CN108796206B - 一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置及方法，属于材料表面强化处理领域，该装置包括激光组件和振动组件；该方法采用激光冲击和超声振动同时对工件表面进行强化处理，通过施加超声振动，以防止激光冲击强化后冲击区域周边产生的凹凸不平；在激光冲击工件表面时，对冲击头施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的超声振动与激光冲击波产生相互作用，在材料表面一定深度形成合理的三维压应力分布，冲击头延长了等离子体爆炸产生的压力作用时间，最大化发挥了强化效果，且提高了工件的表面质量。本发明克服了传统强化工艺的缺陷，解决了单一激光冲击和单一超声振动强化材料表面的不足。

Description

一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置及方法

技术领域

本发明属于材料表面强化处理领域，特别涉及一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置及方法。

背景技术

目前，在机械工业领域中，许多关键零部件的使用环境恶劣，工况条件较差，这就为这些零部件的制造工艺和质量控制提出更高的要求，尤其是一些带有圆弧、沟槽、台阶等应力集中细节的零部件在使用过程中不可避免会出现疲劳破坏和裂纹缺陷，而这些隐患所造成的经济损失和人身危害是难以估量的。因此，延长关键结构件的使用寿命和使用可靠性变得越来越重要。目前广泛使用的强化方法有滚压强化和激光冲击强化等。

滚压强化是通过滚压工具在材料的表面施加均匀的压力，使表层产生塑性变形，形成有利的残余压应力场，从而提高零件的抗疲劳性能。但滚压后材料表面会出现明显的硬化层，该层的金相组织与内部材料组织明显不同，在疲劳载荷下，该层显得脆一些，因此容易脱落，使得强化效果不明显。

专利CN105945510A公开了一种表面滚压强化加工装置。滚压强化时，滚压装置轴线垂直于待滚压平面，使滚压球体接触工件待滚压表面，工件表面材料产生剧烈的弹塑性变形，形成塑性流动，将工件的表面显微硬度提高。但在滚压过程中滚压量控制复杂,且强化效果不明显，会出现花斑、脱皮等现象。

激光冲击强化是通过激光诱导冲击波作用于材料表面，使材料发生塑性变形，从而在冲击区域内引入残余压应力，从而达到强化效果。

专利CN1928127A叙述了一种利用激光连续冲击强化的方法及装置，将约束介质和涂层结合在一起，使激光冲击强化可以连续进行，该发明提供一种利用高能量激光束产生等离子爆炸冲击波连续强化平面或近似于平面的金属材料或零件的方法，但该方法产生的残余压应力不稳定，处理后材料疲劳寿命的提高非常有限。

专利CN101831529A叙述了一种采用强激光束对曲轴圆角进行强化处理的方法。釆用强激光束对其拉应力源区进行冲击强化处理，激光冲击波对材料表面均匀施加应力波，使其产生微塑性变形后得以强化，形成相变强化层和石墨马氏体环。但当只采用大能量激光器冲击时，会产生较强稀疏波，冲击区域周边会产生反向塑性变形，从而降低材料表面的平整度与粗糙度，影响强化效果。

专利CN103361469A公开了一种激光冲击强化的增压装置。通过聚焦后的激光光斑穿过水膜辐照到吸收层后，产生等离子爆炸，在工件表层材料形成冲击波，引起材料的塑性变形，产生残余压应力，从而强化工件表层，水膜和锥形挡套的作用是约束等离子体爆炸。但其提高的残余压应力值不大，且光斑四周其他区域没有明显的强化效果。

超声振动挤压强化技术是使零件表面被有压力(拉力)和高频纵向冲击力的工具头撞击，使工件表面的微观峰谷被压平，同时表层金属发生塑性变形强化，形成压应力，进而增强零件表面耐疲劳强度。

