如何實現(xiàn)殘余應力的主動控制以滿足零件不同抗疲勞性能強化要求的研究未見報道。國內(nèi)江蘇大學張永康等人開展了航空結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂的激光噴丸強化技術(shù)研究，創(chuàng)立了激光噴丸強化效果的直觀檢驗與控制方法，通過調(diào)整激光工藝參數(shù)以控制激光噴丸區(qū)表面質(zhì) 量，根據(jù)表面質(zhì)量判斷航空零件激光噴丸強化效果。但是零件的疲勞壽命取決于材料的力學 性能和施加的應力水平，且抗疲勞制造技術(shù)是指在不改變零件材料和截面尺寸的前提下，通 過在制造工藝過程中改變材料的組織及應力分布狀態(tài)來提高零部件疲勞壽命的制造技術(shù)。眾 所周知，利用殘余應力的合理分布提高機械零件的性能是一種比較經(jīng)濟的手段，特別適用于 承受交變載荷的零構(gòu)件。因此通過調(diào)整激光工藝參數(shù)以控制殘余應力分布，并根據(jù)殘余應力 分布滿足金屬零件不同激光噴丸疲勞性能強化要求的先進工藝，即受控激光噴丸強化 (Controlled laser shock peening)日益發(fā)展成為新型的抗疲勞制造技術(shù)。目前尚未檢索到面向抗疲勞制造的受控激光噴丸強化等方面的研究文獻和相關(guān)專利。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種金屬零件受控激光噴丸強化的方法和裝置,用以實現(xiàn)零件表層 殘余應力的精確控制，從而有效提高金屬零部件的抗疲勞性能。面向抗疲勞制造的受控激光噴丸強化通過以下方法實現(xiàn)首先在通用疲勞分析軟件中建 立疲勞分析模型，根據(jù)強化后預期達到的疲勞壽命值，對零件中的殘余應力分布進行優(yōu)化， 得到滿足疲勞性能強化要求的殘余應力分布；將上述殘余應力分布導入結(jié)構(gòu)力學CAE分析 軟件，優(yōu)化出作用在金屬板料表面的激光沖擊波壓力及噴丸軌跡；根據(jù)激光沖擊波壓力與激 光噴丸工藝參數(shù)之間的關(guān)系式，由計算機控制系統(tǒng)自動選擇優(yōu)化的激光沖擊波壓力對應的激 光噴丸脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀、噴丸次數(shù)及光束變換裝置；使用計算機編制NC加 工程序，控制導光系統(tǒng)及工作臺所走軌跡進行激光噴丸強化加工；激光器發(fā)出的一個高能量 短脈沖激光束，通過光束變換裝置可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖，再通過光學掩模篩選所需脈沖作 用方式輻照在工件表面的能量轉(zhuǎn)換體上，能量轉(zhuǎn)換體把吸收的激光能量轉(zhuǎn)變成對應沖擊波壓 力大小作用在金屬零件表面;利用測量反饋系統(tǒng)在線檢測激光噴丸強化中零件表層應力及應 變的分布情況，通過基于ABAQUS軟件平臺編制的專用激光沖擊波壓力加載下的應力應變 分析模塊(如圖12)進行誤差分析和參數(shù)修正，由激光控制器和激光噴丸頭調(diào)節(jié)激光沖擊 波壓力以及噴丸軌跡，確保在零件表層產(chǎn)生預期的殘余應力分布以實現(xiàn)抗疲勞性能強化要 求。本發(fā)明方法的特征在于首先在通用疲勞分析軟件中建立疲勞分析模型，依據(jù)強化后預期 達到的疲勞壽命值，對零件中的殘余應力分布進行優(yōu)化，得到滿足疲勞性能強化要求的殘余應力分布；將上述殘余應力分布導入結(jié)構(gòu)力學CAE分析軟件，優(yōu)化出作用在金屬板料表面 的激光沖擊波壓力及噴丸軌跡；利用釹玻璃激光器為其提供誘導沖擊波產(chǎn)生的短脈沖強激 光，激光沖擊波作為金屬零件噴丸強化的力源；脈沖激光在激光控制器的控制下調(diào)節(jié)激光沖 擊波壓力以及噴丸軌跡對工件實施強化,同時工件夾具系統(tǒng)在機床控制器作用下作多軸運 動，以滿足工件不同部位的抗疲勞性能強化要求。