CN104152896B - 一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法及其改性装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法，所述焊角处通过冷挤压填充有SiC颗粒，采用方形光斑激光束对填充有SiC颗粒的焊角进行激光冲击强化。本发明还公开了一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法采用的改性装置，包括激光器控制装置、激光器、焊件夹紧装置、工作台、六自由度机械手和计算机控制系统；所述激光器固定连接在所述激光器控制装置上；所述工作台固定连接在所述六自由度机械手上。本发明通过方形光斑激光束对填充有SiC颗粒的焊角进行激光冲击强化，同时纳米修复颗粒SiC渗入激光熔覆层表层从而对表层缺陷进行修复，提高了激光熔覆试样的寿命、安全性和可靠性。

Description

一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性 方法及其改性装置

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆焊角表面强化技术，具体为一种利用纳米修复颗粒和强激光冲击波对激光熔覆焊角进行表面改性方法及其改性装置。

背景技术

目前，激光熔覆因具有对材料表面改性和修复作用而应用广泛，但激光熔覆层之间的热应力、组织应力的传播叠加导致熔覆层内部存在高幅残余拉应力，从而降低熔覆层的机械性能、疲劳性能，其中激光熔覆层与激光熔覆基体结合部位即焊角处为典型的应力集中区域。工作时，疲劳裂纹最易在焊角处萌生和扩展，从而影响工件的安全性、可靠性和服役寿命大大降低，增加维护成本，因此对激光熔覆焊角进行表面处理，提高其机械性能和抑制疲劳裂纹萌生和扩展至关重要。

激光冲击强化或激光喷瓦强化作为一种新型的材料表面强化技术，通过与材料发生冲击波力学效应诱导材料表层高幅残余压应力和细化晶粒，有效消除材料内部的残余拉应力和抑制局部疲劳裂纹的萌生和扩展，显著提高激光熔覆层的疲劳寿命、抗腐蚀和耐磨损性能。江苏大学周建忠等人在专利CN101392382A“一种激光熔覆结合激光喷瓦强化表面改性的方法和装置”中提出利用纳秒脉冲激光器对激光熔覆层表面进行强化从而获得高表面粗糙度和高幅残余压应力的高质量激光熔覆层，但并未考虑对激光熔覆层焊角处进行激光冲击强化，如图1所示，激光冲击强化熔覆层焊角处时，激光束(3)首先照射到激光熔覆层(13)和激光熔覆基体(12)上产生等离子体(15)，从而形成“等离子体屏蔽”效应(光本质上也是电磁波，只不过是频率较高的电磁波，激光激发产生等离子体，当等离子体的密度达到一定程度时，电子的运动就能跟上激光的角频率频率，等离子体中的电子就把激光的能量给吸收掉，激光不能直接把能量传递给靶材了，这就是等离子体屏蔽)，阻碍激光束照射到焊角处，影响激光冲击强化焊角效果。东南大学张永康等人在专利CN103468925A“一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置”中提出将圆形光斑改为高功率密度的条形光斑能有效避免“等离子体屏蔽”效应，但该方法并不适用于激光熔覆层焊角。

发明内容

根据上述提出的现有技术不能解决激光熔覆层焊角的“等离子体屏蔽”效应的技术问题，而提供一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法及其改性装置。

本发明采用的技术手段如下：

一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法，所述焊角处通过冷挤压填充有SiC颗粒，采用方形光斑激光束对填充有SiC颗粒的焊角进行激光冲击强化，激光冲击强化光斑一般采用圆形光斑和方形光斑，但是圆形光斑的利用率比较低，而且获得的表面轮廓存在不均匀等问题，为提高激光冲击处理光斑利用率和获得更平整的表面，我们采用了光束整形技术，实现圆形光斑向方形光斑的转化，从而使方形光斑激光冲击强化试样表面获得更光滑的冲击区和更均匀的残余压应力，所述焊角为激光熔覆层与激光熔覆基体之间的夹角，所述激光熔覆基体为与所述激光熔覆层接触的所述焊件的表面，激光束诱导强激光冲击波一方面穿过SiC颗粒到达焊角，诱导焊角表面形成高幅残余压应力和细化晶粒，另一方面强激光冲击波将纳米修复颗粒SiC渗入到激光熔覆层，纳米修复颗粒SiC填充和修复熔覆层缺陷(孔隙和微裂纹)，抑制激光熔覆层的裂纹萌生和扩展，避免瞬间疲劳断裂等现象发生，提高了激光熔覆层的安全性和可靠性。

