CN112481481B - 一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，包括以下：步骤110：检测待加工零件的目标强化区域的表面特征，确定所述目标强化区域的表面曲率值K_i的范围；步骤120：结合脉冲激光器可达的技术指标，确定范围内的所述表面曲率值K_i所对应的光斑尺寸P；步骤130：实时获取对待加工零件的目标强化区域作用时移动路径的表面曲率值K_i，根据表面曲率值K_i调整光斑尺寸P继续进行冲击强化。本发明通过检测待加工零件强化区域的表面特征，根据表面曲率来调整光斑大小，调节不同曲率表面压力冲击波均匀性，提升激光冲击强化效果；并保持整个移动路径上的一致性，降低表面粗糙度，提升了残余压应力分布的均匀性，降低待加工零件强化区域表面粗糙度。

Description

一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法及装置

技术领域

本发明涉及材料强化处理技术领域，具体涉及一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法及装置。

背景技术

激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，主要通过超高功率、超短脉冲宽度的激光束穿过透明约束层，作用于涂覆在金属靶材表面的吸收层，吸收层在激光能量作用下急剧气化，形成高温、高压的等离子体。由于约束层限制，等离子体对金属表面产生超强冲击波。当冲击波的峰值压力超过材料的Hugoniot弹性极限，使材料表层产生塑性变形和微观组织变化。当激光冲击结束后，由于冲击区域材料的反作用，在其内部产生具有一定深度的残余压应力，提高金属材料综合机械性能。

航空发动机在运行过程中，其叶片叶缘容易受到外物损伤和高周疲劳的影响而产生疲劳破坏。激光冲击强化技术是实现航空发动机叶片表面强化，提高叶片的抗疲劳和抗外物损伤性能的有效方法，对于延长叶片的使用寿命和提高航空发动机的运行可靠性具有十分重要的意义。但是航空发动机叶片结构复杂，叶型面呈空间扭曲曲面。

当待加工零件强化区域表面结构复杂，特别是变曲率表面。现有的激光冲击强化技术是通过固定的光斑尺寸对待加工零件强化区域进行冲击强化处理，处理后的强化区域残余应力场分布不均匀、表面粗糙和强化效果一致性较差。对具有变曲率表面的待加工零件强化区域需根据表面曲率来调整光斑大小，使光斑平顶与表面相切的中心高度最小，并保持整个移动路径上的一致性，能够提升激光冲击强化效果残余压应力分布的均匀性，降低待加工零件强化区域表面粗糙度。

如中国专利CN107841616A一种强化发动机叶片的方法及系统，根据表面曲率调整激光光斑，但该专利是对一定曲率范围的表面设置一个固定光斑尺寸，对于光斑尺寸的选择过于局限，无法保证冲击强化的均匀性，变曲率表面结构的强化效果得不到保障。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，本发明提供一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法及装置。

具体的，提出了一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，所述方法包括以下：

步骤110：检测待加工零件的目标强化区域的表面特征，确定所述目标强化区域的表面曲率值K_i的范围；

步骤120：结合脉冲激光器可达的技术指标，确定范围内的所述表面曲率值K_i所对应的光斑尺寸P，具体的，包括以下，

步骤1201：根据脉冲激光器可达的技术指标，确定光斑尺寸P的调整范围，所述范围为[a，b]，

步骤1202：获取目标强化区域的表面曲率值的最大值K_max，确定K_max所对应的光斑尺寸，即光斑尺寸范围内的最小尺寸a，

步骤1203：计算表面表面曲率值取最大值K_max与光斑尺寸取最小尺寸a时的额定光斑面积与光斑作用的曲表面面积的比值S11/S21，

步骤1204：根据S11/S21的值确定表面曲率值K_i对应的光斑尺寸P，具体通过如下公式进行转换，S11/S21＝S1i/S2i，其中S1i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的额定光斑面积，S2i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的光斑作用的曲表面面积；

步骤130：实时获取对待加工零件的目标强化区域作用时移动路径的表面曲率值K_i，根据表面曲率值K_i调整光斑尺寸P继续进行冲击强化。

进一步，在确定光斑尺寸P的调整范围时，还会确定光斑尺寸P对应的脉冲激光能量以及相应的脉冲激光的脉冲宽度τ。

进一步，还包括，在进行脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整之前，需调节发射出所述脉冲激光的激光器与所述待加工零件的相对位置，以使所述脉冲激光与所述待加工零件的目标强化区域法向重合。

进一步，还包括，在进行脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整之前，需在所述待加工零件的目标强化区域上依次涂覆吸收层和约束层，所述吸收层为黑胶带或黑漆，所述约束层为流动去离子水膜或玻璃。