由計算機控制測量反饋系統(tǒng)，在線檢測激 光噴丸強化中金屬零件表層應力及應變的分布情況；隨后通過基于ABAQUS軟件平臺編制 的專用計算機軟件模塊進行誤差分析及應力場的實時動態(tài)模擬，由修正和模擬后得到的優(yōu)化 工藝參數(shù)進一步指導激光連續(xù)噴丸過程；計算機控制系統(tǒng)與激光控制器、機床控制器和測量 反饋系統(tǒng)與相連，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)工作過程的有效控制。實施該方法的裝置包括激光噴丸系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、測量反饋系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。激光 噴丸系統(tǒng)包括釹玻璃激光器、導光管、全反射鏡、光束變換裝置和激光噴丸頭，導光管將釹 玻璃激光器、全反射鏡、光束變換裝置連接起來，傳遞釹玻璃激光器產(chǎn)生的脈沖激光， 一個 高能量短脈沖激光束通過光束變換裝置可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖，群脈沖激光束透過激光噴丸 頭聚焦到工件表面的待噴丸區(qū)域，激光噴丸頭內(nèi)設(shè)有聚焦鏡組和光學掩模，聚焦鏡組包含聚 焦鏡、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、三棱鏡，光學掩模可根據(jù)噴丸要求，通過調(diào)節(jié)孔徑大小、數(shù)量及間距 等參數(shù)，對經(jīng)光學變換裝置變換的激光脈沖進行篩選，從而獲得受控噴丸所需的沖擊波壓力 及其分布；工件夾具系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動數(shù)控工作臺和工件夾具，表面貼有能量轉(zhuǎn)換體的工件 裝夾在工件夾具中，工件夾具安裝在數(shù)控工作臺上，工作臺根據(jù)機床控制器的指令實現(xiàn)三軸 移動和兩軸轉(zhuǎn)動；測量反饋系統(tǒng)由新型殘余應力測定系統(tǒng)、ARGUS應變測定系統(tǒng)組成，分 別收集實時殘余應力和應變信息，并反饋給計算機控制系統(tǒng)進行誤差分析和參數(shù)修正；控制 系統(tǒng)包括激光控制器、機床控制器和計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)中包含了通用疲勞分 析軟件、結(jié)構(gòu)力學CAE分析軟件及基于ABAQUS軟件平臺編制的專用激光沖擊波壓力加 載下的應力應變分析模塊。測量反饋系統(tǒng)、機床控制器、激光控制器與計算機控制系統(tǒng)相連， 從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)工作過程的有效控制。 本發(fā)明實施過程如下[1]首先在通用疲勞分析軟件中建立疲勞分析模型，根據(jù)激光噴丸強化后預期達到的疲 勞壽命值，對零件中的殘余應力分布進行優(yōu)化，得到滿足疲勞性能強化要求的殘余應力分布;[2]使用通用疲勞分析軟件與結(jié)構(gòu)力學CAE分析軟件的接口，將上述殘余應力分布導 入結(jié)構(gòu)力學分析軟件，優(yōu)化出作用在金屬板料表面的激光沖擊波壓力及噴丸軌跡；[3]根據(jù)優(yōu)化的沖擊波壓力及軌跡分布，計算機控制系統(tǒng)自動選擇相應的激光噴丸脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀、噴丸次數(shù)及光束變換裝置，隨后編制NC加工程序以控制導光 系統(tǒng)、工作臺所走軌跡；[4]在工件表面覆蓋能量轉(zhuǎn)換體，經(jīng)光學變換裝置形成的群脈沖激光通過光學掩模沖擊 能量轉(zhuǎn)換體，轉(zhuǎn)換為高幅沖擊波壓力作用在工件表面，以此作為工件激光噴丸強化的源動力。 