进一步地，所述SiC颗粒在所述焊角处形成一过渡圆弧面，所述过渡圆弧面的半径为r，所述方形光斑激光束的边长小于所述SiC颗粒在所述焊角处形成一个半径为r的过渡圆弧面，使激光束直接打在过渡圆弧面的表面而非焊角处，避免发生等离子体屏蔽效应,半径为r的过渡圆弧面的最大弦长为(1.414r)，为避免发生等离子体屏蔽效应，必须保证激光冲击方形光斑边长小于圆弧面最大弦长,即所述方形光斑激光束的边长小于

进一步地，所述过渡圆弧面的半径为4mm，所述方形光斑激光束的边长为3-5mm，激光能量为30-40J，脉冲宽度为30ns。

本发明还提供了一种上述所述的纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法采用的改性装置，包括激光器控制装置、激光器、焊件夹紧装置、工作台、六自由度机械手和计算机控制系统；

所述激光器固定连接在所述激光器控制装置上；

所述工作台固定连接在所述六自由度机械手上；

工作状态下，焊件通过所述焊件夹紧装置固定在所述工作台上；所述计算机控制系统控制所述六自由度机械手调整所述工作台的位置，同时所述计算机控制系统控制所述激光器控制装置控制所述激光器实现对整个焊角表面的激光冲击强化。

进一步地，所述焊件夹紧装置包括螺杆，螺母一，固定夹块，固定部，导向块和移动滑块；

所述固定部与所述工作台固定连接；

所述固定夹块和所述导向块分别与所述固定部固定连接；

所述螺母一与所述固定夹块固定连接；

所述移动滑块通过导轨一与所述导向块滑动连接，所述导轨一的方向垂直于所述工作台；

所述螺杆的轴线垂直于所述工作台，所述螺杆依次穿过所述螺母一、固定夹块和移动滑块，

所述螺杆与所述螺母一之间通过螺纹一连接，

所述螺杆与所述移动滑块之间通过螺纹二连接，所述螺纹一的螺纹方向与所述螺纹二的螺纹方向相反。

进一步地，所述螺杆远离所述移动滑块的一端设有轴套，所述轴套通过所述螺母二与所述螺杆固定，所述轴套的侧壁上设有一通孔，所述通孔的内壁上设有一手柄，所述手柄为一弯折手柄，所述手柄包括手持杆和驱动杆，所述手持杆与所述驱动杆在所述手柄的弯折处连接，所述手柄通过穿过所述手柄弯折处的中心销轴与所述通孔的内壁活动连接，所述手持柄位于所述轴套的外部，所述驱动杆位于所述轴套的内部；

所述螺杆位于所述轴套内的一段上设有一定位轴肩；

所述轴套的内壁上通过导轨二连接有一啮合滑块，所述啮合滑块的一端通过弹簧与所述螺母二连接，所述导轨二的方向垂直于所述工作台；

所述手柄绕所述中心销轴旋转并通过所述驱动杆驱动所述啮合滑块沿所述导轨二移动；

所述手持杆与所述轴套之间还设有一弹簧片；

工作状态下，所述手柄绕所述中心销轴旋转至所述手持杆的轴线与所述螺杆的轴线相互垂直位置，此时所述弹簧片为压缩状态，所述弹簧为伸长状态，所述驱动杆驱动所述啮合滑块与所述定位轴肩啮合，绕着所述螺杆的轴线旋转所述手柄，所述手柄带动所述轴套，所述轴套通过导轨二带动所述啮齿滑块，所述啮齿滑块带动所述螺杆；

