CN108588399B - 一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，该方法以激光功率密度和平均覆盖率为两个特征参量，通过在激光冲击工艺参数的限定范围内进行取值，其中，工艺参数包括激光能量E，光斑直径D，激光脉冲t_p，光斑个数n，冲击层数m和搭接率η，从而保证这两个特征参量为定值的情况下，就能保证激光冲击强化材料后残余应力分布和大小近似，而疲劳寿命的大小与残余应力的分布和大小有关，因此只要控制两个特征参量的值，就能保证材料的疲劳寿命，这对仿真过程中模型的建立和工艺参数的选择具有重大意义，在控制最优的激光冲击强化效果同时，也大大简化了大量工艺参数的选择和仿真实验。

Description

一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制 方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及到一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法。

背景技术

影响激光冲击强化的效果的因素众多，分别为激光工艺参数、辅助层、冲击方式等。国内外学者对激光冲击参数和工艺参数进行大量的研究，但是这些研究仅仅针对单个变量，提高了控制强化效果的难度。通过研究特征参量来简化各个工艺参数，提高激光冲击强化工艺选择的效率，对激光冲击强化小直径紧固孔具有极其深远的实际意义。

近几年，国内外研究了激光功率密度对7050-T7451铝合金棒件疲劳寿命的影响，并基于仿真与试验分析讨论了激光功率密度的最优条件。试验中对试样进行双路对冲，激光功率密度范围在2～7GW/cm²之间。结果表明，激光功率密度是激光冲击强化7050铝合金引起内部裂纹的主要因素之一。研究还发现，激光功率密度对该铝合金圆棒疲劳寿命的提高存在一个临界值，当激光功率密度高于这个临界值时，在材料内可能发生内部开裂，这缩短了其疲劳寿命。从实验和数值结果发现，所研究的试样的临界激光功率密度值在3～4GW/cm²之间。

虽然国内外已经对激光冲击参数进行了研究，例如功率密度的范围研究，却没有形成一种对于铝合金和钛合金激光冲击强化工艺参数的控制方法，对于进行激光冲击强化仿真以及实际试验时对于各种工艺参数的选择造成了很大的不便，工作量很大，并且存在大量的重复工作。

发明内容

针对以上的不足，本发明针对小孔构件激光冲击强化选取工艺参数选取时的不便，而提出的一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，该方法通过对激光冲击强化铝合金和钛合金小孔时对特征参量进行控制，从而优化工艺参数选取的方法。

一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，利用激光冲击强化铝合金小孔和钛合金小孔，通过控制激光功率密度I₀和平均覆盖率ζ这两个特征参量，其中达到控制激光冲击强化工艺过程和强化效果；其中，E为能量密度，D为光斑直径，t_p为激光脉宽，n为光斑个数，m为冲击层数，η为搭接率。

进一步的，所述铝合金小孔和钛合金小孔为7050-T7451铝合金小孔和TC4-DT钛合金小孔。

进一步的，对7050-T7451铝合金小孔冲击强化时，控制激光功率密度I₀的范围为2.8GW/cm²～5.6GW/cm²，平均覆盖率ζ的范围为500％～800％；对TC4-DT钛合金小孔冲击强化时，控制激光功率密度I₀的范围为5GW/cm²～14GW/cm²，平均覆盖率ζ范围为500％～850％。

进一步的，所述激光功率密度I₀包括激光能量密度和激光脉宽t_p，其中能量密度D_E包括激光能量E和光斑直径D两个工艺参数，激光能量E的选取范围为2J～35J，光斑直径D的选取范围为2mm～8mm；其中激光脉宽t_p为激光器的固有参数，分为10ns、20ns或者30ns。

进一步的，当激光脉宽t_p上升每10ns时，对应的能量密度D_E就要降低1.2～1.5倍；当激光脉宽t_p降低每10ns时，对应的能量密度D_E就要上升1.5～1.8倍，以此来保证激光功率密度在最优范围内。

进一步的，所述平均覆盖率ζ包括每排的光斑个数n，冲击层数m和搭接率η三个工艺参数，其中搭接率η为50％～75％，可由光斑个数n、搭接率η和直径D计算得出冲击区域范围为[(n-1)(1-η)·D]²，冲击区域范围选取为7mm×7mm～10mm×10mm，冲击层数m为1～3层。

进一步的，该方法还包括其它冲击工艺参数的选取，其中，热阻材料为铝箔/黑胶带；约束层为纯水即流水或者水膜，厚度约为1mm；根据工艺优化结果，选择采用双面冲击方式；冲击路径为带冲或者环冲路径；工艺顺序采用先冲击后打孔的方式。

