CN105039652B - 一种用于曲面的方形光斑激光冲击均匀强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明方法涉及激光加工领域，特指一种用于曲面的方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法。即在对曲面进行激光冲击时，根据曲面曲率不同调节方形光斑的尺寸，每层采用变光斑进行大面积激光冲击强化，且每一层均采用能量均匀分布的方形光斑进行紧挨不搭接，采用多层交错激光冲击强化，相邻两层之间光斑位置在横向与纵向均按一定比例均匀交错的方法来实现金属件的表面均匀强化。该方法实现了对曲面进行有效的激光冲击强化，并且能显著消除方形光斑的边界效应，使工件表层晶粒细化，提高大面积激光冲击强化的稳定性和可靠性，获得均匀强化效果并且加工效率高。
Description
技术领域
本发明方法涉及激光加工领域，特指一种用于曲面的方形光斑激光冲击均匀强化方法，特别适合于汽轮机叶片和转动体零部件，圆盘，齿轮轴和轴承等曲面零件的均匀强化处理。
背景技术
激光冲击强化（又叫激光喷丸）是一种新型的材料表面强化技术，利用强激光诱导的冲击波使金属表层产生剧烈塑性变形，诱导较深残余压应力和细化晶粒，显著提高了金属零件表面性能，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点；其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力，大量的研究证明激光冲击强化导致的残余压应力使裂纹萌生位置改变，延长裂纹萌生时间，降低裂纹扩展速度，提高材料寿命的有效手段。
工业上，我国多起汽轮机叶片以及各种转动体零部件疲劳和腐蚀失效大多是由于疲劳载荷与溶解氧、氯化物等含腐蚀介质的高温环境交互作用而导致腐蚀和侵蚀，这对汽轮机叶片以及各种转动体零部件抗疲劳强度和抗腐蚀性能提出了严峻考验；工业汽轮机低压过渡区叶片以及各种转动体零部件都含有复杂的扭曲面，其各个部位的曲率大小不一；激光冲击强化方法大多应用于平面，应用于曲面的研究比较少。另外，普通激光冲击强化处理容易使吸收层翘曲剥落，导致叶片表面烧蚀和破损;导致冲击产生的残余压应力场和表面微形貌不均匀，强化效果不一致；变曲率扭曲表面的激光冲击强化工艺无法达到标准。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种应用于曲面的方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法，即在对不同曲面进行激光冲击时，根据曲面曲率的变化调节方形光斑的大小，冲击时采用多层交错强化方法，每一层均采用能量均匀分布的方形光斑进行紧挨不搭接的激光冲击强化，相邻两层之间光斑位置在横向与纵向均按一定比例均匀交错的方法来实现金属件的表面均匀强化；该方法实现了对曲面进行有效的激光冲击强化，并且能显著消除方形光斑的边界效应，使工件表层晶粒细化，提高大面积激光冲击强化的稳定性和可靠性，获得均匀强化效果并且加工效率高，实现曲面类零件的均匀强化，具体步骤为：
（1）通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，边长为a，根据曲率的变化确定a的值。
设定曲率k范围在0~125之间，根据曲率半径r=1/k，单位：m；k等于0时，r为无穷大，此时曲面为平面；k等于125时，r=8mm，此时曲面弯曲程度已经很大，当曲率半径大于125时，本方法不再适用；光斑尺寸选择具体如下：当曲率k=k1*k2（k1、k2为曲面上某点的两个主曲率）在0~42时，光斑边长a取8mm；k在42~84时，a取4mm；k在84~125时，a取2mm。
（2）将工件安装在五轴工作台上，并在工件待加工表面覆盖吸收层，在吸收层表面根据曲率的大小绘制相应边长a的方形网格；当曲率k在0~42时，光斑边长a取8mm；k在42~84时，a取4mm；k在84~125时，a取2mm。
（3）通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角重合，在冲击区域起始拐角作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
（4）采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化，采用逐行冲击的方法，当曲率k在0~42范围内，调节光斑为8mm，对曲面进行冲击；当曲率k在42~84范围内，调节光斑为4mm，对曲面进行冲击；当曲率k在84~125范围内，调节光斑为2mm，对曲面进行冲击，在冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接。
（5）更换吸收层，并在吸收层表面重新绘制网格。
（6）通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角的重合位置从上一层中的冲击区域起始拐角在横向与纵向均按一定比例均向冲击区域外偏移b，作为第二层的激光冲击强化处理起始点位置。
（7）采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统调节五轴工作台的转动和移动实现对工件待加工表面进行第二层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接。
（8）重复步骤（5）（6）（7），直至完成第N层激光冲击强化。
本发明所采用的激光冲击强化用的脉冲激光束为正方形光斑，边长a为2，4，8 mm，频率为1~5 Hz，脉宽为8~30 ns，脉冲能量3~15 J，激光强化冲击偏移量b=8/N；采用流水作为约束层，厚度为1 mm；吸收层材料为铝箔，厚度为100 μm。
本发明的有益效果：实现了对曲面进行有效的激光冲击强化，并且能消除方形光斑的边界效应，工件表层晶粒细化，提高大面积激光冲击强化的稳定性和可靠性，获得均匀强化效果且加工效率高。
附图说明
图1激光冲击曲面工件示意图。
图2方形光斑单层冲击时光斑排列示意图。
图3为方形光斑激光多层交错冲击均匀强化方法的示意图。
