CN109234518A - 一种平板件预应力激光冲击强化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到激光加工技术领域，特指一种平板件预应力激光冲击强化的方法和装置。在加工前对工件施加一个作为预应力的拉应力，使工件发生弹性拉长，并保持该力到激光冲击强化结束。加工过程中，平板件表层材料在脉冲激光作用下发生塑性变形，产生硬化层，但工件内部材料保持着原来的弹性变形。在加工完成后卸载预应力，工件内部材料发生弹性恢复，由于加工表面硬化层的阻碍作用，内部材料将对硬化层产生挤压的效果。这个工件表层额外的挤压效果，可以增加残余压应力，起到了调控工件残余应力的作用。

Description

一种平板件预应力激光冲击强化的方法和装置

技术领域

本发明涉及到激光加工技术领域，特指一种平板件预应力激光冲击强化的方法和装置，适用于提高关键零部件机械性能的激光冲击强化工艺。

技术背景

激光冲击技术的原理是当高功率密度的短脉冲通过约束层，作用于金属表面的吸收层时，吸收层迅速气化，于此同时形成等离子气体。等离子气体急剧膨胀，在金属表面引入残余压应力。激光冲击是一种可以提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的高新技术。此外激光冲击还可以利用高能脉冲激光和材料相互作用诱导的高幅冲击波的力效应，使板料产生塑性变形。然而，由于激光冲击强化时激光功率密度极大，对平板件进行激光冲击强化会使平板件产生弯曲变形，残余引力场分布不均匀且难以调控。

预应力激光冲击强化是指在借助外力作用形成预拉应力层的金属构件表面上进行激光冲击强化的一种加工方法。通常，该方法被用来增加平板件激光冲击后的残余应力层深度，减小与拉应力垂直方向上的弯曲变形，或者控制金属构件在喷丸成形时的变形趋势等。

检索现有的预应力调控残余应力(成形)的方法主要有：(1)一种基于预应力的激光和喷丸复合成型方法(公开号CN 101288888A)。该方法利用激光的热效应使工件表面发生更大的塑性变形。然而激光的热效应也会导致材料的热变形同时减小残余压应力。(2)提高两相材料中低硬度高弹性物相表面强化的喷丸方法(公开号CN 102922431 A)。该方法在材料两端施加预应力然后进行喷丸处理。然而喷丸强化引入的残余应力层很浅，对提高材料的强度效果没有激光冲击强化理想。(3)一种用于对工件激光喷丸成形的预应力夹具(公开号CN 102922431 A)。该夹具在对金属板材进行激光喷丸成型时，可以对工件施加可控并可连续变化的预压力，能够显著提高工件喷九成型后的加工质量。然而该专利没有说明预应力激光冲击强化的方法和其他装置。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于，提供一种增强平板件激光冲击强化作用效果的预应力激光冲击强化方法。即在平板件上预加载水平拉应力，使平板件发生弹性形变，然后进行激光冲击强化，再撤销水平拉应力。同时本发明专利也提供了一种平板件预应力激光冲击强化的装置，包括Nd:YAG激光器，光纤光路，六轴机械手，控制器，拉伸夹具，拉伸机，喷水器。该方法和装置可以调控激光冲击强化后残余压应力的深度和幅值，克服激光冲击强化平板件的变形。

本发明的目的是通过以下技术手段来实现的：

本发明的原理是：利用工件材料弹性力学特性来调控残余应力。在加工前对工件施加一个作为预应力的拉应力，使工件发生弹性拉长，并保持该力到激光冲击强化结束。加工过程中，平板件表层材料在脉冲激光作用下发生塑性变形，产生硬化层，但工件内部材料保持着原来的弹性变形。在加工完成后卸载预应力，工件内部材料发生弹性恢复，由于加工表面硬化层的阻碍作用，内部材料将对硬化层产生挤压的效果。这个工件表层额外的挤压效果，可以增加残余压应力，起到了调控工件残余应力的作用。

一种平板件预应力激光冲击强化的方法为：平板件上预加载水平拉应力，使平板件发生弹性形变，然后进行激光冲击强化，再撤销水平拉应力。所述加载在试样上的预应变值ε不能超过材料的弹性极限，平板件材料的预应变值ε为0.5/1000～1/1000。所述在拉伸机上施加的拉伸力F为：F＝ε×E×h×s，其中ε为预应变值，E为平板件的弹性模量，h为平板件的高度，s为平板件的宽度。所述激光冲击强化参数为：光斑直径为2mm；搭接率为50％；激光波长为1064nm；脉宽为15ns；激光能量为7J。所述X射线衍射仪测定平板件的残余应力的测量方法为侧倾固定Ψ法，定峰方法为交相关法，Ψ角(°)为0.0，25.0，35.0和45.0。

