CN111961836B - 一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁铁辅助激光冲击复合的强化装置及方法，涉及激光和磁场加工领域，包括激光发生设备和电磁铁；待加工工件设置在工作台上，两块所述电磁铁分别设置在待加工工件的上方和下方，且待加工工件置于电磁铁形成弧形磁场内；所述激光发生设备和电磁铁同时工作用来对待加工工件复合加工。该方法对工件施以特定的弧形磁场，利用强磁场的磁致塑性效应，降低金属工件表层的塑性变形抗力，减弱工件表层在激光冲击过程中的加工硬化，从而配合激光冲击，以提高激光冲击的影响深度，特别是使残余压应力的深度更大，压应力分布更适应如小孔结构等构件的立体强化的要求，适应更厚工件和更高强度材料的强化。

Description

一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置及方法

技术领域

本发明属于材料表面强化处理领域，特别涉及到一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置及方法。

背景技术

在目前的机械行业中，特别是航空航天、工程机械、海洋工程和船舶制造等领域，这些领域对服役机械零部件的可靠性提出越来越高的要求，这就要求机械零部件具有高的表面硬度、高耐磨性、高抗疲劳性、高表面光洁度和良好的耐蚀性等综合性能，这是当下我国机械制造行业所面临的主要问题。

磁致塑性加工是新型的加工及技术，是在普通的金属变形加工过程中施加高强度磁场对所加工的材料进行磁场刺激(磁致塑性加工)，或者在加工前后对金属进行处理(磁致塑性处理)，以获得良好加工性能及综合的机械性能。但是该效应并不能强化金属材料，而只能起辅助强化作用，以降低材料的屈服强度，从而加深激光冲击强化的深度。

单一的激光冲击也存在许多的问题，比如强化过后应力场分布不均匀，应力不能渗入到材料深层等等，存在这些问题的金属强化技术，在很多高要求的场合并不能适用。这就需要将多种技术相结合，来达到金属表面更好的强化效果。

发明专利CN104004901A中公开一种以磁场作为约束层的激光冲击强化装置和方法，是通过圆柱形放电管通电产生与试样表面垂直方向的磁场，这些磁场会对激光冲击过程中产生的高温高压等离子体进行压缩，使得等离子体体积收缩，从而增强激光冲击力的效果，此方法外加变化高强度磁场辅助激光冲击强化，通过对激光冲击过程中产生的高温高压等离子体进行压缩。这种方法没有提及磁场对工件材料的直接影响。

发明专利CN106148672A中提出了一种外加变化磁场辅助激光强化冲击强化方法。本方法主要通过改变电流大小，获得不同的磁场强度，并在相应的磁场强度的辅助作用下，利用激光器对试样进行冲击强化处理。此专利没有明确外加变化磁场作用于等离子体还是作用于工件材料，然而不管作用于等离子体还是作用于材料，都不会有明显的效果，或者无效。因为外加磁场过小，产生的增益效果偏小，且由于施加的磁场为毫特斯拉级，对材料的变形以及力学性能影响较小。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置及方法，本发明通过施加磁场强度为1.0T～4.0T双侧弧形磁场，通过施加高强度磁场改变材料的变形能力和提高可塑性，且采用磁致塑性和激光冲击相结合，以提高激光冲击的影响深度，特别是是残余压应力更大，压应力分布更适合如小孔结构等构件的立体强化的要求，从而适用于更厚工件和更高强度材料的强化。

一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置，包括激光发生设备和电磁铁；待加工工件设置在工作台上，两块所述电磁铁分别设置在待加工工件的上方和下方，且待加工工件置于电磁铁形成弧形磁场内；所述激光发生设备和电磁铁同时工作用来对待加工工件复合加工。

进一步的，所述电磁铁施加在待加工工件上的磁场强度为1.0T～4.0T。

进一步的，所述电磁铁为中空结构，中空结构内设置有聚磁铁芯。

进一步的，待加工工件为小孔试样时，可在小孔内装入防变形芯棒。

进一步的，所述待加工工件下表面与电磁铁之间设置有硬质木板。

进一步的，待加工工件上方涂覆吸收层，吸收层上方设置有水约束层。

进一步的，所述电磁铁与快速充放电模块连接，通过工控电脑和控制模块控制快速充放电模块和电磁铁，从而得到不同的磁场。

一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置的方法，待加工工件设置在电磁铁形成的弧形磁场内，电磁铁形成的磁场强度为1.0T～4.0T；通过激光发生设备和电磁铁同时工作对待加工工件复合加工。

