CN107937705B - 一种强化金属表面的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种强化金属表面的方法，所述方法包括：根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光；利用第一脉冲激光和第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；根据测试结果修正第一脉冲激光与第二脉冲激光，并确定第一脉冲激光与第二脉冲激光之间的搭接率；保持激光光束与待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的第一脉冲激光和修正后的第二脉冲激光以所述搭接率对待加工表面交替执行强化操作。该方法能够在强化金属表面过程中，降低零件表面的表面波纹度变化并提升残余压应力的均匀性；本申请还公开了一种强化金属表面的系统、一种计算机可读存储介质及一种脉冲激光强化装置，具有以上有益效果。

Description

一种强化金属表面的方法及系统

技术领域

本发明涉及材料强化处理领域，特别涉及一种强化金属表面的方法、系统和一种计算机可读存储介质及一种脉冲激光强化装置。

背景技术

激光冲击是一种利用强激光诱导的冲击波来强化金属的新技术，能够大幅度增强金属材料的耐久性。与传统表面强化技术一致，激光冲击处理也通过表面强烈塑性变形的方式来实现强化效果，而塑性变形导致零件表面粗糙程度的提高。

某些零件具有苛刻的表面状态要求，在激光冲击强化加工过程中实现零件的保形与控形具有重要意义。现有技术中，通常使用单一的激光脉冲对待强化零件进行强化操作。但是单一的脉冲激光冲击处理后的零件表面波纹度变化较大、残余应力分布不均匀。

因此，如何在强化金属表面过程中，降低零件表面的表面波纹度变化并提升残余压应力的均匀性是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种强化金属表面的方法、系统和一种计算机可读存储介质及一种脉冲激光强化装置，能够在强化金属表面过程中，降低零件表面的表面波纹度变化并提升残余压应力的均匀性。

为解决上述技术问题，本申请提供一种强化金属表面的方法，该方法包括：

根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光；

利用所述第一脉冲激光和所述第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；

根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光，并根据所述测试结果确定所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光之间的搭接率；

保持激光光束与所述待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的所述第一脉冲激光和修正后的所述第二脉冲激光以所述搭接率对所述待加工表面交替执行强化操作。

可选的，所述根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光包括：

根据所述待加工材料的所述材料属性确定所述第一脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度，并根据所述材料属性确定所述第二脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度。

可选的，根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光包括：

根据所述测试结果得到表面波纹度变化信息与残余压应力场分布状况；

根据所述表面波纹度变化信息与所述残余压应力场分布状况修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光。

可选的，还包括：

当检测到所述待加工零件强化完毕后，将所述待加工零件输送至预设位置，并装夹其他待加工零件以便继续进行强化操作。

可选的，还包括：

根据所述待加工零件的加工位置的形状参数确定所述加工路径。

本申请还提供了一种强化金属表面的系统，该系统包括：

激光确定模块，用于根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光；

测试模块，用于利用所述第一脉冲激光和所述第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；

修正模块，用于根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光，并根据所述测试结果确定所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光之间的搭接率；

强化模块，用于保持激光光束与所述待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的所述第一脉冲激光和修正后的所述第二脉冲激光以所述搭接率对所述待加工表面交替执行强化操作。

可选的，所述激光确定模块具体为根据所述待加工材料的所述材料属性确定所述第一脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度，并根据所述材料属性确定所述第二脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度的模块。

可选的，所述修正模块包括：

分析单元，用于根据所述测试结果得到表面波纹度变化信息与残余压应力场分布状况；

激光修正单元，用于根据所述表面波纹度变化信息与所述残余压应力场分布状况修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述方法执行的步骤。

本申请还提供了一种脉冲激光强化装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述方法执行的步骤。

本发明提供了一种强化金属表面的方法，根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光；利用所述第一脉冲激光和所述第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光，并根据所述测试结果确定所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光之间的搭接率；保持激光光束与所述待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的所述第一脉冲激光和修正后的所述第二脉冲激光以所述搭接率对所述待加工表面交替执行强化操作。

