CN108517400B - 一种能量补偿等功率密度激光斜冲击方法 - Google Patents

一种能量补偿等功率密度激光斜冲击方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及材料表面强化处理的技术领域，更具体地，涉及一种能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，包括:获取待加工零件强化区域的曲率半径，判断激光入射角度范围；确定激光脉冲宽度、光斑直径和垂直入射条件下所需激光能量等激光参数；计算在最小入射角度时，所需的激光能量，以及判断该能量是否在激光器的技术指标内；利用不同能量的脉冲激光束对零件进行激光冲击强化。本发明根据待加工零件的入射角和曲率半径的变化对激光功率或能量进行补偿，避免因激光束在零件表面的投影面的形状和面积变化导致的强化效果不均匀，实现等强度强化，保证在同一区域或轨迹上激光功率密度不变，提升冲击效果的均匀性,降低激光冲击处理表面的粗糙程度。

Description

一种能量补偿等功率密度激光斜冲击方法
技术领域
本发明涉及材料表面强化处理的技术领域，更具体地，涉及一种能量补偿等功率密度激光斜冲击方法。
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技术，能够大幅度增强金属材料的耐久性。由于激光具有较好的可达性，能精确定位，因此激光冲击强化技术能够处理一些传统表面强化工艺不能处理的部位。激光冲击强化技术特别适合对小孔、倒角、焊缝和沟槽等部位进行强化。然而，对叶轮或整体叶片根部圆弧进行激光冲击强化时，必须斜入射角激光冲击强化，随着入射角度和圆弧角度的变化，激光束作用在表面的投影面的形状和面积都发生了变化，激光冲击强化效果不均匀。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于入射角和曲率半径的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，保证在同一区域或轨迹上激光功率密度的不便，提升金属残余应力的分布均匀性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，包括以下步骤：
S1.获取待加工零件的圆弧强化区域的曲率半径R及待加工零件形貌特征，判断激光入射角度α范围，获取最小入射角度αmin；
S2.根据待加工零件力学属性及待加工零件加工强度的要求，确定激光参数，所述激光参数包括激光脉冲强度、光斑直径D以及垂直入射条件下所需的激光能量Eo；
S3.根据步骤S1中确定的最小入射角度αmin、曲率半径R以及步骤S2中确定的光斑直径D，确定在最小入射角度αmin时所需的激光能量E；以及判断所述激光能量E是否在激光器的技术指标内，若是，则转步骤S4；若不是，则返回步骤S2重新选定激光参数；
S4.确定待加工零件圆弧强化区域的强化路径以及光斑搭接规则；
S5.利用不同能量的脉冲激光束通过不同的入射角度对零件进行激光冲击强化。
本发明的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，根据待加工零件的入射角和曲率半径的变化对激光功率或能量进行补偿，避免因激光束在零件表面的投影面的形状和面积变化导致的强化效果不均匀，实现等强度强化，保证在同一区域或轨迹上激光功率密度不变，提升残余应力的分布均匀性以及冲击效果的均匀性,降低激光冲击处理表面的粗糙程度。
优选地，所述激光入射角度α范围为αmin≤α＜90°。激光入射角度α由待加工零件的圆弧强化区域的曲率半径R以及待加工零件临近部位对待加工区域的影响程度得到。
优选地，步骤S1中所述待加工零件为包括叶盘和叶片的叶轮，所述圆弧区域设于叶盘和叶轮的连接处。激光冲击强化技术适合于小孔、倒角、焊缝和沟槽等传统表面强化工艺不能处理到的部位进行强化处理，在叶轮的根部圆弧强化区域应用较为广泛。
优选地，步骤S3中所述最小入射角度αmin时所需的激光能量E的计算包括以下步骤：
S31.入射角度α最小时，光斑面积S为：
S32.斜冲击时所需的激光能量E为：
优选地，在步骤S4所述待加工零件的强化路径中：
S41.激光强化起始于圆弧强化区域的端面位置；
S42.移动待加工零件逐渐均匀增加入射角度，并以最小入射角度αmin、最小入射角度αmin时所需的激光能量E冲击圆弧强化区域，直至最大入射角度；
S43.旋转待加工零件，再从最大入射角度处开始冲击，移动待加工零件逐渐均匀减小入射角度直至圆弧强化区域的端面位置；
S44.循环往复直至完成圆弧强化区域一侧端面的强化处理。
优选地，步骤S4中所述光斑搭接规则为在激光冲击强化过程中光斑搭接率η保持不变，所述光斑搭接率η为相邻光斑交点所连曲线的长度a′与光斑中距离最远两点所连曲线的长度a之比。
优选地，在步骤S5前，包括待强化区域的预处理的步骤、待加工零件装夹的步骤以及将步骤S4中确定的强化路径存储于激光器的步骤。预处理、待加工零件的装夹以及强化路径参数的设定和存储操作均属于激光器的常规操作，为待加工零件的冲击强化创造先行条件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，根据待加工零件的入射角和曲率半径的变化对激光功率或能量进行补偿，避免因激光束在零件表面的投影面的形状和面积变化导致的强化效果不均匀，实现等强度强化，保证在同一区域或轨迹上激光功率密度不变，提升残余应力的分布均匀性以及冲击效果的均匀性,降低激光冲击处理表面的粗糙程度。
附图说明
图1为本发明的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法的流程示意图。