专利CN102994733A公开了一种纯铁表面超声振动强化方法。经过该方法处理的工件表面处理层厚度过薄，对于强化工况条件较差的关键零部件意义不大。

专利CN105734233A提供了一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用。将金属工件装夹在超声波加工机床上，利用超声波加工刀具对金属工件表面进行超声加工，通过调整超声波加工刀具对于加工工作面的不同压力来实现对金属表面预置压应力，最终达到消除残余应力，提高疲劳寿命的目的。但该强化方法只能使工件表面加工残余应力降低，不能实现明显的强化。

发明内容

本发明的目的是针对上述强化技术的缺陷，提供了一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置及方法，该装置及方法克服了传统强化工艺的缺陷，消除了单一激光冲击强化材料表面冲击区域周边产生的凹凸不平，解决了单一超声振动强化材料表面效果不明显的问题，通过激光冲击和超声振动复合强化，延长等离子体爆炸产生的压力作用时间，最大化发挥了强化效果，使工件既得到了全面的强化，又提高了表面质量，工艺过程简单。

本发明通过如下技术方案得以实现的：

一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置，包括激光组件和超声振动组件；

所述激光组件包括吸收层、约束层和激光束；所述吸收层置于工件的上表面，约束层位于吸收层上方；

所述超声振动组件包括冲击头、冲击头盖、变幅杆、第一换能器和第二换能器；所述第一换能器与第二换能器置于变幅杆的一端；所述冲击头与冲击头盖均通过螺纹与变幅杆另一端的外壁连接，冲击头盖与冲击头上下配合，冲击头盖与冲击头结合处的一侧形成流通约束层的通道；所述变幅杆为中心位置开设有中空结构，激光束可通过变幅杆上开设的中空结构辐照到工件上。

进一步的，所述第一换能器和第二换能器组成双管并联式换能器，双管并联式换能器中间预留一定的空隙激光束可通过。

进一步的，所述约束层为水或者其它透明液体。

进一步的，所述变幅杆上靠近冲击头端面上安装有透明的防弹玻璃。

进一步的，所述冲击头形状根据曲面的曲率进行选择，使其能适合曲面强化，强化曲面曲率为正的工件时冲击头前端形状应为凹形，强化曲面曲率为负的工件时冲击头前端形状应为凸形。

基于激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置的方法，采用激光冲击和超声振动同时对工件表面进行强化处理，在激光冲击工件表面时，对冲击头施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的超声振动与激光冲击波产生相互作用，在材料表面一定深度形成三维的压应力分布，冲击头约束等离子体的横向爆炸，具体包括以下步骤：

S1.对工件的待强化表面进行预处理；

S2.设置吸收层和约束层；在工件表面贴上铝箔或者黑漆作为吸收层；使用水或其它透明液体作为约束层，约束层经冲击头盖与冲击头结合处的侧边的入水口注入，经过冲击头，流向强化区域；

S3.设置超声振动的模态和参数，使冲击头产生超声振动；

S4.调节光斑形状、光斑大小及激光功率密度等激光参数，激光束经由空心路径，对工件待强化表面进行激光冲击强化，在该过程中，根据强化路径控制工件的移动，直至工件待强化表面均被强化处理；

S5.停止超声振动，停止激光束入射，并停止注入约束层；从而完成激光冲击和超声振动复合强化。

进一步的，所述步骤S2中水或其它透明液体作为约束层，控制约束层流入速率，保证层流状态，由入水口始终流向激光强化区域；当约束层上升至一定高度，会被透明的防弹玻璃所阻碍，避免逆流空心路径，影响强化效果。

进一步的，所述步骤S3中超声振动模态为纵向振动或者呼吸式振动；超声振动频率为15～60kHz，超声振幅为2～40μm，

进一步的，所述冲击头与工件表面之间距离控制在0-0.01mm。

进一步的，所述步骤S4中激光冲击时光斑搭接率大于50％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明对金属材料表面同时进行激光冲击和超声振动强化，激光冲击与超声振动均垂直于工件表面进行，消除了激光冲击造成的明显的凹凸痕迹，改善了表面和深度方向上残余应力不均匀性，消除了冲击区域外围的残余拉应力。