不同的脉冲激光强化后的金属表面的表面波纹度变化和残余应力场分布是不同的，如果以适当的搭接率交替使用两种脉冲激光就能够让不同的脉冲激光强化后的局部区域相互弥补得到表面波纹度变化和残余应力场分布均较优的金属表面。本方法通过设置两种脉冲激光对金属表面进行强化操作，单一的脉冲激光会诱导金属表层形成不均匀的残余应力场且引发较大的表面波纹度变化，而另一种脉冲激光能够对上述不均匀的残余应力场和较大的表面波纹度进行“修正”，以得到均匀的残余应力场和较小的表面波纹度。本方法能够在强化金属表面过程中，降低零件表面的表面波纹度变化并提升残余压应力的均匀性。本申请同时还提供了一种强化金属表面的系统和一种计算机可读存储介质及一种脉冲激光强化装置，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种强化金属表面的方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的一种光斑搭接率定义示意图；

图3为单一脉冲激光强化金属表面的效果图；

图4为交替变脉冲激光强化金属表面的效果图；

图5为本申请实施例所提供的另一种强化金属表面的方法的流程图；

图6为本申请实施例所提供的一种强化金属表面的系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种强化金属表面的方法的流程图。

具体步骤可以包括：

S101：根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光；

其中，本步骤的目的是初步确定对待加工零件进行交替脉冲强化的第一脉冲激光和第二脉冲激光的相关参数。由于不同属性的材料在进行脉冲激光强化时，所使用的脉冲激光的参数时是不尽相同的。

可以理解的是，本步骤默认存在关于材料属性与激光脉冲相关参数之间的对照关系表，可以在进行脉冲激光强化过程中根据材料属性与激光参数的对应关系确定第一脉冲激光。严格来说，根据材料属性可以确定脉冲激光的光斑尺寸和脉冲宽度的选择范围，所以通常情况下，同一种属性的材料可能会有多种与之相对应的脉冲激光。当然，在本步骤中确定的是两个具体的脉冲激光，即可以是光斑尺寸和脉冲宽度在符合标准的范围内，而其他参数大致确定。

值得注意的是，本步骤中提到的第一脉冲激光和第二脉冲激光在实际进行脉冲激光强化时并不存在固定的强化顺序，即可以是先用第一脉冲激光强化再使用第二脉冲激光强化，也可以是先使用第二脉冲激光强化再使用第一脉冲激光强化，此处不进行具体的限定。

S102：利用所述第一脉冲激光和所述第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；

其中，由于在S101中得到的仅仅是初步确定的脉冲激光，所以本步骤的目的是将S101中的第一脉冲激光和第二脉冲激光进行测试，来根据测试结果对第一脉冲激光和第二脉冲激光进行修正。本步骤的激光测试过程可以在一个专门用于进行脉冲激光测试的零件上进行，但值得注意的是，进行激光测试的零件的材料属性应该和S101中确定第一脉冲激光和第二脉冲激光时所使用的待加工零件的材料属性相同。

可以理解的是，在进行激光测试的过程中使用第一脉冲激光和第二脉冲激光对测试零件交替进行脉冲强化操作，得到的测试结果可以包括测试零件表面的表面波纹度变化与残余压应力场分布，当然测试结果还可以包括其他关于脉冲激光强化的参数，条目众多无法一一列举。

S103：根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光，并根据所述测试结果确定所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光之间的搭接率；

其中，本步骤是建立在S102进行激光测试得到了测试结果的基础上，通过测试结果可以观察S101中得到的第一脉冲激光与第二脉冲激光在测试中得到脉冲激光强化表面，对其进行分析后可以修正第一脉冲激光和第二脉冲激光(包括光斑尺寸、脉冲能量、脉冲宽度等一系列参数)，并根据测试结果确定第一脉冲激光与第二脉冲激光之间的搭接率。