图2为实施例一中以最小入射角度强化中间区域的入射光束示意图。
图3为实施例一中圆弧强化区域的强化路径示意图。
图4为实施例一中光斑搭接率定义示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1
如图1至图4所示为本发明的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法的第一实施例，包括以下步骤：
S1.获取待加工零件的圆弧强化区域的曲率半径R及待加工零件形貌特征，判断激光入射角度α范围，获取最小入射角度αmin；本实施例中激光入射角度α范围为αmin≤α＜90°；本实施例中的待加工零件为包括叶盘和叶片的叶轮，所述圆弧区域设于叶盘和叶轮的连接处。
S2.根据待加工零件力学属性及待加工零件加工强度的要求，确定激光参数，所述激光参数包括激光脉冲强度、光斑直径D以及垂直入射条件下所需的激光能量Eo；
S3.根据步骤S1中确定的最小入射角度αmin、曲率半径R以及步骤S2中确定的光斑直径D，确定在最小入射角度αmin时所需的激光能量E；以及判断所述激光能量E是否在激光器的技术指标内，若是，则转步骤S4；若不是，则返回步骤S2重新选定激光参数；
其中，步骤S3中所述最小入射角度αmin时所需的激光能量E的计算包括以下步骤：
S31.入射角度α最小时，光斑面积S为：
S32.斜冲击时所需的激光能量E为：
S4.确定待加工零件圆弧强化区域的强化路径以及光斑搭接规则；
其中，在步骤S4所述待加工零件的强化路径中：
S41.激光强化起始于圆弧强化区域的端面位置；
S42.移动待加工零件逐渐均匀增加入射角度，并以最小入射角度αmin、最小入射角度αmin时所需的激光能量E冲击圆弧强化区域，直至最大入射角度；
S43.旋转待加工零件，再从最大入射角度处开始冲击，移动待加工零件逐渐均匀减小入射角度直至圆弧强化区域的端面位置；
S44.循环往复直至完成圆弧强化区域一侧端面的强化处理。
如图4所示，步骤S4中所述光斑搭接规则为在激光冲击强化过程中光斑搭接率η保持不变，所述光斑搭接率η为相邻光斑交点所连曲线的长度a′与光斑中距离最远两点所连曲线的长度a之比。
S5.利用不同能量的脉冲激光束通过不同的入射角度对零件进行激光冲击强化。在步骤S5前，包括待强化区域的预处理的步骤、待加工零件装夹的步骤以及将步骤S4中确定的强化路径存储于激光器的步骤，为待加工零件的冲击强化创造先行条件。
经过以上步骤，本发明根据待加工零件的入射角和曲率半径的变化对激光功率或能量进行补偿，避免因激光束在零件表面的投影面的形状和面积变化导致的强化效果不均匀，实现等强度强化，保证在同一区域或轨迹上激光功率密度不变，提升残余应力的分布均匀性以及冲击效果的均匀性,降低激光冲击处理表面的粗糙程度。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.获取待加工零件的圆弧强化区域的曲率半径R及待加工零件形貌特征，判断激光入射角度α范围，获取最小入射角度αmin；
S2.根据待加工零件力学属性及待加工零件加工强度的要求，确定激光参数，所述激光参数包括激光脉冲强度、光斑直径D以及垂直入射条件下所需的激光能量Eo；
S3.根据步骤S1中确定的最小入射角度αmin、曲率半径R以及步骤S2中确定的光斑直径D，确定在最小入射角度αmin时所需的激光能量E；以及判断所述激光能量E是否在激光器的技术指标内，若是，则转步骤S4；若不是，则返回步骤S2重新选定激光参数；
S4.确定待加工零件圆弧强化区域的强化路径以及光斑搭接规则，所述光斑搭接规则为在激光冲击强化过程中光斑搭接率η保持不变；
S5.利用不同能量的脉冲激光束通过不同的入射角度对零件进行激光冲击强化；
其中，步骤S4中所述待加工零件的强化路径按以下步骤确定：
S41.激光强化起始于圆弧强化区域的端面位置；
S42.移动待加工零件逐渐均匀增加入射角度，并以最小入射角度αmin、最小入射角度αmin时所需的激光能量E冲击圆弧强化区域，直至最大入射角度；
S43.旋转待加工零件，再从最大入射角度处开始冲击，移动待加工零件逐渐均匀减小入射角度直至圆弧强化区域的端面位置；
S44.循环往复直至完成圆弧强化区域一侧端面的强化处理。
2.根据权利要求1所述的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，其特征在于，所述激光入射角度α范围为αmin≤α＜90°。
3.根据权利要求1所述的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，其特征在于，步骤S1中所述待加工零件为包括叶盘和叶片的叶轮，所述圆弧区域设于叶盘和叶轮的连接处。
4.根据权利要求1所述的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，其特征在于，步骤S3中所述最小入射角度αmin时所需的激光能量E的计算包括以下步骤：
S31.入射角度α最小时，光斑面积S为：
S32.斜冲击时所需的激光能量E为：
。
5.根据权利要求1所述的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，其特征在于，步骤S4中，所述光斑搭接率η为相邻光斑交点所连曲线的长度a′与光斑中距离最远两点所连曲线的长度a之比。
6.根据权利要求1至5任一项所述的能量补偿等功率密度激光斜冲击方法，其特征在于，在步骤S5前，包括待强化区域的预处理的步骤、待加工零件装夹的步骤以及将步骤S4中确定的强化路径存储于激光器的步骤。
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