CN101722361A - 一种控制金属微结构表面残余应力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制金属微结构表面残余应力的装置及方法，激光微喷丸发生系统、测量反馈系统分别与控制系统相连，脉冲激光束聚焦到工件表面的待喷丸区域，同步加速辐射光源发出的入射X射线进入测量箱经工件表面发生衍射后衍射线被探测器接收，电脉冲经放大器放大后进入脉冲高度分析器，信号脉冲发送至计数器经微机处理，通过微机反馈给计算机控制系统进行误差分析和参数修正；CCD光学相机对工件表面的处理区域进行定位和监测。本发明有效控制金属微器件表面残余应力，改善了金属微构件的力学性能，提高了金属微构件的使用寿命，使金属微结构表面产生深度达到20μm以上、大小为-120～-100MPa的残余压应力。

Description

一种控制金属微结构表面残余应力的装置及方法

技术领域

本发明涉及微机电系统的微结构表面处理与激光技术应用领域，特指一种控制金属微结构表面残余应力水平的方法和装置，特别适用于100～200μm厚的金属微构件的表面处理。

背景技术

目前，具有特定功能材料性能的金属微结构与微器件越来越多地应用于微系统或作为智能核心部件嵌入到常规机器中。微器件作为承载部件，通常受到热、力等交变载荷的作用，导致其变形、断裂、磨损和疲劳破坏，引起微结构的失效，从而导致整个微机电系统和机器的失效，因而对微器件的耐磨性能和疲劳性能等提出了很高的要求。对微结构制造技术，主要是微结构成形制作工艺方面，如硅微细加工、LIGA、高能束刻蚀、微细电火花和微冲压等，在制作过程中往往会在微结构表面产生残余拉应力而影响使用寿命。

美国Battlells Columbus实验室的A.H.Clauer和B.P.Fairand等人在专利U.S.4401477“Laser shock processing”中提出了利用高能量短脉冲激光辐照零件表面以产生强冲击波，并在表层内形成残余压应力从而改善零件机械性能的方法，但该专利所述的激光喷丸强化方法是非控性的，不能实现激光喷丸强化效果的在线检测与判断，而且只适用于宏观零件。另外美国通用电气公司的P.P.吴在专利CN1754967“用于监视激光冲击处理的系统和方法”中提出将激光冲击过程中线谱在其发射峰周围的谱线展宽与限定线谱的谱线展宽比较，以验证激光冲击系统操作是否合理，同时该系统实现了激光冲击强化过程中冲击波压力和强度的监视与控制，但该专利仅仅对激光冲击强化过程中脉冲的发射及其引起的冲击波压力进行了监控，并未涉及冲击后零件中诱导的残余压应力的监控。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术不足，提供一种控制金属微结构表面残余应力的装置和方法，有效改善金属微结构表面疲劳寿命、耐磨性和抗腐蚀等性能，实现对100～200μm厚度的金属微构件表层残余应力的监测和控制。

本发明装置采用的技术方案是：包括激光微喷丸发生系统、测量反馈系统分别与控制系统相连，激光微喷丸系统的导光系统设置在两个全反射镜之间，激光器发生器与光束变换装置通过两个全反射镜、导光系统连接，在光束变换装置下方设置光学掩模和激光喷丸头，激光喷丸头发出脉冲激光束，脉冲激光束垂直作用于工件表面；所述测量反馈系统的发射入射x射线的同步加速辐射光源位于工件一侧上方、接受衍射线的探测器、放大器、脉冲高度分析器、计数器、微机依次串接于工件另一侧上方，CCD光学相机设置在工件上方并连接微机：所述控制系统的计算机控制系统分别连接激光控制器，应力测量仪控制器以及微机，激光控制器连接并控制激光控制器，应力测量仪控制器连接并控制同步加速辐射光源。

本发明方法采用的技术方案是：计算机控制系统和激光控制器所控制的激光器发生器产生的脉冲激光束透过激光喷丸头聚焦到工件表面的待喷丸区域，获得激光微喷丸系统所需的冲击波压力及其分布；计算机控制系统控制的同步加速辐射光源发出的入射X射线进入测量箱中，入射X射线通过入射余角小于10°全反射被集中照射在工件表面；入射X射线经工件表面发生衍射后衍射线被探测器接收，检测衍射强度，电脉冲经放大器放大后进入脉冲高度分析器，信号脉冲发送至计数器，经微机处理，在显示屏上显示，通过微机反馈给计算机控制系统进行误差分析和参数修正；CCD光学相机对工件表面的处理区域进行定位和监测并将结果输入微机中。

本发明的有益效果是：

1、本发明利用激光微喷丸技术，实现光斑尺寸μm量级、脉冲宽度ns量级的精确控制，对金属微构件表面进行改性处理，同时利用x射线微衍射线实现激光微喷丸残余应力的在线检测，有效控制金属微器件表面残余应力，改善了金属微构件的力学性能，提高了金属微构件的使用寿命，使金属微结构表面产生深度达到20μm以上、大小为-120～-100Mpa的残余压应力。