进一步的，该方法采用的是圆形光斑，光斑形状可以为圆形、方形、椭圆形或者环形，根据光斑形状，计算应作相应的改变。

本发明的有益效果：

1.给出了7050-T7451铝合金和TC4-DT钛合金小孔构件激光冲击强化较优的功率密度和覆盖率选择范围。

2.当激光脉宽一定时，功率密度和覆盖率是控制激光冲击强化效果的两个特征参量，在一定范围内，可以通过控制特征参量来调节激光冲击参数和工艺参数，从而达到预期的激光冲击强化效果，制定了激光冲击强化小孔构件控制特征参量的工艺参数选择方法。

附图说明

图1为本发明方法涉及到的激光冲击强化工艺选择流程图；

图2为本发明方法涉及的激光冲击7050-T7451铝合金功率密度与疲劳增益关系曲线图；

图3为本发明方法涉及的激光冲击7050-T7451铝合金平均覆盖率与疲劳增益关系曲线图；

图4为本发明方法涉及的激光冲击DC4-DT钛合金功率密度与疲劳增益关系曲线图；

图5为本发明方法涉及的激光冲击DC4-DT钛合金平均覆盖率与疲劳增益关系曲线图。

具体实施方式

本发明包括了一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，其方法流程图如图1所示。按特征参量(功率密度和平均覆盖率)对疲劳数据进行统计分析。分别采用不同的功率密度和平均覆盖率，每种激光功率密度和覆盖率分别选取5根试样。参考HB/Z112-1986，对所获得的疲劳试验数据进行成对对比分析。试验采用的是双联试样，一端未做处理，另一端进行激光冲击强化，且每组的试验条件相同。因此，最后得到的试样两端疲劳寿完全满足成对对比试验的配对要求，可以两两配成对子。处理试验数据时，预先将试样各端的疲劳寿命观测值取对数，并计算它们的差数，然后计算差数平均值和差数标准差，并进行t检验和95％置信度下的中值疲劳寿命置信区间估计。

实施例一：7050-T7451铝合金试验

表1 不同功率密度下的疲劳试验结果

表1为7050-T7451铝合金在不同功率密度下的疲劳试验结果，所选用的激光功率密度分别为3.77GW/cm²、4.71GW/cm²、6.58GW/cm²和7.96GW/cm²，平均覆盖率为703.23％。采用成对对比法对试验数据进行统计分析，以检验试样在经过不同激光功率密度冲击前后疲劳寿命的差异程度。从表1中可以看出，试样未冲击端疲劳寿命在50000次左右上下波动，极个别试样未冲击端疲劳寿命波动较大，而冲击端经激光冲击强化后疲劳寿命均有所增加，且疲劳增益的变化与试样冲击端的疲劳寿命变化一致。在置信度95％的条件下，当功率密度为3.77GW/cm²时，试样冲击端中值疲劳寿命是未冲击端中值疲劳寿命的1.80～2.08倍；当功率密度为4.71GW/cm²时，试样冲击端中值疲劳寿命是未冲击端中值疲劳寿命的1.94～2.18倍；当功率密度为6.58GW/cm²时，试样冲击端中值疲劳寿命是未冲击端中值疲劳寿命的1.23～1.67倍。当功率密度为7.96GW/cm²时，试样冲击端中值疲劳寿命是未冲击端中值疲劳寿命的2.11～2.36倍。

表2为7050-T7451铝合金在不同覆盖率下的疲劳试验结果，所选用的平均覆盖率分别为461.39％、556.29％、703.23％和788.84％，功率密度均为4.71GW/cm².。

表2 不同平均覆盖率下的疲劳试验结果

从表2中可以看出，试样未冲击端疲劳寿命都相差不大，在50000次左右上下波动，而冲击端经激光冲击强化后疲劳寿命均有所增加，且疲劳增益的变化与试样冲击端的疲劳寿命变化一致。在置信度95％的条件下，当覆盖率为461.39％时，试样冲击端中值疲劳寿命是未冲击端中值疲劳寿命的1.39～1.95倍；当覆盖率为556.29％时，试样冲击端中值疲劳寿命是未冲击端中值疲劳寿命的1.52～2.09倍；当覆盖率为703.23％时，试样冲击端中值疲劳寿命是未冲击端中值疲劳寿命的2.76～3.37倍。当覆盖率为788.84％时，试样冲击端中值疲劳寿命是未冲击端中值疲劳寿命的2.48～4.30倍。试样未冲击端的疲劳寿命差异较小，而冲击端的疲劳寿命随着覆盖率的增大而增大。

图2和图3分别为7050-T7451铝合金试样在不同功率密度和覆盖率下的疲劳试验对比图。图中左边Y轴表示疲劳寿命，右边Y轴表示疲劳增益。

结合附图2所示，随着激光功率密度变化，试样冲击端的疲劳寿命上下波动，疲劳增益变化较大。当功率密度为4.71GW/cm²时，疲劳增益比较好，且相对稳定。结合附图3所示，当平均覆盖率范围在500％～800％时，疲劳增益最好。

