CN106480304B - 一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法 - Google Patents

一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，采用预冲击法和显微在线监控方式进行微织构表面的选择性激光微喷丸强化，首先采用微织构表面双吸收层的方式进行预冲击，在激光诱导冲击波的作用下与微织构表面相接触的下吸收层变形并紧密贴合微织构，上吸收层在激光扫描的过程中被烧蚀破坏。在此基础上，将微织构和下吸收层的组合体放在选择性激光微喷丸强化装置中，通过图像传感器和计算机进行图像识别和路径规划，自动生成所需的强化位置及激光扫描路径，然后进行微织构表面的高效率、高选择性的激光微喷丸强化。本方法利用了双吸收层的预冲击法和显微成像及路径规划技术，实现了微织构表面的高效、选择性强化。

Description

一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法
技术领域
本发明涉及一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，尤其是涉及一种复杂微结构表面采用预冲击法实现选择性激光微喷丸强化的方法。
背景技术
激光微喷丸强化是利用毫焦级的脉冲能量和十微米以上的光斑尺寸对材料表面进行微冲击实现表面改性的新技术，可适应微观金属构件的表面处理。激光微喷丸因其低的脉冲能量和小的光斑面积，使得在微冲击过程中能够获得小的塑性变形深度和高的区域选择性。随着零件小型化和高精度的要求、以及对非规则表面强化的潜在需要，有必要采用十微焦至百微焦级脉冲能量进一步把变形控制到亚微米级，从而使得表面微织构的强化问题得到解决。对于微织构表面的强化而言，目前还存在两个问题：第一，由于材料表面显微结构的存在，导致吸收层无法和织构表面紧密贴合，将会损失绝大部分的喷丸能量，降低喷丸效率和喷丸效果；第二，微织构在使用过程中并非所有部位都会破坏，而是针对特定应用场合会出现特定位置的损伤，因此选择性的激光微喷丸强化非常重要。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种微织构表面高效率、高选择性的选择性激光微喷丸强化方法。
技术方案：一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，首先采用微织构表面双吸收层的方式进行预冲击，在激光诱导冲击波的作用下与微织构表面相接触的下吸收层变形并紧密贴合微织构，上吸收层在激光扫描的过程中被烧蚀破坏；然后将微织构和下吸收层的组合体放在选择性激光微喷丸强化装置中，对变形后的下吸收层进行显微成像，通过计算机进行图像识别和路径规划，自动生成所需的强化位置及激光扫描路径；最后根据所需强化位置及激光扫描路径进行微喷丸强化。
进一步的，微织构表面采用双吸收层方式进行预冲击包括如下具体步骤：
步骤1，在微织构表面自下而上依次放置下吸收层、上吸收层以及约束层，并整体固定在三维移动台上；其中，上吸收层和下吸收层的厚度在15～50μm；
步骤2，采用激光微喷丸装置进行双吸收层的预冲击处理，预冲击时激光烧蚀上吸收层形成冲击波，产生的作用力使得下吸收层产生塑性变形并与微织构表面紧密贴合；
步骤3，将约束层和残留的上吸收层去除。
进一步的，所述选择性激光微喷丸强化装置包括水槽、聚焦镜、半透半反镜、纳秒脉冲激光器、图像传感器以及计算机，所述水槽中设有去离子水，去离子水的液面高出所述微织构和下吸收层的组合体表面1～3mm，所述纳秒脉冲激光器、半透半反镜以及聚焦镜从上至下依次设置在水槽上部并位于同一竖直轴线上，所述图像传感器设置在半透半反镜一侧，所述三维移动台和图像传感器连接所述计算机。
进一步的，所述约束层为厚度在1～2mm的K9玻璃。
进一步的，所述三维移动台的扫描速度为1～20mm/s，所述纳秒脉冲激光器的激光束经聚焦镜聚焦后焦点直径为10μm，激光功率密度为1～5GW/cm2。
有益效果：(1)对于微织构表面的激光喷丸而言，传统的吸收层由于不能和微织构表面紧密贴合，导致激光诱导的冲击波在传播到织构凹槽内部时绝大部分被反射回去，能量利用率低。本方法采用预冲击法，使得下吸收层在喷丸时可以紧密贴合微织构表面，激光微喷丸的能量利用率高。
(2)目前对于曲面的喷丸而言都为宏观喷丸，激光焦点比较容易定位到需要喷丸的位置。而对于微织构表面的微喷丸而言，激光焦点小、待喷丸区域小，因此本发明通过预冲击法在下吸收层表面形成了和微织构相同的结构，采用显微监控的方式克服了微织构表面的选择性喷丸问题。
附图说明
图1为本发明的微织构表面双吸收层预冲击法的原理图；
