CN109207713A - 一种零件转角区的激光冲击强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种零件转角区的激光冲击强化方法，包括以下步骤：通过分光镜将激光束分成若干分光束，使若干分光束在转角区形成的光斑依次拼接从而在横向上覆盖转角区，并且转角区的每一束分光束的光斑覆盖区域中大体上位于中间位置的法线与该分光束平行。采用上述技术方案，本发明的零件转角区的激光冲击强化方法，多个分光束入射的强化方式能够有效改善零件转角区部位的激光冲击强化均匀性，提高激光光斑内的激光功率密度稳定性，同时减小水约束层对激光的反射作用和折射作用所引起的光斑变形，提高强化光斑的能量分布均匀性和光斑形状一致性。

Description

一种零件转角区的激光冲击强化方法
技术领域
本发明涉及了激光冲击强化方法，特别涉及了适用于零件转角区的激光冲击强化方法，其所属技术领域为激光加工技术。
背景技术
激光冲击强化是一种采用纳秒强脉冲激光束透过约束层作用于工件表面之上的吸收层，部分吸收层瞬间气化、电离形成高压等离子体，继续吸收激光能量的等离子体迅速膨胀产生冲击波向材料内部传播，从而使工件表层产生塑性变形并引入表层残余压应力的表面强化方法。激光冲击强化表层的残余压应力降低表面裂纹萌生几率，阻止或降低裂纹扩展速率，大幅度提高材料的疲劳寿命。
零件转角区包含的内凹的机械加工形成转角R区，以及T型或十字焊接接头等。零件转角区是具有应力集中效应，服役过程中的实际载荷高于构件的平均载荷，疲劳裂纹优先产生在这些高应力区域的表层，因此，转角区是整个构件的疲劳性能薄弱部位。例如在某些飞机的整体壁板上，具有T型结构加强筋，加强筋通过双光束激光焊接技术连接于壁板上，T型焊接接头为典型的转角区，应力集中和焊缝表面质量直接导致这些T型焊接接头转角区的疲劳性能较低，直接影响飞机的安全性。激光冲击强化应用于构件的零件转角区，使其残余应力发生再分布，表层呈残余压应力，这些分布于表层的残余压应力可以有效降低实际载荷拉应力，减小零件转角区的应力集中效应，从而提高构件的疲劳寿命。零件转角区的激光冲击强化与平面区域激光冲击强化类似，需要在待强化表面粘贴铝箔胶带作为吸收保护层，在吸收保护层之上喷去离子水作为约束层，激光能量传输与聚焦单元将激光束导引至强化部位。当转角区半径接近或小于激光冲击强化光斑尺寸（通常为3mm~6mm）时，单个强化光斑内的转角区上的激光入射角度变化较大，造成转角区强化不均匀。如图1、2所示，当转角区半径接近或小于激光冲击强化光斑尺寸时，强化表面各点位置法线与入射光束的夹角不同，随着强化表面法线与入射光束的夹角增大，激光辐照位置的激光功率密度减小，产生的冲击波压力也就越来越小，导致强化均匀性较差，甚至局部强化失败，也就是说，当激光束100以图2中所示角度照射于零件1的转角区2时，激光束100形成的光斑在横向上覆盖转角区2，一个脉冲后移动零件1使光斑在转角区2的竖向（Z方向）上相对移动一小段距离进行下一个脉冲，直至在竖向上将转角区2全部照射完毕。如图2所示，区域一201位置大体上被激光束100垂直照射，区域一201的法线L1与激光束100平行，激光功率密度较大，而区域二202位置则被光束200倾斜照射，区域二202的法线L2与激光束100的夹角为45°左右，则激光功率密度较小，从而导致激光束100在转角区2内的强化均匀性较差，甚至靠近区域二202的位置局部强化失败；另一方面，倾斜入射激光束100与去离子水形成的约束层17表面法线的呈一定夹角时，水介质的折射作用导致实际强化光斑变形，导致搭接区域不均匀或不能满足100%覆盖率要求。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种克服现有技术中的缺陷，提高强化均匀性的零件转角区的激光冲击强化方法。
