CN109158831A - 一种激光辅助超声滚压表面改性的方法 - Google Patents

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吴刘军
卢海飞
罗开玉
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
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    • B23P25/003—Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress immediately preceding a cutting tool
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Abstract

本发明涉及一种超声滚压加工领域，具体涉及一种激光辅助超声滚压表面改性的方法。即首先使用连续激光束对金属工件表面进行局部加热到金属工件的动态再结晶温度，然后立即使用超声滚压装置对同一位置进行超声滚压处理，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成对工件的表面改性。

Description

一种激光辅助超声滚压表面改性的方法
技术领域
本发明涉及一种超声滚压加工领域，具体涉及一种激光辅助超声滚压表面改性的方法。
背景技术
大多数金属工件的疲劳破坏源自工件的表面，这使得通过在近表面区域诱导塑性变形来改善金属工件的机械性能变得尤为重要。超声表面滚压(Ultrasonic SurfaceRolling)是利用超声冲击能量和静载滚压相结合，对金属零部件表面进行高速撞击处理，使零件表层材料产生较大的塑性变形，卸载后形成有益的残余压应力，从而强化被加工表面。
除了加工工艺之外，诱导较深的塑性变形层的有效性还取决于金属的塑性。许多高强度合金具有低塑性，这些金属的加工需要侵蚀性条件(例如高喷丸强度)，这可能导致表面/表面下开裂。例如，要加工一些高强度金属(弹簧钢或钛合金)需要高幅度的超声振动，这通常会导致表面破裂、表面光洁度差，最终导致较差的疲劳性能和耐腐蚀性能。通过提高变形温度，热/热加工可以有效地处理硬脆金属而不会导致金属表面开裂，因此随着温度的升高可以获得更好的塑性。除了提高塑性外，高温还可以产生有益的微观结构变化。例如，诱导高密度纳米级沉淀物。这些沉淀物通过阻止位错的运动来提高表面强度和诱导的残余压应力的稳定性。
但是，高温大量加热会导致工件变形/氧化，使用寿命缩短以及昂贵的润滑成本。此外，在所需的制造过程中加热大尺寸工件是非常困难和损耗能源的。由于诱导较深的塑性变形层可以通过处理工件的表面来实现，只需要通过局部加热来改善金属表面的塑性。于是可以使用激光来完成，激光已经在工业中广泛用于高效率的局部加热。传统的热/热变形过程会加热整个工件，而激光束可以迅速将局部区域加热到很高的温度，从而避免整个工件的大面积加热。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种激光辅助超声滚压表面改性的方法，即首先使用连续激光束对金属工件表面进行局部加热到金属工件的动态再结晶温度，然后立即使用超声滚压装置对同一位置进行超声滚压处理，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成对工件的表面改性。其中激光器的出光口与超声波单元连接在一起，在加工时两个部件一起移动，确保在同一位置同步进行激光加热和超声滚压。
