CN107937706B - 一种脉冲激光强化金属零件的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种脉冲激光强化金属零件的方法，所述方法包括：通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断凹坑是否为平底凹坑；若是，则检测所述凹坑的平面尺寸，并根据平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围；利用脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在参考范围内调节脉冲激光的光斑搭接率直至波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作。该方法能够在强化金属表面过程中，降低金属零件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脉冲激光强化金属零件的系统、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

一种脉冲激光强化金属零件的方法及系统

技术领域

本发明涉及材料强化处理领域，特别涉及一种脉冲激光强化金属零件的方法、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，而塑性变形导致金属零件粗糙程度的提高。粗糙表面的较高波纹度可诱发应力集中效应，从而对零件服役寿命产生不利影响，因此金属零件一般具有较高的表面质量要求，在激光冲击强化加工过程中实现金属零件的低波纹度变化具有重要意义。

现有技术中，通常只是凭借经验选择使用某几个常用的搭接率进行脉冲强化操作，但是由于不同材料的金属零件最适用的搭接率是不同的，使用不合适的搭接率进行脉冲强化操作将会导致表面波纹度变化较大、残余压应力分布不均匀等问题。

因此，如何在脉冲激光强化金属零件的过程中，降低表面波纹度变化、提升残余应力分布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脉冲激光强化金属零件的方法、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，能够在脉冲激光强化金属零件的过程中，降低表面波纹度变化、提升残余应力分布的均匀性。

为解决上述技术问题，本申请提供一种脉冲激光强化金属零件的方法，该方法包括：

通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断所述凹坑是否为平底凹坑；其中，所述脉冲激光的光斑形状为圆形；

若是，则检测所述凹坑的平面尺寸，并根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围；

利用所述脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在所述参考范围内调节所述脉冲激光的所述光斑搭接率直至所述波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；

利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作。

可选的，还包括：

当判断所述凹坑不为所述平底凹坑时，根据所述金属零件的质量要求确定搭接率范围，并在所述搭接率范围中选择最小值作为所述脉冲激光的搭接率。

可选的，检测所述凹坑的平面尺寸，根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围包括：

检测所述凹坑底部的直径d，根据所述底部直径d得到所述光斑搭接率的所述参考范围η；其中，

D为光斑直径。

可选的，还包括：

调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以保证所述脉冲激光与所述金属零件的待加工表面法向重合。

本申请还提供了一种脉冲激光强化金属零件的系统，该系统包括：

测试模块，用于通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断所述凹坑是否为平底凹坑；其中，所述脉冲激光的光斑形状为圆形；

范围确定模块，用于当所述凹坑为所述平底凹坑时，检测所述凹坑的平面尺寸，并根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围；

调节模块，用于利用所述脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在所述参考范围内调节所述脉冲激光的所述光斑搭接率直至所述波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；

强化模块，用于利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作。

可选的，还包括：

弧底凹坑搭接率确定模块，用于当判断所述凹坑不为所述平底凹坑时，根据所述金属零件的质量要求确定搭接率范围，并在所述搭接率范围中选择最小值作为所述脉冲激光的搭接率。

可选的，所述范围确定模块所述范围确定模块具体为用于检测所述凹坑底部的直径d，根据所述底部直径d得到所述光斑搭接率的所述参考范围η的模块；其中，

D为光斑直径。

可选的，还包括：

位置调节模块，用于调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以保证所述脉冲激光与所述金属零件的待加工表面法向重合。

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。

本发明提供了一种脉冲激光强化金属零件的方法，通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断所述凹坑是否为平底凹坑；其中，所述脉冲激光的光斑形状为圆形；若是，则检测所述凹坑的平面尺寸，并根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围；利用所述脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在所述参考范围内调节所述脉冲激光的所述光斑搭接率直至所述波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作。

