CN110512071B - 一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法，属于材料表面强化处理领域，该装置包括激光组件和振动组件；该方法采用中空激光冲击和超声振动同时对工件表面进行强化处理，通过施加超声振动，以防止中空激光冲击强化后冲击区域中心产生的凹凸不平；在中空激光冲击工件表面时，对振动头施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的超声振动与中空激光冲击波产生相互作用，在材料表面形成合理的残余压应力分布，振动头将中空激光冲击强化后冲击区域中心产生的凹凸不平压平，最大化发挥了强化效果，且提高了工件的表面质量。本发明克服了传统强化工艺的缺陷，解决了单一中空激光冲击和单一超声振动强化材料表面的不足。

Description

一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法

技术领域

本发明属于材料表面强化处理领域，提供了一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置及加工方法，尤其适用于工件的大面积高效率强化。

背景技术

目前，在机械工业领域中，许多关键零部件的使用环境恶劣，工况条件较差，这就为这些零部件的制造工艺和质量控制提出更高的要求，尤其是零部件表面在使用过程中不可避免会出现疲劳破坏和裂纹缺陷，而这些隐患所造成的经济损失和人身危害是难以估量的。因此，延长关键结构件的使用寿命和使用可靠性变得越来越重要。目前广泛使用的强化方法有超声振动强化和中空激光冲击强化等。

中空激光冲击强化是利用中空强激光束产生的等离子冲击波作用于材料表面，使材料发生塑性变形，从而在冲击区域内引入残余压应力和微结构的改变，从而达到强化效果。

专利公开号CN103302406A叙述了一种光内送水激光冲击强化的方法，使用水流通过设置在圆形激光束经过光路变换后形成的中空激光束内，从而保证中空激光束冲击区域残余应力均匀分布。但该方法会造成中空激光的中心区域凹凸不平，从而产生残余拉应力，降低表面强化质量。

专利公开号CN1928127A叙述了一种利用激光连续冲击强化的方法及装置，将约束介质和涂层结合在一起，使激光冲击强化可以连续进行，该发明提供一种利用高能量激光束产生等离子爆炸冲击波连续强化平面或近似于平面的金属材料或零件的方法，但该方法产生的残余压应力分布不均匀，处理后材料疲劳寿命的提高非常有限。

超声振动强化技术是使零件表面被有压力(拉力)和高频纵向冲击力的工具头撞击，使工件表面的微观峰谷被压平，同时表层金属发生塑性变形强化，形成压应力，进而增强零件表面耐疲劳强度。

专利公开号CN105734233A提供了一种提高金属工件疲劳寿命的超声强化方法及其应用。将金属工件装夹在超声波加工机床上，对金属工件表面进行超声加工，通过调整超声加工头对于加工工作面的不同压力来实现对金属表面预置压应力，最终达到消除残余应力，提高疲劳寿命的目的。但该强化方法对超声振动头加工区域四周会产生反向塑性变形，使得工件表面残余应力分布不均。

专利公开号CN108660307A提供了一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法。利用激光冲击强化技术与振动时效处理相结合，在振动时效处理辅助下进行激光冲击强化处理。在振动的作用下使应力场梯度减小，故使工件表面残余应力均匀化。但该方法在激光冲击区域周边会产生反向塑性变形，从而产生残余拉应力，降低表面强化质量。

发明内容

本发明的目的是针对上述强化技术的缺陷，提供了一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，该装置克服了传统强化工艺的缺陷，解决了单一中空激光和单一超声振动强化的不足，通过中空激光冲击和超声振动协同强化，最大化发挥了强化效果，使得残余压应力分布更为合理均匀，解决了超声振动强化对冲击区域周边产生的残余拉应力，解决了中空激光冲击强化时中心区域凹凸不平以及产生的残余拉应力。且该方法工艺过程简单，同时大面积高效率的中空激光能够提高加工强化效率，节约生产成本。

为了实现上述目的，本发明的方法即对已经预处理过的工件同时进行中空激光冲击强化和超声振动强化，让工件表面残余压应力分布更为合理均匀，使得工件获得较高的抗疲劳性能和光整的表面。

一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，包括激光组件和超声振动组件；所述超声振动组件包括振动头、变幅杆、换能器和超声波发生器；换能器与超声波发生器电连接。

所述激光组件包括计算机控制系统、激光器、三棱柱反射镜、反射镜、扩束镜系统、环形光束产生系统和聚焦透镜；所述吸收层置于工件的上表面，约束层位于吸收层上方；所述的扩束镜系统是由两块凸透镜和中间一块凹透镜组成：所述的环形光束产生系统由一对正负轴棱锥组成；所述的聚焦透镜与环形光束产生系统同轴。