通過改變激光脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀以及激光光束模式，可獲取不同的表層殘余應 力及應變分布；[5]根據(jù)選定的脈沖激光參數(shù)，激光噴丸軌跡以及作用的脈沖次數(shù)，通過五軸聯(lián)動數(shù)控 系統(tǒng)進行有序地施加應力脈沖，實現(xiàn)金屬零件內(nèi)預定的殘余應力分布。[6]通過測量反饋系統(tǒng)實時檢測噴丸零件中的殘余應力及應變分布情況，由基于 ABAQUS軟件平臺編制的專用激光沖擊波壓力加載下的應力應變分析模塊進行誤差分析和 參數(shù)修正，利用所得的優(yōu)化工藝參數(shù)進一步實施激光噴丸強化過程，直至滿足工件預期的殘 余應力分布。[7]使用疲勞拉伸試驗機進行疲勞拉-拉實驗驗證，確保此時零件中的殘余應力分布滿足 抗疲勞性能強化要求。 本發(fā)明的優(yōu)點如下[1]激光噴丸強化對零件疲勞性能的影響以往大都通過對強化后的零件進行快速的疲 勞測試來確定，但疲勞性能測試較為費時且費用昂貴，對大批量的零件進行加速疲勞測試顯 然不實際。本方法將數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合，通過建立金屬零件疲勞特性——對應的殘 余應力分布——激光工藝參數(shù)之間的關(guān)系，使面向疲勞制造的激光噴丸強化技術(shù)步入到以工 程計算和少量典型試驗相結(jié)合的科學途徑。[2]激光脈沖參數(shù)和作用軌跡可以實時調(diào)整和控制，通過計算機控制的激光器系統(tǒng)，可 以測量并記錄受噴零件在任何位置的脈沖能量。由于加工參數(shù)具有可重復性，可在同一地方 通過累積的方式多次噴丸，因此可通過控制金屬零件表層殘余應力分布實現(xiàn)不同強化要求。[3]采用光學變換裝置把一個激光脈沖轉(zhuǎn)變成多個群脈沖壓力作用方式，可一次實現(xiàn)較 大面積的強化處理，大大提高了激光噴丸強化的工作效率。[4]可實現(xiàn)金屬零件表層殘余應力及應變的在線檢測與控制，通過新型殘余應力測定系 統(tǒng)和ARGUS應變測量系統(tǒng)在線檢測零件表面殘余應力及應變的分布，同時由計算機控制系 統(tǒng)進行誤差分析，并實時調(diào)整激光加工工藝參數(shù)，以確保實現(xiàn)預期的表層殘余應力分布，滿 足金屬零件所需的強化要求。[5]本方法為清潔方便的綠色制造工藝，是非接觸式表面處理，加工表面無機械損傷，表面粗糙度值低,光潔度好；由于采用能量轉(zhuǎn)化體技術(shù)以實現(xiàn)激光能量向沖擊波壓力的轉(zhuǎn)變，保護了工件表面免受激光的熱損傷。


下面結(jié)合附圖作進一步說明。圖1顯示了面向抗疲勞制造的受控激光噴丸強化過程。圖2是基于ABAQUS軟件平臺編制的激光噴丸強化應力應變分析模塊。圖3是根據(jù)本發(fā)明提出的面向抗疲勞制造的受控激光噴丸強化的裝置示意圖。圖4顯示了 6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件的形狀與尺寸。圖5是6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件的有限元分析簡化模型。圖6是6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件激光噴丸前的疲勞分析壽命云圖。