非工作状态时，所述弹簧片恢复原状并带动所述手柄恢复原状，所述弹簧恢复原状带动所述啮合滑块离开所述定位轴肩，此时所述手柄绕所述螺杆的轴线旋转不能带动所述螺杆转动。

一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法的具体步骤如下：

1)采用所述焊件夹紧装置将焊件固定在所述工作台上；

2)所述焊角处通过冷挤压填充有SiC颗粒，使所述焊角处形成一过渡圆弧面；

3)所述过渡圆弧面的上表面设有铝箔，所述铝箔表面覆盖一水约束层,选择铝箔是因为铝箔厚度均匀和易于涂覆在所述过渡圆弧面表面且易于去除清理；

4)根据所述焊件材料特性和所述过渡圆弧面的几何特性，所述计算机控制系统确定所述过渡圆弧面上的激光冲击工艺路径以及所述激光器的工艺参数；

5)所述计算机控制系统控制所述六自由度机械手调整所述工作台的位置，使所述过渡圆弧面上的激光冲击工艺路径对应的每个激光冲击区域的法线方向与所述激光束方向相平行，同时所述计算机控制系统控制所述激光器控制装置控制所述激光器实现对整个焊角表面的激光冲击强化。

与现有技术相比，本发明采用方形光斑激光束对填充有SiC颗粒的焊角进行激光冲击强化，使得激光束直接冲击过渡圆弧面而非焊角，有效避免“等离子体屏蔽”现象，激光冲击过渡圆弧表面诱导的高压和高温冲击波一方面对焊角表面进行改性强化，另一方面冲击波使纳米修复颗粒SiC渗入激光熔覆层表层从而对表层缺陷(孔隙和微裂纹)进行修复，激光冲击强化和纳米修复颗粒共同作用下，提高了激光熔覆试样的寿命、安全性和可靠性。

基于上述理由本发明可在激光熔覆焊角表面强化技术等领域广泛推广。

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详细的说明。

图1是“等离子体屏蔽”示意图。

图2是本发明的具体实施方式中的改性装置示意图。

图3是本发明的具体实施方式中激光冲击强化焊角示意图。

图4是本发明的具体实施方式中激光冲击强化加工路径示意图。

图5是本发明的具体实施方式中纳米级SiC颗粒修复激光熔覆层示意图。

图6是本发明的具体实施方式中焊角表面残余应力测试点示意图。

图7是本发明的具体实施方式中焊件夹紧装置示意图。

图8是图7中I部放大剖视示意图。

其中，1、激光器控制装置，2、激光器，3、激光束，4、水约束层，5、铝箔，6、SiC颗粒，7、焊件夹紧装置，8、焊件，9、工作台，10、六自由度机械手，11、计算机控制系统，12、激光熔覆基体，13、激光熔覆层，14、焊角，15、等离子体，16、过渡圆弧面，17、激光冲击工艺路径，18、激光冲击区域，19、孔隙，20、微裂纹，21、纳米级SiC颗粒，22、A点，23、B点，24、C点，25、D点，26、E点，27、F点，701、手柄，702、弹簧片，703、螺杆，704、螺母一，705、固定夹块，706、固定部，707、导向块，708、移动滑块，7011、手持杆，7012、驱动杆，7013、中心销轴，7031、螺母二，7032、弹簧，7033、轴套，7034啮合滑块，7035、定位轴肩。

具体实施方式

实施例一

如图2所示，一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法采用的改性装置，包括激光器控制装置1、激光器2、焊件夹紧装置7、工作台9、六自由度机械手10和计算机控制系统11；

所述激光器2固定连接在所述激光器控制装置1上；

所述工作台9固定连接在所述六自由度机械手10上；

工作状态下，焊件8通过所述焊件夹紧装置7固定在所述工作台9上；所述计算机控制系统11控制所述六自由度机械手10调整所述工作台9的位置，同时所述计算机控制系统11控制所述激光器控制装置1控制所述激光器2实现对整个焊角14表面的激光冲击强化。

