CN110105890A - 一种用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,由能量吸收层和能量约束层连接组成;在靶材上依次设置能量吸收层和能量约束层;能量吸收层胶膜包含两层材料,由黑色电工胶布和黑色双面胶布连接组成;能量约束层为透明约束层,由环氧树脂和固化剂调和后,在半固化状态时贴覆粘贴在黑色双面胶带上固化形成。本发明能量吸收层同一点在多次激光冲击强化时产生多次爆炸而不会过度气化;能量约束层同一点可以承受多次爆炸冲击而不会炸裂;复合胶膜不仅可以承受多道次激光冲击强化,提高强化效果,并且简化了激光冲击强化前、后处理工序。

Description

一种用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜
技术领域
本发明涉及激光加工领域,特指一种用于多道次激光冲击强化处理的复合胶膜,能够提高激光冲击强化效果,特别适用于不能采用清水作为能量约束层的场合以及靶材表面为曲面形状的情况。
背景技术
激光冲击强化是一种有效的表面处理方法,能够提高构件的表面强度和疲劳寿命。激光冲击强化需要在靶材表面布置能量吸收层和能量约束层,目前能量吸收层大多采用黑色胶布,而能量约束层大多采用清水。在不允许使用水的情况下,能量吸收层和能量约束层均采用固体材料。但现有技术在使用固体胶膜时,一方面能量吸收层在一次激光冲击爆炸后汽化严重,不再能接受第二次激光冲击爆炸,另一方面能量约束层在承受一次爆炸后产生裂纹或破碎,不再能继续起到能量约束的作用。而且常用的光学玻璃或有机玻璃更是无法适应靶材表面为曲面的复杂外形。
中国发明专利申请2012105712446公开了一种无污染复合吸收约束层及无污染激光冲击强化的方法,包括黑胶带和有机玻璃;黑胶带的双面涂有不干胶,其中的一面粘贴1-3mm厚的有机玻璃。与常规激光冲击强化相比,该发明由于有机玻璃或塑料薄膜具有一定的韧性,强化时只会破裂,不会产生破碎飞溅,适用于要求对周围环境没有污染的激光冲击强化加工。但该技术的无污染复合吸收约束层材料仍然很脆,因为不论材料面积有多大,每块材料都只能承受一个脉冲激光的冲击,对于待强化面积大于一个光斑面积的情况,需要将一大块材料进行多块分割以防止其中一块受冲击出现破裂时裂纹扩展到相邻的材料,并且要在每两遍激光冲击强化之间进行材料更换。不仅严重降低了激光冲击强化的效率,增加了成本,同时还限制了光斑的形状必须为方形,靶材的表面形状应为平面。
发明内容
本发明的目的在于针对上述不足,提供一种用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,该复合胶膜特别适用于不能采用清水作为能量约束层的激光冲击强化,对靶材表面为曲面形状以及需要进行多道次激光冲击强化的场合,其优势尤为突出。该复合胶膜不仅能提高激光冲击强化的效果,还能方便强化处理前的贴覆和强化处理后的清理。
本发明复合胶膜由能量吸收层和能量约束层构成。能量吸收层由黑色电工胶布和黑色双面胶带组合而成,不仅方便施工,还因为是两种不同的胶带粘合而成,提高了抗爆炸汽化能力;能量约束层由环氧树脂和固化剂固化而成,具有高的透光度和强度、韧性,提高了抗炸裂能力。该复合胶膜所产生的激光冲击能量的峰值压力和脉宽更大,冲击强化效果更好。本发明三层材料的布置顺序为:黑色电工胶布的胶面粘贴在靶材曲面上,黑色电工胶布的光面与黑色双面胶带的任一面牢固粘接,半固化的能量约束层与黑色双面胶带的另一面紧密粘接后再继续固化至完全固化状态,最终组合成三层结构的复合胶膜。
本发明目的通过如下技术方案实现:
一种用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜:由能量吸收层和能量约束层连接组成;在靶材上依次设置能量吸收层和能量约束层;能量吸收层胶膜包含两层材料,由黑色电工胶布和黑色双面胶布连接组成;能量约束层为透明约束层,由环氧树脂和固化剂调和后,在半固化状态时贴覆粘贴在黑色双面胶带上固化形成。
为进一步实现本发明目的,优选地,所述的能量约束层的厚度不低于2mm。
