CN107937707B - 一种脉冲激光强化金属的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种脉冲激光强化金属的方法，该方法包括：选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，空隙包括第一类空隙和第二类空隙；以第一类空隙的中心为圆心排布圆形光斑得到第二层光斑；以第二类空隙的中心为圆心排布圆形光斑得到第三层光斑；依次使用第一层光斑、第二层光斑和第三层光斑对零件表面进行强化操作。该方法能够在脉冲激光强化金属的过程中，降低表面波纹度变化、提升残余应力分布的均匀性。本申请还公开了一种脉冲激光强化金属的系统、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相比，激光冲击处理除了带来更优的表面强化效果，其非接触强化的特点，更可以显著降低表面强烈塑性变形导致的粗糙程度变化。

现有技术在激光冲击过程中，一般采取激光光斑搭接的方式来实现零件外表面全区域的强化处理。固定搭接率的激光冲击处理对零件表面的整体塑性变形影响程度大，可导致零件表面粗糙程度，尤其是表面波纹度的提高以及残余应力场分布的不均匀，从而降低激光冲击强化在保持零件表面质量方面的技术优势。例如，若采用较小搭接率，易导致零件表面出现未加工区域；而若采用较大搭接率，则引发不同位置加工次数的明显差异，造成加工强度的不平衡分配。

因此，如何在脉冲激光强化金属的过程中，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的方法，该方法包括：

选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，所述空隙包括第一类空隙和第二类空隙；

以所述第一类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第二层光斑；

以所述第二类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第三层光斑；

依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对所述零件表面进行强化操作。

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零件表面法向重合。

可选的，在依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对所述零件表面进行强化操作后，还包括：

检测所述零件表面的残余压应力场分布状况，并根据所述残余压应力场分布状况调整所述圆形光斑的尺寸。

本申请还提供了一种脉冲激光强化金属的系统，该系统包括：

第一排布模块，用于选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，所述空隙包括第一类空隙和第二类空隙；

第二排布模块，用于以所述第一类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第二层光斑；

第三排布模块，用于以所述第二类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第三层光斑；

强化模块，用于依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对所述零件表面进行强化操作。

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零件表面法向重合。

可选的，还包括：

光斑尺寸调节模块，用于检测所述零件表面的残余压应力场分布状况，并根据所述残余压应力场分布状况调整所述圆形光斑的尺寸。

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的方法，选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，所述空隙包括第一类空隙和第二类空隙；以所述第一类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第二层光斑；以所述第二类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第三层光斑；依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对所述零件表面进行强化操作。

由于相切的圆形光斑之间会存在一定的空隙，且仅通过一层圆形光斑是无法完全避免出现空隙的情况的。空隙的存在将会导致零件表面波纹度变化较大且残余应力分布不均匀，因此本方法设置了三层光斑，这三层光斑的排布主要依据晶体学中面心立方空间点阵的原子排列规则(即第二层光斑的圆心对准第一类空隙的中心，第三层光斑的圆心对准第二类空隙的中心)。本方法通过设置三层光斑遮挡住了所有的空隙，能够在激光强化金属的过程中，降低表面波纹度变化、提升残余应力分布的均匀性。本申请同时还提供了一种脉冲激光强化金属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的方法的流程图；

图3为在实际应用中脉冲激光强化金属的三层光斑排布示意图；

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的方法的流程图。

具体步骤可以包括：

S101：选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，所述空隙包括第一类空隙和第二类空隙；

其中，本步骤默认已经将圆形光斑的尺寸调节至一个相对合适的值，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。但值得注意的是，当调节了圆形光斑的尺寸后，相应的第一层光斑、第二层光斑以及第三层光斑的位置也需要进行相应的调整。

可以理解的是，本步骤中第一层光斑的排列需要保证空隙率达到最低，因此需要第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，也就是说构成一个空隙的圆形光斑有三个，且连接这三个圆形光斑的圆心可以得到等边三角形。值得注意的是，第一层光斑能够围成两种类型的空隙，这两种空隙的形状相同，但是排列的方式不同。这两种空隙就是第一类空隙与第二类空隙，第一类空隙与第二类空隙镜像对称分布。

值得注意的是第一层光斑中包含的光斑数量是由本领域技术人员根据脉冲激光强化的实际应用场景进行设定，当然第一层光斑组合得到的具体形状也可以由本领域技术人员灵活选择，此处不进行具体的限定。