图2为本发明的微织构表面选择性激光微喷丸强化方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，该方法是采用预冲击法和显微在线监控方式进行微织构表面的选择性激光微喷丸强化。
如图1所示，首先采用微织构表面双吸收层的方式进行预冲击，在激光诱导冲击波的作用下与微织构表面相接触的下吸收层变形并紧密贴合微织构，上吸收层在激光扫描的过程中被烧蚀破坏。具体包括如下具体步骤：
步骤1，在微织构表面2自下而上依次放置下吸收层3、上吸收层4以及约束层5，整体夹紧并固定在三维移动台1上。本实施例中，上吸收层4和下吸收层3的厚度在15～50μm，约束层5为厚度在1～2mm的K9玻璃。
步骤2，采用激光微喷丸装置进行双吸收层的预冲击处理，预冲击时激光烧蚀上吸收层4形成冲击波，产生的作用力使得下吸收层3产生塑性变形并与微织构表面2紧密贴合。该步骤中采用的激光微喷丸装置可以是以下的选择性激光微喷丸强化装置。
步骤3，将K9玻璃移除，此时上吸收层被烧蚀破坏，将残留的上吸收层4去除，下吸收层3用于接下来的选择性激光微喷丸强化。
然后将微织构表面2和下吸收层3的组合体放在选择性激光微喷丸强化装置中，选择性激光微喷丸强化装置包括水槽6、聚焦镜8、半透半反镜9、纳秒脉冲激光器10、图像传感器11以及计算机12。水槽6中设有去离子水7，去离子水7的液面高出微织构和下吸收层的组合体表面1～3mm，纳秒脉冲激光器10、半透半反镜9以及聚焦镜8从上至下依次设置在水槽上部并位于同一竖直轴线上，图像传感器11设置在半透半反镜9一侧，三维移动台1和图像传感器11连接计算机12。
如图2所示，图像传感器11对变形后的下吸收层进行显微成像，并通过计算机进行图像识别，自动生成所需强化位置，并进行激光微喷丸路径的规划，获得激光焦点在下吸收层表面的运动轨迹。最后计算机12根据所需强化位置及激光喷丸路径控制三维移动台1运动，激光焦点就在特定区域进行微喷丸强化，激光焦点的扫描速度和激光功率可以分别在计算机12和纳秒脉冲激光器10上进行设定。本实施例中，三维移动台1的扫描速度为1～20mm/s，纳秒脉冲激光器10的激光束经聚焦镜8聚焦后焦点直径是10μm，激光功率密度为1～5GW/cm2待喷丸结束后，将微织构表面和下吸收层的组合体放入丙酮溶液中超声清洗，去除残留的下吸收层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，其特征在于：首先采用微织构表面双吸收层的方式进行预冲击，在激光诱导冲击波的作用下与微织构表面相接触的下吸收层变形并紧密贴合微织构，上吸收层在激光扫描的过程中被烧蚀破坏；然后将微织构和下吸收层的组合体放在选择性激光微喷丸强化装置中，对变形后的下吸收层进行显微成像，通过计算机进行图像识别和路径规划，自动生成所需的强化位置及激光扫描路径；最后根据所需强化位置及激光扫描路径进行微喷丸强化。
2.根据权利要求1所述的一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，其特征在于：微织构表面采用双吸收层方式进行预冲击包括如下具体步骤：
步骤1，在微织构表面（2）自下而上依次放置下吸收层（3）、上吸收层（4）以及约束层（5），并整体固定在三维移动台（1）上；其中，上吸收层（4）和下吸收层（3）的厚度在15~50μm；
步骤2，采用激光微喷丸装置进行双吸收层的预冲击处理，预冲击时激光烧蚀上吸收层（4）形成冲击波，产生的作用力使得下吸收层（3）产生塑性变形并与微织构表面（2）紧密贴合；
步骤3，将约束层（5）和残留的上吸收层（4）去除。
3.根据权利要求2所述的一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，其特征在于：所述选择性激光微喷丸强化装置包括水槽（6）、聚焦镜（8）、半透半反镜（9）、纳秒脉冲激光器（10）、图像传感器（11）以及计算机（12），所述水槽（6）中设有去离子水（7），去离子水（7）的液面高出所述微织构和下吸收层的组合体表面1~3mm，所述纳秒脉冲激光器（10）、半透半反镜（9）以及聚焦镜（8）从上至下依次设置在水槽上部并位于同一竖直轴线上，所述图像传感器（11）设置在半透半反镜（9）一侧，所述三维移动台（1）和图像传感器（11）连接所述计算机（12）。
4.根据权利要求3所述的一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，其特征在于：所述约束层（5）为厚度在1~2mm的K9玻璃。
5.根据权利要求3所述的一种微织构表面选择性激光微喷丸强化方法，其特征在于：所述三维移动台（1）的扫描速度为1~20mm/s，所述纳秒脉冲激光器（10）的激光束经聚焦镜（8）聚焦后焦点直径为10μm，激光功率密度为1~5GW/cm2。
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