圖7是6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件激光噴丸前的疲勞壽命分析結(jié)果文件。圖8是6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件激光噴丸后的殘余應力分布。圖9是6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件激光噴丸后的疲勞分析壽命云圖。圖10是6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件激光噴丸后的疲勞壽命分析結(jié)果文件。圖11是導入結(jié)構(gòu)力學CAE軟件后的殘余應力分布。圖12是激光噴丸強化6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件的加載軌跡。 圖13是激光噴丸前的6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件。 圖14是激光噴丸后的6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件。2釹玻璃激光器控制器5全反射鏡 6全反射鏡9激光噴丸頭12工件 13工件夾具裝置16新型殘余應力測定系統(tǒng)3釹玻璃激光發(fā)生器7光束變換裝置10群脈沖激光束14多軸聯(lián)動工作臺17 ARGUS應變測量系統(tǒng)1計算機控制系統(tǒng) 4導光管 8光學掩模 11柔性貼膜 15機床控制器具體實施方式
下面結(jié)合圖3詳細說明本發(fā)明提出的具體裝置的細節(jié)和工作情況。 該裝置包括激光噴丸系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和測量反饋系統(tǒng)。 激光噴丸系統(tǒng)包括釹玻璃激光發(fā)生器(3)、導光管(4)、兩塊全反射鏡(5)、 (6)、光 束變換裝置(7)和激光噴丸頭(9)。釹玻璃激光發(fā)生器(3)采用的晶體是Nd:YAG，可產(chǎn) 生能量為10 60焦爾、持續(xù)時間為5~30納秒的脈沖激光，脈沖激光束的光斑模式可以是基 模、多模等多種模式，由釹玻璃激光控制器(2)調(diào)節(jié)和控制。導光管(4)將釹玻璃激光發(fā)生器(3)、全反射鏡(5)和(6)、光束變換裝置(7)連接起來，傳遞群脈沖激光束(10)， 并透過激光噴丸頭(9)聚焦到工件(12)表面的待噴丸區(qū)域，激光噴丸頭(9)內(nèi)設(shè)有多個 聚焦鏡和光學掩模(8)，可沿垂直方向移動，通過調(diào)節(jié)聚焦鏡和光學掩模的孔徑大小、數(shù)量 及間距等參數(shù)，可對群脈沖激光束(10)進行篩選，從而獲得所需的脈沖分布方式。工件夾具系統(tǒng)包括工件夾具裝置(13)和多軸聯(lián)動工作臺(14),多軸聯(lián)動工作臺(14) 有三個坐標的移動和兩個方向的轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，從而可方便地對貼有柔性貼膜(ll) 的工件(12)實施激光噴丸強化。測量反饋系統(tǒng)包括新型殘余應力測定系統(tǒng)(16)和ARGUS應變測量系統(tǒng)(17)，分別 收集實時殘余應力和應變信息，并反饋給計算機控制系統(tǒng)(1)?？刂葡到y(tǒng)由計算機控制系統(tǒng)(1)、釹玻璃激光控制器(2)、機床控制器(15)組成，測 量反饋系統(tǒng)、機床控制器(15)、釹玻璃激光控制器(2)與計算機控制系統(tǒng)(1)相連，從 而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)工作過程的有效控制。