为了实现上述目的，本发明的一种零件转角区的激光冲击强化方法，包括以下步骤：通过分光镜将激光束分成若干分光束，使若干分光束在转角区形成的光斑依次拼接从而在横向上覆盖转角区，并且转角区的每一束分光束的光斑覆盖区域中大体上位于中间位置的法线与该分光束平行。
通过矩形光斑整形器将每一束分光束调整为截面矩形，通过反射镜调整每一束分光束的照射角度。
若干分光束在转角区形成的若干光斑中，相邻的光斑在边缘位置有至少一部分相互叠加。
相邻的光斑相互叠加部分的宽度是分光束截面宽度的0.1～0.2倍。
在激光冲击强化前，在转角区表面预先粘贴有铝箔胶带，然后在铝箔胶带之上喷去离子水，形成去离子水膜。
所述分光镜将激光束分成两束，即第一分光束与第二分光束，所述第一分光束、第二分光束分别经第一矩形光斑调控模块、第二矩形光斑调控模块调整在转角区上的入射角度与入射位置；其中，所述第一矩形光斑调控模块包括第一反射镜以及第一矩形光斑整形器，所述第一矩形光斑调控模块能够沿着所述第一反射镜的入射光线方向移动以及以第一反射镜的竖直中心线为轴转动，所述第二矩形光斑调控模块包括第二反射镜以及第二矩形光斑整形器，所述第二矩形光斑调控模块能够沿着所述第二反射镜的入射光线方向移动以及以第二反射镜的竖直中心线为轴转动。
采用上述技术方案，本发明的零件转角区的激光冲击强化方法，多个分光束入射的强化方式能够有效改善零件转角区部位的激光冲击强化均匀性，提高激光光斑内的激光功率密度稳定性，同时减小水约束层对激光的反射作用和折射作用所引起的光斑变形，提高强化光斑的能量分布均匀性和光斑形状一致性。
附图说明
图1为零件的结构示意图。
图2为激光束照射状态下的零件的截面示意图。
图3为本发明中实施例一的结构示意图。
图4为图3中A-A向剖视图。
图5为图3中B-B向剖视图。
图6为图3中转角区的局部放大图。
图7为本发明中实施例二的结构示意图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例一：
如图3所示，本实施例提供一种零件转角区的激光冲击强化方法。零件1由TC4钛合金加工而成，该结构由相互垂直的底板和筋板组成，底板和筋板之间存在半径为2mm的转角区2。利用的纳秒脉冲激光器提供激光冲击强化原始激光束。原始激光束的输出能量30J、脉冲宽度15ns、波长1064nm、直径为35mm。原始激光束11经过50%透过率的分光镜3后，被分解形成脉冲能量相等的第一分光束（反射激光束）12与第二分光束（透射激光束）13，所述第一分光束12、第二分光束13分别经第一矩形光斑调控模块9、第二矩形光斑调控模块10调整在转角区2上的入射角度与入射位置；其中，所述第一矩形光斑调控模块9包括第一反射镜4以及第一矩形光斑整形器5，通过所述第一矩形光斑整形器5将第一分光束12变形成第一入射光束14，所述第一入射光束14的截面长边为5mm，短边为2.5mm，所述第一矩形光斑调控模块9能够沿着所述第一反射镜4的入射光线方向移动以及以第一反射镜4的竖直中心线为轴转动，所述第二分光束13先经过第三反射镜6的反射进入所述第二矩形光斑调控模块10，所述第二矩形光斑调控模块10包括第二反射镜7以及第二矩形光斑整形器8，通过所述第二矩形光斑整形器5将第二分光束13变形成第二入射光束15，所述第二入射光束15的截面长边b为5mm，短边a为2.5mm，所述第二矩形光斑调控模块10能够沿着所述第二反射镜7的入射光线方向移动以及以第二反射镜7的竖直中心线为轴转动。