进一步的，步骤一：将待加工工件安装工作台上，在待加工工件表面需要冲击强化的部位涂覆吸收层以及在吸收层上方加入一层去离子水作为约束层；

步骤二：通过工控电脑、控制模块和快速充放电装置控制通入电磁铁的电流从而生成需要的磁场，在电磁铁中装入聚磁铁芯，使得电磁铁产生的弧形磁场更有效地聚集在待加工区域而降低材料屈服强度，更易产生塑性变形；工控电脑通过控制模块控制激光发生设备产生激光，激光束穿过导光系统，金属表面涂覆的吸收层吸收激光能量后产生高温高压的等离子体，形成强烈的激光冲击；

步骤三：按步骤二)反复的磁致塑性和激光冲击强化处理后，关闭激光发生设备。

进一步的，所述激光发生设备发出的激光光斑为圆形，激光冲击参数如下：光斑直径为4mm，脉宽为10-30ns，脉冲能量为5-10J，横向与纵向的搭接率为50％。

本发明与现有技术相比，具有如下的显著优势：

1.磁致塑性与激光冲击的复合的新型强化技术，不管是对于普通零件，还是难加工、形状复杂的零部件，都能起到非常不错的强化效果，是金属工件的各方面性能均有提高。

2.提高了冲击的影响深度，特别是残余应力影响深度更大，压应力分布更适合如小孔结构等构件的立体强化的要求。

3.磁致塑性配合激光冲击加工后，残余应力更加均匀，表面平整，材料更深层的内部也能被很好的强化。

4.针对小孔件，在环形电磁铁中部添加一根聚磁铁芯提高施加磁场的利用率，从而明显提高小孔工件的冲击强化的作用效果。

5.复合强化方法减缓了在较高温度下工作的残余应力的释放速度，提高了高温疲劳强度；有效地防止金属材料裂纹的产生以及降低已产生裂纹的扩展速率，甚至对其进行修复再制造具有更大的优势。

6.本发明技术方案采用磁场强度为1.0T～4.0T双侧弧形磁场，通过施加高强度磁场改变材料的变形能力和提高可塑性，从而明显的提高了冲击强化的作用效果。

7.普通的单一强化方法，比如激光冲击、超声振动等，虽然能达到一定的强化效果，但是往往伴随一系列问题：表面不平整，加工硬化，诸如此类。这些问题往往会阻碍下一步加工的进行，最终导致效果不够显著。本发明采用磁致塑性与激光冲击相结合的方法，对工件施加高强度磁场，使材料表现出较高的塑性变形和室温变形能力后，再利用激光冲击进行强化，就能得到更好的强化效果。

附图说明

图1为根据本发明实施例图1是磁场辅助激光冲击强化结构示意图。

附图标记：

1-工控机；2、4-快速充放电模块；3-控制模块；5、12-电磁铁；6-导光系统；7-激光发生设备；8-吸收层；9-约束层；10-待加工工件；11硬质木板；13工作台；14聚磁铁芯；15防变形芯棒。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的结合附图1，一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置，包括激光发生设备7和电磁铁5，12；待加工工件10设置在工作台13上，两块所述电磁铁5，12分别设置在待加工工件10的上方和下方，且待加工工件10置于电磁铁5，12形成的弧形磁场内；所述激光发生设备7和电磁铁5，12同时工作用来对待加工工件10进行复合加工。

其中，所述电磁铁5，12施加在待加工工件10上的磁场强度为1.0T～4.0T。磁场强度的选择根据材料的强度和材料的厚度进行选择，材料的强度大和材料的厚度大，磁场强度取上限，反之取下限。

电磁铁5，12均为中空结构，中空结构内设置有聚磁铁芯14。通过在环形电磁铁5，12中部添加一根聚磁铁芯提高施加磁场的利用率，从而明显提高小孔工件的冲击强化的作用效果。对于工件的修复再制造，聚磁铁芯放置在裂纹尖端附近，在裂纹尖端周围进行激光冲击。

