[發明專利]一種適用于深孔類結構激光斜沖擊工藝參數設計方法

在審

• 申請號: 202110321619.2
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN113088673A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 紀飛飛;許紅伍;王洪磊;倪紅海;郁秋華
• 申請（專利權）人: 蘇州健雄職業技術學院
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 北京連和連知識產權代理有限公司 11278
• 代理人: 夏曉杰

本發明公開了一種適用于深孔類結構激光斜沖擊工藝參數設計方法，基于能量守恒原理構建激光斜沖擊能量衰減模型，用以表征斜沖擊時傾斜角度θ與靶材輻照區域吸收有效能量E_e之間的變化關系；并根據靶材吸收能量產生等離子體所需要的最低閾值E_t確定激光入射能量E_input最小值及激光光斑搭接率ε_p最小值。為激光斜沖擊工藝參數設計提供理論指導，極大提高了加工效率，降低能耗，改善表面強化效果，有效解決了激光斜沖擊深孔結構實現孔內表面強化時存在的工藝參數和加工效果無法規律控制的難題。

技術領域

本發明涉及激光沖擊強化工藝領域，特別涉及一種適用于深孔類結構激光斜沖擊工藝參數設計方法。

背景技術

深孔類結構是零件中常見結構，主要起到支撐、定位和導向等作用。在實際工作受載時，孔類零件局部受力集中，極易產生應力斷裂現象。此外，孔細長結構特征使得沿著徑向容易剪切斷裂。部分零部件孔與軸相對運動時，頻繁的摩擦造成內控壁的磨損，從而降低定位精度，甚至破壞零件密封性和穩定性。因此提高深孔根部及孔內壁表面強度成為改善含孔類結構零部件強度的關鍵。

目前關于深孔類零件表面性能的提升主要采用的是表面涂層技術、熱處理工藝、激光沖擊強化等方法。但是表面涂層技術成本高，環境污染大，熱處理工藝對零件整體進行無差別作用，能效比低。而激光沖擊強化雖然能夠對金屬表面進行強韌化處理，誘導生成微納尺度的細化晶粒，從而提高材料的力學性能，但是受限于深孔類零件結構孔內空間的限制，激光頭無法深入孔內開展作業。而激光斜沖擊時對激光沖擊入射光角度進行偏轉，從而滿足入射光線作用于靶材的目標表面。但由于激光斜沖擊，光線折射作用對入射光能量損耗效果與垂直表面輻照存在著一定的差異。此外，激光斜沖擊時，孔壁上光斑形狀發生了改變。因此，傳統的激光垂直靶材表面沖擊強化工藝無法滿足深孔類激光斜沖擊的需求。

發明內容

針對以上現有技術存在的缺陷，本發明的主要目的在于克服現有技術的不足之處，公開了一種適用于深孔類結構激光斜沖擊工藝參數設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，將激光入射光源等效成無數平行直線光源，根據激光斜沖擊能量傳遞特點構建能量衰減模型；

步驟2，根據靶材產生等離子體所需能量最低閾值E_t及能量衰減模型確定激光入射能量E_input設置下限值；

步驟3，根據激光斜沖擊靶材表面輻照光斑形狀及能量衰減規律確定光斑搭接率ε_p最小值。

進一步地，所述靶材表面設置鋁箔或者黑色油漆作為吸收層，水作為約束層。

進一步地，步驟1中，將激光沿著光斑橢圓長軸方向等效成n條單位平行光源，根據能量守恒定律滿足關系式：

E_input＝E_e+E_output

其中，E_input為入射能量，E_output為反射能量，E_e為有效能量；材料反射比吸收比當激光斜沖擊輻照在空內壁時，所形成的空間包絡面平面展開后為長軸為的橢圓，θ為光源與水平方向夾角；

第x條光源產生的反射能量為

第x條光線輻照的靶材表面吸收的有效能量為

進一步地，所述步驟2中所述靶材表面吸收能量發生電子的階躍現象，并產生等離子體，而激光誘導材料產生等離子體所需能量最小閾值為E_t。根據能量衰減模型可知激光斜沖擊時靶材表面吸收有效能量E_e最小值為要想實現激光斜沖擊強化效果，則必須滿足E_emin≥E_t，即