所述焊件夹紧装置7包括螺杆703，螺母一704，固定夹块705，固定部706，导向块707和移动滑块708；

所述固定部706与所述工作台9固定连接；

所述固定夹块705和所述导向块707分别与所述固定部706固定连接；

所述螺母一704与所述固定夹块705固定连接；

所述移动滑块708通过导轨一与所述导向块707滑动连接，所述导轨一的方向垂直于所述工作台9；

所述螺杆703的轴线垂直于所述工作台9，所述螺杆703依次穿过所述螺母一704、固定夹块705和移动滑块708，

所述螺杆703与所述螺母一704之间通过螺纹一连接，

所述螺杆703与所述移动滑块708之间通过螺纹二连接，所述螺纹一的螺纹方向与所述螺纹二的螺纹方向相反。

进一步地，所述螺杆703远离所述移动滑块708的一端设有轴套7033，所述轴套7033通过所述螺母二7031与所述螺杆703固定，所述轴套7033的侧壁上设有一通孔，所述通孔的内壁上设有一手柄701，所述手柄为一弯折手柄，所述手柄包括手持杆7011和驱动杆7012，所述手持杆7011与所述驱动杆7012在所述手柄701的弯折处连接，所述手柄701通过穿过所述手柄701弯折处的中心销轴7013与所述通孔的内壁活动连接，所述手持杆7011位于所述轴套7033的外部，所述驱动杆7012位于所述轴套7033的内部；

所述螺杆703位于所述轴套7033内的一段上设有一定位轴肩7035；

所述轴套7033的内壁上通过导轨二连接有一啮合滑块7034，所述啮合滑块7034的一端通过弹簧7032与所述螺母二7031连接，所述导轨二的方向垂直于所述工作台9；

所述手柄701绕所述中心销轴7013旋转并通过所述驱动杆7012驱动所述啮合滑块7034沿所述导轨二移动；

所述手持杆7011与所述轴套7033之间还设有一弹簧片702；

工作状态下，所述手柄701绕所述中心销轴7013旋转至所述手持杆7011的轴线与所述螺杆703的轴线相互垂直位置，此时所述弹簧片702为压缩状态，所述弹簧7032为伸长状态，所述驱动杆7012驱动所述啮合滑块7034与所述定位轴肩7035啮合，绕着所述螺杆703的轴线旋转所述手柄701，所述手柄701带动所述轴套7033，所述轴套7033通过导轨二带动所述啮齿滑块7034，所述啮齿滑块7034带动所述螺杆703；

非工作状态时，所述弹簧片702恢复原状并带动所述手柄701恢复原状，所述弹簧7032恢复原状带动所述啮合滑块7034离开所述定位轴肩7035，此时所述手柄701绕所述螺杆703的轴线旋转不能带动所述螺杆703转动。

实施二

为了避免出现图1所示的“等离子体屏蔽”现象，采用图3所示的纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法，该方法具体步骤为：

1)采用所述焊件夹紧装置7将焊件8固定在所述工作台9上；

2)所述焊角处通过冷挤压填充有SiC颗粒，使所述焊角处形成一过渡圆弧面，所述过渡圆弧面16分别与激光熔覆层13和激光熔覆基体12相切，所述过渡圆弧面16的半径为4mm，所述激光熔覆层13的材料为3545铁基合金，所述焊件8的材料为304不锈钢；

3)所述过渡圆弧面16的上表面设有铝箔5，所述铝箔5表面覆盖一水约束层4；

4)如图4所示，根据所述焊件8材料特性和所述过渡圆弧面16的几何特性，所述计算机控制系统11确定所述过渡圆弧面16上的激光冲击工艺路径17以及所述激光器2的工艺参数，所述激光器2的工艺参数为：所述方形光斑激光束的边长为3mm，激光能量为30J，脉冲宽度为30ns；

