CN105177273B - 一种提高关键重要构件疲劳强度的激光冲击强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工领域，特指一种提高关键重要构件疲劳强度的激光冲击强化方法。先通过试验确定关键重要构件应力集中区域位置及其面积，再根据应力集中部位的面积将激光冲击强化层数分为三层，其激光冲击面积逐层减小，且每层激光冲击区域与应力集中区域中心对齐，从而在应力集中部位及其附近区域形成梯度式变化的激光冲击强化层。本方法可以在应力集中部位及其周围区域形成以应力集中部位为中心的梯度式应力分布，使得应力集中部位得到较周围区域更好的强化效果，且它可以在关键重要构件应力集中部位诱导较深的晶粒细化层和残余压应力层，提高关键重要构件的疲劳强度，延长其疲劳寿命。

Description

一种提高关键重要构件疲劳强度的激光冲击强化方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种在关键重要构件应力集中部位诱导梯度残余应力，提高关键重要构件强度的激光冲击强化方法，特别适合于关键重要构件的应力集中部位的强化处理。

背景技术

激光冲击强化（laser shock peening / processing , LSP）是一种新型的表面强化技术，主要是采用短脉冲（几十纳秒）、高峰值功率密度（>10⁹W/cm²）的激光辐照在金属表面，激光束通过约束层之后被吸收层吸收，吸收层从而获得能量形成爆炸性气化蒸发，产生高温高压的等离子体，由于外层约束层的约束，等离子体形成高压冲击波从而向材料内部传播，利用冲击波的力效应在材料表层发生塑性变形，使得表层材料微观组织发生变化，并在较深的厚度上形成残余压应力，而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，显著提高关键零件构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技术是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。

关键重要构件由于功能和作用不同，构件各部分受力不均匀，因此断裂失效通常位于应力集中部位。研究表明：在金属关键重要构件表层引入应力梯度可以大幅提升关键部位的疲劳强度，延长构件的使用寿命；以往的研究大部分聚焦在大面积激光搭接冲击诱导均匀的表面形貌和残余应力场，如果针对关键重要构件承受载荷的不同，在应力集中部位诱导梯度应力和细化晶粒，能够有效提高关键重要构件的机械性能和疲劳寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了针对关键重要零件的应力集中部位的表层激光冲击强化方法，本方法主要是对应力集中部位进行多层不同面积的冲击强化，在应力集中部位周围形成梯度式分布的残余压应力，从而提高应力集中部位的疲劳强度，增加其疲劳寿命。

其具体实步骤如下：

（1）选取N个同一种关键重要构件进行拉伸试验，记录N个不同断口的位置，将相距最远的两个断口之间的区域视为应力集中部位，并用计算几何面积的方法计算面积A，以此方法确定关键重要构件的应力集中部位及其面积A，且其中N≥15。

（2）以步骤（1）所确定的面积A区域为中心向外扩展B倍，对该区域进行第一层激光冲击强化处理，其中4≤B≤5，激光光斑为圆形，激光冲击强化参数如下：光斑直径为3 mm，脉宽为8-30 ns，脉冲能量3-15 J，横向纵向搭接率均为50%。

（3）以步骤（1）所确定的面积A区域为中心向外扩展C倍，对该区域进行第一层激光冲击强化处理，其中，C=B/2，激光光斑为圆形，激光冲击参数与步骤（2）相同。

（4）对步骤（1）所确定的面积A进行第三层激光冲击强化处理，激光光斑为圆形，其中激光冲击参数与步骤（2）相同，至此完成此方法的激光冲击加工。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本文所述梯度式激光冲击强化方法的示意图。

图2为本文所述梯度式激光冲击强化方法的操作步骤流程图。

图3为本文具体实施案例试样尺寸示意图。

图4为本文具体实施案例试样应力集中部位及其面积A。

图5为本文具体实施案例试样第一层激光冲击强化处理部位及其面积B。

图6为本文具体实施案例试样第二层激光冲击强化处理部位及其面积C。

图7为本文具体实施案例试样中测量应力的点的分布图。

图8为未进行激光冲击强化试样的应力分布图。

图9为采用本文方法进行梯度式激光冲击强化后试样的应力分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。

本实施例所采用拉伸试验的国家标准试样，具体尺寸如图3所示，标距为50×15mm²，试样基体材料为镁合金。

一种使用上述强化处理方法进行处理的试样的实例，其步骤为：

（1）利用万能实验机对准备好的15个镁合金标准试样进行拉伸试验，对比以上得到的15个断口的位置，发现相距最远的两个断口分布于试样中心区域，其中，最左边的断口距左端99 mm，最右边的断口距右端102 mm，两个断口之间的距离为10 mm，而构件的宽度为15 mm，故计算得出应力集中部位大致位于试样中心区域，根据长方形面积的计算公式：长×宽，即10×15=150 mm²，则得出，面积A=150 mm²，其面积具体分布见图4。