举例说明上述修正过程，S101初步选择第一脉冲激光和第二脉冲激光后，在测试零件上进行试验验证，确定上述两脉冲激光的参数是否合适，根据试验结果修正参数，最后确定最优的参数。例如，若通常工艺为单一的3mm直径光斑在50％搭接率条件下进行加工，采用本专利提出的方法就可以初步改为：3mm光斑加工→1mm光斑加工(与前一个3mm光斑搭接0.5mm)→3mm光斑加工(与前一个1mm光斑搭接0.5mm)→(循环)1mm光斑加工(与前一个3mm光斑搭接0.5mm)……。对这种初步设定的交替加工方法进行试验件测试，若两光斑搭接的区域仍有较大表面起伏，则修改中间小光斑直径(若修改为1.2mm，则与相邻两大光斑的搭接长度变为0.6mm)。

脉冲宽度通过影响激光光束在材料表面的作用时间来改变穿透深度，以获得不同的残余压应力层深。所以在验证性试验中，若较小光斑中心位置的残余压应力层深较大(大于较大光斑区域的残余压应力层深)，则需要减小较小光斑脉冲宽度或者减小较小光斑与相邻两较大光斑的搭接长度。例如，从改变相邻光斑搭接长度的角度出发，可将上面的工艺改为：3mm光斑加工→1mm光斑加工(与前一个3mm光斑搭接0.4mm)→3mm光斑加工(与前一个1mm光斑搭接0.4mm)→(循环)1mm光斑加工(与前一个3mm光斑搭接0.4mm)。

值得注意的是，本步骤中提到的搭接率用于描述两种脉冲激光的光斑之间相互重叠部分占整个光斑尺寸的比例。若第一脉冲激光与第二脉冲激光的光斑尺寸相同，搭接率就是相邻光斑的圆心连线上的重叠长度与一个光斑的直径之比。当第一脉冲激光与第二脉冲激光的光斑尺寸不相同时，搭接率为相邻两种光斑的圆心连线上的重叠长度与两种光斑直径的平均值之比。举例说明，请参见图2，第一脉冲激光的光斑直径为A，第二脉冲激光的光斑直径为B，第一脉冲激光与第二脉冲激光的相邻光斑的圆心连线上的重叠长度为C，那么光斑搭接率η为：

S104：保持激光光束与所述待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的所述第一脉冲激光和修正后的所述第二脉冲激光以所述搭接率对所述待加工表面交替执行强化操作。

其中，本步骤默认存在已经规划好的加工路径，该加工路径可以是根据待加工区域形状进行设定的，也可以是根据脉冲激光强化的操作经验由技术人员自行设定的，当然还存在其他的关于获得加工路径的方法，此处不进行具体的限定。本步骤中提到的法向重合是指激光光束(第一脉冲激光和第二脉冲激光发射的路径)与激光光束照射的待加工区域所在的平面垂直。

值得注意的是，本步骤还默认存在编程设定强化工艺的操作，对于激光冲击设备来说，光斑尺寸、光束运动轨迹等需要在零件装夹后进行程序设定，最后依照设定程序，设备自动完成冲击过程。此处的强化工艺更多地指将定性选择的激光脉冲参数等条件在具体零件上实施的程序设定。

由于不同的脉冲激光强化后的金属表面的表面波纹度变化和残余应力场分布是不同的，本步骤以适当的搭接率交替使用两种脉冲激光就能够让不同的脉冲激光强化后的局部区域相互弥补得到表面波纹度变化和残余应力场分布均较优的金属表面。请参见图3、图4，图中脉冲A就是第一脉冲激光，脉冲B就是第二脉冲激光，图3为使用单一脉冲激光强化得到的零件表面，图4为使用交替变脉冲激光强化得到的零件表面，两种脉冲激光弥补了单一脉冲激光表面波纹变化大与残余应力场分布不均匀的问题。

对于零件表面的脉冲激光强化的整个过程来说，还存在机械臂携带待加工零件移动进行其他部位的脉冲激光强化，可以采用机械臂移动一下激光冲击一下的方式进行(即逐点加工)。在强化过程中，夹持固定待加工零件的机械臂不断变化位置以保证待加工零件接收到垂直入射的激光光束。

下面请参见图5，图5为本申请实施例所提供的另一种强化金属表面的方法的流程图；

具体步骤可以包括：

S201：根据所述待加工材料的所述材料属性确定所述第一脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度，并根据所述材料属性确定所述第二脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度；

