CN107236859A - 一种获得最佳表面质量激光喷丸参数的建模和计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工领域，特指一种获得最佳表面质量激光喷丸参数的建模和计算方法。利用计算激光冲击强化凹坑深度的公式以及冲击波压力公式，对激光冲击强化表面质量的优劣进行建模与计算，得出获得最佳表面质量激光冲击强化工艺参数。本发明通过计算可以获得激光冲击强化工艺参数使得在提升材料抗疲劳性能、强度以及抗腐蚀性功能的同时获得最佳的表面质量，从而使得激光冲击强化获得更广泛的应用。通过本发明，引入激光冲击强化时的最佳表面质量的工艺参数的计算方法，从而降低由于表面质量引起的不必要损失，增加激光冲击强化的经济效益，在获得提升其他表面性能的同时获得最佳的表面质量。

Description

一种获得最佳表面质量激光喷丸参数的建模和计算方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，尤其是对表面质量要求高的领域，如医疗机械，航空航天等。
背景技术
激光冲击强化(laser shock peening/processing,LSP)，也叫激光喷丸，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(>109 W/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。
激光冲击强化主要是通过激光束在表面进行冲击从而提升表面性能，但是在其提升抗疲劳以及抗腐蚀和抗磨损等性能的同时在处理表面发生了明显的宏观变形，在金属合金表面留下了明显的缺陷，使得其表面质量明显下降。任旭东教授等人在研究AZ91D镁合金时发现，利用3J,5J,和7J三种不同的激光能量进行激光冲击时，其表面粗糙度不同，且Ra(5J)>Ra(7J)>Ra(3J)，即不同激光能量冲击时，其表面形貌也不同[Materials and Design86(2015)421–426]。我们课题组在研究AISI 304不锈钢时发现利用不同激光能量进行激光冲击，其表面的粗糙度以及表面形貌也会发生不同，如图3所示[MaterialsCharacterization 125(2017)99–107]。
目前，在激光冲击强化技术的推广过程中，其表面质量的下降是其缺陷之一，因此在提升其其他表面性能的同时，降低表面质量带来的影响是亟待解决的一个关键问题。研究表明，激光冲击强化能够引入计算得到最佳表面质量的工艺参数的方法，可以获得提升其他表面性能的同时也获得最佳的表面质量，实现双赢，从而降低表面质量差带来的不良影响，实现经济效益的提升。
发明内容
本发明提供了一种获得最佳表面质量激光喷丸参数的建模和计算方法，为激光冲击强化获得最佳表面质量提供了可行性，使得激光冲击强化的得到了进一步地推广与应用。
为解决以上问题，本发明采用的具体方案如下：
(1)计算激光冲击强化过程中冲击波压力P关于空间分布x以及功率密度I0公式(a):其中，P0为冲击波的最大峰值压力；I0为激光冲击强化的功率密度，GW/cm2；表示冲击波压力与最大峰值压力在x处上的比例；x为激光冲击强化过程中某一位置离激光冲击强化中心的距离，cm；P 的分布可根据激光冲击强化冲击波压力的形式进行选择，可选取高斯分布或三角波分布。
(2)根据公式(a)，得出x＝0及x＝nD处的冲击波压力PX＝0(I0)和PX＝nD(I0)，其中，D为激光冲击强化圆形光斑的直径，x＝nD为相连两个光斑在处理表面产生塑性变形的交界处，n为一个与搭接率有关的一个参数，n＝0.5*(1-m)，m为光斑搭接率。
(3)计算经过激光冲击强化之后凹坑深度关于冲击波压力P的公式(b):
式中，
其中，
Y为合金靶材距冲击表面的深度；
Ym由σ(X,τm)＝σY确定；
τm为应力最大值的临界的时间；
t0为合金靶材开始屈服的时间；
c0为弹性波速；
σY为合金材料的动态屈服强度；
E为合金材料的弹性模量；
η为合金材料的粘性系数；
λ为激光冲击强化的波长。
(4)在公式(a)中，令x＝0及x＝nD，将公式(a)带入公式(b)，得出x＝0和x＝nD 处的凹坑深度Hx＝0(I0)和HX＝nD(I0)，计算和推导激光冲击合金表面形成的塑性变形深度；
(5)将步骤(4)中得出的结果进行H(I0)＝HX＝0(I0)-HX＝nD(I0)的计算，求解H(I0) 取最小值时的I0’，此时的I0’为最佳表面质量时的激光冲击强化的功率密度。
本发明作为一种获得最佳表面质量激光喷丸参数的建模和计算方法，并不仅仅适用于激光冲击强化，还适合在表面形成强烈的表面处理技术，如机械喷丸等。
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为本发明所述模型解释图。
图2为本发明所述的获得最佳表面质量激光冲击强化工艺参数的建模和计算方法操作步骤流程图。
图3为本发明不同能量冲击冲击之后的表面宏观形貌图：(a)激光冲击能量为3J；(b)激光冲击能量为6J。
图4为本发明具体实施案例试样的尺寸图。
图5为本发明具体实施案例不同试样二维形貌图。
表1为本发明具体实施案例不同试样的粗糙度数值列表。
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。
本实施案例所采用的靶材为TC4钛合金，形状为30×20×3mm3的板状试样，具体尺寸如图4所示，其基本参数为E＝112.5GPa，c0＝5.09km/s，ρ0＝4.5×103 kg/m3，粘性系数η＝3×105kgs/m，波长λ＝1064nm，合金材料的动态屈服强度σY＝1.34GPa，光斑选取直径D＝3mm的圆形光斑，搭接率m＝50％，冲击次数为1 次。
(1)计算激光冲击强化过程中冲击波压力P关于空间分布x以及功率密度I0 公式(a):P采用高斯分布，
(2)根据公式(a)，得出x＝0及x＝nD＝0.5*(1-m)＝0.75mm处的冲击波压力和
(3)把步骤(1)里的P＝P(x,I0)带入，计算经过激光冲击强化之后凹坑深度关于冲击波压力P的公式(b):H＝H(P)；
(4)根据公式(b)，得出x＝0和x＝0.75mm处的凹坑深度Hx＝0(I0)＝和Hx＝0.75mm(I0)，；
(5)H(I0)＝HX＝0(I0)-HX＝0.75mm(I0)，求解H(I0)取最小值时的I0’＝7.92GW/cm2，得出此时的I0’＝7.92GW/cm2为最佳表面质量时的激光冲击强化的功率密度。
为验证此计算方法的正确性，我们选取7.07GW/cm2和8.96GW/cm2的激光冲击强化的功率密度和7.92GW/cm2的功率密度进行激光冲击强化试验，按功率密度从小到大分别标注试样为S1，S2和S3，测量试样表面的粗糙度，并进行对比，其结果如图5和表1所示。从图5可以看出，S2的二维形貌明显比S1和 S2的二维形貌要平缓的多，其最高值都不急S1，S2大。从表1中也可以看出 S2的粗糙度0.58μm比S1和S3的粗糙度(0.98μm和1.3μm)要小。
因此，可得出结论：激光冲击强化能够在结构金属合金表面形成塑性变形，提升表面性能的同时，也在表面留下了微米量级的塑性变形，表面质量有一定程度的的下降，本发明的方法可以兼顾性能与表面质量两者，作为激光冲击强化过程得出最佳表面质量的激光冲击强化工艺参数的有效依据，上述实验已经做了验证，与理论模型基本一致，验证了此模型的正确性。
表1
。