优选地,所述的环氧树脂为CYD系列环氧树脂、E系列环氧树脂或EX系列环氧树脂的一种或多种。
优选地,所述的CYD系列环氧树脂选用CYD-128双氛A型环氧树脂;所述的E系列环氧树脂选用E-42双氛A型环氧树脂;所述的EX系列环氧树脂选用EX-20双氛A型环氧树脂。
优选地,所述的固化剂为TC系列固化剂、TAC系列固化剂、YS系列固化剂和WZH系列固化剂中的一种或多种。
优选地,所述的TC系列固化剂选用TC-900脂环胺固化剂;所述的YS系列固化剂选用YS-1618脂环胺固化剂;所述的WZH系列固化剂选用WZH-155脂环胺固化剂。
优选地,所述的靶材的表面为凸圆柱面、凹圆柱面、双凸曲面、双凹曲面或马鞍形曲面。
优选地,所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜制备时,先将黑色电工胶布粘贴在靶材上,再将黑色双面胶带粘贴在黑色电工胶布上;然后将半固化的透明约束层粘贴在黑色双面胶带上,固化,得复合胶膜。
优选地,所述的半固化的透明约束层是由环氧树脂和固化剂调和后用硅胶模制作2mm以上厚的透明约束层,在100-105℃下保温30-35分钟所得。
优选地,所述的固化是在55-65℃下加热20-25分钟。
本发明能量吸收层胶膜包含两层材料,由黑色电工胶布和黑色双面胶带组合而成;能量约束层胶膜由环氧树脂和固化剂固化而成,并在半固化状态时将其进行贴覆。
能量吸收层制备是先将黑色电工胶布的胶面粘贴在靶材表面,再将黑色双面胶带粘贴在电工胶布上制成。
本发明能量吸收层胶膜可以在同一点接受多次脉冲激光能量产生多次爆炸而不会严重汽化,能量约束层胶膜可以在同一点承受多次爆炸产生的多次冲击波而不至于炸裂。
本发明一种用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜相对于现有技术具有以下优点:
(1)本发明由于较厚的能量吸收层具有较强的抗汽化能力,而韧性很好的能量约束层又具有较强的抗炸裂能力,可以承受多道次激光冲击强化,即一次贴膜可以完成多遍激光强化。
(2)本发明由于所制备的能量约束层可以分阶段固化,因而在半固化状态下具有跟能量吸收层相同的柔性,可以在此柔软状态下将所有三层胶膜粘贴到复杂的曲表面上。能够适应复杂的曲面冲击区域,工程应用范围更广;
(3)与常规的较薄能量吸收层和清水能量约束层相比,本发明的能量吸收层具有更强的抗汽化能力;能量约束层具有更高的刚度和韧性,对吸收层爆炸所产生的能量具有更强的约束能力,因而能有效提高激光冲击波的峰值压力和脉宽,使激光冲击效果显著;
(4)制备工艺简单,成本低,使激光冲击处理的工程应用成本大大降低;
(5)在强化处理之前容易贴覆,在强化处理之后容易清理。
(6)本发明适用于利用激光冲击技术对材料表面进行改性,特别适用于不能用水作为能量约束层、并且要求多道次激光冲击强化处理的复杂形状表面。
附图说明
图1为实施例1复合胶膜粘贴示意图;图中示出:透明约束层1、黑色双面胶带2、黑色电工胶布3、靶材4。
图2为实施例1半固化的透明约束层照片。
图3为实施例1黑色电工胶布照片。
图4为实施例1黑色双面胶带照片。
图5为实施例1曲面情况下使用的复合胶膜照片。
图6为实施例1复合胶膜与常规胶膜激光冲击波峰值压力和脉宽的对比图。
图7为实施例1搭接冲击强化光斑布置示意图。
图8为实施例1单点冲击强化与搭接连续冲击强化的实物照片。
图9为实施例1搭接冲击强化时不同冲击道次的实物照片。
图10为可以用于本发明的几种基本的复杂曲面形状图。
具体实施例
为更好地理解本发明,下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明,但本发明所要求的保护范围并不局限如此。
实施例1
在工程实际中,当对零件的设计曲面或平面零件服役过程中由于腐蚀等原因产生缺口形成曲面,从而需要进行激光冲击强化时,靶材表面均为复杂曲面。本发明的靶材4表面可以是任意复杂的曲面形状,图10所示为几种基本的复杂曲面形状,其中包括的基本形状元素有:凸圆柱面、凹圆柱面、双凸曲面、双凹曲面、凸凹(马鞍形)曲面等。