S102：以所述第一类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第二层光斑；

其中，本步骤中第二层光斑使用的圆形光斑的尺寸与第一层光斑完全相同，而且由于第二层光斑中的每一个圆形光斑的圆心都是第一类空隙的中心，因此第二层光斑的排布形式基本与第一层光斑的排布形式相同(即各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小)，只是位置稍有错位而已。在得到第二层光斑后，第一层光斑围成的空隙已经有一半被遮住了(即有脉冲激光强化)。当然在本步骤中第二层光斑中圆形光斑的数量就不是由本领域技术人员直接设定的，而是根据第一层光斑中第一类空隙的数量设定的。第二层光斑排布后得到的形状取决于第一层光斑的排布情况。

S103：以所述第二类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第三层光斑；

其中，本步骤中第三层光斑使用的圆形光斑的尺寸与第一层光斑和第二层光斑完全相同，而且由于第三层光斑中的每一个圆形光斑的圆心都是第二类空隙的中心，因此第三层光斑的排布形式基本与第一层光斑的排布形式相同(即各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小)，只是位置稍有错位而已。在得到第三层光斑后，第一层光斑围成的另一类空隙也被遮住了(即有脉冲激光强化)。当然在本步骤中第三层光斑中圆形光斑的数量不是由本领域技术人员直接设定的，而是根据第一层光斑中第二类空隙的数量设定的。第三层光斑排布后得到的形状也取决于第一层光斑的排布情况。

值得注意的是，S102与S103之间不存在逻辑上的先后顺序，可以先执行S102再执行S103，也可以先执行S103再执行S102，还可以在S102的相同时刻执行S103，只要能够在S104之前执行完S102和S103即可，本领域的技术人员可以根据本方案实际应用情况选择适当的先后顺序，此处不进行具体的限定。

S104：依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对所述零件表面进行强化操作。

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待加工区域所在的平面垂直。

可以理解的是，本步骤是先使用第一层光斑进行强化，再使用第二层光斑进行强化，最后使用第三层光斑进行强化。在相同的待强化零件上可以不用再循环S101至S103之间的操作，直接利用先前得到的第一层光斑、第二层光斑和第三层光斑依次进行S104中的强化操作。

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)。

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的方法的流程图；

具体步骤可以包括：

S201：选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，所述空隙包括第一类空隙和第二类空隙；

S202：以所述第一类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第二层光斑；

S203：以所述第二类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第三层光斑；

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零件表面法向重合；

S205：依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对所述零件表面进行强化操作；

请参见图3，图3为在实际应用中脉冲激光强化金属的三层光斑排布示意图。图中的第一层即第一层光斑，第二层即第二层光斑，第三层即第三层光斑。

S206：检测所述零件表面的残余压应力场分布状况，并根据所述残余压应力场分布状况调整所述圆形光斑的尺寸。

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的系统的结构示意图；

该系统可以包括：

第一排布模块100，用于选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，所述空隙包括第一类空隙和第二类空隙；

第二排布模块200，用于以所述第一类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第二层光斑；

第三排布模块300，用于以所述第二类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第三层光斑；

强化模块400，用于依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对所述零件表面进行强化操作。

在本申请提供的另一种脉冲激光强化金属的系统的实施例中，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零件表面法向重合。

进一步的，还包括：

光斑尺寸调节模块，用于检测所述零件表面的残余压应力场分布状况，并根据所述残余压应力场分布状况调整所述圆形光斑的尺寸。

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的方法，其特征在于，包括：

选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，所述空隙包括第一类空隙和第二类空隙，所述第一类空隙与所述第二类空隙镜像对称分布，构成一个所述空隙的圆形光斑数量为三，构成一个所述空隙的圆形光斑的圆心连线为等边三角形；

以所述第一类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第二层光斑；

以所述第二类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第三层光斑；

依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对零件表面进行强化操作；

其中，在依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对所述零件表面进行强化操作后，还包括：检测所述零件表面的残余压应力场分布状况，并根据所述残余压应力场分布状况调整所述圆形光斑的尺寸。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，还包括：

调节发射出脉冲激光的激光器的位置，以保证所述脉冲激光与所述零件表面法向重合。

3.一种脉冲激光强化金属的系统，其特征在于，包括：

第一排布模块，用于选择预设数量个相同尺寸的圆形光斑得到第一层光斑；其中，所述第一层光斑中各个所述圆形光斑与周围的圆形光斑相切且围成的空隙最小，所述空隙包括第一类空隙和第二类空隙；

第二排布模块，用于以所述第一类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第二层光斑；

第三排布模块，用于以所述第二类空隙的中心为圆心排布所述圆形光斑得到第三层光斑；

强化模块，用于依次使用所述第一层光斑、所述第二层光斑和所述第三层光斑对零件表面进行强化操作；

光斑尺寸调节模块，用于检测所述零件表面的残余压应力场分布状况，并根据所述残余压应力场分布状况调整所述圆形光斑的尺寸。

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，用于调节发射出脉冲激光的激光器的位置，以保证所述脉冲激光与所述零件表面法向重合。

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。