进一步的，通过调所述反射镜反射后的半圆形激光束垂直射入环形光束产生系统中的凹透镜。

进一步的，所述环形光束产生系统包括凹透镜和凸透镜，半圆形激光束经过环形光束产生系统后变成半圆环激光束。

进一步的，调节扩束镜系统中的三块透镜之间的相对距离可以调节环形光斑的外径大小。

进一步的，通过调节环形光束产生系统中正负棱锥的相对位置可以调节环形光斑的内径大小。

进一步的，通过调节反射镜的角度可以调节环形光束的入射角度。

进一步的，计算机控制系统和激光器、扩束镜系统、反射镜、环形光束产生系统相连，协调各部分。

基于中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，采用中空激光冲击和超声振动同时对工件表面进行强化处理。激光器发出的激光在三棱柱反射镜的作用下分成左右两束的半圆形光束，经由反射镜和环形光束产生系统形成半圆环光束。左右半圆环光束经聚焦透镜聚焦，调节反射镜角度使左右半圆环光束在工件表面合成为一个完整的环形光斑。在中空激光冲击工件表面时，对振动头施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的超声振动与中空激光冲击波产生相互作用，让工件表面残余压应力分布更为合理均匀，具体包括以下步骤：

S1.对工件的待强化表面进行预处理；调整扩束镜系统，调节光斑大小；

S2.设置吸收层和约束层；在工件表面贴上铝箔或者黑漆作为吸收层；使用水或其它透明液体作为约束层；

S3.设置超声振动的模态和参数，使振动头产生超声振动；

S4.采用有限元分析软件找到最佳的环形光斑内外径大小及其内外径比率，确定激光脉宽、脉冲能量、中空激光光斑大小、中空激光入射角等工艺参数；根据以上工艺参数，调节光路系统，启动激光器对构件进行中空激光冲击强化；在该过程中，根据强化路径控制工件的移动，直至工件待强化表面均被强化处理；

S5.在进行激光冲击与超声振动强化过程中，根据强化路径控制工件的移动，完成强化路径为一遍，为了进一步提高工件表面的硬度和耐磨性等综合性能，可以重复2～3遍；

S6.停止超声振动，停止激光束入射，并停止注入约束层水或其他透明液体。完成中空激光冲击和超声振动协同强化。

上述方案中，所述步骤S2中水或其它透明液体作为约束层，控制约束层流入速率，保证层流状态，由入水口始终流向中空激光强化区域。

上述方案中，所述步骤S3中超声振动模态为纵向振动或者呼吸式振动；超声振动频率为15kHz～5MHz，超声振幅为1～30μm。

上述方案中，所述振动头的直径1～5mm；振动头与工件表面之间距离控制在0～0.01mm。

上述方案中，上述所选择的环形光斑的内外径与大功率脉冲激光器的脉冲宽度、脉冲能量、光斑大小、工件的材料及处理状态有关，大功率激光器的激光脉宽10ns～100ns、频率5Hz、能量0～200J、光束直径0.1～50mm，环形光斑的内径0～20mm，光斑外径0～50mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明对金属材料表面同时进行中空激光冲击和超声振动强化，超声振动垂直于工件表面进行，消除了中空激光冲击造成的明显的凹凸痕迹，改善了表面和深度方向上残余应力不均匀性，消除了冲击区域中心的残余拉应力。

2.本发明克服了单一中空激光冲击强化和单一超声振动强化的缺陷，且两种强化相辅相成，冲击区边界产生的稀疏波与超声振动相互作用，可有效避免中空激光冲击强化后冲击区域中心产生的凹凸不平问题，在材料表面形成更合理均匀的应力分布。

