CN108728633B - 一种激光冲击强化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击强化方法及装置。本发明提供了一种激光冲击强化方法，根据加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度，在相同的预置能量密度和脉冲宽度的条件下通过改变待加工工件的各个待加工区域吸收层厚度达到不同的加工强度。改变吸收层厚度操作简单，不需要改变激光冲击设备的脉冲激光参数，解决了当前对于复杂形状的零件进行区域不等强度的激光冲击强化时，需要调节不同区域的脉冲激光参数，编程复杂，激光冲击强化的实用性和操作效率低的技术问题。

Description

一种激光冲击强化方法及装置

技术领域

本发明涉及材料表面处理技术领域，尤其涉及一种激光冲击强化方法及装置。

背景技术

随着科技的发展，激光开始被人们广泛使用。激光冲击是一种利用强激光诱导的冲击波来强化金属的新技术，能够大幅度增强金属材料的耐久性。由于激光具有较好的可达性，能精确定位，因此激光冲击强化技术能够处理一些传统表面强化工艺不能处理的部位，特别适合对小孔、倒角、焊缝和沟槽等结构进行强化。

但是，对于复杂型面结构的零件往往在不同的区域具有不同的形状特征和失效形式，不同的区域要求对应不同的激光冲击加工强度，以使零件获得整体综合性能的提高。

以往对形状复杂的零件进行分区域不等强度的激光冲击强化处理时，一般通过调节脉冲激光参数来实现不同区域的不同加工强度。但是脉冲激光参数的调节对激光冲击设备的性能要求较高，且不同激光参数在不同区域的编程设定复杂，严重影响了不等强度激光冲击强化加工的实用性和操作效率。

因此，导致了当前对于复杂形状的零件进行区域不等强度的激光冲击强化时，需要调节不同区域的脉冲激光参数，编程复杂，激光冲击强化的实用性和操作效率低的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种激光冲击强化方法及装置，解决了当前对于复杂形状的零件进行区域不等强度的激光冲击强化时，需要调节不同区域的脉冲激光参数，编程复杂，激光冲击强化的实用性和操作效率低的技术问题。

本发明提供了一种激光冲击强化方法，包括：

S1：获取与预置能量密度及脉冲宽度对应的加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

S2：在待加工工件的各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化。

优选地，步骤S1具体包括：

S11：获取预置能量密度、脉冲宽度、待加工工件的最大加工强度和最小加工强度；

S12：在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最大加工强度对应的第一吸收层厚度；

S13：在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最小加工强度对应的第二吸收层厚度；

S14：根据最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度拟合得到加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。

优选地，步骤S14具体包括：

S141：构建加工强度和吸收层厚度的一次函数模型，将最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度代入一次函数模型得到加工强度与吸收层厚度的关系式；

S142：将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。

本发明提供了一种激光冲击强化装置，包括：

厚度计算单元，用于获取与预置能量密度及脉冲宽度对应的加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

覆盖加工单元，用于在待加工工件的各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化。

优选地，厚度计算单元具体包括：

强度子单元，用于获取预置能量密度、脉冲宽度、待加工工件的最大加工强度和最小加工强度；

最小子单元，用于在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最大加工强度对应的第一吸收层厚度；

最大子单元，用于在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最小加工强度对应的第二吸收层厚度；

计算子单元，用于根据最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度拟合得到加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。

优选地，计算子单元具体包括：

拟合子单元，用于构建加工强度和吸收层厚度的一次函数模型，将最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度代入一次函数模型得到加工强度与吸收层厚度的关系式；

代入子单元，用于将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明提供了一种激光冲击强化方法，传统的激光在不同区域需要达到不同的加工强度需要调节脉冲激光参数，但是本发明提供的激光冲击强化方法根据加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度，在相同的预置能量密度和脉冲宽度的条件下通过改变待加工工件的各个待加工区域吸收层厚度达到不同的加工强度。改变吸收层厚度操作简单，不需要改变激光冲击设备的脉冲激光参数，解决了当前对于复杂形状的零件进行区域不等强度的激光冲击强化时，需要调节不同区域的脉冲激光参数，编程复杂，激光冲击强化的实用性和操作效率低的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光冲击强化方法的一个实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种激光冲击强化方法的另一个实施例的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种激光冲击强化装置的一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种激光冲击强化方法及装置，解决了当前对于复杂形状的零件进行区域不等强度的激光冲击强化时，需要调节不同区域的脉冲激光参数，编程复杂，激光冲击强化的实用性和操作效率低的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供了一种激光冲击强化方法的一个实施例，包括：