2.本发明克服了单一激光冲击强化和单一超声振动强化的缺陷，且两种强化相辅相成，利用超声振动与激光冲击波产生相互作用，在材料表面形成更合理的三维应力分布。

3.通过激光冲击和超声振动复合强化，冲击头约束了等离子体的横向爆炸，延长了等离子体爆炸产生的压力作用时间，最大化发挥了强化效果，使强化区域四周形成残余压应力，消除了激光冲击造成的周边凹凸不平，从而提高工件表面的平整度，使工件既得到了全面的强化，又提高了表面质量，工艺过程简单。

4.激光冲击和超声复合强化方法能使金属工件表面晶粒细化，表面显微硬度提高，耐磨性和耐腐蚀性提高。

5.本发明具有结构简单，且工艺过程简单，操作方便等特点，对工件同时进行激光冲击和超声振动强化，使其获得较高的抗疲劳性能。

附图说明

图1为激光冲击和超声振动复合强化装置结构示意图；

图2为激光冲击和超声振动单点复合强化区域示意图；

图3为图1中涉及到的冲击头形状示意图；

图4为激光冲击残余应力分布及应力提取路径图；

图5为复合强化残余应力分布及应力提取路径图；

图6为激光冲击的平面A三维应力分布图；

图7为复合强化的平面A三维应力分布图；

图8为激光冲击的平面B三维应力分布图；

图9为复合强化的平面B三维应力分布图。

附图标记如下：

1、工件，2、吸收层，3、冲击头，4、约束层，5、变幅杆，6、第一换能器，7、防弹玻璃，8、冲击头盖，9、激光束，10、第二换能器，11、超声振动作用区域，12、光斑，13、曲面曲率为正的工件，14、曲面曲率为负的工件，15、应力测量平面A，16、应力测量平面B，17、激光冲击后的光斑边缘，18、复合强化后的光斑边缘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明采用激光冲击和超声振动同时对工件1表面进行强化处理，通过施加超声振动，以防止激光冲击强化后冲击区域周边产生的凹凸不平；在激光冲击工件1表面时，对冲击头3施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的超声振动与激光冲击波产生相互作用，在材料表面一定深度形成三维的压应力分布。冲击头3约束了等离子体的横向爆炸，延长了等离子体爆炸产生的压力作用时间，最大化发挥了强化效果。

结合附图1和2，一种激光冲击和超声复合的曲面强化装置，包括振动组件和激光组件；

所述激光组件包括吸收层2、约束层4、激光束9；所述吸收层2置于工件1表面，约束层4位于吸收层2上方。

所述振动组件包括冲击头3、冲击头盖8、变幅杆5、换能器6；所述冲击头3与冲击头盖8均通过螺纹与变幅杆5连接，两者紧密配合，变幅杆5安装在换能器6下方；

所述第一换能器6和第二换能器10组成双管并联式换能器，双管间预留一定的空隙；变幅杆5同样采用中空形式，冲击头3采用中空形式，双管并联式换能器将超声振动传递给变幅杆5，变幅杆5将振幅放大并传递给冲击头3；所述冲击头3与冲击头盖8相互配合，内部构成一条可注入液体的路径，在距冲击头3前端一定距离处安装一防弹玻璃7；中空的冲击头3、变幅杆5与双管并联式换能器对心组成一条空心路径，激光束9经由空心路径，对工件1表面进行激光冲击强化。

所述冲击头3形状根据曲面的曲率进行选择，使其能适合曲面强化，结合附图3所示，强化曲面曲率为正的工件13时冲击头3前端形状应为凹形，强化曲面曲率为负的工件14时冲击头3前端形状应为凸形。

