一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明方法涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法，特別適合于工業(yè)棒材、鑄件以及葉片等材料表面均勻強(qiáng)化處理。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強(qiáng)化(又叫激光噴丸)是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，利用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的沖擊波力學(xué)效應(yīng)對材料進(jìn)行加工，具有高壓、高能、超快和超高應(yīng)變率等特點(diǎn)；其形成的殘余壓應(yīng)力層能有效地消除材料內(nèi)部的應(yīng)力集中和抑制裂紋的萌生和擴(kuò)展，能夠顯著提高金屬零件的疲勞壽命以及抗腐蝕和抗磨損能力，大量的研宄證明激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是延長裂紋萌生時間降低裂紋擴(kuò)展速度提高材料壽命的有效手段。
[0003]普通激光沖擊強(qiáng)化方法存在一定的局限性，比如:普通激光沖擊強(qiáng)化處理葉片時，容易使吸收層翹曲剝落，導(dǎo)致葉片表面燒蝕、破損并且沖擊產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力場和表面微形貌不均勻；截面葉片沿展向長度方向強(qiáng)化效果不一致；葉片表面的激光沖擊強(qiáng)化工藝無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法，即每一層均采用能量均勻分布的方形光斑進(jìn)行緊挨不搭接的激光沖擊強(qiáng)化，相鄰兩層之間光斑位置在橫向與縱向均按一定比例均勻交錯的方法來實(shí)現(xiàn)金屬件的表面均勻強(qiáng)化；該方法顯著消除方形光斑的邊界效應(yīng)，使工件表層晶粒細(xì)化，提高大面積激光沖擊強(qiáng)化的穩(wěn)定性和可靠性，獲得均勻強(qiáng)化效果并且加工效率高，實(shí)現(xiàn)葉片類零件邊緣的均勻強(qiáng)化，具體步驟為:
(I)通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)，使其光斑形狀為方形，邊長為a。
[0005](2)將工件安裝在五軸工作臺上，并在工件待加工表面覆蓋吸收層，在吸收層表面繪制邊長為a的方形網(wǎng)格，并確定總共沖擊層數(shù)N。
[0006](3)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束位置與網(wǎng)格狀吸收層的單個網(wǎng)格拐角重合，在沖擊區(qū)域起始拐角作為第一層的激光沖擊強(qiáng)化處理起始點(diǎn)位置，并使網(wǎng)格約束層的X軸和Y軸與工作臺的X軸和Y軸一致。
[0007](4)采用流水作為約束層，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動和轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對工件待加工表面進(jìn)行第一層激光沖擊強(qiáng)化，沖擊過程中相鄰方形光斑緊挨不搭接。
[0008](5)更換吸收層，并在吸收層表面重新繪制網(wǎng)格。
[0009](6)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束位置與網(wǎng)格狀吸收層的單個網(wǎng)格拐角的重合位置從上一層中的沖擊區(qū)域起始拐角X方向向沖擊區(qū)域外偏移b，Y方向向沖擊區(qū)域外偏移b，作為第二層的激光沖擊強(qiáng)化處理起始點(diǎn)位置，并使網(wǎng)格約束層的X軸和Y軸與工作臺的X軸和Y軸一致。
[0010](7)采用流水作為約束層，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動和轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對工件待加工表面進(jìn)行第二層激光沖擊強(qiáng)化，沖擊過程中相鄰方形光斑緊挨不搭接。
[0011](8)重復(fù)步驟(5) (6) (7)，直至完成N層激光沖擊強(qiáng)化。
[0012]本發(fā)明所采用的激光沖擊強(qiáng)化用的脈沖激光束為正方形光斑，邊長a為2_8mm，頻率為l-5Hz，脈寬為8-30ns，脈沖能量3-15J ;激光強(qiáng)化沖擊X軸和Y軸偏移量b=a/N ;采用流水作為約束層，厚度為Imm ;吸收層材料為鋁箔，厚度為100 ym?