由于不同强度/硬度的金属零件最适宜的光斑搭接率是不同的，因此本方法首先进行单点冲击测试，根据测试得到的凹坑情况调整光斑搭接率。本方法能够在强化金属表面过程中，降低金属零件的表面波纹度变化并提升残余压应力的均匀性，进而提高金属零件的整体服役性能以降低失效几率。本申请同时还提供了一种脉冲激光强化金属零件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脉冲激光强化金属零件的方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的另一种脉冲激光强化金属零件的方法的流程图；

图3为在实际应用中脉冲激光强化金属零件的示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种脉冲激光强化金属零件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脉冲激光强化金属零件的方法的流程图。

具体步骤可以包括：

S101：通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断所述凹坑是否为平底凹坑；其中，所述脉冲激光的光斑形状为圆形；若是，则进入S102；若否，则结束流程；

其中，本步骤的目的是测试脉冲激光强化的单点冲击结果，判定脉冲激光诱导凹坑的形态特征。通常来讲，单点冲击得到的凹坑可以分为两类，一类是本步骤中提到的平底凹坑，另一类是弧底凹坑。因此在本步骤中判断凹坑是否为平底凹坑的过程中，若是则说明凹坑为平底凹坑，若否则说明凹坑为弧底凹坑。

可以理解的是，本步骤默认已经将圆形光斑的尺寸调节至相对合适的值，当然还可以存在当进行强化措施后对光斑尺寸进行进一步调节的步骤，此处不进行具体的限定。

S102：检测所述凹坑的平面尺寸，并根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围；

其中，本步骤是建立在S101判断凹坑为平底凹坑的基础上并默认光斑为圆形，由于凹坑的三维形状是平底凹坑，因此凹坑的底部为圆形平面，平面尺寸就是指圆形平面的尺寸。此处主要采用圆形平面的直径来代表凹坑的平面尺寸。本步骤检测所述凹坑底部的直径d，根据所述底部直径d得到所述光斑搭接率的所述参考范围η(

D为光斑直径)。

值得注意的是，本步骤中提到的搭接率用于描述两次脉冲激光冲击时相邻两个光斑之间相互重叠部分占整个光斑尺寸的比例。若上一次脉冲激光与本次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。

可以理解的是，脉冲激光的搭接率应该适当，否则将导致金属零件的表面波纹度变化过大和残余压应力分布不均匀，脉冲激光的搭接率应该与平面尺寸相匹配。当然，本步骤中的得到的光斑的搭接率为一个参考范围，但并不是说在该参考范围内所有的搭接率都可以使用，还需要通过波纹度测试根据表面波纹度变化判断宏观形状是否符合要求。

值得一提的是，当凹坑为弧底凹坑时，可以根据所述金属零件的质量要求确定搭接率范围，并在所述搭接率范围中选择最小值作为所述脉冲激光的搭接率。

S103：利用所述脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在所述参考范围内调节所述脉冲激光的所述光斑搭接率直至所述波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；

其中，在实际应用中脉冲激光的搭接率越小，脉冲强化的工作效率就越高，因此可以选择尽量小的搭接率进行波纹度测试。值得注意的是，本方案中选择的脉冲激光的搭接率必须是能够符合预设波纹度宏观形状的，因此在本步骤中，可以在参考范围内按照从低到高的顺序调节搭接率直至波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准。

S104：利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作。

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、机械臂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。对于金属零件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)。

下面请参见图2，图2为本申请实施例所提供的另一种脉冲激光强化金属零件的方法的流程图；

具体步骤可以包括：

S201：通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断所述凹坑是否为平底凹坑；其中，所述脉冲激光的光斑形状为圆形；

S202：若是，则检测所述凹坑底部的直径d，根据所述底部直径d得到所述光斑搭接率的所述参考范围η；其中，

D为光斑直径；

S203：利用所述脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在所述参考范围内调节所述脉冲激光的所述光斑搭接率直至所述波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；

S204：调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以保证所述脉冲激光与所述金属零件的待加工表面法向重合；

本步骤中调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以使脉冲激光与待加工零件的待加工区域所在的平面保持垂直(即法向重合)。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。