如图5、6所示，所述第一入射光束14与所述第二入射光束15在转角区形成的光斑相互拼接从而在横向上覆盖转角区2，并且转角区2的第一入射光束14的光斑覆盖区域中大体上位于中间位置的法线L3与第一入射光束14平行，同时转角区2的第二入射光束15的光斑覆盖区域中大体上位于中间位置的法线L4与第二入射光束15平行；其中，光斑覆盖区域中大体上位于中间位置的点距离光斑覆盖区域的弧形两端的距离至少应分别大于弧形长度的1/4。
所述第一入射光束14与所述第二入射光束15在转角区形成的光斑在边缘位置有至少一部分相互叠加，叠加部分的宽度为0.25~0.5mm。
激光冲击强化前，在转角区2表面预先粘贴厚度为80~150μm的铝箔胶带（推荐3M公司427型号铝箔胶带）作为吸收层16，然后在铝箔胶带之上喷去离子水，形成厚度1~1.5mm的去离子水膜作为约束层17。启动激光冲击强化设备并发射脉冲激光，原始激光束11经上述转换后在转角区2的表面诱发等离子体冲击波效应。当第一入射光束14与第二入射光束15的激光功率密度超过零件1原材料的动态屈服强度时，在零件1上形成塑性强化区18。发射一个激光脉冲，完成一个位置的强化，然后在Z向上竖直移动零件4.5~4.8mm后，再次发射一个激光脉冲，完成下一个位置的强化，如此反复，直至完成转角区2的激光冲击强化。
实施例二：
如图7所示，本实施例公开了一种零件转角区的激光冲击强化方法，与实施例一不同之处在于，原始激光束11经过两个分光镜分光，形成三个分光束11a，并最终形成三个入射光束11b。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种零件转角区的激光冲击强化方法，其特征在于：包括以下步骤：通过分光镜将激光束分成若干分光束，使若干分光束在转角区形成的光斑依次拼接从而在横向上覆盖转角区，并且转角区的每一束分光束的光斑覆盖区域中大体上位于中间位置的法线与该分光束平行。
2.如权利要求1所述的零件转角区的激光冲击强化方法，其特征在于：通过矩形光斑整形器将每一束分光束调整为截面矩形，通过反射镜调整每一束分光束的照射角度。
3.如权利要求2所述的零件转角区的激光冲击强化方法，其特征在于：若干分光束在转角区形成的若干光斑中，相邻的光斑在边缘位置有至少一部分相互叠加。
4.如权利要求3所述的零件转角区的激光冲击强化方法，其特征在于：相邻的光斑相互叠加部分的宽度是分光束截面宽度的0.1～0.2倍。
5.如权利要求1-4任一项所述的零件转角区的激光冲击强化方法，其特征在于：在激光冲击强化前，在转角区表面预先粘贴有铝箔胶带，然后在铝箔胶带之上喷去离子水，形成去离子水膜。
6.如权利要求1-4任一项所述的零件转角区的激光冲击强化方法，其特征在于：所述分光镜将激光束分成两束，即第一分光束与第二分光束，所述第一分光束、第二分光束分别经第一矩形光斑调控模块、第二矩形光斑调控模块调整在转角区上的入射角度与入射位置；其中，所述第一矩形光斑调控模块包括第一反射镜以及第一矩形光斑整形器，所述第一矩形光斑调控模块能够沿着所述第一反射镜的入射光线方向移动以及以第一反射镜的竖直中心线为轴转动，所述第二矩形光斑调控模块包括第二反射镜以及第二矩形光斑整形器，所述第二矩形光斑调控模块能够沿着所述第二反射镜的入射光线方向移动以及以第二反射镜的竖直中心线为轴转动。
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