如图1所示,一种用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,由能量吸收层和能量约束层连接组成;在靶材4依次设置能量吸收层和能量约束层;能量吸收层胶膜包含两层材料,由黑色电工胶布2和黑色双面胶布3连接组成;能量约束层为透明约束层1,由环氧树脂和固化剂固化而成,并在半固化状态时将其进行贴覆。
如图2所示,本实施例透明约束层1的材料为CYD-128双氛A型环氧树脂和TAC-900脂环胺固化剂按1.5:1质量比调和所得,透明约束层1的材料用硅胶模制作2mm厚的透明约束层,在100℃下保温32分钟,此时透明约束层为半固化状态。
在进行透明约束层材料半固化的等待期间,先将如图3所示的市售黑色电工胶布3粘贴在靶材4上,再将如图4所示的市售黑色双面胶带2粘贴在黑色电工胶布上。然后将半固化的透明约束层1粘贴在黑色双面胶带2上,之后用电吹风继续在约60℃下加热24分钟,便得到固化好的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜。如图5所示,复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜应用的靶材4为待强化的复杂形状表面。
与使用常规胶膜相比,使用本实施例的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,由于能量吸收层由两种不同的胶带粘合而成,提高了抗爆炸汽化能力;能量约束层的刚度、韧性更好,约束作用及缓冲作用更为明显,导致激光冲击所产生的压力波峰值更大,而且持续时间(脉宽)也更长。
利用PVDF压电传感器可以对激光冲击强化时靶材表面所受到的冲击压力值进行实时测量,结果如图6所示,图中的曲线1是常规胶膜激光强化时的冲击波形状,曲线2是本发明复合胶膜激光冲击强化时的冲击波形状。在相同激光参数的情况下(脉冲激光能量1.6J,光斑直径2mm),常用的黑色电工胶布加清水在单点激光冲击强化后,靶材表面硬度仅增加7.82%,而本发明在单点激光冲击强化后,靶材表面硬度增加了15.91%,其强化效果远大于清水作为约束层的情况。现有技术中的黑色胶带加亚克力板(见中国发明专利申请2012105712446第0043段)在激光冲击强化后,其效果仅与黑色胶布加清水的效果相当。可见,本发明在激光冲击强化时的冲击波峰值压力及脉宽两方面均优于现有的技术,从而强化效果更好。
不仅如此,与黑色胶布加亚克力板或其他胶膜相比,本发明的复合胶膜还可以承受连续冲击强化,如图7所示,即将圆形激光光斑在复合胶膜表面按图示规则分布,进行连续的、光斑相互搭接的冲击强化,该图为光斑搭接率50%(即重叠1/2直径)的示意图,图中的每个圆圈表示激光冲击强化时的单点光斑。不仅这些光斑可以相互搭接,根据需要调整搭接比例,即重合程度,还可以根据需要在完成一遍冲击强化后,在不需要对复合胶膜进行任何处理的情况下,就可以进行下一次激光冲击强化。
图8所示左边的圆点为单点冲击的光斑,可见虽然颜色有点偏白,但黑色的能量吸收层仍然基本处于完整状态,说明并未完全汽化;而表面的能量约束层并未出现裂纹,说明可以再次承受激光能量的冲击。图8中右边的一条为多点连续搭接冲击的结果,可见整条纹路仅颜色略有变白,但仍然完好无损,说明可以承受下一道次冲击强化。图8搭接率为25%(即重叠1/4直径),经一遍冲击强化后测得的靶材表面硬度增加值为18.11%。
在图8的基础上,采用同样的方法在已经冲击强化过一遍的纹路上再进行一遍冲击强化,即得到两道次冲击强化的结果,图9中下面一条为冲击一遍的结果,上面一条为冲击两遍的结果,可见在连续两道次冲击之后,复合胶膜仍然保持完整状态,没有出现破碎甚至没有出现开裂现象,仅出现一些小坑。
由于与靶材表面接触的电工胶布很容易撕下来,因此在完成激光冲击强化后,直接将约束层连同吸收层揭下来就可以了,胶膜的清理非常简单。
实施例2
如图2所示,本实施例透明约束层的材料为E-42双氛A型环氧树脂和YS-1618脂环胺固化剂按1.5:1质量比配方调和所得,透明约束层的材料用硅胶模制作2.2mm厚的透明约束层,在100℃下保温30分钟,此时透明约束层为半固化状态。