图4为AM50镁合金曲面激光冲击区域金相图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的说明。
本实施例所采用的曲面基体材料为AM50镁合金；激光器的工艺参数为：脉宽8 ns，频率1 Hz，脉冲能量6 J，光斑形状为方形，本实例中相邻方形光斑紧挨不搭接如图2。具体步骤为：
（1）通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，边长为a，根据曲率的变化确定a的值；本实例中曲面曲率分为3个部分，分别为k在0~42，42~84，84~125内，当k在0~42时，光斑边长a取8mm；当k在42~84时，a取4mm；当k在84~125时，a取2mm。
（2）将工件安装在五轴工作台上，并在工件待加工表面覆盖吸收层，在吸收层表面根据曲率的大小绘制相应边长a的方形网格；N=3。
（3）通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角重合，在冲击区域起始拐角作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。
（4）采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化，采用逐行冲击的方法，当曲率k在0~42范围内，调节光斑为8mm，对曲面进行冲击；当曲率k在42~84范围内，调节光斑为4mm，对曲面进行冲击；当曲率k在84~125范围内，调节光斑为2mm，对曲面进行冲击。在冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接。
（5）更换吸收层，并在吸收层表面重新绘制网格。
（6）通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角的重合位置从上一层中的冲击区域起始拐角在横向与纵向均按一定比例均向冲击区域外偏移b=a/N=8/3 mm，作为第二层的激光冲击强化处理起始点位置。
（7）采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统调节五轴工作台的转动和移动实现对工件待加工表面进行第二层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接。
（8）重复步骤（5）（6）（7），直至完成第3层激光冲击强化，如图3。
图4-(a)为AM50镁合金曲面激光冲击单层后的金相图，图4-(b)为AM50镁合金曲面激光冲击3层后的金相图；由图可以看出：AM50镁合金曲面经单层冲击后，曲面表层产生大量机械孪晶，晶粒尺寸大小为~10 μm；经3层冲击后，曲面表层晶粒得到进一步细化且分布均匀, 晶粒尺寸大小为~5 μm；表层晶粒进一步细化说明：方形光斑激光多层交错冲击曲面可以获得激光冲击强化均匀强化的效果。
Claims (3)
1.一种用于曲面的方形光斑激光冲击均匀强化方法，其特征在于：在对不同曲面进行激光冲击时，根据曲面曲率的变化调节方形光斑的大小，冲击时采用多层交错强化方法，每一层均采用能量均匀分布的方形光斑进行紧挨不搭接的激光冲击强化，每冲击一层后更换吸收层再进行下一层冲击，相邻两层之间光斑位置在横向与纵向均按一定比例均匀交错，每层激光冲击参数相同，从而实现金属件的表面均匀强化，具体步骤如下：
(1)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，边长为a，根据曲率的变化确定a的值；
设定曲率k范围0＜k＜125，根据曲率半径r＝1/k，单位：m；当曲率半径k等于0和大于125时，本方法不再适用，光斑尺寸选择具体如下：当曲率k＝k1*k2，k1、k2为曲面上某点的两个主曲率；在0＜k＜42时，光斑边长a取8mm；k在42～84时，a取4mm；当84＜k＜125时，a取2mm；
(2)将工件安装在五轴工作台上，并在工件待加工表面覆盖吸收层，在吸收层表面根据曲率的大小绘制相应边长a的方形网格；当曲率0＜k＜42时，光斑边长a取8mm；k在42～84时，a取4mm；当84＜k＜125时，a取2mm；
(3)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角重合，在冲击区域起始拐角作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致；
(4)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化，采用逐行冲击的方法，当曲率0＜k＜42时，调节光斑边长为8mm，对曲面进行冲击；当曲率k在42～84范围内，调节光斑边长为4mm，对曲面进行冲击；当84＜k＜125时，调节光斑边长为2mm，对曲面进行冲击，在冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接；
(5)更换吸收层，并在吸收层表面重新绘制网格；
(6)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角的重合位置从上一层中的冲击区域起始拐角在横向与纵向均按一定比例均向冲击区域外偏移b，作为第二层的激光冲击强化处理起始点位置；
(7)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统调节五轴工作台的转动和移动实现对工件待加工表面进行第二层激光冲击强化，冲击过程中相邻方形光斑紧挨不搭接；
(8)重复步骤(5)(6)(7)，直至完成第N层激光冲击强化；
激光强化冲击偏移量b＝8/N，mm。
2.如权利要求1所述的一种用于曲面的方形光斑激光冲击均匀强化方法，其特征在于：所采用的激光冲击强化用的脉冲激光束为正方形光斑，频率为1～5Hz，脉宽为8～30ns，脉冲能量3～15J。
3.如权利要求1所述的一种用于曲面的方形光斑激光冲击均匀强化方法，其特征在于：采用流水作为约束层，厚度为1mm；吸收层材料为铝箔，厚度为100μm。
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