具體操作方式如下根據(jù)零件特定的抗疲勞性能強化要求，使用計算機控制系統(tǒng)(1) 中包含的通用疲勞分析軟件和結(jié)構(gòu)力學CAE分析軟件得出符合要求的激光沖擊波壓力及噴 丸軌跡。將加工信息編寫成程序輸入到計算機控制系統(tǒng)(1)中，由其發(fā)出控制信息和工作 指令傳給釹玻璃激光控制器(2)，釹玻璃激光發(fā)生器(3)收到指令后產(chǎn)生能量在10~60焦 爾、持續(xù)時間為5 30納秒的脈沖激光束，光斑模式可以是基模、多模等多種模式，激光束 經(jīng)過導光管(4)、全反射境(5)、 (6),光束變換裝置(7)傳遞到激光噴丸頭(9)上，激 光束通過光束變換裝置(7)可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖(10),再通過激光噴丸頭(9)內(nèi)的光 學掩模(8)作用于工件表面；此時由計算機控制系統(tǒng)(1)向機床控制器(15)發(fā)出指令， 控制工件夾具裝置(13)將工件(12)調(diào)整到易加工位置；隨后群脈沖激光束(10)輻照在 工件表面能量轉(zhuǎn)化體的柔性貼膜(11)上，柔性貼膜(11)吸收高能激光后，迅速汽化、電 離形成等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量，形成爆轟波，作用在工件(12)上，在爆轟 波壓力和多軸聯(lián)動工作臺(14)的作用下實現(xiàn)對工件的噴丸強化，其中多軸聯(lián)動工作臺(14) 有三個坐標的移動和和兩個方向的轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動；同時在激光噴丸強化過程中使用 新型殘余應力測定儀(16)和ARGUS應變測量系統(tǒng)(17)在線檢測工件表層殘余應力應變 分布情況，將應力應變信息反饋給計算機控制系統(tǒng)(1),由其中基于ABAQUS軟件平臺編 制的專用激光沖擊波壓力加載下的應力應變分析模塊對應力及應變分布進行誤差分析，并對 激光噴丸工藝參數(shù)作進一步修正，當達到預期殘余應力分布時，計算機控制系統(tǒng)(1)發(fā)出 指令，使釹玻璃激光控制器(2)、機床控制器(15)和測量反饋系統(tǒng)停止工作，至此實現(xiàn)了金屬零件的抗疲勞性能強化要求。實例6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件的激光噴丸強化由于激光噴丸強化特別適合于處理具有局部應力集中的疲勞件，例如具有易疲勞的槽 口、洞 L、轉(zhuǎn)角的機器部件，而鋁合金是常用的航空材料，因此本例中選用6061-T6航空鋁 合金單聯(lián)中心孔疲勞試件進行激光噴丸強化，其形狀與尺寸如圖4所示，首先機械加工外形 尺寸，隨后鏜中心孔至直徑2mm。實驗采用PLA30050疲勞拉伸試驗機，零件激光噴丸強 化前，當使用最大載荷7KN，最小載荷0.7KN，應力比為O.l,試驗頻率為13HZ的參數(shù)進 行疲勞拉-拉實驗時，疲勞壽命為88000次左右，現(xiàn)要求通過激光噴丸強化使疲勞壽命增益 150。/0以上，即超過120000次。由于激光噴丸強化后的應力變化主要集中于直徑為2mm的 小孔附近，為簡化有限元分析模型，選擇待測區(qū)小孔附近7.5x7.5mm的區(qū)域進行疲勞性能 及激光噴丸強化的有限元模擬，如圖5所示。首先在通用疲勞分析軟件中建立相應疲勞分析模型，圖6所示為試件激光噴丸強化前的 疲勞壽命云圖，圖中白色部分為首先發(fā)生斷裂的區(qū)域，從疲勞壽命分析結(jié)果文件(如圖7) 中可以看出，此時疲勞壽命為88381次。