进一步，所述脉冲激光冲击强化的激光器参数为：脉冲激光能量为5-10J，脉冲宽度τ为8-16ns，光斑尺寸P为1-8mm。

本发明还提出一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整装置，包括，

第一获取模块，用于检测待加工零件的目标强化区域的表面特征，确定所述目标强化区域的表面曲率值K_i的范围；

第一计算模块，用于结合脉冲激光器可达的技术指标，确定范围内的所述表面曲率值K_i所对应的光斑尺寸P，具体包括，

第一计算单元，用于根据脉冲激光器可达的技术指标，确定光斑尺寸P的调整范围，所述范围为[a，b]，

第二计算单元，用于获取目标强化区域的表面曲率值的最大值K_max，确定K_max所对应的光斑尺寸，即光斑尺寸范围内的最小尺寸a，

第三计算单元，用于计算表面表面曲率值取最大值K_max与光斑尺寸取最小尺寸a时的额定光斑面积与光斑作用的曲表面面积的比值S11/S21，

第四计算单元，根据S11/S21的值确定表面曲率值K_i对应的光斑尺寸P，具体通过如下公式进行转换，S11/S21＝S1i/S2i，其中S1i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的额定光斑面积，S2i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的光斑作用的曲表面面积；

第一调整模块，用于实时获取对待加工零件的目标强化区域作用时移动路径的表面曲率值K_i，根据表面曲率值K_i调整光斑尺寸P继续进行冲击强化。

相较于现有技术，本发明提供的所述一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法具有以下有益效果：

本发明提出一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，本发明通过检测待加工零件强化区域的表面特征，根据表面曲率来调整光斑大小，调节不同曲率表面压力冲击波均匀性，提升激光冲击强化效果；并保持整个移动路径上表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的额定光斑面积与表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的光斑作用的曲表面面积一致性，降低表面粗糙度，提升了残余压应力分布的均匀性，降低待加工零件强化区域表面粗糙度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实例中的技术方案，下面将对实例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本申请一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法的流程图；

图2为本申请一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法的实施方式为叶片的结构及其激光冲击强化加工区域示意图；

图3为本申请一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法的实施方式为叶片的激光冲击强化加工区域不同曲率表面的激光束选取示意图。

图4为为本申请一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法的实施方式为叶片的激光冲击强化加工区域相同曲率表面的不同激光束光斑尺寸与压力冲击波作用表面尺寸示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅是本发明的一部分实例，而不是全部的实例。

结合图1、图2、图3以及图4，实施例1，是本发明提出的一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，所述方法包括以下：

步骤110：检测待加工零件的目标强化区域的表面特征，确定所述目标强化区域的表面曲率值K_i的范围；

其中，本发明的待加工零件强化区域表面结构复杂，为变曲率表面，不同的位置的表面曲率是不相同的。本步骤的目的在于通过检测装置检测待加工区域不同的位置的表面曲率情况，为不同位置的脉冲激光冲击光斑尺寸选择做准备。

步骤120：结合脉冲激光器可达的技术指标，确定范围内的所述表面曲率值K_i所对应的光斑尺寸P，具体的，包括以下，

步骤1201：根据脉冲激光器可达的技术指标，确定光斑尺寸P的调整范围，所述范围为[a，b]，

步骤1202：获取目标强化区域的表面曲率值的最大值K_max，确定K_max所对应的光斑尺寸，即光斑尺寸范围内的最小尺寸a，

步骤1203：计算表面表面曲率值取最大值K_max与光斑尺寸取最小尺寸a时的额定光斑面积与光斑作用的曲表面面积的比值S11/S21，

步骤1204：根据S11/S21的值确定表面曲率值K_i对应的光斑尺寸P，具体通过如下公式进行转换，S11/S21＝S1i/S2i，其中S1i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的额定光斑面积，S2i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的光斑作用的曲表面面积；

步骤130：实时获取对待加工零件的目标强化区域作用时移动路径的表面曲率值K_i，根据表面曲率值K_i调整光斑尺寸P继续进行冲击强化。

在本实施例中，本发明通过检测待加工零件强化区域的表面特征，根据表面曲率来调整光斑大小，调节不同曲率表面压力冲击波均匀性，提升激光冲击强化效果；并保持整个移动路径上表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的额定光斑面积与表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的光斑作用的曲表面面积一致性，降低表面粗糙度，提升了残余压应力分布的均匀性，降低待加工零件强化区域表面粗糙度。