Claims (3)

1.一种获得最佳表面质量激光喷丸参数的建模和计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)计算激光冲击强化过程中冲击波压力P关于空间分布x以及功率密度I0公式(a):其中，P0为冲击波的最大峰值压力；I0为激光冲击强化的功率密度，GW/cm2；表示冲击波压力与最大峰值压力在x处上的比例；x为激光冲击强化过程中某一位置离激光冲击强化中心的距离，cm；
(2)根据公式(a)，得出x＝0及x＝nD处的冲击波压力PX＝0(I0)和PX＝nD(I0)；其中，D为激光冲击强化圆形光斑的直径，x＝nD为相连两个光斑在处理表面产生塑性变形的交界处，n为一个与搭接率有关的一个参数，n＝0.5*(1-m)，m为光斑搭接率；
(3)计算经过激光冲击强化之后凹坑深度关于冲击波压力P的公式(b)；
(4)在公式(a)中，令x＝0及x＝nD，将公式(a)带入公式(b)，得出x＝0和x＝nD处的凹坑深度Hx＝0(I0)和HX＝nD(I0)，计算和推导激光冲击合金表面形成的塑性变形深度；
(5)将步骤(4)中得出的结果进行H(I0)＝HX＝0(I0)-HX＝nD(I0)的计算，求解H(I0)取最小值时的I0’，此时的I0’为最佳表面质量时的激光冲击强化的功率密度。
2.如权利要求1所述的一种获得最佳表面质量激光喷丸参数的建模和计算方法，其特征在于：步骤(1)中，P的分布根据激光冲击强化冲击波压力的形式进行选择，选取高斯分布或三角波分布。
3.如权利要求1所述的一种获得最佳表面质量激光喷丸参数的建模和计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中，公式(b)为：
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其中，
Y为合金靶材距冲击表面的深度；
Ym由σ(X,τm)＝σY确定；
τm为应力最大值的临界的时间；
t0为合金靶材开始屈服的时间；
c0为弹性波速；
σY为合金材料的动态屈服强度；
E为合金材料的弹性模量；
η为合金材料的粘性系数；
λ为激光冲击强化的波长。
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