5)所述计算机控制系统11控制所述六自由度机械手10调整所述工作台9的位置，使所述过渡圆弧面16上的激光冲击工艺路径17对应的每个激光冲击区域18的法线方向与所述激光束3方向相平行，同时所述计算机控制系统11控制所述激光器控制装置1控制所述激光器2实现对整个焊角14表面的激光冲击强化并通过纳米级SiC颗粒21修复激光熔覆层13的孔隙19和微裂纹20，如图5所述。

实施例三

将实施例二中的激光能量改为40J，方形光斑边长改为5mm，其他方法和步骤不变。

表1为实施例中焊角表面残余应力测试的结果

表1中数值正表示为拉应力，数值负表示为压应力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法，其特征在于：所述焊角处通过冷挤压填充有SiC颗粒，采用方形光斑激光束对填充有SiC颗粒的焊角进行激光冲击强化，所述SiC颗粒在所述焊角处形成一过渡圆弧面；

所述过渡圆弧面的半径为r，所述方形光斑激光束的边长小于；

上述表面改性方法通过以下改性装置实现，

所述改性装置包括激光器控制装置、激光器、焊件夹紧装置、工作台、六自由度机械手和计算机控制系统；

所述激光器固定连接在所述激光器控制装置上；

所述工作台固定连接在所述六自由度机械手上；

工作状态下，焊件通过所述焊件夹紧装置固定在所述工作台上；所述计算机控制系统控制所述六自由度机械手调整所述工作台的位置，同时所述计算机控制系统控制所述激光器控制装置控制所述激光器实现对整个焊角表面的激光冲击强化；

所述焊件夹紧装置包括螺杆，螺母一，固定夹块，固定部，导向块和移动滑块；

所述固定部与所述工作台固定连接；

所述固定夹块和所述导向块分别与所述固定部固定连接；

所述螺母一与所述固定夹块固定连接；

所述移动滑块通过导轨一与所述导向块滑动连接，所述导轨一的方向垂直于所述工作台；

所述螺杆的轴线垂直于所述工作台，所述螺杆依次穿过所述螺母一、固定夹块和移动滑块；

所述螺杆与所述螺母一之间通过螺纹一连接；

所述螺杆与所述移动滑块之间通过螺纹二连接，所述螺纹一的螺纹方向与所述螺纹二的螺纹方向相反。

2.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于：所述过渡圆弧面的半径为4mm，所述方形光斑激光束的边长为3-5mm，激光能量为30-40J，脉冲宽度为30ns。

3.根据权利要求1所述的表面改性方法，其特征在于：所述螺杆远离所述移动滑块的一端设有轴套，所述轴套通过所述螺母二与所述螺杆固定，所述轴套的侧壁上设有一通孔，所述通孔的内壁上设有一手柄，所述手柄为一弯折手柄，所述手柄包括手持杆和驱动杆，所述手持杆与所述驱动杆在所述手柄的弯折处连接，所述手柄通过穿过所述手柄弯折处的中心销轴与所述通孔的内壁活动连接，所述手持柄位于所述轴套的外部，所述驱动杆位于所述轴套的内部；

所述螺杆位于所述轴套内的一段上设有一定位轴肩；

所述轴套的内壁上通过导轨二连接有一啮合滑块，所述啮合滑块的一端通过弹簧与所述螺母二连接，所述导轨二的方向垂直于所述工作台；

所述手柄绕所述中心销轴旋转并通过所述驱动杆驱动所述啮合滑块沿所述导轨二移动；

所述手持杆与所述轴套之间还设有一弹簧片；

工作状态下，所述手柄绕所述中心销轴旋转至所述手持杆的轴线与所述螺杆的轴线相互垂直位置，此时所述弹簧片为压缩状态，所述弹簧为伸长状态，所述驱动杆驱动所述啮合滑块与所述定位轴肩啮合，绕着所述螺杆的轴线旋转所述手柄，所述手柄带动所述轴套，所述轴套通过导轨二带动所述啮齿滑块，所述啮齿滑块带动所述螺杆；

非工作状态时，所述弹簧片恢复原状并带动所述手柄恢复原状，所述弹簧恢复原状带动所述啮合滑块离开所述定位轴肩。