实施例二：DC4-DT钛合金疲劳试验

表3是DC4-DT钛合金在不同功率密度下的疲劳试验结果，所选用的激光功率密度分别为4.71GW/cm²、6.58GW/cm²、10.62GW/cm²和15.92GW/cm²，平均覆盖率为703.23％。采用成对对比法对试验数据进行统计分析，以检验试样在经过不同激光功率密度冲击前后疲劳寿命的差异程度。

表3 不同功率密度下的疲劳试验结果

从表3中可以看出，未冲试样的疲劳寿命都相差不大，在10000次左右上下波动，只有极个别的波动较大。当功率密度分别为4.71GW/cm²、6.58GW/cm²、10.62GW/cm²和15.92GW/cm²时，在95％置信度的条件下，试样中值疲劳寿命区间分别为(1.44,2.39)、(1.87,2.90)、(2.27,3.13)和(1.80,5.30)。当功率密度为15.92GW/cm²时，中值疲劳寿命区间范围较大，这说明当功率密度较大时，疲劳增益的波动范围较大。

表4是DC4-DT钛合金不同覆盖率下的疲劳试验结果，所选用的覆盖率分别为515.88％、703.23％、820.87％和1289.69％，功率密度均为4.71GW/cm².。从表4中可以看出，试样未冲击端的疲劳寿命差异较小，在10000次左右上下波动。当覆盖率分别为515.88％、703.23％、820.87％和1289.69％，在95％置信度的条件下，试样中值疲劳寿命区间分别为(1.57,2.44)、(2.06,2.82)、(1.25,2.97)和(2.53,3.10)。不同覆盖率下，疲劳增益有很大的差异，疲劳增益随着覆盖率的增大而增大。

表4 不同覆盖率下的疲劳试验结果

图4和图5分别是DC4-DT钛合金试样在不同功率密度和覆盖率下的疲劳试验对比图。图中左边Y轴表示循环次数，右边Y轴表示疲劳寿命增益。

结合附图4所示，当功率密度为15.92GW/cm²时，未冲击端疲劳寿命几乎没有差异，但冲击端疲劳寿命相差较大，疲劳增益出现大范围波动；而当功率密度为10.62GW/cm²时，疲劳增益较好且相对稳定。

结合附图5所示，试样未冲击端的疲劳寿命在10000上下波动，在相同覆盖率下冲击端的疲劳寿命也出现了小幅波动，但是疲劳增益波动很小。当覆盖率增大时，疲劳增益整体呈现上升的趋势。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，其特征在于，利用激光冲击强化铝合金小孔和钛合金小孔，通过控制激光功率密度I₀和平均覆盖率ζ这两个特征参量，其中达到控制激光冲击强化工艺过程和强化效果；其中，E为能量密度，D为光斑直径，t_p为激光脉宽，n为光斑个数，m为冲击层数，η为搭接率。

2.根据权利要求1所述的一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，其特征在于，所述铝合金小孔和钛合金小孔为7050-T7451铝合金小孔和TC4-DT钛合金小孔。

3.根据权利要求2所述的一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，其特征在于，对7050-T7451铝合金小孔冲击强化时，控制激光功率密度I₀的范围为2.8GW/cm²～5.6GW/cm²，平均覆盖率ζ的范围为500％～800％；对TC4-DT钛合金小孔冲击强化时，控制激光功率密度I₀的范围为5GW/cm²～14GW/cm²，平均覆盖率ζ范围为500％～850％。

4.根据权利要求1或者3任一项所述的一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，其特征在于，所述激光功率密度I₀包括激光能量密度D_E，

激光脉宽t_p，其中能量密度D_E包括激光能量E和光斑直径D两个工艺参数，激光能量E的选取范围为2J～35J，光斑直径D的选取范围为2mm～8mm；其中激光脉宽t_p为激光器的固有参数，分为10ns、20ns或者30ns。

5.根据权利要求4所述的一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，其特征在于，当激光脉宽t_p上升每10ns时，对应的能量密度D_E就要降低1.2～1.5倍；当激光脉宽t_p降低每10ns时，对应的能量密度D_E就要上升1.5～1.8倍，以此来保证激光功率密度在最优范围内。

6.根据权利要求1所述的一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，其特征在于，该方法还包括其它冲击工艺参数的选取，其中，热阻材料为铝箔或者黑胶带；约束层为纯水即流水或者水膜，厚度为1mm；根据工艺优化结果，选择采用双面冲击方式；冲击路径为带冲或者环冲路径；工艺顺序采用先冲击后打孔的方式。

7.根据权利要求1所述的一种小孔构件激光冲击强化选取工艺参数的特征参量控制方法，其特征在于，该方法采用的光斑形状为圆形、方形、椭圆形或者环形，根据光斑形状，计算应作相应的改变。

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