激光冲击过程中的激光束在待加工零件强化区域的光斑面积是决定实际激光功率密度的重要指标，而激光功率密度与激光诱导冲击波在待加工零件强化区域的压力大小决定。如图4所示，对于表面完全平整的待加工零件强化区域，激光束的光斑面积为激光诱导冲击波的实际作用面积，而对于具有一定曲率表面的待强化区域，激光诱导冲击波的实际作用面积大于激光束的光斑面积，另外光斑尺寸越大，激光诱导冲击波的实际作用面积与激光束的光斑面积比值也越大，由于激光诱导冲击波的实际作用面积的增大必然引起激光功率密度的降低，因此具有一定曲率表面的待强化区域在激光冲击过程中将获得较弱的强化效果。对具有一定曲率表面的待强化区域通过减小光斑尺寸的调整措施以减小激光诱导冲击波的实际作用面积与激光束的光斑面积比值，从而降低激光功率密度的损失程度，可有效提高实际激光冲击强化效果。

本步骤中脉冲激光器的技术指标采用

200Laser Peening System，光斑尺寸为1-8mm，尺寸大小可调。最大曲率值表面脉冲激光冲击时所选取的光斑为最小尺寸1mm，从而保证所选的光斑面积S11与所述光斑作用的曲表面面积S21比值最大，降低激光功率密度的损失程度也达到最低，可在脉冲激光器的技术指标范围最大程度提高实际激光冲击强度。

由于待加工零件强化区域各个位置的表面曲率是不同的，如果使用固定尺寸光斑的脉冲激光冲击强化不同曲率的强化区域，会造成强化处理后的待加工零件强化区域各个位置的表面残余压应力不均匀且粗糙度较高。因而必须根据待加工零件强化区域的表面曲率选择相应的光斑尺寸。

本发明依据S11/S21比值来确定其他不同曲率值表面脉冲激光冲击所选取的光斑尺寸时，使其他不同曲率值表面脉冲激光冲击所选取的光斑面积与所述光斑作用的曲表面面积，即S12/S12、S13/S23…S1X/S2X比值接近S11/S21比值，使得不同曲率表面的待强化区域的激光冲击波的实际作用面积与激光束的光斑面积比值保持一致性，从而实际激光冲击强化效果保持一致性，能够保证在进行脉冲激光冲击强化处理后得到的待加工零件强化区域具有均匀分布的残余应力场和较低的粗糙度。

确定不同曲率值表面脉冲激光冲击所选取的光斑尺寸时，首先确定最大曲率值表面脉冲激光冲击所选取的光斑尺寸，接着确定其他不同曲率值表面脉冲激光冲击所选取的光斑尺寸。

在本优选实施方式中，其中，对于待加工零件强化区域，脉冲激光脉冲宽度影响残余应力的分布深度，脉冲激光脉冲宽度初步选择由技术人员根据脉冲激光冲击强化的经验参照一般可选范围确定即可。由于只有当激光诱导冲击波可导致待加工材料表面的塑性变形时，激光冲击表面强化效果才会出现，因此可以根据待加工材料的力学性质确定所需激光诱导冲击波范围，进而确定激光功率密度范围。

根据公式激光功率密度I＝E/(S×τ)，其中E为脉冲激光能量，S为光斑面积,τ为脉冲激光脉冲宽度。本发明使用光斑形状为圆形，S＝πd2/4，d为圆形光斑直径。结合初步选择脉冲激光脉冲宽度，确定不同光斑尺寸所需选取的对应脉冲激光能量，当脉冲激光能量范围不在脉冲激光器的技术指标之内时，由技术人员根据脉冲激光冲击强化的经验调整初步选择的脉冲激光脉冲宽度，确保脉冲激光能量范围在脉冲激光器的技术指标之内。

脉冲激光器的技术指标采用

200Laser Peening System，光斑尺寸为1-8mm，尺寸大小可调。另外，在对所述待加工零件强化区域进行冲击强化前，还存在激光冲击强化工艺的编程操作，即所述脉冲激光参数、夹持所述待加工零件的机械臂的运动轨迹等编程设定，最后激光冲击强化系统自动依照设定程序完成冲击过程。所述脉冲激光参数编程设定依照方法步骤进行确定，脉冲激光冲击强化的激光器参数为：能量为5-10J，脉冲宽度τ为8-16ns，光斑尺寸为1-8mm。所述夹持所述待加工零件的机械臂的运动轨迹等编程设定过程中要保证所述脉冲激光与所述待加工零件强化区域法向重合，通过调节所述发射出所述脉冲激光的激光器与所述待加工零件的相对位置确定。