[0013]沖擊層數(shù)N根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料性質(zhì)和激光沖擊閾值來確定，為3-5層。
[0014]本發(fā)明的有益效果:消除方形光斑的邊界效應(yīng)，工件表層晶粒細(xì)化，提高大面積激光沖擊強(qiáng)化的穩(wěn)定性和可靠性，獲得均勻強(qiáng)化效果且加工效率高。
【附圖說明】
[0015]圖1為方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法的示意圖。
[0016]圖2為均勻強(qiáng)化方法處理后的工件表面金相組織。
[0017]圖3為未經(jīng)處理的工件表面金相組織。
[0018]圖4為兩組試樣檢測點(diǎn)表面殘余應(yīng)力值曲線。
[0019]圖5為兩組試樣檢測點(diǎn)表面硬度值曲線。
[0020]圖6為方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法的加工流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。
[0022]本實(shí)施例所采用的試樣基體材料為316L不銹鋼，其幾何尺寸為140mmX 70mmX 25mm。
[0023]激光器的工藝參數(shù)為:脈寬8ns，頻率1Hz，脈沖能量6J，光斑形狀為方形，光斑尺寸a為5mm，相鄰方形光斑緊挨不搭接。
[0024]具體步驟為:
(I)通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)，使其光斑形狀為方形，邊長為5mmο
[0025](2)將工件安裝在五軸工作臺上，并在工件待加工表面覆蓋吸收層，在吸收層表面繪制邊長為a的方形網(wǎng)格，并確定總共沖擊層數(shù)N ;根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料性質(zhì)和激光沖擊閾值來確定沖擊層數(shù)N，取N=5。
[0026](3)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束位置與網(wǎng)格狀吸收層的單個網(wǎng)格拐角重合，在沖擊區(qū)域起始拐角作為第一層的激光沖擊強(qiáng)化處理起始點(diǎn)位置，并使網(wǎng)格約束層的X軸和Y軸與工作臺的X軸和Y軸一致。
[0027](4)采用流水作為約束層，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動和轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對工件待加工表面進(jìn)行第一層激光沖擊強(qiáng)化，沖擊過程中相鄰方形光斑緊挨不搭接。
[0028](5)更換吸收層，并在吸收層表面重新繪制網(wǎng)格。
[0029](6)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束位置與網(wǎng)格狀吸收層的單個網(wǎng)格拐角的重合位置從上一層中的沖擊區(qū)域起始拐角X方向向沖擊區(qū)域外偏移1_，Y方向向沖擊區(qū)域外偏移1mm，作為第二層的激光沖擊強(qiáng)化處理起始點(diǎn)位置，并使網(wǎng)格約束層的X軸和Y軸與工作臺的X軸和Y軸一致。
[0030](7)采用流水作為約束層，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動和轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對工件待加工表面進(jìn)行第二層激光沖擊強(qiáng)化，沖擊過程中相鄰方形光斑緊挨不搭接；
(8)重復(fù)步驟(5) (6) (7)，直至完成5層激光沖擊強(qiáng)化。
[0031]在工件處理表面的方形區(qū)域內(nèi)沿Y軸方向選取兩條平行線，兩條平行線相距15mm，與方形區(qū)域邊相距5mm，在每條直線上等分取六個點(diǎn)，間距為5mm，共12個點(diǎn)，對取樣點(diǎn)的殘余應(yīng)力和硬度進(jìn)行檢測分析。
[0032]如圖2所示，經(jīng)過強(qiáng)化處理的工件表層晶粒細(xì)化，晶粒之間排列緊密有序，獲得較好的均勻強(qiáng)化效果。而圖3中，未經(jīng)強(qiáng)化處理的工件表層晶粒排列雜亂無章，并且晶粒間的間隙較大。
