CN106282532A - 一种获得金属表层晶粒混合分布的激光冲击强化组合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工领域，特指一种获得金属表层晶粒混合分布的激光冲击强化组合方法。本发明采用激光冲击强化对金属工件表面按照设计的轨迹进行冲击，并且通过改变激光的功率密度及光斑直径来实现特定的冲击方式。该方法能够在金属工件表面形成特定的粗细相间分布的晶粒，并在深度方向形成晶粒的不均匀分布，从而获得混合晶粒分布。本发明实现在表面和深度方向的晶粒混合分布，为制造较宽的晶粒尺寸分布提供了一种可行的方法。

Description

一种获得金属表层晶粒混合分布的激光冲击强化组合方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指一种获得金属表层晶粒混合分布的激光冲击强化组合方法。
背景技术
现有的常用的提升金属抗腐蚀能力的方法有表面涂层，电化学保护法，腐蚀介质处理法等，但这些方法大多都是通过改变金属的服役环境，或者是通过在金属的表面进行涂层，隔绝材料从而提升抗腐蚀能力。
而在实际高温高压和氯化物腐蚀介质等交互环境下，金属材料表面残余应力因素对抗腐蚀性能有影响，此外表层晶粒尺寸分布也是影响其抗应力腐蚀性能的重要因素。美国麻省理工大学Gollapudi博士研究认为在非钝化环境下较宽的晶粒尺寸分布相较于完全的细晶分布，能显著提高合金的抗腐蚀能力。
已有的相关研究表明，经过激光冲击之后的材料表层晶粒得到一定的细化，对金属材料的抗腐蚀性能有较大的提高，因此，提供一种能够制造较宽的晶粒尺寸分布的方法成为一种可行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用设计的激光冲击强化组合方法来实现在金属工件表面和深度方向的晶粒混合分布的方法。
具体技术方案为：采用大功率激光对金属工件表面按照设计的轨迹进行冲击，同时改变脉冲激光的功率密度及光斑直径来实现特定的冲击方式。
具体步骤如下:
(1)根据金属工件的屈服强度，确定激光冲击强化的加工参数；冲击前确定所有激光冲击强化的位置，即在所有激光冲击的光斑位置中，选择待冲击区域左上角拐角作为基准点。
(2)使用光斑直径2D，功率密度2A的光斑进行冲击，将基准点作为第1列冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1列冲击；沿X方向向右移动，同样方式冲击完成第n列，完成第一步冲击；相邻两列之间的距离为3D，定义第n+1列的起始点为距离第n列起始点水平向右距离为3D的点。
(3)使用光斑直径D，功率密度1A的光斑进行冲击，选择距离步骤(2)中的第1列起始点水平向右距离为D的点作为第1-I列冲击的起始点，完成第1-I列起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-I列冲击；取距离第1-I列起始点向右距离为D/2的点作为第1-II列冲击的起始点，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-II列冲击；取距离第1-II列起始点向右距离为D/2的点作为第1-III列冲击的起始点，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-III列冲击；沿X方向向右移动，n-I与(n+1)-I之间的距离为3D，同样冲击方式，完成n-I,n-II,n-III列的冲击。
(4)选择基准点作为第三步冲击的起始点，使用光斑直径D，功率密度2A的光斑进行冲击，完成起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1列冲击；沿X方向向右移动，同样方式冲击完成第n列，完成第三步冲击；相邻两列之间的距离为3D，定义第n+1列的起始点为距离第n列起始点水平向右距离为3D的点，当冲击完成时，整个激光冲击过程结束。
激光冲击强化加工参数为：搭接率为50％，激光脉冲能量为2-20J、激光脉宽为10-40ns、重复频率为0.5-10Hz；D＝1-6mm。
步骤(1)中，待冲击区域形状为规则的方形或矩形。
本发明的优点：(1)通过改变激光的功率密度、光斑直径来实现设计的冲击方式，对金属工件表面按照设计的轨迹进行冲击，从而形成晶粒混合分布，提升金属抗腐蚀能力；(2)结合工作台的控制系统，分部分冲击，每组内冲击位置规则，方便操作。
附图说明
图1是实施例1冲击位置示意图。
图2是实施例1冲击第一步示意图。
图3是实施例1冲击第二步示意图。
图4是实施例1冲击第三步示意图。
图5是实施例1冲击后材料晶粒分布的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明，但本发明不应仅限于实施例。
本发明采用激光冲击强化对金属工件表面按照设计的轨迹进行冲击，并且通过改变脉冲激光的功率密度及光斑直径来实现特定的冲击方式，具体步骤如下:
(1)根据金属工件的屈服强度，确定激光冲击强化的加工参数；冲击前确定所有激光冲击强化的位置，即在所有激光冲击的光斑位置中，选择待冲击区域左上角拐角作为基准点；
(2)使用光斑直径2D，功率密度2A的光斑进行冲击，相邻两列之间的距离为3D，定义第n+1列的起始点为距离第n列起始点水平向右距离为3D的点。将基准点作为第1列冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1列冲击；沿X方向向右移动，同样方式冲击完成第n列，完成第一步冲击。
(3)使用光斑直径D，功率密度1A的光斑进行冲击，选择距离步骤(2)中的第1列起始点水平向右距离为D的点作为第1-I列冲击的起始点。完成第1-I列起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-I列冲击；取距离第1-I列起始点向右距离为D/2的点作为第1-II列冲击的起始点，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-II列冲击；取距离第1-II列起始点向右距离为D/2的点作为第1-III列冲击的起始点，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-III列冲击；沿X方向向右移动，n-I与(n+1)-I之间的距离为3D，同样冲击方式，完成n-I,n-II,n-III列的冲击。
(4)选择基准点作为第三步冲击的起始点，使用光斑直径D，功率密度2A的光斑进行冲击，完成起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1列冲击；沿X方向向右移动，同样方式冲击完成第n列，完成第三步冲击；相邻两列之间的距离为3D，定义第n+1列的起始点为距离第n列起始点水平向右距离为3D的点；当冲击完成时，整个激光冲击过程结束。
激光冲击强化加工参数为：搭接率为50％，脉冲激光能量为2-20J、激光脉宽为10-40ns、重复频率为0.5-10Hz；D＝1-6mm。
实施例1，如图1对200mm×54mm×2mm的AM50镁合金的中心54mm×54mm区域进行激光冲击强化，使用圆形光斑，定义三次冲击的光斑：第一步：激光能量16J，脉宽20ns，光斑直径6mm，搭接率50％，重复频率为0.5Hz；第二步：激光能量2J，脉宽20ns，光斑直径3mm，搭接率50％，重复频率为0.5Hz；第三步：激光能量4J，脉宽20ns，光斑直径3mm，搭接率50％，重复频率为0.5Hz。
将工件夹持在保持架上，用铝箔作为吸收层，喷嘴对试样喷水形成水幕作为约束层，移动X-Y工作台以改变冲击位置，具体分为三步进行冲击，第一步如图2所示，以待冲击区域左上角拐角作为基准点，将基准点作为第1列冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动令相邻光斑圆心距离3mm，完成第1列冲击；取距离第1列起始点水平方向9mm作为第2列起始点，控制X-Y工作台沿Y方向移动，依次冲击完成第2、3、4列；第二步如图3所示，取距离基准点水平方向3mm作为第1-I列起始点，控制X-Y工作台沿Y方向移动令相邻光斑圆心距离1.5mm，完成第1-I列冲击；取距离1-I列起始点水平方向1.5mm作为第1-II列起始点，取距离1-II列起始点水平方向1.5mm作为1-III列起始点，控制X-Y工作台沿Y方向移动，依次完成冲击；依次取距离第2列，第3列起始点水平向右方向3mm作为第2-I，3-I列起始点，完成第二步冲击；第三步如图4所示，待冲击区域左上角拐角作为基准点，将基准点作为第1列冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，令相邻光斑圆心距离1.5mm，完成第1列冲击；取距离第1列起始点水平方向9mm作为第2列起始点，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，依次冲击完成第2、3、4列；完成冲击。
经过此种设计的方式冲击的工件，其晶粒细化明显，并形成了如图5示意图的混合晶粒分布，深度方向上的晶粒尺寸为由细到粗的梯形分布，表面横向方向上的晶粒尺寸为极细-细-粗-细-极细的不均匀分布，达到了背景中所述的较宽的晶粒尺寸分布，说明此种激光冲击方法具有较高的可行性。

