CN110079659A - 一种激光冲击强化金属的方法 - Google Patents

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冯广智
赵延民
李军
叶言明
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • 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

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Abstract

本发明公开了一种激光冲击强化金属的方法，将金属材料的待加工位置先涂覆吸收层再覆盖约束层的材料后放至激光加工仓中，然后在真空度达到10pa以下进行激光加工，该方法使金属在真空状态下进行激光冲击强化加工,可以避免在特定条件下空气电离，导致激光能量不能充分被吸收层吸收，影响激光强化的效果；另外，优良的约束层材料的选择容易清理，减少后续工艺步骤，适合大规模产业化生产。

Description

一种激光冲击强化金属的方法
技术领域
本发明涉及一种激光冲击强化领域，特别是一种激光冲击强化金属的方法。
背景技术
激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波来强化金属表面的新技术，他具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点，当短脉冲高峰值功率密度的激光辐射金属表面时，金属表面吸收层吸收激光能量发生爆炸性高压等离子，该等离子体受到约束层的约束，爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播，使材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力，以此提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能，常用于焊缝处、刀具等领域。
在实际工作中，有些金属在激光强化当度达到一定温度时相当不稳定，例如钛合金高温条件下容易吸收空气的氢气、氧气、氮气，另外当激光强化脉冲达到一个临界点时会击穿空气造成能量损失，导致吸收层吸收的激光能量不足，无法满足对工件的强化要求，因此需要一种激光冲击强化工艺避免在空气下进行。
另外，水作为约束层水表面的等离子体将会使激光与材料的耦合的能量减少，同时还会使冲击波持续时间减少，而玻璃残留清洗麻烦，对于一些复杂的曲面，冲击强化加工作业受限。
发明内容
为了克服以上所述现有技术的不足，本发明提供一种真空条件下工作，冲击参数便于优化、作业工序简单的激光强化冲击金属的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种激光冲击强化金属的方法，将金属材料的待加工位置先涂覆吸收层，干燥后再覆盖约束层材料，然后放至激光真空加工仓中，然后在真空度达到10pa以下的条件进行激光加工。
步骤具体包括如下：
A、选择激光强化设备，所述激光强化设备配有激光冲击强化真空加工仓和自动控制系统，所述真空加工仓设置有固定装置、真空传感器、真空泵和补气装置；
B、在金属材料表层涂覆一层对激光吸收率大的材料作为吸收层，再覆盖一层对激光透明的物质作为约束层；
C、将以上处理过的金属材料作为靶材置于所述固定装置上，使用所述真空泵进行抽真空，所述真空传感器将实时数据上传至上位机，真空度达到设定要求后停止抽气；
D、在所述上位机控制系统输入激光冲击参数，通过所述控制模块让激光按着预设的冲击轨迹进行激光强化扫描作业，使所述金属材料发生弹塑性变形，在金属表面产生残余压应力；
E、冲击强化加工完成后，开启充气装置平衡气压后，取出所述金属材料，首件需再移至X射线衍射仪检测表面残余压应力。
所述吸收层的涂层材料为碳黑水、石墨水、黑漆水的任意一种，所述碳黑水、石墨水、黑漆水通过涂抹或喷涂在金属表面。
所述约束层为机硅凝胶或有机玻璃膜，所述有机硅凝胶或有机玻璃膜粘于吸收层上，置于待加工位置。
本发明的有益效果是：该方法使金属在真空状态下进行激光冲击强化加工,可以避免在特定条件下空气电离，导致激光能量不能充分被吸收层吸收，影响激光强化的效果；另外，优良的约束层材料的选择容易清理，减少后续工艺步骤，适合大规模产业化生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的激光强化冲击原理图。
具体实施方式
参照图1，一种激光冲击强化金属的方法，将金属材料1的待加工位置先涂覆吸收层3干燥后再覆盖约束层2的材料后放至激光加工仓中，然后在真空度达到10pa以下的条件进行激光加工。
步骤具体包括如下：
A、选择激光强化设备，所述激光强化设备配有激光冲击强化的真空加工仓和自动化控制系统，所述真空加工仓设置有固定装置、真空传感器、真空泵和补气装置；
B、在金属材料1的表层涂覆一层对激光吸收率大的材料作为吸收层2，再覆盖一层对激光透明的物质作为约束层3；
C、将以上处理过的金属材料作为靶材置于所述固定装置上，使用所述真空泵对真空仓进行抽真空，所述真空传感器将实时数据上传至上位机，真空度达到设定要求后停止抽气；
D、在所述上位机控制系统输入激光冲击参数，通过所述控制模块让激光按着预设的冲击轨迹进行激光强化扫描，使所述待加工金属材料发生弹塑性变形，在金属表面产生残余压应力；
E、冲击强化加工完成后，开启充气装置平衡气压后，取出所述金属材料，首件需再移至X射线衍射仪检测表面残余压应力，得到检测数据，并对冲击参数进行优化。
所述吸收层2的涂层材料为碳黑水、石墨水、黑漆的任意一种，所述碳黑水、石墨水、黑漆通过涂抹或喷涂在金属表面，涂层材料一般为非金属材料，所述非金属材料对激光有高的吸收率。
所述约束层3为机硅凝胶或有机玻璃膜，所述有机硅凝胶或有机玻璃膜粘于吸收层上，置于待加工位置，所述有机硅凝胶和有机玻璃薄膜具有透光性优良、分子量均匀、柔韧性高等优点，且冲击后这两种约束层材料都容易清除，减少生产加工工艺流程。
该方法使金属在真空状态下进行激光冲击强化加工,可以避免在特定条件下空气电离，导致激光能量不能充分被吸收层吸收，影响激光强化的效果。
以上的实施方式不能限定本发明创造的保护范围，专业技术领域的人员在不脱离本发明创造整体构思的情况下，所做的均等修饰与变化，均仍属于本发明创造涵盖的范围之内。

Claims (4)

1.一种激光冲击强化金属的方法，其特征在于将金属材料的待加工位置先涂覆吸收层干燥后再覆盖约束层的材料后放至激光加工仓中，然后在真空度达到10pa以下的条件进行激光加工。
2.根据权利要求1所述的激光冲击强化金属的方法，其特征在于步骤具体包括如下：
A、选择激光强化设备，所述激光强化设备配有激光冲击强化的真空加工仓和控制系统，所述真空加工仓设置有固定装置、真空传感器、真空泵和补气装置；
B、在金属材料表层涂覆一层对激光吸收率大的材料作为吸收层，再覆盖一层对激光透明的物质作为约束层；
C、将以上处理过的金属材料作为靶材置于所述固定装置上，使用所述真空泵进行抽真空，所述真空传感器将实时数据上传至上位机，真空度达到设定要求后停止抽气；
D、在所述上位机控制系统输入激光冲击参数，通过所述控制模块让激光按预设的冲击扫描轨迹进行激光强化，使所述待加工金属材料发生弹性塑性形变，在金属表面产生残余压应力，提高强度；
E、冲击强化加工完成后，开启充气装置平衡气压后，取出所述金属材料，首件需再移至X射线衍射仪检测表面残余压应力。
3.根据权利要求2所述的激光冲击强化金属的方法，其特征在于步骤B所述吸收层的涂层材料为碳黑水、石墨水、黑漆的任意一种，所述碳黑水、石墨水、黑漆通过涂抹或喷涂在金属表面。
4.根据权利要求2所述的激光冲击强化金属的方法，其特征在于步骤B所述约束层为机硅凝胶或有机玻璃膜，所述有机硅凝胶或有机玻璃膜粘于约束层上，置于待加工位置。
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