2、由于激光脉冲参数可以实时调整和控制，且加工参数具有可重复性，可在同一地方通过累积的方式多次喷丸。对激光微喷丸工艺非插入的、实时的监视，在线检测金属微器件表面残余应力分布，并由计算机控制系统进行误差分析，实时调整激光加工工艺参数，可控制金属微器件表层残余应力分布，以确保实现预期的表层残余应力分布，满足金属微器件所需的不同的强化要求。

3、利用X射线微衍射技术，从微尺度上记录单晶金属激光微喷丸的X射线衍射轮廓空间解析，使用同步加速辐射光源，采用在强度对比法上的X射线微衍射测量微喷丸残余应力方法，从同步加速辐射光源发出的极高亮度X射线能短时间聚焦成微米光斑尺寸，可提供关于应力场分布的有用信息。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明装置结构连接示意图。

图2是本发明实施例的方法流程图。

图中：1.计算机控制系统；2.激光器控制器；3.激光发生器；4.全反射镜；5.导光系统；6.全反射镜7.光束变换装置；8.光学掩模；9.激光喷丸头；10.脉冲激光束；11.测量箱；12.CCD光学相机；13.应力测量仪控制器；14.同步加速辐射光源；5.入射x射线；16.衍射线；17.探测器；18.放大器；19.脉冲高度分析器；20.计数器；21.微机；22.显示屏。

具体实施方式

如图1，本发明装置包括激光微喷丸发生系统、测量反馈系统和控制系统，激光微喷丸发生系统、测量反馈系统分别与控制系统相连，实现对整个系统工作过程的有效控制。

激光微喷丸系统包括Nd:YAG激光器发生器3、导光系统5、两个全反射镜4、6、光束变换装置7和激光喷丸头9。导光系统5设置在两个全反射镜4、6之间，并通过两个相对放置的全反射镜4、6将激光器发生器3与光束变换装置7作连接，在光束变换装置7下方设置光学掩模8和激光喷丸头9，从激光喷丸头9发出脉冲激光束10，脉冲激光束10垂直作用于金属微结构表面(即工件表面)。激光微喷丸系统传递激光器发生器3产生的脉冲激光束10，这种高能量短脉冲激光束10也可通过10×10阵列的光束变换装置7转变成若干个群脉冲，脉冲激光束10透过激光喷丸头9聚焦到工件表面的待喷丸区域，从而获得激光微喷丸系统所需的冲击波压力及其分布。

测量反馈系统包括位于工件一侧上方的发射入射x射线15的同步加速辐射光源14、位于工件另一侧上方的接受衍射线16的探测器17、放大器18、脉冲高度分析器19、计数器20、微机21和显示屏22依次串接。从同步加速辐射光源14发出的高速精确、极高亮度的入射X射线15通过狭缝被限制成0.5×0.5mm光束后进入到放置工件的测量箱11中，然后入射X射线15穿过锥形毛细管通过入射余角小于10°全反射被集中照射在工件表面，入射X射线15经工件表面发生衍射后衍射线被探测器17接收，用闪烁的X射线探测仪来检测衍射强度，电脉冲经放大器18放大后进入脉冲高度分析器19，信号脉冲发送至计数器20，经微机21处理，进行寻峰、计算峰积分强度或宽度、平滑曲线和扣除背底等处理后，在显示屏22上显示，通过微机21反馈给计算机控制系统1进行误差分析和参数修正。CCD光学相机12设置在工件上方，可对工件表面的处理区域进行定位和监测，以便即使调整工件的处理位置，并将定位监测的结果输入到与CCD光学相机12连接的微机21中。

控制系统包括Nd:YAG激光控制器2、应力测量仪控制器13及计算机控制系统1。计算机控制系统1分别连接激光控制器2，应力测量仪控制器13以及微机21，Nd:YAG激光控制器2连接并控制激光控制器3，应力测量仪控制器13连接并控制同步加速辐射光源14。

本发明利用Nd:YAG激光发生器3产生的重复频率为10Hz的短脉冲强激光束诱导的冲击波压力作为金属微构件的微喷丸强化的力源。脉冲激光束10光斑可实现μm量级内的精确聚焦，脉冲宽度ns量级；脉冲激光束10在激光控制器2的控制下调节激光能量以及喷丸轨迹对金属微构件实施强化，利用CCD光学相机12对处理区域进行定位监测，利用入射X射线15微衍射仪对处理表面的残余应力进行测量。采用的激光光斑尺寸为20～30μm，脉冲宽度5～8ns，能量为0.5mJ～1mJ；采用直线轨迹的搭接冲击方式对微构件表面进行处理，其光斑搭接量为50％，冲击次数为1～2次，最终使金属微结构表面产生深度达到20μm以上、大小为-100Mpa～-120Mpa的残余压应力。