在对所述待加工零件强化区域进行冲击强化前，还存在对待加工零件强化区域上依次涂覆吸收层和约束层，所述吸收层为黑胶带或黑漆，所述约束层为流动去离子水膜或玻璃。

本步骤使用机械臂夹持待加工零件移动进行待强化区域不同位置的激光冲击强化处理时，采用逐点加工方式进行，即机械臂移动一下激光冲击一下。

本发明还提出一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整装置，包括，

第一获取模块，用于检测待加工零件的目标强化区域的表面特征，确定所述目标强化区域的表面曲率值K_i的范围；

第一计算模块，用于结合脉冲激光器可达的技术指标，确定范围内的所述表面曲率值K_i所对应的光斑尺寸P，具体包括，

第一计算单元，用于根据脉冲激光器可达的技术指标，确定光斑尺寸P的调整范围，所述范围为[a，b]，

第二计算单元，用于获取目标强化区域的表面曲率值的最大值K_max，确定K_max所对应的光斑尺寸，即光斑尺寸范围内的最小尺寸a，

第三计算单元，用于计算表面表面曲率值取最大值K_max与光斑尺寸取最小尺寸a时的额定光斑面积与光斑作用的曲表面面积的比值S11/S21，

第四计算单元，根据S11/S21的值确定表面曲率值K_i对应的光斑尺寸P，具体通过如下公式进行转换，S11/S21＝S1i/S2i，其中S1i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的额定光斑面积，S2i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的光斑作用的曲表面面积；

第一调整模块，用于实时获取对待加工零件的目标强化区域作用时移动路径的表面曲率值K_i，根据表面曲率值K_i调整光斑尺寸P继续进行冲击强化。

以上所述仅为本发明的实例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，其特征在于，所述方法包括以下：

步骤110：检测待加工零件的目标强化区域的表面特征，确定所述目标强化区域的表面曲率值K_i的范围；

步骤120：结合脉冲激光器可达的技术指标，确定范围内的所述表面曲率值K_i所对应的光斑尺寸P，具体的，包括以下，

步骤1201：根据脉冲激光器可达的技术指标，确定光斑尺寸P的调整范围，所述范围为[a，b]，

步骤1202：获取目标强化区域的表面曲率值的最大值K_max，确定K_max所对应的光斑尺寸，即光斑尺寸范围内的最小尺寸a，

步骤1203：计算表面曲率值取最大值K_max与光斑尺寸取最小尺寸a时的额定光斑面积与光斑作用的曲表面面积的比值S11/S21，

步骤1204：根据S11/S21的值确定表面曲率值K_i对应的光斑尺寸P，具体通过如下公式进行转换，S11/S21＝S1i/S2i，其中S1i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的额定光斑面积，S2i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的光斑作用的曲表面面积；

步骤130：实时获取对待加工零件的目标强化区域作用时移动路径的表面曲率值K_i，根据表面曲率值K_i调整光斑尺寸P继续进行冲击强化。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，其特征在于：在确定光斑尺寸P的调整范围时，还会确定光斑尺寸P对应的脉冲激光能量以及相应的脉冲激光的脉冲宽度τ。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，其特征在于，还包括：

在进行脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整之前，需调节发射出所述脉冲激光的激光器与所述待加工零件的相对位置，以使所述脉冲激光与所述待加工零件的目标强化区域法向重合。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，其特征在于，还包括，

在进行脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整之前，需在所述待加工零件的目标强化区域上依次涂覆吸收层和约束层，所述吸收层为黑胶带或黑漆，所述约束层为流动去离子水膜或玻璃。

5.根据权利要求2所述的一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整方法，其特征在于，

所述脉冲激光冲击强化的激光器参数为：脉冲激光能量为5-10J，脉冲宽度τ为8-16ns，光斑尺寸P为1-8mm。

6.一种脉冲激光冲击强化的光斑尺寸调整装置，其特征在于，包括，

第一获取模块，用于检测待加工零件的目标强化区域的表面特征，确定所述目标强化区域的表面曲率值K_i的范围；

第一计算模块，用于结合脉冲激光器可达的技术指标，确定范围内的所述表面曲率值K_i所对应的光斑尺寸P，具体包括，

第一计算单元，用于根据脉冲激光器可达的技术指标，确定光斑尺寸P的调整范围，所述范围为[a，b]，

第二计算单元，用于获取目标强化区域的表面曲率值的最大值K_max，确定K_max所对应的光斑尺寸，即光斑尺寸范围内的最小尺寸a，

第三计算单元，用于计算表面曲率值取最大值K_max与光斑尺寸取最小尺寸a时的额定光斑面积与光斑作用的曲表面面积的比值S11/S21，

第四计算单元，根据S11/S21的值确定表面曲率值K_i对应的光斑尺寸P，具体通过如下公式进行转换，S11/S21＝S1i/S2i，其中S1i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的额定光斑面积，S2i为表面曲率值K_i、光斑尺寸P对应的光斑作用的曲表面面积；

第一调整模块，用于实时获取对待加工零件的目标强化区域作用时移动路径的表面曲率值K_i，根据表面曲率值K_i调整光斑尺寸P继续进行冲击强化。

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