CN109136526B - 一种激光冲击强化曲面结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料表面强化的技术领域，更具体地，涉及一种激光冲击强化曲面结构的方法，包括：测量待加工曲面的形状参数，根据曲面结构特征拟合待加工曲面的数学函数；确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量；确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算所需的对应激光光束能量；得到最终的激光光束能量分布表达式；根据激光光束能量分布表达式制备激光光束对待加工曲面进行冲击强化处理。本发明针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结构的等强度激光冲击强化，且在强化曲面结构的过程中，能够保证激光冲击强度的一致性，提升残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。

Description

一种激光冲击强化曲面结构的方法
技术领域
本发明涉及材料表面强化的技术领域，更具体地，涉及一种激光冲击强化曲面结构的方法。
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新技术，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。激光冲击强化技术特别适合壁薄且型面复杂的航空发动机叶片等零件。航空发动机叶片以及涡轮盘榫槽等结构表面一般为非平面，若采用能量分布不变的激光光束对上述曲面结构进行强化处理，则会造成待加工表面受力不均的结果，甚至导致部分区域应力集中现象的发生。
目前，有申请人提出将待加工曲面进行区域划分，针对不同小区域的激光光束的实际投影面积来调整激光光束能量，取得了较好的等强度激光冲击强化效果。然而，这种方法针对同一小区域采用相同的激光能量分布，忽略了每一小区域的曲率变化，激光冲击处理的强度控制不够精确。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光冲击强化曲面结构的方法，针对强化处理过程中的任一区域进行激光光束能量空间分布的调整，使得待加工曲面结构的任一位置具有与之对应的激光能量，能够提高能量密度及冲击强度在曲面结构分布的均匀性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种激光冲击强化曲面结构的方法，包括以下步骤：
S1.测量待加工曲面的形状参数，推导曲面结构特征的数学函数类型，拟合所述待加工曲面的数学函数表达式；
S2.根据材料表面强化要求，确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量E0；
S3.基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算对应所需的激光光束能量E；
S4.采用待加工曲面的数学函数类型表征激光能量分布得到激光能量分布函数，并将若干特殊冲击区域的位置坐标及其所需的激光能量代入激光能量分布函数，得到最终的激光光束能量分布表达式；
S5.根据步骤S4中所述的激光光束能量分布表达式制备激光光束，并对待加工曲面进行冲击强化处理。
本发明的激光冲击强化曲面结构的方法，针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结构的等强度激光冲击强化。本发明的方法在强化曲面结构的过程中，保证激光冲击强度的一致性，提升残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。
优选地，步骤S1中，所述数学函数类型的拟合包括以下步骤：
S11.测量待加工曲面的形状参数；
S12.根据步骤S11中所述的形状参数推导数学函数类型；
S13.得到表征待加工曲面形状的数学函数表达式。
基于待加工曲面的形状参数推导出待加工曲面的数学函数，便于根据待加工曲面的数学函数设置激光光束能量的分布。
优选地，步骤S11中所述形状参数包括代表曲面形状特征的位置坐标。形状参数包括代表曲面形状特征的位置坐标，在已得到待加工曲面形状函数类型的条件下，仅需测量部分特殊位置坐标即可。
优选地，步骤S2中材料表面强化要求包括与激光诱导的冲击压力相关的力学性能及机械性能的要求，所述激光诱导的冲击压力Pmax与激光能量密度I0间的关系表示为
Figure GDA0002472292240000021
式中，I0为待加工区域单位面积单位时间的激光能量。本发明假定能量为的E0激光光束垂直入射待加工曲面时可获得最优的强化效果；力学性能包括高周疲劳等，机械性能包括显微硬度等，高周疲劳与显微硬度等指标均与激光诱导的冲击压力相关。
优选地，步骤S3中，待加工曲面的特殊冲击区域选自待加工曲面的中心点、对称点以及边界点中的一种或几种的组合。待加工曲面的特殊冲击区域指有助于拟合曲面数学函数表达式的特征坐标区域，可选择待加工的中心点、对称点以及边界点。
优选地，步骤S4中，若干特殊冲击区域的位置坐标包括待加工曲面的中心点、对称点以及边界点的位置坐标。所述的若干特殊冲击区域的位置坐标及其所需的激光能量在转化为坐标点后经过激光能量分布函数，有助于拟合激光能量分布函数表达式，可选择与步骤S3一致的特殊区域的位置坐标。
