CN103146893B - 一种激光冲击处理曲面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光冲击强化技术领域，具体地是指一种激光冲击处理曲面的方法。本发明利用三维软件对三维表面的操作和测量功能，可以快速模拟获得每一个激光光斑在实际待加工表面上的面积；采用本发明的测量方法，可以快速准确的测量任何形状光斑的面积；通过精确控制每个激光光斑的功率密度，可以使工件的变形可控，避免了工件由于功率密度不一致导致的不规则变形。

Description

一种激光冲击处理曲面的方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，具体地是指一种激光冲击处理曲面的方法。

背景技术

激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深；激光冲击的原理是利用脉冲激光（能量1~100J，脉宽10~30ns）在约束状态下（水膜或玻璃）跟吸收层（铝箔或其他材料）产生等离子爆炸，可产生强度高达几个吉帕斯卡的压力，该压力通过吸收层传播至工件，可对工件表层产生高幅残余压应力，由于吸收层的保护作用，工件表面不会受到热灼烧，21世纪初，美国将激光冲击技术应用到F101、F119和F414发动机叶片的强化和再制造上。

飞机发动机叶片的疲劳断裂是影响发动机正常工作的主要因素之一，激光冲击强化飞机发动机叶片具有无可比拟的优势。发动机叶片的疲劳断裂主要发生在叶片边缘，激光冲击处理主要对叶片边缘区域进行强化。激光冲击处理将使处理区域产生高幅残余压应力，由于叶片边缘区域厚度非常小，残余压应力的释放将会导致叶片边缘产生变形，从而影响发动机叶片的使用性能；发动机叶片是不规则曲面，激光辐照在不同的部位时其投影面积将发生变化，这将导致激光功率密度将发生变化，从而使残余应力场产生不规则变化，引起发动机叶片边缘产生不规则的变形，影响发动机叶片的使用性能，稳定的激光功率密度是发动机叶片产生规则变形的前提条件。

发明内容

本发明针对以上技术的不足，提供了一种激光冲击处理曲面的方法，在工件的激光冲击处理全过程中，始终获得稳定的激光功率密度，避免了工件产生不规则变形。

本发明的一种激光冲击处理曲面的方法，首先将工件待加工表面三维模型导入PRO/E或者其它三维软件，按照预设的加工路径，将光斑的形状按实际的激光束轴线方向投影到工件表面，通过软件提供的测量功能获得每一个在曲面上的投影的面积S _i （其中，i=1，2…...n），若预设的激光功率密度为I ₀ ，激光的脉宽为τ，则可计算出每一个脉冲所需能量E _i =I ₀ ﹒τ﹒S _i （其中，i=1，2…...n），将获得的每一个脉冲所需能量E _i 导入到工控机，由工控机控制脉冲激光器的放电电压，放电电压U _i =αE _i （其中，α是常数，不同的激光器其α也不同，i=1，2…...n）从而精确控制每一个激光脉冲的能量，使整个加工表面在激光冲击过程中每个激光光斑的功率密度精确可控。

实施本发明的有益效果为：利用三维软件对三维表面的操作和测量功能，可以快速模拟获得每一个激光光斑在实际待加工表面上的面积；采用本发明的测量方法，可以快速准确的测量任何形状光斑的面积；通过精确控制每个激光光斑的功率密度，可以使工件的变形可控，避免了工件由于功率密度不一致导致的不规则变形。

附图说明

图1：激光冲击处理曲面的方法示意图；

图2：激光冲击处理整体叶盘的叶片示意图；

图中包括，1激光发生器、2聚焦透镜、3整体叶盘、4六自由度机械手、5水膜、6激光光斑、7喷嘴、8工控机；

图3：激光光斑在三维实体模型曲面上的投影示意图；

图中包括，6激光光斑、61激光束轴线方向、62曲面上的激光光斑一、63曲面上的激光光斑二、64曲面上的激光光斑三、31叶片三维模型。

图4：残余应力测点分布图；

图5：采用本发明和未采用本发明残余应力分布。

具体实施方式

为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种激光冲击处理曲面的方法进行详细说明。

以激光冲击整体叶盘的叶片为例，整体叶盘的叶片无法从盘体上拆卸，由于叶片的遮挡，对叶片进行激光处理时在很多位置无法垂直入射到叶片表面，需要倾斜入射，此外叶片表面本身也是不规则曲面，因此采用相同的激光能量进行激光冲击处理时其功率密度会有较大偏差；本发明的一种激光冲击处理曲面的方法，其涉及的装置包括激光发生器1、聚焦透镜2、整体叶盘3、六自由度机械手4、水膜5、激光光斑6、喷嘴7、工控机8。