在进行约束层材料半固化的等待期间,先将如图3所示的市售黑色电工胶布粘贴在图10(B)所示的复杂曲面靶材上,再将如图4所示的市售黑色双面胶带粘贴在黑色电工胶布上。然后将半固化的透明约束层粘贴在黑色双面胶带上,之后用电吹风继续在约60℃下加热25分钟,便得到固化好的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜。经激光冲击强化后,本实施例2对复杂曲面的强化效果与实施例1相当。
实施例3
如图2所示,本实施例透明约束层的材料为EX-20双氛A型环氧树脂和WZH-155脂环胺固化剂按1.5:1质量比调和所得,透明约束层的材料用硅胶模制作2.1mm厚的透明约束层,在100℃下保温35分钟,此时透明约束层为半固化状态。
在进行约束层材料半固化的等待期间,先将如图3所示的市售黑色电工胶布粘贴在图10(D)所示的复杂曲面靶材上,再将如图4所示的市售黑色双面胶带粘贴在黑色电工胶布上。然后将半固化的透明约束层粘贴在黑色双面胶带上,之后用电吹风继续在约60℃下加热20分钟,便得到固化好的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜。经激光冲击强化后,本实施例3对复杂曲面的强化效果与实施例1相当。
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。对于所属领域的技术人员来说,在任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:由能量吸收层和能量约束层连接组成;在靶材上依次设置能量吸收层和能量约束层;能量吸收层胶膜包含两层材料,由黑色电工胶布和黑色双面胶布连接组成;能量约束层为透明约束层,由环氧树脂和固化剂调和后,在半固化状态时贴覆粘贴在黑色双面胶带上固化形成。
2.根据权利要求1所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的能量约束层的厚度不低于2mm。
3.根据权利要求1所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的环氧树脂为CYD系列环氧树脂、E系列环氧树脂或EX系列环氧树脂的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的CYD系列环氧树脂选用CYD-128双氛A型环氧树脂;所述的E系列环氧树脂选用E-42双氛A型环氧树脂;所述的EX系列环氧树脂选用EX-20双氛A型环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的固化剂为TC系列固化剂、TAC系列固化剂、YS系列固化剂和WZH系列固化剂中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的TC系列固化剂选用TC-900脂环胺固化剂;所述的YS系列固化剂选用YS-1618脂环胺固化剂;所述的WZH系列固化剂选用WZH-155脂环胺固化剂。
7.根据权利要求1所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的靶材的表面为凸圆柱面、凹圆柱面、双凸曲面、双凹曲面或马鞍形曲面。
8.根据权利要求1所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜制备时,先将黑色电工胶布粘贴在靶材上,再将黑色双面胶带粘贴在黑色电工胶布上;然后将半固化的透明约束层粘贴在黑色双面胶带上,固化,得复合胶膜。
9.根据权利要求8所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的半固化的透明约束层是由环氧树脂和固化剂调和后用硅胶模制作2mm以上厚的透明约束层,在100-105℃下保温30-35分钟所得。
10.根据权利要求8所述的用于复杂形状表面多道次激光冲击强化的复合胶膜,其特征在于:所述的固化是在55-65℃下加热20-25分钟。
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