本发明利用激光微喷丸发生系统产生的脉冲激光束10对金属微构件表面进行冲击改性处理，采用适度的激光参数，沿直线轨迹的搭接冲击方式对微构件表面进行处理。通过入射X射线15微衍射仪在线检测处理表面的残余应力，激光微喷丸装置和X射线微衍射测量仪通过计算机相连，利用计算机反馈控制系统控制冲击次数、冲击轨迹和激光能量，实现对微结构表面残余应力的有效控制。

以下提供本发明的一个实施例：

实施例

以铝试样为例，将铝试样放置在图1的测量箱11中，按图1结构将激光微喷丸发生系统、测量反馈系统和控制系统相连接，如图2如示，实施过程如下：

[1]步骤100：在铝薄膜表面覆盖一层能量吸收层(10μm厚铝箔)和约束层(1mm厚水帘)；完成试样制备：

[2]步骤101：设置和调整输出激光的参数：光斑尺寸为25μm，脉冲宽度6ns，能量为0.8mJ，光斑搭接率50％，根据处理区域大小编制喷丸路径，

[3]步骤102：启动数控系统控制激光喷丸头9，以直线轨迹对微构件表面进行冲击处理；

[4]步骤103：带有基体的铝薄膜在CCD光学相机放大监测下进行定位操作，调整应力测定仪的X射线微衍射线在激光微喷丸头聚焦光斑位置中心；

[5]步骤104：一次喷丸轨迹完成后，利用X射线微衍射技术对处理表面进行应力测定(104)，测得表面残余应力平均值为-93Mpa，平均深度达到16μm。

[6]步骤105：通过计算机反馈系统将测得的表层的残余应力分布和目标值比较；

步骤105结果若不符合强化要求，返回步骤101，选用适当激光参数进行下次喷丸：光斑尺寸为20μm，脉冲宽度6ns，能量为0.5mJ，搭接率50％，前后错位率50％进行下一次喷丸处理；

通过表面应力测试分析和反馈，结果是实现了铝薄膜表面残余压应力水平深度达到25μm以上，大小-110Mpa的有效控制。

Claims (5)

1.一种控制金属微结构表面残余应力的装置，包括激光微喷丸发生系统、测量反馈系统分别与控制系统相连，其特征是：

所述激光微喷丸系统的导光系统(5)设置在两个全反射镜(4、6)之间，激光器发生器(3)与光束变换装置(7)通过两个全反射镜(4、6)、导光系统(5)连接，在光束变换装置(7)下方设置光学掩模(8)和激光喷丸头(9)，激光喷丸头(9)发出脉冲激光束(10)，脉冲激光束(10)垂直作用于工件表面；

所述测量反馈系统的发射入射x射线(15)的同步加速辐射光源(14)位于工件一侧上方、接受衍射线(16)的探测器(17)、放大器(18)、脉冲高度分析器(19)、计数器(20)、微机(21)依次串接于工件另一侧上方，CCD光学相机(12)设置在工件上方并连接微机(21)：

所述控制系统的计算机控制系统(1)分别连接激光控制器(2)，应力测量仪控制器(13)以及微机(21)，激光控制器(2)连接并控制激光控制器(3)，应力测量仪控制器(13)连接并控制同步加速辐射光源(14)。

2.根据权利要求1所述的一种控制金属微结构表面残余应力的装置：其特征是：所述工件放置在测量箱(11)中，显示屏(22)连接微机(21)。

3.一种控制金属微结构表面残余应力的方法，其特征是具有如下步骤：

A、计算机控制系统(1)和激光控制器(2)所控制的激光器发生器(3)产生的脉冲激光束(10)透过激光喷丸头(9)聚焦到工件表面的待喷丸区域，获得激光微喷丸系统所需的冲击波压力及其分布；

B、计算机控制系统(1)控制的同步加速辐射光源(14)发出的入射X射线(15)进入测量箱(11)中，入射X射线(15)通过入射余角小于10°全反射被集中照射在工件表面；

C、入射X射线(15)经工件表面发生衍射后衍射线被探测器(17)接收，检测衍射强度，电脉冲经放大器(18)放大后进入脉冲高度分析器(19)，信号脉冲发送至计数器(20)，经微机(21)处理，在显示屏(22)上显示，通过微机(21)反馈给计算机控制系统(1)进行误差分析和参数修正；

D、CCD光学相机(12)对工件表面的处理区域进行定位和监测并将结果输入微机(21)中。

4.根据权利要求3所述的一种控制金属微结构表面残余应力的方法，其特征是：脉冲激光束(10)激光光斑尺寸为20～30μm，脉冲宽度5～8ns，能量为0.5mJ～1mJ；采用直线轨迹的搭接冲击方式对工件表面处理，其光斑搭接量为50％，冲击次数为1～2次。

5.根据权利要求3所述的一种控制金属微结构表面残余应力的方法，其特征是：步骤B中，入射X射线(15)被限制成0.5×0.5mm光束后进入测量箱(11)中。

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