步骤101：获取与预置能量密度及脉冲宽度对应的加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

需要说明的是，在进行激光冲击强化时，吸收层可以对待加工工件进行保护，避免待加工工件被激光烧灼。

在相同的预置能量密度和脉冲宽度等激光参数下，待加工工件表面覆盖有不同的吸收层厚度时，激光冲击强化具有不同的加工强度。

所以，首先确定激光能量密度和脉冲宽度，获取预置能量密度和脉冲宽度。

然后获取与预置能量密度及脉冲宽度对应的加工强度与吸收层厚度的关系式。

由于待加工工件的各个待加工区域所需的加工强度不同，所以将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式，从而计算得到各个待加工区域所需覆盖的吸收层厚度。

步骤102：在待加工工件的各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化。

需要说明的是，在各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化，即可实现在相同的预置的能量密度和脉冲宽度的条件下，在不同的待加工区域得到不同的加工强度。

本实施例提供了一种激光冲击强化方法，传统的激光在不同区域需要达到不同的加工强度需要调节脉冲激光参数，但是本发明提供的激光冲击强化方法根据加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度，在相同的预置能量密度和脉冲宽度的条件下通过改变待加工工件的各个待加工区域吸收层厚度达到不同的加工强度，改变吸收层厚度操作简单，不需要改变激光冲击设备的脉冲激光参数，解决了当前对于复杂形状的零件进行区域不等强度的激光冲击强化时，需要调节不同区域的脉冲激光参数，编程复杂，激光冲击强化的实用性和操作效率低的技术问题。

以上为本发明实施例提供的一种激光冲击强化方法的一个实施例，以下为本发明实施例提供的一种激光冲击强化方法的另一个实施例。

请参阅图2，本发明实施例提供了一种激光冲击强化方法的另一个实施例，包括：

步骤201：获取预置能量密度、脉冲宽度、待加工工件的最大加工强度和最小加工强度；

需要说明的是，在进行激光冲击强化时，首先需要获取预置能量密度和脉冲宽度。

得到预置能量密度和脉冲宽度之后，可以直接通过查阅文献和历史资料等方式确定加工强度与吸收层厚度的关系式，也可以通过实验测试的方法确定加工强度与吸收层厚度的关系式。

获取最大加工强度之后，设置多个测试件，在各个测试件的表面覆盖有一系列不同厚度的吸收层，对各个测试件进行激光冲击强化直至达到最大加工强度，测试件的材料与待加工工件的材料一致。

实验过程中选取不同的吸收层厚度时，可以先通过下式大致确定吸收层厚度的选取范围：

其中，z为吸收层厚度，τ为脉冲宽度，v为吸收层气化速度，A为材料表面激光吸收系数，I₀为预置能量密度，ρ为材料密度，L为汽化热，c为比热容，T_b为气化温度，T₀为初始温度。

式(1)为吸收层厚度与能量密度以及脉冲宽度的关系式，由此可以大致确定吸收层厚度的选取范围。

步骤202：在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最大加工强度对应的第一吸收层厚度；

需要说明的是，为避免高温对待加工零件表面质量造成影响，以吸收层不被完全灼烧为准，通过实际试验确定获得最大加工强度时的最小吸收层厚度，并定义为第一吸收层厚度。

值得注意的是，如果在预置脉冲激光参数条件下达到最大加工强度无法保证吸收层不被完全灼烧，则要求技术人员重新调整步骤201中的相关脉冲激光参数。

步骤203：在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最小加工强度对应的第二吸收层厚度；

需要说明的是，当采用实验测试的方法时，有了最大加工强度和第一吸收层厚度，还需要另外一组数据作为参考，所以可在预置的能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，记录最小加工强度对应的第二吸收层厚度。

步骤204：构建加工强度和吸收层厚度的一次函数模型，将最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度代入一次函数模型得到加工强度与吸收层厚度的关系式；

需要说明的是，因为本实施例中默认加工强度和吸收层厚度的关系式接近于一次线性关系，所以采用一次函数模型进行拟合，构建加工强度和吸收层厚度的一次函数模型。将最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度代入一次函数模型计算斜率和截距，从而得到加工强度与吸收层厚度的关系式。

