[發明專利]一種大面積激光沖擊強化金屬表面的方法

在審

• 申請號: 201410337747.6
• 申請日: 2014-07-16
• 公開（公告）號: CN104164554A
• 公開（公告）日: 2014-11-26
• 發明（設計）人: 羅開玉;林通;魯金忠
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及激光加工領域，特指一種在強化大面積金屬表面時利用激光分層沖擊方式來減少在沖擊區域邊界產生的殘余拉應力，同時避免吸收層被破壞以及工件發生翹曲的方法。?

技術背景

20世紀60年代初期，Askaryon等人首次發現了激光誘導等離子體沖擊波現象，他們利用調Q激光照射到金屬靶材表面，得到了大約0.1GPa的沖擊壓力；Clauer等人采用金屬靶面上加黑色涂層和透明約束層的沖擊結構，沖擊波幅值又進一步提高到GPa量級，從而形成現在常用的含約束層和吸收層的激光噴丸處理方法；在這之后，Clauer等人在相當長的一段時間內，先后對7075、2024、6061-T6等鋁合金材料進行激光噴丸處理工藝研究，發現這些材料的硬度、強度和疲勞性能大大提高，展現了激光噴丸技術在航空工業中的廣闊應用前景。?

由于能量密度需要以及激光能量的可用性，即使能產生200J/脈沖的激光系統也將受限于單個脈沖所能覆蓋的區域，在對各種金屬材料的激光搭接沖擊實驗的結果表明，重復區域上可以獲得更為一致的殘余壓應力分布；在對大面積或大零件的表面強化中，普遍選擇激光搭接沖擊，目前在進行激光搭接沖擊時，光斑沖擊軌跡主要是逐點逐行沖擊，即在同一行中，完成一次沖擊后，接著沖擊與其臨近的點；完成一行沖擊后，接著沖擊與前一行臨近的行。?

然而在對薄工件進行激光搭接沖擊時，幾何效果在對最后產生的殘余應力分布有著重要的影響，如果搭接沖擊軌跡不合理的話，在對薄工件進行沖擊時將會產生邊緣效應，即在沖擊區域邊緣產生殘余拉應力，影響沖擊效果，嚴重的甚至會破壞吸收層、使工件發生翹曲。?

發明內容

本發明的目的在于提供一種在強化大面積金屬表面時利用激光分層沖擊方式來避免沖擊區域邊界產生的殘余拉應力的方法；即在對大面積金屬，尤其是大面積薄板表面進行搭接沖擊時，提供一種激光光斑沖擊軌跡，減小沖擊時沖擊區域邊緣產生的殘余拉應力，進而增加其抗彎曲疲勞強度.?

具體技術方案為：

利用激光沖擊強化裝置對試樣進行大面積搭接沖擊，采用激光沖擊強化對工件表面按照一定的軌跡進行間隔沖擊，多層疊加實現工件大面積搭接沖擊.

具體步驟如下：

（1）根據工件材料特性，確定激光沖擊強化的光斑形狀與尺寸U（圓形光斑為直徑d、方形光斑為正方形邊長L），搭接率（圓形光斑為?/d，方形光斑為/L，其中為光斑相鄰搭接光斑中心連線上搭接部分的長度）；分層前確定所有激光沖擊的位置，在所有準備沖擊的光斑位置中，任意選擇一個位于邊界拐角的光斑中心作為基準點。

（2）激光沖擊強化第一行，將基準點作為第一層沖擊的起始點，完成起始點沖擊后，控制X-Y工作臺水平移動令相鄰光斑圓心距離，其中為激光沖擊總層數，且；同樣方式依次激光沖擊強化第行，完成第一層沖擊，其中依次取1，2，3...，同時k的取值不能使超出待加工區域；每完成一層沖擊后需更換吸收層。?

（3）選擇第一行中距離基準點水平距離為的位置作為第m+1層沖擊的起始點，重復步驟(2)完成第m+1層沖擊，依次取1，2，3….?,（）。?

（4）選擇位于第行，與第組沖擊起始點同為一列的光斑作為第層沖擊的起始點，其中當不變時，依次取1，2，3…（）；當增加到極限時，下一次+1,?=1，(依次為2,3,4…)；控制X-Y工作臺水平移動令相鄰光斑圓心距離,完成該組沖擊中第行的沖擊強化,?同樣方式依次激光沖擊強化第行，k依次取1，2，3..，直至完成第層沖擊；當層沖擊完成時，整個激光沖擊過程結束。?

其中高功率脈沖激光器參數包括：激光脈沖能量為2-20?J、激光脈寬為10-40?ns、重復頻率為0.5-10?Hz；方形光斑，其能量分布為平頂分布，L=3-8mm，=8-15%；圓形光斑，其能量分布為準高斯分布，d=2-6mm，=30-50%。?

本發明的優點：(1)改變沖擊軌跡，減小沖擊邊界產生的殘余拉應力，提高材料抗彎曲疲勞強度，同時避免吸收層被破壞以及工件發生翹曲；(2)結合工作臺控制系統，分組沖擊，每組沖擊內沖擊位置規則，方便操作。?

附圖說明

圖1是實施例1、2沖擊位置示意圖。?

圖2是實施例1沖擊分層示意圖。?

圖3是實施例1沖擊光斑整體示意圖。?

圖4是實施例2沖擊分層示意圖。?