CN103789529B - 一种激光冲击时效的方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光冲击时效处理的方法和装置，装置包激光发生器、无机盐溶液、水槽、吸收层、工件、工作台、工作台控制器装置、计算机、激光发生器控制装置，将表面喷涂黑色吸收层材料的工件放在大比重的透明液体中然后采用强激光束辐照工件表面，吸收层材料吸收激光能量后发生爆炸形成冲击波，而大比重透明液体可以约束爆炸产物的扩散，增强冲击波的幅值和延长冲击波作用时间，工件表面冲击波向工件内部传播，工件内存在应力的地方的畸变的晶格在冲击波和原有应力联合作用下发生变化，使其恢复正常结构，因而工件内部应力得到释放，实施本发明的激光冲击时效处理，对于单件或小批量的零件，可避免使用功耗较大的热处理炉，节约能源和降低时效处理成本。

Description

一种激光冲击时效的方法
技术领域：
本发明涉及金属加工领域，特指一种基于激光冲击波技术的铸件或焊接件的时效处理方法，尤其适用于小型零件的单件处理。
背景技术：
铸件或焊接件因受热或冷却速度不均匀而存在热应力，在工件使用中热应力缓慢释放会引起工件变形，为减少工件变形，提高机械设备的使用性能，往往需采用一定措施来消除或减少工件中的热应力，常用的消除热应力方法包括自然时效、人工时效、振动消除热应力等，自然时效是将工件长时间放置在露天中通过日晒雨淋和昼夜温差变化促使工件中的热应力释放，这种方法往往需要数年甚至十几年的时间，自然时效处理后的工件比较稳定，变形量很小，但处理周期太长；人工时效是将工件放入加热炉，反复加热冷却促使热应力释放，处理周期较短，一般在十几小时至数天，但应力去除不彻底，工件使用中还会产生一定的变形，且对于新产品开发过程中的单个零件开炉进行人工时效处理能耗太高，经济成本较大，且处理时间比较长；振动消除热应力是采用喷丸、超声振动等方式在工件内部产生压力波，利用压力波来去除工件中的热应力，这种方式产生的工件内部压力波峰值强度较小，工件内残余热应力较大，处理后的工件稳定性较差，对于精度和稳定性要求较高的工件不适用。
发明内容:
本发明的目的是提供一种激光冲击时效处理的方法和装置，可以在短时间内消除工件内部热应力。
技术方案：原理将表面喷涂黑色吸收层材料的工件放在大比重的透明液体中(如饱和食盐水等无机盐溶液中)，然后采用强激光束辐照工件表面，吸收层材料吸收激光能量后发生爆炸形成冲击波，而大比重无机盐溶液作为约束层可以约束爆炸产物的扩散，增强冲击波的幅值和延长冲击波作用时间，工件表面冲击波向工件内部传播，工件内存在应力的地方的畸变的晶格在冲击波和原有应力联合作用下发生变化，使其恢复正常结构，因而工件内部应力得到释放。
本发明一种激光冲击时效处理装置，包括激光发生器、无机盐溶液、水槽、涂有吸收层的工件、工作台、工作台控制器装置、计算机、激光发生器控制装置，工作台上放置水槽、水槽内倒入无机盐溶液，水槽中的无机盐溶液中放置涂有吸收层的工件，在工件正上方悬空设有激光发生器，工作台上还设有工作台控制器，工作台控制器及激光发生控制装置与计算机相连，激光发生器控制装置连接激光发生器，计算机内设有根据几何图形能改变激光参数的软件。
本发明的实施过程如下：
1.计算机根据几何形状确定激光参数，并发出指令控制激光发生器控制装置，使其控制激光发生器输出规定能量和脉冲宽度的激光束；
2.激光束穿过无机盐溶液辐照在工件表面的吸收层材料上，吸收层材料吸收激光能量后气化、离化产生冲击波；
3.在吸收层气化物作用下无机盐溶液形成气泡，同时冲击波向工件内部传播形成压缩应力波；
4.工件中原来存在压应力处原有压应力和冲击波形成的压应力叠加，使压应力幅值超过材料的动态屈服强度，材料发生局部塑性变形，压应力得到一定程度释放；
5.激光脉冲结束后无机盐溶液气泡破裂，形成气蚀，在工件迎光面产生二次压应力冲击波，二次压应力冲击波向工件内部传播，使工件内部存在的压应力处材料再次发生局部微塑性变形，压应力得到进一步释放；
6.当激光冲击波和二次压应力冲击波传播到工件背光面时，在工件表面形成反射波，反射波为拉伸波，拉伸波向工件内部传播，工件内部原有拉应力与反射拉伸波叠加使存在拉应力处材料发生局部微塑性变形，工件内部拉应力得到释放；
7.计算机发出指令给工作台控制器，控制工作台移动，对工件下一点进行冲击处理；
8.根据工艺需求，在计算机控制下对工件相关表面进行逐点冲击处理，直至达到需求的最终应力状态。
因激光参数可控性好，可根据工件形状调节激光参数，工件厚度大、应力集中严重的地方可增加冲击参数和采用较高的激光能量，厚度较小、应力集中较轻的地方可减少冲击次数和采用较低的激光能量。
实施本发明的激光冲击时效处理，对于单件或小批量的零件，可避免使用功耗较大的热处理炉，节约能源和降低时效处理成本，且处理时间短。
附图说明：
下面结合图1对本发明作进一步说明：
图1激光冲击时效装置结构图
图2冲击波传播示意图
图3二次压应力冲击波和反射波示意图
1.激光发生器2.无机盐溶液3.水槽4.吸收层5.工件6.工作台7.工作台控制装置8.计算机9.激光发生器器控制装置11.气泡12.冲击波13.二次压缩波14.反射拉伸波
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
本发明实施的装置由激光发生器1、无机盐溶液2、水槽3、吸收层4、工作台6、工作台控制器装置7、计算机8、激光发生器控制装置9组成。如图1所示。
其中计算机8和工作台控制装置7连接，并和激光发生器控制装置9连接；工作台控制装置7和工作台6连接，激光发生器控制装置9和激光发生器1连接；吸收层材料1喷涂在工件5表面，工件5安放在存有无机盐溶液2的水槽中3，水槽3安装在工作台6上面。
本发明的实施过程如下(如图2所示)：
1.计算机8根据几何形状确定激光参数，工件厚度大、应力集中严重的地方可增加冲击参数和采用较高的激光能量，厚度较小、应力集中较轻的地方可减少冲击次数和采用较低的激光能量；
2.计算机8发出指令控制激光发生器控制装置9，使其控制激光发生器1输出规定能量和脉冲宽度的激光束；
3.激光束穿过无机盐溶液2辐照在工件5表面的吸收层材料4上，吸收层材料4吸收激光能量后气化、离化产生冲击波12；
4.在吸收层气化物作用下无机盐溶液2形成气泡11，同时冲击波12向工件5内部传播形成压缩应力波；
5.工件5中原来存在压应力处原有压应力和冲击波形成的压应力叠加，使压应力幅值超过材料的动态屈服强度，材料发生局部塑性变形，压应力得到一定程度释放；
6.激光脉冲结束后无机盐溶液气泡11破裂，形成气蚀，在工件5迎光面产生二次压应力冲击波13，二次压应力冲击波13向工件内部传播，使工件内部存在的压应力处材料再次发生局部微塑性变形，压应力得到进一步释放；
7.当激光冲击波12和二次压应力冲击波13传播到工件背光面时，在工件5表面形成反射波14，反射波14为拉伸波，拉伸波向工件5内部传播，工件5内部原有拉应力与反射拉伸波叠加使存在拉应力处材料发生局部微塑性变形，工件5内部拉应力得到释放；
8.计算机8发出指令给工作台控制器7，控制工作台6移动，对工件5上的下一点进行冲击处理；
9.根据工艺需求，在计算机8控制下对工件5相关表面进行逐点冲击处理，直至达到需求的最终应力状态。