依據(jù)強化后預期達到的疲勞壽命值，對零件中的殘 余應力分布進行優(yōu)化，得到滿足疲勞性能強化要求的殘余應力分布云圖，如圖8所示，圖9 為優(yōu)化后的殘余應力分布對應的疲勞分析壽命云圖，圖中白色部分為首先發(fā)生斷裂的區(qū)域， 從疲勞壽命分析結(jié)果文件(如圖10)中可以看出，此時疲勞壽命為127000次，符合疲勞性 能強化要求。將圖8所示優(yōu)化的殘余應力分布導入結(jié)構(gòu)力學CAE分析軟件，得到如圖11所示應力分 布云圖，優(yōu)化出作用在金屬板料表面的激光沖擊波壓力及噴丸軌跡，如圖12所示；根據(jù)式1和2，由計算機控制系統(tǒng)自動選擇優(yōu)化的激光沖擊波壓力相應的激光噴丸脈沖 能量、脈沖寬度、脈沖形狀、噴丸次數(shù)及光束變換裝置；當激光功率密度/Q〉109W/cm2時，激光沖擊產(chǎn)生的沖擊波峰壓由下式表示<formula>formula see original document page 9</formula>式中尸為沖擊波峰壓，A為能量轉(zhuǎn)換體氣化初始時的氣體密度，/。為激光脈沖功率密度，y為等離子體的絕熱指數(shù)。/。可表示為 同時激光脈沖功率密度式中a為材料表面對激光能量的吸收系數(shù)，￡為激光脈沖能量，r為激光脈沖寬度，^ 為光斑面積。由公式1和2建立了激光沖擊波峰壓與激光脈沖能量、脈沖寬度、光斑面積等 參數(shù)之間的關(guān)系，因而計算機控制系統(tǒng)可以合理地匹配激光噴丸強化工藝參數(shù)。使用計算機編制NC加工程序，控制導光系統(tǒng)及工作臺所走軌跡進行激光噴丸強化加 工；激光器發(fā)出的一個高能量短脈沖激光束，通過光束變換裝置可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖，再 通過光學掩模篩選所需脈沖作用方式輻照在工件表面的能量轉(zhuǎn)換體上，能量轉(zhuǎn)換體把吸收的激光能量轉(zhuǎn)變成對應沖擊波壓力大小作用在金屬零件表面；利用測量反饋系統(tǒng)在線檢測激光 噴丸強化中零件表層應力及應變的分布情況，通過基于ABAQUS軟件平臺編制的專用激光 沖擊波壓力加載下的應力應變分析模塊(如圖2 )進行誤差分析和參數(shù)修正，由激光控制 器和激光噴丸頭調(diào)節(jié)激光沖擊波壓力以及噴丸軌跡，確保在零件表層產(chǎn)生預期的殘余應力分 布以實現(xiàn)抗疲勞性能強化要求。圖13-14分別顯示了激光噴丸前后的6061-T6航空鋁合金單聯(lián)中心孔疲勞試件形貌，從 圖中可以看出，脈沖激光束和材料相互作用誘導的沖擊波壓力的作用區(qū)域比激光光斑直徑 大，這與模擬結(jié)果相一致。采用PLA30050疲勞拉伸試驗機進行實驗驗證，當使用最大載荷7KN，最小載荷0.7KN， 應力比為O.l,試驗頻率為13HZ的參數(shù)進行疲勞拉-拉實驗時，疲勞壽命為127130次，表 明此時試樣中的殘余應力分布滿足了抗疲勞性能強化要求。更多的面向抗疲勞制造的激光噴丸強化事例不勝枚舉，激光噴丸軌跡和激光沖擊波 壓力的不同，能實現(xiàn)不同疲勞性能強化要求，這里僅闡明它的技術(shù)方案和部分實施例。
權(quán)利要求
1. 一種面向抗疲勞制造的受控激光噴丸強化方法，其特征在于首先在通用疲勞分析軟件中建立疲勞分析模型，根據(jù)強化后預期達到的疲勞壽命值，對零件中的殘余應力分布進行優(yōu)化，得到滿足疲勞性能強化要求的殘余應力分布；將上述殘余應力分布導入結(jié)構(gòu)力學CAE分析軟件，優(yōu)化出作用在金屬板料表面的激光沖擊波壓力及噴丸軌跡；根據(jù)激光沖擊波壓力與激光噴丸工藝參數(shù)之間的關(guān)系式，由計算機控制系統(tǒng)自動選擇優(yōu)化的激光沖擊波壓力對應的激光噴丸脈沖能量、脈沖寬度、脈沖形狀、噴丸次數(shù)及光束變換裝置；使用計算機編制NC加工程序，控制導光系統(tǒng)及工作臺所走軌跡進行