当待加工工件10为小孔试样时，可在小孔内装入防变形芯棒15，防止在激光冲击加工过程中产生变形。

待加工工件10下表面与电磁铁12之间设置有硬质木板11。设置硬质木板的目的在于缓冲激光冲击工件的冲击力避免磁场受到干扰。

待加工工件10上方涂覆吸收层8，吸收层8上方设置有水约束层9。

电磁铁5，12与快速充放电模块2，4连接，通过工控电脑1和控制模块3控制快速充放电模块2，4和电磁铁5，12，从而得到不同的磁场。

磁致塑性和激光冲击复合的强化装置的方法，待加工工件10设置在电磁铁5，12形成的弧形磁场内，电磁铁5，12形成的磁场强度为1.0T～4.0T；通过激光发生设备7和电磁铁5，12同时工作对待加工工件10复合加工：

具体包括如下步骤：

步骤一：将待加工工件10安装工作台上13，在待加工工件10表面需要冲击强化的部位涂覆吸收层8以及在吸收层8上方加入一层去离子水作为约束层9；

步骤二：通过工控电脑1、控制模块3和快速充放电装置2，4控制通入电磁铁5，12的电流从而生成需要的磁场，在电磁铁5，12中分别装入聚磁铁芯14，使得电磁铁5，12产生的弧形磁场更有效地聚集在待加工区域而降低材料屈服强度，更易产生塑性变形；工控电脑1通过控制模块控制激光发生设备7产生激光，激光束穿过导光系统6，金属表面涂覆的吸收层8吸收激光能量后产生高温高压的等离子体，形成强烈的激光冲击；

步骤三：按步骤二反复的磁致塑性和激光冲击强化处理后，关闭激光发生设备7。

进一步的，所述激光发生设备7发出的激光光斑为圆形，激光冲击参数如下：光斑直径为4mm，脉宽为10-30ns，脉冲能量为5-10J，横向与纵向的搭接率为50％。

本发明采用磁致塑性和激光冲击相结合的方法对待加工工件10进行小孔强化处理，通过施加高强度磁场，来解决强化过程中加工硬化、应力场不均匀、应力不够深入以及裂纹和位错等一系列问题；在激光冲击待加工工件10表面时，对工件施加一定强度的外加磁场与激光冲击波发生相互作用，在材料表面一定深度形成三维的压应力分布。

一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置的方法：将电磁铁14安装固定在工作台13上，并将工件安装好以及涂覆吸收层8和约束层9，通过控制模块控制施加的磁场强度：施加范围为1.0T-4.0T；同时加入激光冲击设备7，调节光斑大小为3mm，能量为2Gpa，脉冲宽度20ns，波长1.054μm。对工件10表面进行激光冲击冲击，激光射入角为90°，激光冲击光斑搭接率为50％。停止施加磁场、停止激光束2的射入，完成磁致塑性和激光冲击的复合强化。

磁致塑性和激光冲击复合强化后，材料得到全面的强化。工件由表面到一定深度的内部分布均匀的压应力场。

表1为具体实施案例不同磁场强度辅助冲击后的残余压应力表。

无外加磁场	-51MPa～187Mpa
		1.0T	-153MPa～-319Mpa
2.0T	-211MPa～-419Mpa
		4..0T	-131MPa～-237Mpa

从表一中可以看出，没有外加磁场时，激光冲击后的残余应力明显大于有外加磁场时的激光残余应力，另外，磁场强度越大，激光冲击后残余应力越小，从图中可以看出，当磁通量在1.0-4.0T时，材料的残余压应力逐渐变小。

表2为不同强度外加磁场下的疲劳寿命和增益。

	未经激光冲击寿命	激光冲击后疲劳寿命	疲劳增益
				无外加磁场	59298	137375	131.67％
1.0T	60347	213711	254.14％
				2.0T	63011	273713	334.39％
4.0T	59907	177727	196.67％