3.采用大光斑大能量中空激光进行冲击强化，有效解决大面积冲击强化效率低的问题，强化效率高，同时大光斑大能量的使用，可降低成本，无论军用还是民用均具有明显优势。

4.中空激光冲击和超声协同强化方法能使金属工件表面晶粒细化，表面显微硬度提高，耐磨性和耐腐蚀性提高。

5.本发明具有结构简单，且工艺过程简单，操作方便等特点，对工件同时进行中空激光冲击和超声振动强化，使其获得较高的抗疲劳性能。

附图说明

图1为中空激光冲击和超声振动协同强化装置结构示意图；

图2为中空激光冲击和超声振动单点协同强化区域示意图；

图3超声振动强化、中空激光冲击和中空激光冲击和超声协同强化残余应力图；

附图标记如下：

1、工件，2、吸收层，3、约束层，4、振动头，5、变幅杆，6、换能器，7、超声波发生器，8、激光发射器，9、扩束镜系统，10、激光束，11、三棱柱反射镜，12、反射镜，13、环形光束产生系统，14、聚焦透镜，15、电脑中控系统，16、超声加工区域，17、中空激光加工区域，18、超声振动强化残余应力分布，19、中空激光冲击残余应力分布，20、激光冲击和超声协同强化残余应力分布。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明采用中空激光冲击和超声振动同时对工件1表面进行强化处理，通过施加超声振动，以防止中空激光冲击强化后冲击区域中心产生的凹凸不平；在中空激光冲击工件1表面时，对振动头4施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的超声振动与中空激光冲击波产生相互作用，在材料表面形成均匀的压应力分布，最大化发挥了强化效果。

结合附图1和2，一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，包括振动组件和激光组件；

所述振动组件包括振动头4、变幅杆5、换能器6、超声波发生器7；所述换能器6与超声波发生器7电连接，同时换能器6与变幅杆5一段连接；所述振动头4与变幅杆5另一端螺纹连接。

所述激光组件包括激光反射器8、扩束镜系统9、激光束10、三棱柱反射镜11、反射镜12、环形光束产生系统13、聚焦透镜14；所述激光发射器8发出的激光束10在三棱柱反射镜11的反射下分成左右两束的半圆形光束，经由反射镜12和环形光束产生系统13形成左右两束半圆环光束。左右半圆环光束经聚焦透镜14聚焦，调节反射镜12角度使左右半圆环光束在工件1表面合成一个完整的环形光斑，对工件1表面进行中空激光冲击强化。

本发明提供一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳方法具体实施过程如下：

S1.对工件1的待强化表面进行预处理，釆用粒度较高的砂纸打磨工件1表面，保证处理表面的精度。使用酒精，清洗经打磨处理过的工件1表面，除去油、泥杂质等。

S2.对预处理后的工件1表面设置吸收层2和约束层3。在工件1表面贴上铝箔或黑漆等作为吸收层2，其主要作用是保护零件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收；将水或其他透明液体构成的约束层3流向强化区域；

S3.设置超声振动的模态和参数，根据实际工程需要调整振动频率和振幅等参数，使振动头4产生超声振动，超声振动模态为纵向振动或呼吸式振动，超声振动频率优选值为15kHz～5MHz，振幅优选值为1～30μm。振动头4与工件1表面之间距离控制在0～0.01mm；

S4.采用有限元分析软件找到最佳的环形光斑内外径大小及其内外径比率，确定激光脉宽、脉冲能量、中空激光光斑大小等工艺参数；根据以上工艺参数，调节光路系统，启动激光器对构件进行中空激光冲击强化；

S5.在进行激光冲击与超声振动强化过程中，根据强化路径控制工件1的移动，完成强化路径为一遍，为了进一步提高工件1表面的硬度和耐磨性等综合性能，可以重复2～3遍；

S6.停止超声振动，停止激光束12入射，并停止注入约束层水或其他透明液体3。完成中空激光冲击和超声振动协同强化。

实施例

对6mm厚的铝合金试样进行强化。对试样表面进行预处理，并在表面贴上铝箔作为吸收层2，使用水作为约束层3，经过振动头4，流向强化区域。振动头4的直径为3mm，变幅杆5和换能器6的尺寸依据实际而定。设置振动模态和参数，本实施例中超声振动采用呼吸式振动，超声振动频率为25kHz，振幅为10μm，使振动头4产生超声振动。同时发射激光束10，具体参数如下：环形光斑内外径分别为4mm、6mm，能量为2G，脉冲宽度20.1ns，波长1.054μm。激光冲击光斑搭接率为60％，复合强化时工件移动路径结合附图3所示，完成强化路径为一遍，重复冲击两遍。强化完成后，停止超声振动，停止激光束10入射，并停止注入约束层3。中空激光冲击和超声振动复合强化完成。

中空激光冲击和超声振动复合强化后，材料得到全面的强化。图3为三种强化方式(超声振动、中空激光和协同强化)残余应力图。

结合附图3分析三种强化方式后的残余应力分布可知，单独中空激光冲击强化后，材料表面的激光冲击区域产生残余压应力，压应力最大值约为175MPa，环形光斑中心产生较小的残余拉应力，拉应力最大值约为50Mpa；