[0033]如圖4、5所示，檢測得到的表面殘余應(yīng)力值穩(wěn)定在280MPa左右，硬度值穩(wěn)定在350Hv左右，可以得出結(jié)論:經(jīng)過方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化的工件表面性能顯著提高，工件材料表層晶粒細(xì)化，提高大面積激光沖擊強(qiáng)化的穩(wěn)定性和可靠性，獲得均勻強(qiáng)化效果且加工效率高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法，其特征在于:利用方形光斑激光多層均勻交錯的方法來強(qiáng)化工件表面；其中每一層均采用能量均勻分布的方形光斑緊挨不搭接的方法進(jìn)行沖擊，每沖擊一層后更換吸收層再進(jìn)行下一層沖擊，相鄰兩層之間光斑位置在橫向與縱向均按一定比例均勻交錯，每層激光沖擊參數(shù)均相同；該方法顯著消除方形光斑的邊界效應(yīng)，使工件表層晶粒細(xì)化，提高大面積激光沖擊強(qiáng)化的穩(wěn)定性和可靠性，獲得均勻強(qiáng)化效果并且加工效率高。
2.如權(quán)利要求1所述的一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法，其特征在于具體步驟如下: (1)通過激光器控制裝置設(shè)定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)，使其光斑形狀為方形，邊長為a ； (2)將工件安裝在五軸工作臺上，并在工件待加工表面覆蓋吸收層，在吸收層表面繪制邊長為a的方形網(wǎng)格，根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料性質(zhì)和激光沖擊閾值來確定沖擊層數(shù)N ; (3)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束位置與網(wǎng)格狀吸收層的單個網(wǎng)格拐角重合，在沖擊區(qū)域起始拐角作為第一層的激光沖擊強(qiáng)化處理起始點(diǎn)位置，并使網(wǎng)格約束層的X軸和Y軸與工作臺的X軸和Y軸一致； (4)采用流水作為約束層，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動和轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對工件待加工表面進(jìn)行第一層激光沖擊強(qiáng)化，沖擊過程中相鄰方形光斑緊挨不搭接； (5)更換吸收層，并在吸收層表面重新繪制網(wǎng)格； (6)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束位置與網(wǎng)格狀吸收層的單個網(wǎng)格拐角的重合位置從上一層中的沖擊區(qū)域起始拐角X方向向沖擊區(qū)域外偏移b，Y方向向沖擊區(qū)域外偏移b，作為第二層的激光沖擊強(qiáng)化處理起始點(diǎn)位置，并使網(wǎng)格約束層的X軸和Y軸與工作臺的X軸和Y軸一致； (7)采用流水作為約束層，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動和轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對工件待加工表面進(jìn)行第二層激光沖擊強(qiáng)化，沖擊過程中相鄰方形光斑緊挨不搭接； (8)重復(fù)步驟(5)(6) (7)，直至完成N層激光沖擊強(qiáng)化。
3.如權(quán)利要求2所述的一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法，其特征在于:所述方形光斑的邊長a為2-8_ ;所述激光沖擊強(qiáng)化的工藝參數(shù)為:激光頻率為l-5Hz，脈寬為8-30ns，脈沖能量為3-15J。
4.如權(quán)利要求2所述的一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法，其特征在于:激光強(qiáng)化沖擊X軸和Y軸偏移量b=a/N，N為沖擊層層數(shù)，N取值為3-5。
5.如權(quán)利要求2所述的一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法，其特征在于:采用流水作為約束層，厚度為Imm ;吸收層材料為鋁箔，厚度為100 μ m。
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強(qiáng)化方法，即每一層均采用能量均勻分布的方形光斑進(jìn)行緊挨不搭接的激光沖擊強(qiáng)化，相鄰兩層之間光斑位置在橫向與縱向均按一定比例均勻交錯的方法來實(shí)現(xiàn)金屬件的表面均勻強(qiáng)化。該方法顯著消除方形光斑的邊界效應(yīng)，使工件表層晶粒細(xì)化，提高大面積激光沖擊強(qiáng)化的穩(wěn)定性和可靠性，獲得均勻強(qiáng)化效果并且加工效率高。該發(fā)明可用于工業(yè)棒材、鑄件以及葉片等表面均勻強(qiáng)化處理。
【IPC分類】C21D1-09
【公開號】CN104846156
【申請?zhí)枴緾N201510182755
【發(fā)明人】羅開玉, 朱軼杰, 景祥, 魯金忠
【申請人】江蘇大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月17日