本发明提供一种激光冲击和超声复合的曲面强化方法具体实施过程如下：

S1.对工件1的待强化表面进行预处理，釆用粒度较高的砂纸打磨工件1表面，保证处理表面的精度。使用酒精，清洗经打磨处理过的工件1表面，除去油、泥杂质等。

S2.对预处理后的工件1表面设置吸收层2和约束层。在工件1表面贴上铝箔或黑漆等作为吸收层2，其主要作用是保护零件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收；将水或其他透明液体构成的约束层4，由冲击头盖8侧边的入水口注入，经过冲击头3，流向强化区域；

S3.设置超声振动的模态和参数，根据实际工程需要调整振动频率和振幅等参数，使冲击头3产生超声振动，超声振动模态为纵向振动或呼吸式振动，超声振动频率优选值为15～60kHz，振幅优选值为2～40μm。冲击头3与工件1表面之间距离控制在0-0.01mm；

S4.调节光斑形状、光斑大小及激光功率密度等激光参数，激光束9经由空心路径，对工件1表面进行激光冲击强化，因此激光入射角为90°，激光冲击强化的效果较好。激光功率密度根据工件1的材料性能和工件的大小进行选择，激光冲击光斑搭接率大于50％。

S5.在进行激光冲击与超声振动强化过程中，根据强化路径控制工件1的移动，完成强化路径为一遍，为了进一步提高工件1表面的硬度和耐磨性等综合性能，可以重复2～3遍；

S6.停止超声振动，停止激光束9入射，并停止注入约束层水或其他透明液体4。完成激光冲击和超声振动复合强化。

实施例

对6mm厚的铝合金试样进行强化。对试样表面进行预处理，并在表面贴上铝箔作为吸收层2，使用水作为约束层4，由冲击头盖8侧边的入水口注入，经过冲击头3，流向强化区域。冲击头3的内外径分别为3mm、6mm，变幅杆5与双管并联式换能器的尺寸依据实际而定。设置振动模态和参数，本实施例中超声振动采用呼吸式振动，超声振动频率为25kHz，振幅为10μm，使冲击头3产生超声振动。同时发射激光束9，具体参数如下：光斑直径3mm，能量为2G，脉冲宽度20.1ns，波长1.054μm。激光冲击光斑搭接率为60％，复合强化时工件移动路径结合附图3所示，完成强化路径为一遍，重复冲击两遍。强化完成后，停止超声振动，停止激光束9入射，并停止注入约束层4。激光冲击和超声振动复合强化完成。

激光冲击和超声振动复合强化后，材料得到全面的强化。如图4所示为激光冲击残余应力分布及应力提取路径图，图5为复合强化残余应力分布及应力提取路径图，提取应力测量平面A15和应力测量平面B16的残余应力数据。

通过提取残余应力数据得到三维应力分布图，结合附图6为激光冲击的平面A三维应力分布图，结合附图7为复合强化的平面A三维应力分布图，纵坐标为残余应力大小，两横坐标分别为从A点到B点的距离和从B点到C点的距离。分析两种强化方式后的残余应力分布可知，激光冲击强化后，材料表面的光斑四周产生一定深度的残余拉应力，其值约为220MPa，光斑中心也存在较小的残余拉应力，约为150MPa。激光冲击后，从A点到B点的厚度方向上的应力分布波动较大，而采用复合强化后，该方向上应力分布更均匀，光斑中心的残余应力为压应力，其值约为50MPa，且该方向上靠近光斑的区域均为残余压应力，应力分布更合理。

结合附图8为激光冲击的平面B三维应力分布图，结合附图9为复合强化的平面B三维应力分布图，纵坐标为残余应力大小，两横坐标分别为从A点到D点的距离和从D点到F点的距离。激光冲击强化后，光斑边缘的区域即出现了最大值为220MPa的残余拉应力。而复合强化后，材料表面靠近光斑边缘的区域的残余应力为压应力，即超声作用的区域为残余压应力，压应力最大值约为470MPa，光斑作用区域全为残余压应力且应力分布较均匀，而残余拉应力出现在远离光斑和超声作用区域的位置，超声振动与激光冲击波产生相互作用，形成了更加合理的三维压应力分布。