所述的激光光斑6其截面为正方形，其尺寸为激光发生器1产生的激光束经聚焦透镜2聚焦后在叶片表面激光冲击位置时的形成的截面尺寸。

所述的六自由度机械手4用来控制叶片按照预设的路径运动。

所述的整体叶盘3的叶片表面涂覆有吸收层。

所述的水膜5由喷嘴7所喷出的水流获得。

所述的工控机8用来控制激光发生器1的输入电流以及六自由度机械手4的联动。

实施本发明的一种激光冲击处理曲面的方法执行以下步骤：

1）设定实际激光冲击整体叶盘叶片的工作路径；

2）将叶片三维模型导入三维建模软件PRO/E；整体叶盘的加工是先创建三维模型，依据三维模型编制数控加工程序，然后再进行整体铣削加工，由于加工精度高，因此每一个叶片的尺寸误差可以忽略，故可以直接使用三维模型代替实际叶片尺寸；

3）在PRO/E软件中按步骤1）所预设好的工作路径将激光光斑6沿激光束轴线方向61投影于叶片三维模型31的待加工表面，利用三维软件的测量功能测量曲面上的激光光斑一62的面积,按照此方法分别测量曲面上的激光光斑二63、曲面上的激光光斑三64…，直至测量出激光冲击路径上所有的曲面上的激光光斑面积S _i （其中，i=1，2…...n），相邻的激光光斑之间都有一定的搭接量，其搭接量为光斑边长的0.1到0.15，按测量面积计算出激光冲击路径上各激光光斑所需的放电电压U _i （其中，i=1，2…...n）,并根据公式U _i =αE _i （其中，本实例采用的激光器其α=215，i=1，2…...n），从而计算出获得路径上各激光光斑能量E _i 所需的电流，将获得的电流参数通过工控机8控制激光发生器1的输入电流，从而获得各激光光斑能量E _i ；

4）打开喷嘴7，在整体叶盘3的叶片表面获得水膜5，按照步骤1）的工作路径，按照步骤3）所获得的各电流参数，激光发生器1发出的一个脉冲激光经聚焦透镜2聚焦后对整体叶盘3的叶片表面进行激光冲击处理，工控机8控制六自由度机械手4移动到下一个工位，按上述步骤进行该工位的激光冲击处理，依次逐个处理路径上所有的工位；

5）当完成一个整体叶盘3的叶片的激光冲击处理后，依次对剩余的其它叶片进行如步骤3）至4）的处理过程，完成整体叶盘3所有的激光冲击处理。

采用本发明的一种激光冲击处理曲面的方法后，在叶片表面测得的残余应力分布均匀，图4和图5分别为残余应力的测点以及对应的残余应力对比值，测点之间的距离为5mm，测量残余应力用X射线衍射仪的测量直径为1.5mm；从图5中可以看出，采用本发明的技术方案对叶片处理后，应力分布均匀，导致的变形就有规律，而且可控。

Claims (2)

1.一种激光冲击处理曲面的方法，其特征在于包括如下步骤：首先将工件待加工表面三维模型导入PRO/E软件或者其它三维软件，按照预设的加工路径，将光斑的形状按实际的激光束轴线方向投影到工件表面，通过软件提供的测量功能获得每一个在曲面上的投影的面积S _i （其中，i=1，2…...n），若预设的激光功率密度为I ₀ ，激光的脉宽为τ，则可计算出每一个脉冲所需能量E _i =I ₀ ﹒τ﹒S _i ，其中，i=1，2…...n；将获得的每一个脉冲所需能量E _i 导入到工控机，由工控机控制脉冲激光器的放电电压，放电电压U _i =αE _i ，其中，α是常数，不同的激光器其α也不同，i=1，2…...n，从而精确控制每一个激光脉冲的能量，使整个加工表面在激光冲击过程中每个激光光斑的功率密度精确可控；

具体步骤如下：

1）设定实际激光冲击整体叶盘叶片的工作路径；

2）将叶片三维模型导入三维建模软件PRO/E；

 3）在PRO/E软件中按步骤1）所预设好的工作路径将激光光斑沿激光束轴线方向投影于叶片三维模型的待加工表面，利用三维软件的测量功能测量曲面上的激光光斑一的面积，按照此方法分别测量曲面上的激光光斑二、曲面上的激光光斑三…，直至测量出激光冲击路径上所有的曲面上的激光光斑面积S _i ，其中，i=1，2…...n）；测量面积计算出激光冲击路径上各激光光斑所需的放电电压U _i （其中，i=1，2…...n）,并根据公式U _i =αE _i ，从而计算出获得路径上各激光光斑能量E _i 所需的电流，将获得的电流参数通过工控机控制激光发生器的输入电流，从而获得各激光光斑能量E _i ；

4）打开喷嘴，在整体叶盘的叶片表面获得水膜，按照步骤1）的工作路径，按照步骤3）所获得的各电流参数，激光发生器发出的一个脉冲激光经聚焦透镜聚焦后对整体叶盘的叶片表面进行激光冲击处理，工控机控制六自由度机械手移动到下一个工位，按上述步骤进行该工位的激光冲击处理，依次逐个处理路径上所有的工位；

5）当完成一个整体叶盘的叶片的激光冲击处理后，依次对剩余的其它叶片进行如步骤3）至4）的处理过程，完成整体叶盘所有的激光冲击处理。

2.如权利要求1所述的一种激光冲击处理曲面的方法，其特征在于：相邻的激光光斑之间都有一定的搭接量，其搭接量为光斑边长的0.1到0.15。