所述平板件预应力激光冲击强化的装置包括：Nd:YAG激光器，光纤光路，六轴机械手，控制器，拉伸夹具，拉伸机，喷水器。所述拉伸夹具安装在拉伸机上。所述光纤光路一端连接Nd:YAG激光器，另一端连接六轴机械手的末端，喷水器外接水管连接到六轴机械手末端，脉冲激光与流水(约束层)喷射到平板件的同一个点上。控制器通过数据线分别连接Nd:YAG激光器，拉伸机，六轴机械手和喷水器，控制装置对工件进行预应力激光冲击强化。

本发明的增益效果：1.本发明能够调控平板件的残余应力层，加深激光冲击强化的残余应力层。2.本发明能够改善激光冲击强化工艺的变形，提高激光冲击强化平板件的加工质量。3.本发明在平板件上预加载的水平力可以根据材料的弹性极限进行调整，因此本发明适用于不同金属材料的加工。

附图说明

图1为平板件预应力时的应力分布原理图。

图2为平板件预应力激光冲击强化时的应力分布原理图。

图3为平板件预应力激光冲击强化后的应力分布原理图。

图4为一种平板件预应力激光冲击强化装置的示意图。

图5为狗骨头平板件及其预应力激光冲击强化路径示意图。

图6为预应力激光冲击强化和激光冲击强化的平板件沿深度方向的残余应力图

其中，1为平板件，2为吸收层，3为流水(约束层)，4为等离子体，5为脉冲激光，6为拉伸夹具，7为拉伸机，8为控制器，9为数据线，10为光纤光路，11为Nd:YAG激光器，12为六轴机械手，13为水管，14为喷水器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

如图所示，本发明包括Nd:YAG激光器11，光纤光路10，六轴机械手12，控制器8，拉伸夹具6，拉伸机7，喷水器14。光纤光路10一端连接Nd:YAG激光器11，另一端连接六轴机械手12的末端，喷水器14外接水管13连接到六轴机械手12末端，脉冲激光5与流水(约束层)3喷射到平板件1的同一个点上。控制器8通过数据线9分别连接Nd:YAG激光器11，拉伸机7，六轴机械手12和喷水器14，控制装置对平板件1进行预应力激光冲击强化。

在平板件1上预加载水平拉应力，使平板件1发生弹性形变，然后进行激光冲击强化，再撤销水平拉应力。加载在试样上的预应变值ε不能超过材料的弹性极限，取值为0.5/1000～1/1000。在拉伸机上施加的拉伸力F为：F＝ε×E×h×s，其中ε为预应变值，E为平板材料的弹性模量，h为平板件1的高度，s为平板件1的宽度。激光冲击强化参数为：光斑直径为2mm；搭接率为50％；激光波长为1064nm；脉宽为15ns；激光能量为7J。平板件预应力激光冲击强化后采用X射线衍射仪测定平板件的残余应力，测量方法为侧倾固定Ψ法，定峰方法为交相关法，Ψ角(°)为0.0，25.0，35.0和45.0。

本发明所述装置的使用步骤如下：

1.进行装夹工作：在拉伸机7上安装拉伸夹具6，将平板件1装夹在拉伸夹具6上。

2.调整工艺参数：打开喷水器14，通过控制器8设定预应力激光冲击强化具体参数和冲击路径，设定拉伸机7的拉伸力。

3.进行前处理：将吸收层2黏贴在平板件1待处理区域表面。通过控制器8移动六轴机械手12使激光束的聚焦焦点对准平板件1并使流水(约束层)3覆盖平板件1表面。

4.开始预应力激光冲击强化：通过控制器8启动Nd:YAG激光器11和六轴机械手12，开始激光冲击。

5.进行后处理：通过控制器8卸载拉伸机7的拉伸力，将平板件1从拉伸夹具6上拆卸下，完成预应力激光冲击强化。

6.进行残余应力测量：平板件预应力激光冲击强化后采用X射线衍射仪测定平板件的残余应力，测量方法为侧倾固定Ψ法，定峰方法为交相关法，Ψ角(°)为0.0，25.0，35.0和45.0。如果残余应力没有达到所需的标准则重复1-6步。

参见附图5所示，本实施例所述的是一种平板件预应力激光冲击强化的方法和装置，现选择一个2Cr13狗骨头平板件作为模型，该狗骨头平板件厚度为4mm，平板有效宽度为6mm，2Cr13弹性模量为228Gpa。