Claims (3)

1.一种获得金属表层晶粒混合分布的激光冲击强化组合方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)根据金属工件的屈服强度，确定激光冲击强化的加工参数；冲击前确定所有激光冲击强化的位置，即在所有激光冲击的光斑位置中，选择待冲击区域左上角拐角作为基准点；
(2)使用光斑直径2D，功率密度2A的光斑进行冲击，将基准点作为第1列冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1列冲击；沿X方向向右移动，同样方式冲击完成第n列，完成第一步冲击；相邻两列之间的距离为3D，定义第n+1列的起始点为距离第n列起始点水平向右距离为3D的点；
(3)使用光斑直径D，功率密度1A的光斑进行冲击，选择距离步骤(2)中的第1列起始点水平向右距离为D的点作为第1-I列冲击的起始点，完成第1-I列起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-I列冲击；取距离第1-I列起始点向右距离为D/2的点作为第1-II列冲击的起始点，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-II列冲击；取距离第1-II列起始点向右距离为D/2的点作为第1-III列冲击的起始点，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1-III列冲击；沿X方向向右移动，n-I与(n+1)-I之间的距离为3D，同样冲击方式，完成n-I,n-II,n-III列的冲击；
(4)选择基准点作为第三步冲击的起始点，使用光斑直径D，功率密度2A的光斑进行冲击，完成起始点冲击后，控制X-Y工作台沿Y方向竖直移动，完成第1列冲击；沿X方向向右移动，同样方式冲击完成第n列，完成第三步冲击；相邻两列之间的距离为3D，定义第n+1列的起始点为距离第n列起始点水平向右距离为3D的点，当冲击完成时，整个激光冲击过程结束。
2.如权利要求1所述的一种获得金属表层晶粒混合分布的激光冲击强化组合方法，其特征在于：激光冲击强化加工参数为：搭接率为50％，激光脉冲能量为2-20J、激光脉宽为10-40ns、重复频率为0.5-10Hz；D＝1-6mm。
3.如权利要求1所述的一种获得金属表层晶粒混合分布的激光冲击强化组合方法，其特征在于：步骤(1)中，待冲击区域形状为规则的方形或矩形。
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