S202：利用所述第一脉冲激光和所述第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；

S203：根据所述测试结果得到表面波纹度变化信息与残余压应力场分布状况；

S204：根据所述表面波纹度变化信息与所述残余压应力场分布状况修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光；

S205：根据所述测试结果确定所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光之间的搭接率；

S206：根据所述待加工零件的加工位置的形状参数确定所述加工路径；

S207：保持激光光束与所述待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的所述第一脉冲激光和修正后的所述第二脉冲激光以所述搭接率对所述待加工表面交替执行强化操作；

S208：当检测到所述待加工零件强化完毕后，将所述待加工零件输送至预设位置，并装夹其他待加工零件以便继续进行强化操作。

请参见图6，图6为本申请实施例所提供的一种强化金属表面的系统的结构示意图；

该系统可以包括：

激光确定模块100，用于根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光；

测试模块200，用于利用所述第一脉冲激光和所述第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；

修正模块300，用于根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光，并根据所述测试结果确定所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光之间的搭接率；

强化模块400，用于保持激光光束与所述待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的所述第一脉冲激光和修正后的所述第二脉冲激光以所述搭接率对所述待加工表面交替执行强化操作。

在本申请提供的另一种强化金属表面的系统的实施例中，所述激光确定模块具体为根据所述待加工材料的所述材料属性确定所述第一脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度，并根据所述材料属性确定所述第二脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度的模块。

进一步的，所述修正模块包括：

分析单元，用于根据所述测试结果得到表面波纹度变化信息与残余压应力场分布状况；

激光修正单元，用于根据所述表面波纹度变化信息与所述残余压应力场分布状况修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光。

由于系统部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此系统部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请还提供了一种脉冲激光强化装置，可以包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然所述脉冲激光强化还可以包括各种网络接口，电源等组件。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (6)

1.一种强化金属表面的方法，其特征在于，包括：

根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光；

利用所述第一脉冲激光和所述第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；

根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光，并根据所述测试结果确定所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光之间的搭接率；

保持激光光束与所述待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的所述第一脉冲激光和修正后的所述第二脉冲激光以所述搭接率对所述待加工表面交替执行强化操作；

其中，根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光包括：根据所述测试结果得到表面波纹度变化信息与残余压应力场分布状况；根据所述表面波纹度变化信息与所述残余压应力场分布状况修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光；

其中，根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光包括：根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光的光斑尺寸、脉冲能量和脉冲宽度；

其中，所述根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光包括：

根据所述待加工材料的所述材料属性确定所述第一脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度，并根据所述材料属性确定所述第二脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：

当检测到所述待加工零件强化完毕后，将所述待加工零件输送至预设位置，并装夹其他待加工零件以便继续进行强化操作。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：

根据所述待加工零件的加工位置的形状参数确定所述加工路径。

4.一种强化金属表面的系统，其特征在于，包括：

激光确定模块，用于根据待加工零件的材料属性确定第一脉冲激光和第二脉冲激光；

测试模块，用于利用所述第一脉冲激光和所述第二脉冲激光进行激光测试，得到测试结果；

修正模块，用于根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光，并根据所述测试结果确定所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光之间的搭接率；

强化模块，用于保持激光光束与所述待加工零件的待加工区域法向重合，沿加工路径利用修正后的所述第一脉冲激光和修正后的所述第二脉冲激光以所述搭接率对所述待加工表面交替执行强化操作；

其中，所述修正模块包括：分析单元，用于根据所述测试结果得到表面波纹度变化信息与残余压应力场分布状况；激光修正单元，用于根据所述表面波纹度变化信息与所述残余压应力场分布状况修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光；

其中，所述修正模块具体为用于根据所述测试结果修正所述第一脉冲激光与所述第二脉冲激光的光斑尺寸、脉冲能量和脉冲宽度的模块；

其中，所述激光确定模块具体为根据所述待加工材料的所述材料属性确定所述第一脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度，并根据所述材料属性确定所述第二脉冲激光的光斑尺寸与脉冲宽度的模块。

5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序执行时实现如权利要求1至3任一项所述的方法。

6.一种脉冲激光强化装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至3任一项所述的方法。