激光噴丸強化加工；激光器發(fā)出的一個高能量短脈沖激光束，通過光束變換裝置可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖，再通過光學掩模篩選所需脈沖作用方式輻照在工件表面的能量轉(zhuǎn)換體上，轉(zhuǎn)變成對應沖擊波壓力大小作用在金屬零件表面；利用測量反饋系統(tǒng)在線檢測激光噴丸強化中零件表層應力及應變的分布情況，通過基于ABAQUS軟件平臺編制的專用激光沖擊波壓力加載下的應力應變分析模塊進行誤差分析和參數(shù)修正，進一步指導激光噴丸強化實驗，確保在零件表層產(chǎn)生預期的殘余應力分布以實現(xiàn)抗疲勞性能強化要求。
2. —種面向抗疲勞制造的受控激光噴丸強化裝置，其特征在于裝置包括激光噴丸系 統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)、測量反饋系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，激光噴丸系統(tǒng)包括釹玻璃激光器、導光管、 全反射鏡、光束變換裝置和激光噴丸頭，導光管將釹玻璃激光器、全反射鏡、光束變換裝置 連接起來，傳遞釹玻璃激光器產(chǎn)生的脈沖激光， 一個高能量短脈沖激光束通過光束變換裝置 可轉(zhuǎn)變成若干個群脈沖，群脈沖激光束透過激光噴丸頭聚焦到工件表面的待噴丸區(qū)域，激光 噴丸頭內(nèi)設(shè)有聚焦鏡組和光學掩模，聚焦鏡組包含聚焦鏡、可旋轉(zhuǎn)反射鏡、三棱鏡；工件夾 具系統(tǒng)包括五軸聯(lián)動數(shù)控工作臺和工件夾具，表面貼有能量轉(zhuǎn)換體的工件裝夾在工件夾具 中，工件夾具安裝在數(shù)控工作臺上，工作臺根據(jù)機床控制器的指令實現(xiàn)三軸移動和兩軸轉(zhuǎn)動； 測量反饋系統(tǒng)由新型殘余應力測定系統(tǒng)、ARGUS應變測定系統(tǒng)組成，分別收集實時殘余應 力和應變信息，并反饋給計算機控制系統(tǒng)進行誤差分析和參數(shù)修正；控制系統(tǒng)包括激光控制 器、機床控制器和計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)中包含了通用疲勞分析軟件、結(jié)構(gòu)力學 CAE分析軟件和基于ABAQUS軟件平臺編制的專用激光沖擊波壓力加載下的應力應變分析 模塊；計算機控制系統(tǒng)與測量反饋系統(tǒng)、機床控制器、激光控制器相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及受控激光噴丸強化方法和裝置，首先在通用疲勞分析軟件中建立疲勞分析模型，根據(jù)強化后預期達到的疲勞壽命值，對零件中的殘余應力分布進行優(yōu)化，得到滿足要求的殘余應力分布；將上述殘余應力分布導入結(jié)構(gòu)力學CAE分析軟件，優(yōu)化出作用在金屬板料表面的激光沖擊波壓力及噴丸軌跡；隨后計算機控制系統(tǒng)自動選擇激光噴丸時的脈沖參數(shù)及光束變換裝置；激光器發(fā)出一個高能短脈沖激光束，經(jīng)光學變換裝置及光學掩模，轉(zhuǎn)換為高幅沖擊波壓力作用在零件表面；利用測量反饋系統(tǒng)在線檢測激光噴丸強化中零件表層應力及應變的分布情況，通過專用計算機軟件模塊進行誤差分析和參數(shù)修正，確保在零件表層產(chǎn)生預期的殘余應力分布以實現(xiàn)抗疲勞性能強化要求。
文檔編號C21D1/09GK101275177SQ20071019055
公開日2008年10月1日 申請日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者周建忠, 孫月慶, 杰 盛, 蔣素琴, 陳毅彬, 舒 黃 申請人:江蘇大學