从表2中可以看出，磁场和激光对激光冲击后材料的疲劳寿命和疲劳增益的影响，从中可以看出，当无外加磁场时和未经激光冲击时，材料的性能最差，当施加磁场和进行激光冲击时材料的疲劳寿命和疲劳增益明显增强，且随着磁场强度的增加，材料的疲劳寿命和疲劳增益逐步增强。

依据的原理：在磁场作用下，跃迁时的自旋禁阻被解除，电子发生跃迁，杂乱无章的电子对转向某一方向自旋，自旋电子对沿磁界方向整齐排列，自旋电子对发生极化，表现出在某一方向上的特性，此时，在这一方向上原本处于单线态的电子对激发为三线态，由反平行自旋转变为同向自旋，位错与钉扎物间的结合能降低，有利位错与钉扎物间的作用被打破，位错发生退钉扎，位错可移动性增长。

因此，通过施加高强度磁场来降低金属工件表层的塑性变形抗力，减弱工件表层在激光冲击过程中的加工硬化，促进材料的再结晶过程，进一步细化晶粒，从而进一步提高工件的表面硬度，同时对试样进行激光冲击处理。该装置及方法克服了传统工艺的缺陷，消除了单一激光冲击强化材料表面冲击区域周边产生的凹凸不平，以及解决了加工硬化、应力场不均匀、裂纹的产生等一系列问题，改善应力状况，更好地提高疲劳寿命。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种磁致塑性和激光冲击复合的强化装置，其特征在于，包括激光发生设备(7)和电磁铁(5，12)；待加工工件(10)设置在工作台(13)上，两块所述电磁铁(5，12)分别设置在待加工工件(10)的上方和下方，且待加工工件(10)置于电磁铁(5，12)形成弧形磁场内；两块所述电磁铁(5，12)均为中空结构，中空结构内设置有聚磁铁芯(14)；待加工工件(10)为小孔试样，在小孔内装入防变形芯棒(15)；所述待加工工件(10)下表面与电磁铁(12)之间设置有硬质木板(11)；所述激光发生设备(7)和电磁铁(5，12)同时工作用来对待加工工件(10)复合加工；所述电磁铁(5，12)与快速充放电模块(2，4)连接，通过工控电脑(1)和控制模块(3)控制快速充放电模块(2，4)和电磁铁(5，12)。

2.根据权利要求1所述的磁致塑性和激光冲击复合的强化装置，其特征在于，所述电磁铁(5，12)施加在待加工工件(10)上的磁场强度为1.0T～2.0T。

3.根据权利要求1所述的磁致塑性和激光冲击复合的强化装置，其特征在于，待加工工件(10)上方涂覆吸收层(8)，吸收层(8)上方设置有约束层(9)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的磁致塑性和激光冲击复合的强化装置的使用方法，其特征在于，待加工工件(10)设置在电磁铁(5，12)形成的弧形磁场内，电磁铁(5，12)形成的磁场强度为1.0T～2.0T；通过激光发生设备(7)和电磁铁(5，12)同时工作对待加工工件(10)复合加工。

5.使用1-3任一项所述的磁致塑性和激光冲击复合的强化装置的强化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将待加工工件(10)安装工作台 (13) 上，在待加工工件(10)表面需要冲击强化的部位涂覆吸收层(8)以及在吸收层(8)上方加入一层去离子水作为约束层(9)；

步骤二：通过工控电脑(1)、控制模块(3)和快速充放电模块(2，4)控制通入电磁铁(5，12)的电流，生成需要的磁场，在电磁铁(5，12)中装入聚磁铁芯(14)；工控电脑(1)通过控制模块控制激光发生设备(7)产生激光，激光束穿过导光系统(6)，金属表面涂覆的吸收层(8)吸收激光能量后产生高温高压的等离子体，形成强烈的激光冲击；

步骤三：按步骤二进行反复的磁致塑性和激光冲击强化处理后，关闭激光发生设备(7)。

6.根据权利要求5所述的磁致塑性和激光冲击复合的强化装置的强化方法，其特征在于，所述激光发生设备(7)发出的激光光斑为圆形，激光冲击参数如下：光斑直径为4mm，脉宽为10-30ns，脉冲能量为5-10J，横向与纵向的搭接率为50％。

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