优选地，步骤S5中，若激光光束能量分布包括超出激光器性能的数据，则通过减小激光光束辐照的单次冲击面积降低所需的激光光束能量。若计算得到的激光光束能量分布包括超出激光器性能的数据，则可以采用更小尺寸的激光光束辐照更小的单次冲击面积，使得待加工曲面的曲率变化范围进一步缩小，从而降低所需的最大激光光束能量。
优选地，步骤S5中，在对待加工曲面进行冲击强化处理前，对待强化区域进行预处理；所述预处理包括吸收层及约束层的涂覆。吸收层及约束层的设置保护待加工工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收。
优选地，步骤S5中，所述冲击强化处理采用逐点加工的方式进行。本发明使用机械臂携带待加工工件移动进行待强化区域不同位置的激光冲击处理时，采用机械臂移动一下激光冲击一下的方式进行。
优选地，所述曲面结构包括航空发动机叶片结构及涡轮盘榫槽结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的激光冲击强化曲面结构的方法，针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结构的等强度激光冲击强化；且在强化曲面结构的过程中，能够保证激光冲击强度的一致性，提升残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。
附图说明
图1为本发明的激光冲击强化曲面结构的方法的流程图。
图2为实施例二平面结构冲击强化时需采用的激光光束能量分布示意图；
图3为实施例二曲面结构冲击强化时需采用的激光光束能量分布示意图I；
图4为实施例二曲面结构冲击强化时需采用的激光光束能量分布示意图II。
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所示为本发明的激光冲击强化曲面结构的方法的流程图，包括以下步骤：
S1.测量待加工曲面的形状参数，推导曲面结构特征的数学函数类型，拟合所述待加工曲面的数学函数表达式；
S2.根据材料表面强化要求，确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量E0；
S3.基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算对应所需的激光光束能量E；
S4.采用待加工曲面的数学函数类型表征激光能量分布得到激光能量分布函数，并将若干特殊冲击区域的位置坐标及其所需的激光能量代入激光能量分布函数，得到最终的激光光束能量分布表达式；
S5.根据步骤S4中所述的激光光束能量分布表达式制备激光光束，并对待加工曲面进行冲击强化处理。
本实施例的曲面结构包括航空发动机叶片结构及涡轮盘榫槽结构。
本实施例在实施时，针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结构的等强度激光冲击强化。本发明的方法在强化曲面结构的过程中，保证激光冲击强度的一致性，提升残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。
其中，步骤S1中，所述数学函数类型的拟合包括以下步骤：
S11.测量待加工曲面的形状参数；所述形状参数包括代表曲面形状特征的位置坐标，在已得到待加工曲面形状函数类型的条件下，仅需测量部分特殊位置坐标即可；
S12.根据步骤S11中所述的位置坐标推导数学函数类型；
S13.得到表征待加工曲面形状的数学函数表达式。
基于待加工曲面的形状参数推导出待加工曲面的数学函数，便于根据待加工曲面的数学函数设置激光光束能量的分布。
步骤S2中，材料表面强化要求包括与激光诱导的冲击压力相关的力学性能及机械性能的要求，所述激光诱导的冲击压力Pmax与激光能量密度I0间的关系表示为
Figure GDA0002472292240000051
式中，I0为待加工区域单位面积单位时间的激光能量。本发明假定能量为的E0激光光束垂直入射待加工曲面时可获得最优的强化效果；本实施例所述的力学性能包括高周疲劳等，机械性能包括显微硬度等，高周疲劳与显微硬度等性能指标均与激光诱导的冲击压力相关。
步骤S3中，待加工曲面的特殊冲击区域选自待加工曲面的中心点、对称点以及边界点中的一种或几种的组合。待加工曲面的特殊冲击区域指有助于拟合曲面数学函数表达式的特征坐标区域，可选择待加工的中心点、对称点以及边界点。
步骤S4中，若干特殊冲击区域的位置坐标包括待加工曲面的中心点、对称点以及边界点的位置坐标。所述的若干特殊冲击区域的位置坐标及其所需的激光能量在转化为坐标点后经过激光能量分布函数，有助于拟合激光能量分布函数表达式，可选择与步骤S3一致的特殊区域的位置坐标。
步骤S5中，若激光光束能量分布包括超出激光器性能的数据，则通过减小激光光束辐照的单次冲击面积降低所需的激光光束能量。若计算得到的激光光束能量分布包括超出激光器性能的数据，则可以采用更小尺寸的激光光束辐照更小的单次冲击面积，使得待加工曲面的曲率变化范围进一步缩小，从而降低所需的最大激光光束能量。其中，在对待加工曲面进行冲击强化处理前，对待强化区域进行预处理；所述预处理包括吸收层及约束层的涂覆，保护待加工工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收。另外，所述冲击强化处理采用逐点加工的方式进行；具体地说，本发明使用机械臂携带待加工工件移动进行待强化区域不同位置的激光冲击处理时，采用机械臂移动一下激光冲击一下的方式进行。
