[發明專利]一種激光沖擊復合輥軋增強金屬基增材的制造方法及裝置

在審

• 申請號: 202011199812.5
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112280970A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 胡耀武;胡曉鳳
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00;B22F3/18;B22F3/24;B33Y40/20
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 石超群

本發明屬于激光加工領域，具體涉及一種激光沖擊復合輥軋增強金屬基增材的制造方法及裝置，先采用連續激光或脈沖激光作為加熱激光將金屬材料表面層某一區域加熱至熔點以下，再通過脈沖激光作為強化激光對金屬材料的該區域位置進行強化并同時進行軋制。本發明的制造方法，在對金屬表面加熱至熔點以下之后，再對其進行強化的同時并進行軋制，可提高金屬零件力學性能以及改善零件中的位錯密度，同時也可以提高復合金屬材料表面的強度和硬度最終達到強化零件的目的。

技術領域

本發明屬于激光加工領域，具體涉及一種激光沖擊復合輥軋增強金屬基增材的制造方法及裝置。

背景技術

激光沖擊強化技術是通過高強度脈沖激光在材料表面產生超高壓沖擊波而對工件表面產生沖擊強化處理的技術。目前，激光沖擊強化技術已經成功的應用于飛機發動機葉片等結構件的抗疲勞處理，并廣泛應用于機械制造、航空航天、船舶海洋等領域。

現有的針對工件表面的激光沖擊強化方法利用單一納秒激光裝置產生短脈沖，透過用于增強等離子體膨脹效應的約束層(通常是水、玻璃等)，照射在覆蓋有吸收保護層的工件表面。吸收保護層通常采用油漆、柔性膠帶或特定厚度的金屬薄片。然而，通過現有激光沖擊強化處理后的強化層壓縮應力容易在機械循環荷載或者循環加熱條件下產生松弛。在較低溫度下，激光沖擊強化得到的表面壓縮應力會在不到10分鐘的時間內釋放掉一半，造成強化層的失效。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種激光沖擊復合輥軋增強金屬基增材的制造方法，可提高金屬零件力學性能以及改善零件中的位錯密度，同時也可以提高復合金屬材料表面的強度和硬度最終達到強化零件的目的。

本發明的目的之二在于提供一種激光沖擊復合輥軋增強金屬基增材的裝置，可以提高強化材料表面的靈活性，降低人工操作的強度，提高強化效率，降低生產成本。

本發明實現目的之一所采用的方案是：一種激光沖擊復合輥軋增強金屬基增材的制造方法，先采用連續激光或脈沖激光作為加熱激光將金屬材料表面層某一區域加熱至熔點以下，再通過脈沖激光作為強化激光對金屬材料的該區域位置進行強化并同時進行軋制。

優選地，所述強化激光通過滾輪聚焦至滾輪與金屬材料的接觸處進行強化，并同時通過滾輪對金屬材料的該接觸處進行軋制。

所述滾輪與已加熱的金屬材料表面接觸，激光沖擊之后滾輪與已加熱金屬表面的空氣層吸收激光束能量后氣化電離形成沖擊波，利用第二束短脈沖激光沖擊波力學效應對已加熱金屬表面進行強化沖擊，滾輪既能起到約束層的作用，也能起到軋制工藝的效果。

優選地，所述滾輪包括轉軸和透明的輪轂，所述轉軸和輪轂之間由內向外依次設置有錐筒形反射鏡和圓筒形凸透鏡；所述強化激光照射至滾輪內的錐筒形反射鏡，再由錐筒形反射鏡反射至圓筒形凸透鏡聚焦至滾輪與金屬材料表層的接觸處。

優選地，所述加熱激光與強化激光的光斑的直徑均為2-5mm；兩束光斑中心的距離為1-5mm。

優選地，所述金屬材料的移動速度為2-5mm/s。

優選地，所述強化激光的脈沖寬度為1-2微秒，強化激光的脈沖頻率為1-5赫茲。

優選地，強化過程中金屬材料被強化區域的溫度為150-550℃。

本發明實現目的之二所采用的方案是：一種激光沖擊復合輥軋增強金屬基增材的裝置，用于所述的方法，包括滾輪系統、紅外測溫裝置、實時監測采集系統、激光器材及與它們分別電性連接的控制計算機；所述滾輪系統包括：用于承載金屬材料的平臺、驅動平臺移動的XY移動平臺、滾輪、驅動滾輪升降的升降平臺；所述滾輪內設置有光學件，工作時，所述滾輪與金屬材料表面接觸，激光器材發射的激光照射至滾輪內部的光學件，通過光學件將激光聚焦后作用在滾輪與金屬材料表面的接觸處；所述滾輪包括轉軸和透明的輪轂，所述轉軸和輪轂之間由內向外依次設置有錐筒形反射鏡和圓筒形凸透鏡。