S205：利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作。

请参见图3，图3为在实际应用中脉冲激光强化金属零件的示意图。图中1为平底凹坑，3为搭接率过大时平底凹坑的强化示意图，5为搭接率适当时平底凹坑的强化示意图；2为弧底凹坑，4为搭接率过小时弧底凹坑的强化示意图，6为此处的脉冲具有适当的搭接率时(即符合金属零件的表面质量要求)弧底凹坑的强化示意图。

请参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种脉冲激光强化金属零件的系统的结构示意图；

该系统可以包括：

测试模块100，用于通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断所述凹坑是否为平底凹坑；其中，所述脉冲激光的光斑形状为圆形；

范围确定模块200，用于当所述凹坑是否为所述平底凹坑时，检测所述凹坑的平面尺寸，并根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围；

调节模块300，用于利用所述脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在所述参考范围内调节所述脉冲激光的所述光斑搭接率直至所述波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；

强化模块400，用于利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作。

在本申请提供的另一种脉冲激光强化金属零件的系统的实施例中，进一步的还包括：

弧底凹坑搭接率确定模块，用于当判断所述凹坑不为所述平底凹坑时，根据所述金属零件的质量要求确定搭接率范围，并在所述搭接率范围中选择最小值作为所述脉冲激光的搭接率。

进一步的，所述范围确定模块200所述范围确定模块具体为用于检测所述凹坑底部的直径d，根据所述底部直径d得到所述光斑搭接率的所述参考范围η的模块；其中，

D为光斑直径。

进一步的，还包括：

位置调节模块，用于调节所述发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以保证所述脉冲激光与所述金属零件的待加工表面法向重合。

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)

1.一种脉冲激光强化金属零件的方法，其特征在于，包括：

通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断所述凹坑是否为平底凹坑；其中，所述脉冲激光的光斑形状为圆形；

若是，则检测所述凹坑的平面尺寸，并根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围；

利用所述脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在所述参考范围内调节所述脉冲激光的所述光斑搭接率直至所述波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；

利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作；

其中，当判断所述凹坑不为所述平底凹坑时，根据所述金属零件的质量要求确定搭接率范围，并在所述搭接率范围中选择最小值作为所述脉冲激光的搭接率；

其中，检测所述凹坑的平面尺寸，根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围包括：

检测所述凹坑底部的直径d，根据所述底部直径d得到所述光斑搭接率的所述参考范围η；其中，

D为光斑直径。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：

调节发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以保证所述脉冲激光与所述金属零件的待加工表面法向重合。

3.一种脉冲激光强化金属零件的系统，其特征在于，包括：

测试模块，用于通过所述脉冲激光进行单点冲击得到凹坑，并判断所述凹坑是否为平底凹坑；其中，所述脉冲激光的光斑形状为圆形；

范围确定模块，用于当所述凹坑为所述平底凹坑时，检测所述凹坑的平面尺寸，并根据所述平面尺寸得到光斑搭接率的参考范围；

调节模块，用于利用所述脉冲激光进行波纹度测试，并按照从低到高的顺序在所述参考范围内调节所述脉冲激光的所述光斑搭接率直至所述波纹度测试得到的波纹度宏观形状符合预设标准；

强化模块，用于利用调节后的脉冲激光对所述金属零件进行强化操作；

其中，所述系统还包括弧底凹坑搭接率确定模块，用于当判断所述凹坑不为所述平底凹坑时，根据所述金属零件的质量要求确定搭接率范围，并在所述搭接率范围中选择最小值作为所述脉冲激光的搭接率；

其中，所述范围确定模块具体为用于检测所述凹坑底部的直径d，根据所述底部直径d得到所述光斑搭接率的所述参考范围η的模块；其中，D为光斑直径。

4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，还包括：

位置调节模块，用于调节发射出所述脉冲激光的激光器的位置，以保证所述脉冲激光与所述金属零件的待加工表面法向重合。

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2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2任一项所述的方法。

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