从图4和图5可以清晰的看到，激光冲击后的光斑边缘17会出现明显的凸起，严重影响试样的表面质量。而复合强化后的光斑边缘18较平整，即采用复合强化后，凸起会被压平，提高了工件的表面质量。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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 (10)

1.一种激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置，其特征在于，包括激光组件和超声振动组件；

所述激光组件包括吸收层(2)、约束层(4)和激光束(9)；所述吸收层(2)置于工件(1)的上表面，约束层(4)位于吸收层(2)上方；

所述超声振动组件包括冲击头(3)、冲击头盖(8)、变幅杆(5)、第一换能器(6)和第二换能器(10)；所述第一换能器(6)与第二换能器(10)置于变幅杆(5)的一端；所述冲击头(3)与冲击头盖(8)均通过螺纹与变幅杆(5)另一端的外壁连接，冲击头盖(8)与冲击头(3)上下配合，冲击头盖(8)与冲击头(3)结合处的一侧形成流通约束层(4)的通道；所述变幅杆(5)为中心位置开设有中空结构，激光束(9)可通过变幅杆(5)上开设的中空结构辐照到工件(1)上。

2.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置，其特征在于，所述第一换能器(6)和第二换能器(10)组成双管并联式换能器，双管并联式换能器中间预留一定的空隙激光束(9)可通过。

3.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置，其特征在于，所述约束层(4)为水或者其它透明液体。

4.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置，其特征在于，所述变幅杆(5)上靠近冲击头(3)端面上安装有透明的防弹玻璃(7)。

5.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置，其特征在于，所述冲击头(3)形状根据曲面的曲率进行选择，使其能适合曲面强化，强化曲面曲率为正的工件(13)时冲击头(3)前端形状应为凹形，强化曲面曲率为负的工件(14)时冲击头(3)前端形状应为凸形。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的激光冲击和超声振动的复合曲面强化装置的方法，其特征在于，采用激光冲击和超声振动同时对工件(1)表面进行强化处理，在激光冲击工件(1)表面时，对冲击头(3)施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的超声振动与激光冲击波产生相互作用，在材料表面一定深度形成三维的压应力分布，冲击头(3)约束等离子体的横向爆炸，具体包括以下步骤：

S1.对工件(1)的待强化表面进行预处理；

S2.设置吸收层(2)和约束层(4)；在工件(1)表面贴上铝箔或者黑漆作为吸收层(2)；使用水或其它透明液体作为约束层(4)，约束层(4)经冲击头盖(8)与冲击头(3)结合处的侧边的入水口注入，经过冲击头(3)，流向强化区域；

S3.设置超声振动的模态和参数，使冲击头(3)产生超声振动；

S4.调节光斑形状、光斑大小及激光功率密度等激光参数，激光束(9)经由空心路径，对工件(1)待强化表面进行激光冲击强化，在该过程中，根据强化路径控制工件(1)的移动，直至工件(1)待强化表面均被强化处理；

S5.停止超声振动，停止激光束(9)入射，并停止注入约束层(4)；从而完成激光冲击和超声振动复合强化。

7.根据权利要求6所述的复合曲面强化装置的方法，其特征在于，步骤S2中水或其它透明液体作为约束层(4)，控制约束层(4)流入速率，保证层流状态，由入水口始终流向激光强化区域；当约束层(4)上升至一定高度，会被透明的防弹玻璃(7)所阻碍，避免逆流空心路径，影响强化效果。

8.根据权利要求6所述的复合曲面强化装置的方法，其特征在于，步骤S3中超声振动模态为纵向振动或者呼吸式振动；超声振动频率为15～60kHz，超声振幅为2～40μm。

9.根据权利要求6所述的复合曲面强化装置的方法，其特征在于，所述冲击头(3)与工件(1)表面之间距离控制在0-0.01mm。

10.根据权利要求6所述的复合曲面强化装置的方法，其特征在于，步骤S4中激光冲击时光斑搭接率大于50％。