经过以上步骤，本发明针对曲面结构的形状特征对激光光束能量的分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结构的等强度激光冲击强化，提升残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。
实施例二
本实施例为实施例一待加工平面或曲面的数学函数类型为圆的方程的应用，在本实施例中：
如图2所示，当激光光束2垂直入射待加工平面3时，激光光束的能量为E0，其分布用平面4表示；当激光光束2斜射待加工平面5时，激光器1的激光光束2斜入射到待加工平面的激光光束与水平面的夹角为α，则斜入射到待加工平面的激光光束能量E需提高至
Figure GDA0002472292240000061
其分布用平面6表示。
如图4所示，当激光光束2垂直入射待加工曲面9时，激光光束2能量的分布用曲面10表示；当激光光束2斜射到待加工曲面11时，激光光束能量分布用曲面12表示。本实施例以待加工表面的数学函数类型为圆的方程做说明：
如图3所示，当激光光束2入射到数学函数类型为圆的方程的待加工曲面7时，激光光束能量分布用曲面8表示。激光光束的中心区域由于是光束垂直入射，该位置的激光光束能量仍为E0，待加工曲面的加工半径为R0；激光光束的边缘区域的激光能量可在计算得到待加工曲面边缘的激光光束能量可在计算得到待加工曲面边缘与激光光束对应位置关系的基础上得到。图3中，待加工曲面边缘处点A的坐标为(0,E0)，点B的坐标为
Figure GDA0002472292240000062
式中，b、b0为常数。
本实施例认为针对待加工曲面形状特征所需调整的激光能量分布变化主要源于曲面不同区域与激光光束的位置关系，调整方法主要围绕激光光束斜入射位置的能量补偿来实现。因此，本实施例采用与待加工曲面相同的数学函数类型来表征激光能量分布，即待加工曲面的数学函数为圆的方程X2+(Y-b)2＝(b-b0)2，则相对应的需选取的激光光束能量分布也基于相同的数学函数变化，表示为R2+(E-a)2＝(a-a0)2。将特殊位置点A、点B坐标及其激光光束能量代入激光能量分布函数，可求出常数a与a0，即可得到激光光束能量E在不同位置R分布的最终表达式。
根据求得的激光光束能量分布表达式制备符合要求的激光光束，利用具有特定能量分布特征的激光光束对待加工曲面进行冲击处理。
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 (7)

1.一种激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.测量待加工曲面的形状参数，推导曲面结构特征的数学函数类型，拟合所述待加工曲面的数学函数表达式；
S2.根据材料表面强化要求，确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量E0；
S3.基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算对应所需的激光光束能量E；
S4.采用待加工曲面的数学函数类型表征激光能量分布得到激光能量分布函数，并将若干特殊冲击区域的位置坐标及其所需的激光能量代入激光能量分布函数，得到最终的激光光束能量分布表达式；若干特殊冲击区域的位置坐标包括待加工曲面的中心点、对称点以及边界点的位置坐标；
S5.根据步骤S4中所述的激光光束能量分布表达式制备激光光束，并对待加工曲面进行冲击强化处理。
2.根据权利要求1所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，步骤S1中，所述形状参数包括代表曲面形状特征的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，步骤S2中材料表面强化要求包括与激光诱导的冲击压力相关的力学性能及机械性能的要求，所述激光诱导的冲击压力Pmax与激光能量密度I0间的关系表示为
Figure FDA0002482867870000011
式中，I0为待加工区域单位面积单位时间的激光能量。
4.根据权利要求1所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，步骤S5中，若激光光束能量分布包括超出激光器性能的数据，则通过减小激光光束辐照的单次冲击面积降低所需的激光光束能量。
5.根据权利要求1所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，步骤S5中，在对待加工曲面进行冲击强化处理前，对待强化区域进行预处理；所述预处理包括吸收层及约束层的涂覆。
6.根据权利要求1所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，步骤S5中，所述冲击强化处理采用逐点加工的方式进行。
7.根据权利要求1至6任一项所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，所述曲面结构包括航空发动机叶片结构及涡轮盘榫槽结构。
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