单独超声振动冲击后，在振动头振动中心区域产生了较大的残余压应力，压应力最大值约为270MPa，随着远离中心区域，残余压应力值不断减小。而在振动区域的四周产生了残余拉应力，最大拉应力值约为50Mpa。

采用协同强化后，加工区域的残余应力为压应力，且该路径方向上应力分布更均匀，压应力的值在150Mpa上下浮动，最大压应力约为200Mpa。可以看出中空激光冲击和超声协同强化最大化发挥了强化效果，使得残余压应力分布更为合理均匀。解决了超声振动强化对冲击区域周边产生的残余拉应力，解决了中空激光冲击强化时中心区域凹凸不平以及产生的残余拉应力。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，其特征在于，包括激光组件和超声振动组件；

所述超声振动组件设置在待加工工件（1）的正上方，用来对工件（1）超声振动强化处理；

所述激光组件包括激光发射器（8）、扩束镜系统（9）、激光束（10）、三棱柱反射镜（11）、反射镜（12）、环形光束产生系统（13）和聚焦透镜（14）；吸收层（2）置于工件（1）的上表面，约束层（3）位于吸收层（2）上方；所述扩束镜系统（9）位于激光发射器（8）下方；所述三棱柱反射镜（11）位于扩束镜系统（9）正下方；所述聚焦透镜（14）与环形光束产生系统（13）同轴；所述三棱柱反射镜（11）将激光束（10）反射成左右两个半圆形激光束；半圆形激光束经反射镜（12）反射进入环形光束产生系统（13），经由环形光束产生系统（13）变为半圆环光束，半圆环光束经聚焦透镜（14）聚焦辐照在工件（1）上；

所述扩束镜系统（9）由两块凸透镜和中间的一块凹透镜组成；所述环形光束产生系统（13）由一对正负轴棱锥组成。

2.根据权利要求1所述的中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，其特征在于，所述超声振动组件包括振动头（4）、变幅杆（5）、换能器（6）和超声波发生器（7）；所述换能器（6）的一端与超声波发生器（7）电连接，换能器（6）的另一端与变幅杆（5）的一端连接；所述振动头（4）通过螺纹与变幅杆（5）另一端连接。

3.根据权利要求1所述的中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，其特征在于，通过调节反射镜（12）的角度使左右两个半圆环激光光斑合成完整的环形光斑。

4.根据权利要求1所述的中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，其特征在于，所述反射镜（12）反射后的半圆形激光束垂直射入环形光束产生系统（13）中的凹透镜。

5.根据权利要求3所述的中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置，其特征在于，所述环形光束产生系统（13）包括凹透镜和凸透镜，半圆形激光束经过环形光束产生系统（13）后变成半圆环激光束。

6.一种中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置的加工方法，其特征在于，采用中空激光冲击和超声振动同时对工件（1）表面进行强化处理，在中空激光冲击工件（1）表面时，同时对振动头（4）施加超声振动，利用一定频率、振幅和模态的超声振动与中空激光冲击波产生相互作用，在材料表面形成均匀的残余压应力分布，具体包括以下步骤：

S1. 调整扩束镜系统（9），调节光斑大小；

S2. 设置吸收层（2）和约束层（3）；在工件（1）表面贴上铝箔或者黑漆作为吸收层（2）；使用水或其它透明液体作为约束层（3），约束层（3）经侧边的入水口注入，流向强化区域；

S3. 设置超声振动的模态和参数，使振动头（4）产生超声振动；

S4. 调节激光功率密度，通过扩束镜系统（9）调节光斑形状及光斑大小，激光束（10）经三棱柱反射镜（11）的作用下分成左右两束的半圆形光束，经由反射镜（12）和环形光束产生系统（13）形成左右两束半圆环光束；左右半圆环光束经聚焦透镜（14）聚焦，也可通过调节反射镜（12）角度使左右半个环形光斑在工件（1）表面合成一个完整的环形光斑，从而实现对工件（1）表面进行中空激光冲击强化；

S5. 完成中空激光冲击和超声振动协同强化。

7.根据权利要求6所述的中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置的加工方法，其特征在于，所述步骤S3中超声振动模态为纵向振动或者呼吸式振动；超声振动频率为15kHz～5MHz，超声振幅为1～30μm。

8.根据权利要求6所述的中空激光冲击和超声协同强化抗疲劳装置的加工方法，其特征在于，所述激光的脉冲宽度为10ns~100ns，频率5Hz。

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