其具体步骤如下：1)将金属工件固定在带有夹具的工作台上；2)首先使用激光器的出光口发出连续激光束对金属工件表面进行局部加热到金属工件的动态再结晶温度，即TDRX＝aTm(K)，其中TDRX为金属工件的动态再结晶温度，a为常数，取0.35～0.4，Tm为金属工件的熔点；3)然后立即使用超声滚压装置对同一位置进行超声滚压处理，为了确保在同一位置同步进行激光加热和超声滚压，其中激光器的出光口与超声滚压装置的超声波单元连接在一起，在加工时两个部件一起移动。4)采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成对工件的表面改性。
所述金属工件材料为铝合金、不锈钢、钛合金或镍基合金。
所述激光器采用连续脉冲激光器，工艺参数范围如下：激光功率10～100W，激光光束扫描速度1000～5000mm/min。
超声滚压处理工艺参数范围如下：振动幅度5～30μm，预紧力50～2000N，超声频率15～80kHz，滚压速度1000～5000mm/min，多道滚压步距0.01～0.15mm。
本发明有益效果：
1)使用激光束对工件表面进行局部加热，可以改善金属材料表面的塑性，从而使超声滚压引入的塑性变形层更深。
2)高温可以产生有益的微观结构变化，如诱导高密度纳米级沉淀物，从而提高表面强度和残余压应力的稳定性。
3)传统的加热/热变形过程会加热整个工件，而激光束可以迅速将局部区域加热到很高的温度，从而避免整个工件的大面积加热，抑制晶粒粗化。
4)采用激光辅助超声滚压进行表面改性，可以诱导较深的表面纳米化和稳定的残余压应力，从而显著改善金属工件的机械性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为实施例1所述超声滚压的加工示意图。
图2为实施例2所述热处理辅助超声滚压的加工示意图。
图3为本发明所述激光辅助超声滚压的加工示意图。
图4为本发明所述激光辅助超声滚压的加工路径图。
图5为三个实施例加工后的结果示意图。(a)实施例1，(b)实施例2，(c)
实施例3。
图中：1-激光束，2-激光器出光口，3-控制器，4-连接杆，5-超声波发生器，6-换能器，7-执行机构，8-冲击头，9-金属工件，10-工作台，11-夹具，12-加热装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本发明采用的是工业纯钛，熔点为1678℃，即1951.15K。
TDRX＝aTm(K)＝0.4×1951.15K＝780.46K，即507.31℃。激光工艺参数为：激光功率68W，激光光束扫描速度1000mm/min。超声滚压工艺参数为：振动幅度24μm，预紧力50N，超声频率20kHz，滚压速度1000mm/min，多道滚压步距0.01mm。
图4为本发明所述激光辅助超声滚压的加工路径图。金属工件表面的初始位置为左上角，沿箭头所示规划的路径，进行金属工件表面的激光辅助超声滚压表面改性。
实施例1
如图1所示，将金属工件固定在带有夹具的工作台上，使用超声滚压装置，采用上述超声滚压工艺参数，对工件表面进行超声滚压处理，沿如图4所示预先规划的路径，完成对工件的表面改性。
实施例2
如图2所示，将金属工件固定在带有夹具的工作台上并位于加热装置内，将加热装置加热至507.31℃，并保持在这个温度，然后使用超声滚压装置，采用上述超声滚压工艺参数，对工件表面进行超声滚压处理，沿如图4所示预先规划的路径，完成对工件的表面改性。
实施例3
本发明的技术方案，如图3所示，1)将金属工件固定在带有夹具的工作台上；2)首先使用连续激光束对金属工件表面进行局部加热到金属工件的动态再结晶温度507.31℃；3)然后立即使用超声滚压装置，采用上述超声滚压工艺参数，对同一位置进行超声滚压处理，为了确保在同一位置同步进行激光加热和超声滚压，其中激光器的出光口与超声波单元连接在一起，在加工时两个部件一起移动；4)采用同样的操作步骤，沿如图4所示预先规划的路径，完成对工件的表面改性。
图5是三个实施例加工后的结果示意图。从中可以看出采用激光辅助超声滚压进行加工后的金属工件，诱导了较深的表面塑性变形层和表面纳米化，引入了稳定的残余压应力，显著改善金属工件的机械性能。