（2）以步骤（1）得到的面积A为中心向外扩张4倍，对以面积A为中心的600 mm²范围内的区域B进行第一层激光冲击强化处理，其面积的具体分布图见图5，其中激光冲击强化用的脉冲激光束为圆形光斑，光斑直径为3 mm，脉宽为15 ns，脉冲能量3 J，横向纵向搭接率均为50%。

（3）以步骤（1）所确定的面积A为中心向外扩张2倍。对以面积A为中心的300 mm²范围内的区域C进行第二层激光冲击强化处理，其面积的具体分布图见图6，其激光冲击参数同步骤（2）一致：脉冲激光束为圆形光斑，光斑直径为3 mm，脉宽为15 ns，脉冲能量3 J，每横向纵向搭接率均为50%。

（4）对步骤（1）所确定的面积A进行第三层激光冲击强化处理，至此完成此方法的激光冲击加工，其中激光冲击参数同步骤（2）一致：脉冲激光束为圆形光斑，光斑直径为3mm，脉宽为15 ns，脉冲能量3 J，横向纵向搭接率均为50%。

如图7所示，对未进行激光强化处理以及按此方法进行激光强化处理的试样a、b、c、d、e五个区域均进行应力测量，其中a、e是一层激光冲击的区域，b、d是两层激光冲击的区域，e是三层激光冲击的区域。得出的应力图分别如图8、9所示。

如图8所示，未进行激光冲击强化处理的试样中心及其周围区域的应力几乎相同,在288 MPa上下波动。

如图9所示，进行过本方法的激光强化处理的试样在中心及其周围区域形成了应力的梯度分布；第一层激光冲击强化处理的区域应力几乎相同且最低，在407 MPa左右波动，第二层激光冲击强化处理的区域其次，大约513 MPa，第三层激光冲击强化处理的区域即应力集中的部位的应力最高，在649 MPa附近，从而形成以应力集中部位为中心的梯度应力分布；因此得出结论：本方法可以在应力集中部位及其周围区域形成以应力集中部位为中心的梯度式应力分布，使得应力集中部位得到较周围区域更好的强化效果，且它可以在关键重要构件应力集中部位诱导较深的残余压应力，提高其部位的疲劳强度，延长其疲劳寿命，并增强其拉伸性能，从而使得应力集中部位得到更好的机械性能。

Claims (5)

1.一种提高关键重要构件的激光冲击强化方法，其特征在于：选取N个同一种关键重要构件进行拉伸试验，通过试验确定其应力集中区域位置及其面积，再根据应力集中部位的面积将激光冲击强化层数分为三层，其激光冲击面积逐层减小，从而在应力集中部位及其附近区域形成梯度式变化的激光冲击强化层，产生应力梯度，具体步骤如下：

(1)选取N个关键重要构件进行拉伸试验，记录N个不同断口的位置，采取对比统计的方法确定关键重要构件的应力集中部位及其面积A；

(2)以步骤(1)所确定的面积A区域为中心向外扩展B倍，对该区域进行第一层激光冲击强化处理；

(3)以步骤(1)所确定的面积A区域为中心向外扩展C倍，对该区域进行第二层激光冲击强化处理；

(4)对步骤(1)所确定的面积A区域进行第三层激光冲击强化处理，至此完成此方法的激光冲击加工。

2.如权利要求1中所述的提高关键重要构件的激光冲击的强化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所选样品数量N≥15。

3.如权利要求2中所述的提高关键重要构件的激光冲击强化方法，其特征在于：所述步骤(1)中，应力集中部位及其面积A通过如下方式获得：对比步骤1中记录的N个断口之间距离，将相距最远的两个断口之间的区域视为应力集中部位，计算出其面积A。

4.如权利要求2所述的提高关键重要构件的激光冲击强化方法，其特征在于：所述步骤(2)中4≤B≤5，所述步骤(3)中C＝B/2。

5.如权利要求2所述的提高关键重要构件的激光冲击的强化方法，其特征在于：所述步骤(2)(3)(4)中，激光光斑为圆形，激光冲击强化参数如下：光斑直径为3mm，脉宽为8-30ns，脉冲能量3-15J，横向和纵向搭接率均为50％。