一种使用上述零件做预应力激光冲击强化的实例，其具体步骤为：

(1)计算并确定预应变值ε，不超过2Cr13材料的弹性极限，取值为0.75/1000。

(2)计算并确定拉伸机上施加的拉伸力F为：F＝ε×E×h×s，其中ε为预应变值，为0.75/1000。E为2Cr13材料的弹性模量，为228Gpa。h为狗骨头平板件的高度，为6mm，s为狗骨头平板件的宽度，为4mm。故施加的拉伸力F为4104N。

(3)在拉伸机上安装拉伸夹具，将狗骨头平板件装夹在拉伸夹具上。打开喷水器，通过控制器8设定预应力激光冲击强化具体参数：光斑直径为2mm；搭接率为50％；激光波长为1064nm；脉宽为15ns；激光能量为7J。设置冲击路径：长为32mm，宽为5mm。设定拉伸机的拉伸力F为4104N。

(4)将吸收层黏贴在狗骨头平板件待处理区域表面。通过控制器移动六轴机械手使激光束的聚焦焦点对准狗骨头平板件并使流水(约束层)覆盖狗骨头平板件待处理表面。通过控制器启动Nd:YAG激光器和六轴机械手，开始激光冲击。

(5)待完成激光冲击后通过控制器8卸载拉伸机7的拉伸力，将狗骨头平板件从拉伸夹具上拆卸下，完成预应力激光冲击强化。

(6)狗骨头平板件预应力激光冲击强化后采用X射线衍射仪测定狗骨头平板件的残余应力，测量方法为侧倾固定Ψ法，定峰方法为交相关法，Ψ角(°)为0.0，25.0，35.0和45.0。如果残余应力没有达到所需的标准则重复1-6步。

如图6所示是经过预应力激光冲击强化和激光冲击强化的平板件沿深度方向的残余应力图，可见预应力激光冲击强化可提高激光冲击强化的效果达40％。

Claims (5)

1.一种平板件预应力激光冲击强化的装置，其特征在于，所述装置包括Nd:YAG激光器，光纤光路，六轴机械手，控制器，拉伸夹具，拉伸机，喷水器；所述拉伸夹具安装在拉伸机上；所述光纤光路一端连接Nd:YAG激光器，另一端连接六轴机械手的末端，喷水器外接水管连接到六轴机械手末端，脉冲激光与作为约束层的流水喷射到平板件的同一个点上；控制器通过数据线分别连接Nd:YAG激光器，拉伸机，六轴机械手和喷水器，对工件进行预应力激光冲击强化。

2.利用如权利要求1所述的装置实施平板件预应力激光冲击强化的方法，其特征在于，在加工前对工件施加一个作为预应力的拉应力，使工件发生弹性拉长，并保持该力到激光冲击强化结束；加工过程中，平板件表层材料在脉冲激光作用下发生塑性变形，产生硬化层，但工件内部材料保持着原来的弹性变形；在加工完成后卸载预应力，工件内部材料发生弹性恢复，由于加工表面硬化层的阻碍作用，内部材料将对硬化层产生挤压的效果，增加残余压应力，起到了调控工件残余应力的作用；具体步骤如下：

(1)进行装夹工作：在拉伸机上安装拉伸夹具，将平板件装夹在拉伸夹具上；

(2)调整工艺参数：打开喷水器，通过控制器设定预应力激光冲击强化具体参数和冲击路径，设定拉伸机的拉伸力；

(3)进行前处理：将吸收层黏贴在平板件待处理区域表面；通过控制器移动六轴机械手使激光束的聚焦焦点对准平板件并使作为约束层的流水覆盖平板件表面；

(4)开始预应力激光冲击强化：通过控制器启动Nd:YAG激光器和六轴机械手，开始激光冲击；

(5)进行后处理：通过控制器卸载拉伸机的拉伸力，将平板件从拉伸夹具上拆卸下，完成预应力激光冲击强化；

(6)进行残余应力测量，如果残余应力没有达到所需的标准则重复步骤(1)-(6)。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在拉伸机上施加的拉伸力F为：F＝ε×E×h×s，其中ε为预应变值，E为平板件的弹性模量，h为平板件的高度，s为平板件的宽度；平板件材料的预应变值ε为0.5/1000～1/1000。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光冲击强化参数为：光斑直径为2mm；搭接率为50％；激光波长为1064nm；脉宽为15ns；激光能量为7J。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，平板件预应力激光冲击强化后采用X射线衍射仪测定平板件的残余应力，测量方法为侧倾固定Ψ法，定峰方法为交相关法，Ψ角(°)为0.0，25.0，35.0和45.0。