Claims (7)

1.一种激光辅助超声滚压表面改性的方法，其特征在于：首先使用连续激光束对金属工件表面进行局部加热到金属工件的动态再结晶温度，然后立即使用超声滚压装置对同一位置进行超声滚压处理，采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成对工件的表面改性。
2.如权利要求1中所述的一种激光辅助超声滚压表面改性的方法，其特征在于，具体步骤如下：1)将金属工件固定在带有夹具的工作台上；2)首先使用激光器的出光口发出的连续激光束对金属工件表面进行局部加热到金属工件的动态再结晶温度；3)然后立即使用超声滚压装置对同一位置进行超声滚压处理；4)采用同样的操作步骤，沿预先规划的路径，完成对工件的表面改性。
3.如权利要求1或2中所述的一种激光辅助超声滚压表面改性的方法，其特征在于，所述金属工件材料为铝合金、不锈钢、钛合金或镍基合金。
4.如权利要求2中所述的一种激光辅助超声滚压表面改性的方法，其特征在于，其中激光器的出光口与超声滚压装置的超声波单元连接在一起，在加工时两个部件一起移动，确保在同一位置同步进行激光加热和超声滚压。
5.如权利要求2中所述的一种激光辅助超声滚压表面改性的方法，其特征在于：所述激光器采用连续脉冲激光器，工艺参数范围如下：激光功率10～100W，激光光束扫描速度1000～5000mm/min。
6.如权利要求2中所述的一种激光辅助超声滚压表面改性的方法，其特征在于：连续激光束对金属工件表面进行局部加热到金属工件的动态再结晶温度，即TDRX＝aTm(K)，其中TDRX为金属工件的动态再结晶温度，a为常数，取0.35～0.4，Tm为金属工件的熔点。
7.如权利要求2中所述的一种激光辅助超声滚压表面改性的方法，其特征在于：超声滚压处理工艺参数范围如下：振动幅度5～30μm，预紧力50～2000N，超声频率15～80kHz，滚压速度1000～5000mm/min，多道滚压步距0.01～0.15mm。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111118269A (zh) * 2019-12-23 2020-05-08 北京理工大学 一种超声滚压表层微观组织调控方法
CN112280970A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 武汉大学 一种激光冲击复合辊轧增强金属基增材的制造方法及装置
CN112410533A (zh) * 2020-10-30 2021-02-26 武汉大学 一种激光高温冲击强化金属材料的装置
CN112708792A (zh) * 2020-12-14 2021-04-27 河南明晟新材料科技有限公司 利用6系及高镁5系废杂铝制备中镁5系铝合金的方法
CN112831638A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 华南理工大学 高精度金属表面复合强化加工方法及装置
CN112877520A (zh) * 2021-01-14 2021-06-01 上海交通大学 对金属工件施加弹性应力场和深冷场并辅助超声滚压的表面强化装置及方法
CN113290577A (zh) * 2021-04-27 2021-08-24 北京理工大学 一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置
CN116532910A (zh) * 2023-07-06 2023-08-04 太原理工大学 一种激光辅助超声滚压加工平面工件的装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106283038A (zh) * 2016-08-25 2017-01-04 吉林大学 提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法
CN106834637A (zh) * 2017-01-18 2017-06-13 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 一种金属表面复合强化加工工艺及其在机车车轮加工和镟修中的应用
CN107400887A (zh) * 2017-08-11 2017-11-28 江苏大学 一种超声滚压强化激光熔覆层的方法
CN107475508A (zh) * 2017-08-10 2017-12-15 江苏大学 一种激光喷丸复合滚压强化表面改性的方法及装置
CN108330264A (zh) * 2017-12-22 2018-07-27 华东理工大学 一种轨迹可控的表面强化装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106283038A (zh) * 2016-08-25 2017-01-04 吉林大学 提高焊接接头疲劳性能的超声滚压复合激光重熔方法
CN106834637A (zh) * 2017-01-18 2017-06-13 中国铁道科学研究院金属及化学研究所 一种金属表面复合强化加工工艺及其在机车车轮加工和镟修中的应用
CN107475508A (zh) * 2017-08-10 2017-12-15 江苏大学 一种激光喷丸复合滚压强化表面改性的方法及装置
CN107400887A (zh) * 2017-08-11 2017-11-28 江苏大学 一种超声滚压强化激光熔覆层的方法
CN108330264A (zh) * 2017-12-22 2018-07-27 华东理工大学 一种轨迹可控的表面强化装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
顾永琴等: "《材料实验技术》", 30 January 2014, 中国矿业大学出版社 *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111118269A (zh) * 2019-12-23 2020-05-08 北京理工大学 一种超声滚压表层微观组织调控方法
CN112280970A (zh) * 2020-10-30 2021-01-29 武汉大学 一种激光冲击复合辊轧增强金属基增材的制造方法及装置
CN112410533A (zh) * 2020-10-30 2021-02-26 武汉大学 一种激光高温冲击强化金属材料的装置
CN112708792A (zh) * 2020-12-14 2021-04-27 河南明晟新材料科技有限公司 利用6系及高镁5系废杂铝制备中镁5系铝合金的方法
CN112831638A (zh) * 2020-12-31 2021-05-25 华南理工大学 高精度金属表面复合强化加工方法及装置
CN112877520A (zh) * 2021-01-14 2021-06-01 上海交通大学 对金属工件施加弹性应力场和深冷场并辅助超声滚压的表面强化装置及方法
CN113290577A (zh) * 2021-04-27 2021-08-24 北京理工大学 一种机器人专用超声应力场-激光热场复合滚压装置
CN116532910A (zh) * 2023-07-06 2023-08-04 太原理工大学 一种激光辅助超声滚压加工平面工件的装置
CN116532910B (zh) * 2023-07-06 2023-09-08 太原理工大学 一种激光辅助超声滚压加工平面工件的装置

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