加工强度与吸收层厚度的关系式可表示为：

其中，z_mid为待求的吸收层厚度，z_min为第一吸收层厚度，z_max为第二吸收层厚度，I_mid为待加工区域的加工强度，I_max为最大加工强度，I_min为最小加工强度。

步骤205：将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

需要说明的是，确定了加工强度与吸收层厚度的关系式之后，就可以将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。

步骤206：在待加工工件的各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化。

需要说明的是，在各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化，即可实现在相同的预置能量密度和脉冲宽度的条件下，在不同的待加工区域得到不同的加工强度。

本实施例提供了一种激光冲击强化方法，根据加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度，在相同的预置能量密度和脉冲宽度的条件下通过改变待加工工件的各个待加工区域吸收层厚度达到不同的加工强度，改变吸收层厚度操作简单，不需要改变激光冲击设备的脉冲激光参数，实现待加工工件强化效果与服役要求的整体一致性匹配，达到精准调控零件综合服役性能的目的，工艺简便易行，可提高多种冲击强度要求工件的工艺选取效率，不等强度加工更有针对性地对工件进行分区域性能优化，适用于航空发动机叶片等复杂结构工件的激光冲击强化处理。

综上所述，本实施例提供的激光冲击强化方法解决了当前对于复杂形状的零件进行区域不等强度的激光冲击强化时，需要调节不同区域的脉冲激光参数，编程复杂，激光冲击强化的实用性和操作效率低的技术问题。

以上为本发明实施例提供的一种激光冲击强化方法的另一个实施例，以下为本发明实施例提供的一种激光冲击强化装置的一个实施例。

请参阅图3，本发明实施例提供了一种激光冲击强化装置的一个实施例，包括：

厚度计算单元301，用于获取与预置能量密度及脉冲宽度对应的加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

覆盖加工单元302，用于在待加工工件的各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化。

进一步地，厚度计算单元301具体包括：

强度子单元3011，用于获取预置能量密度、脉冲宽度、待加工工件的最大加工强度和最小加工强度；

最小子单元3012，用于在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最大加工强度对应的第一吸收层厚度；

最大子单元3013，用于在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最小加工强度对应的第二吸收层厚度；

计算子单元3014，用于根据最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度拟合得到加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。

进一步地，计算子单元3014具体包括：

拟合子单元30141，用于构建加工强度和吸收层厚度的一次函数模型，将最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度代入一次函数模型得到加工强度与吸收层厚度的关系式；

代入子单元30142，用于将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种激光冲击强化方法，其特征在于，包括：

S1：获取与预置能量密度及脉冲宽度对应的加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

S2：在待加工工件的各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化；

所述步骤S1具体包括：

S11：获取预置能量密度、脉冲宽度、待加工工件的最大加工强度和最小加工强度；

S12：在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最大加工强度对应的第一吸收层厚度；

S13：在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最小加工强度对应的第二吸收层厚度；

S14：根据最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度拟合得到加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

所述步骤S14具体包括：

S141：构建加工强度和吸收层厚度的一次函数模型，将最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度代入一次函数模型得到加工强度与吸收层厚度的关系式；

S142：将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。

2.一种激光冲击强化装置，其特征在于，包括：

厚度计算单元，用于获取与预置能量密度及脉冲宽度对应的加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

覆盖加工单元，用于在待加工工件的各个待加工区域覆盖对应的吸收层厚度的吸收层，以预置能量密度和脉冲宽度的激光参数对待加工工件的各个待加工区域进行激光冲击强化；

所述厚度计算单元具体包括：

强度子单元，用于获取预置能量密度、脉冲宽度、待加工工件的最大加工强度和最小加工强度；

最小子单元，用于在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最大加工强度对应的第一吸收层厚度；

最大子单元，用于在预置能量密度和脉冲宽度的条件下进行测试，得到最小加工强度对应的第二吸收层厚度；

计算子单元，用于根据最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度拟合得到加工强度与吸收层厚度的关系式，将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度；

所述计算子单元具体包括：

拟合子单元，用于构建加工强度和吸收层厚度的一次函数模型，将最大加工强度、最小加工强度、第一吸收层厚度和第二吸收层厚度代入一次函数模型得到加工强度与吸收层厚度的关系式；

代入子单元，用于将待加工工件的各个待加工区域的加工强度代入加工强度与吸收层厚度的关系式得到各个待加工区域对应的吸收层厚度。