Claims (2)

1.一种激光冲击时效处理的方法，其特征在于，激光冲击时效处理装置包括激光发生器(1)、无机盐溶液(2)、水槽(3)、涂有吸收层(4)的工件(5)、工作台(6)、工作台控制器(7)、计算机(8)、激光发生器控制装置(9)，工作台(6)上放置水槽(3)、水槽内倒入无机盐溶液(2)，水槽(3)中的无机盐溶液中放置涂有吸收层(4)的工件(5)，在工件(5)正上方设有激光发生器(1)，工作台(6)上还设有工作台控制器(7)，工作台控制器及激光发生器控制装置(9)与计算机(8)相连，激光发生器控制装置(9)连接激光发生器(1)，计算机(8)内设有根据几何图形能改变激光参数的软件；激光冲击时效处理装置来进行处理，其具体方法如下：
(1)计算机(8)根据几何形状确定激光参数；
(2)计算机(8)发出指令控制激光发生器控制装置(9)，使其控制激光发生器(1)输出规定能量和脉冲宽度的激光束；
(3)激光束穿过无机盐溶液(2)辐照在工件(5)表面的吸收层(4)上，吸收层(4)吸收激光能量后气化、离化产生冲击波(12)；
(4)在吸收层气化物作用下无机盐溶液(2)形成气泡(11)，同时冲击波(12)向工件(5)内部传播形成压缩应力波；
(5)工件(5)中原来存在压应力处原有压应力和冲击波形成的压应力叠加，使压应力幅值超过材料的动态屈服强度，材料发生局部塑性变形，压应力得到一定程度释放；
(6)激光脉冲结束后无机盐溶液气泡(11)破裂，形成气蚀，在工件(5)迎光面产生二次压应力冲击波(13)，二次压应力冲击波(13)向工件内部传播，使工件内部存在的压应力处材料再次发生局部微塑性变形，压应力得到进一步释放；
(7)当激光冲击波(12)和二次压应力冲击波(13)传播到工件背光面时，在工件(5)表面形成反射波(14)，反射波(14)为拉伸波，拉伸波向工件(5)内部传播，工件(5)内部原有拉应力与反射拉伸波叠加使存在拉应力处材料发生局部微塑性变形，工件(5)内部拉应力得到释放；
(8)计算机(8)发出指令给工作台控制器(7)，控制工作台(6)移动，对工件(5)上的下一点进行冲击处理；
(9)根据工艺需求，在计算机(8)控制下对工件(5)相关表面进行逐点冲击处理，直至达到需求的最终应力状态。
2.根据权利要求1所述的激光冲击时效处理的方法，其特征在于无机盐溶液为比重大于水的饱和无机盐溶液。
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