CN112501425A - 一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法，包括以下步骤：制备具有反高斯状态光强分布方式的激光光束；待加工材料表面涂覆吸收层或约束层；采用反高斯状态光强分布方式的激光光束对待加工材料表面进行激光冲击加工处理，处理时待加工材料表面单光斑辐照的不同区域获得不同的激光冲击压力。

Description

一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法

技术领域

本发明属于表面冲击强化技术领域，具体涉及一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

当金属材料表面涂覆特定涂层时，脉冲激光可以在其表面产生超强的瞬时冲击波。目前已将这种脉冲激光的力效应逐步应用于材料强化和成形领域。激光冲击表面强化处理主要通过引入材料表面一定深度残余应力的方式有效提高材料的疲劳等服役性能。然而，“残余应力洞”现象的出现却使得近乎完美的激光冲击加工方法出现了瑕疵。“残余应力洞”的出现导致激光冲击波强化后材料表面残余应力分布的不均匀性，如何最大程度地避免“残余应力洞”的不利影响并设法抑制应力分布不均的发生成为技术人员需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法，该方法可对待加工材料表面单光斑辐照的不同区域形成不同的激光冲击压力，对于削弱“残余应力洞”的形成趋势产生积极影响。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法，包括以下步骤：

制备具有反高斯状态光强分布方式的激光光束；

待加工材料表面涂覆吸收层或约束层；

采用反高斯状态光强分布方式的激光光束对待加工材料表面进行激光冲击加工处理，处理时待加工材料表面单光斑辐照的不同区域获得不同的激光冲击压力。

作为进一步的技术方案，所述吸收层材料为黑漆或黑胶带，采用喷涂或粘贴的方式固定于待加工材料表面。

作为进一步的技术方案，所述约束层材料为玻璃或去离子水幕。

作为进一步的技术方案，激光冲击加工处理时，激光光束搭接率为30％～70％。

第二方面，本发明实施例还提供了一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法，包括以下步骤：

制备具有高斯分布状态厚度的单光斑吸收层/单光斑约束层；

将单光斑吸收层涂覆于待加工材料表面；或者，将均匀厚度吸收层以及单光斑约束层涂覆于待加工材料表面；

采用具有平顶分布光强的激光光束对待加工材料表面进行激光冲击加工处理，处理时待加工材料表面单光斑辐照的不同区域获得不同的激光冲击压力。

作为进一步的技术方案，单光斑吸收层的制备步骤为：

涂覆均匀厚度的吸收层；

制备反高斯形式的压印模具；

将压印模具按压吸收层，进而得到具有高斯分布状态厚度的单光斑吸收层。

作为进一步的技术方案，采用单光斑吸收层时，对待加工材料表面至少进行两次冲击处理。

作为进一步的技术方案，冲击处理时，待加工材料表面的单光斑吸收层呈紧挨而不搭接的排布方式；第一次冲击处理中，利用具有平顶分布光强的激光光束对待加工材料进行冲击处理；在第二次冲击处理中，每个单光斑辐照区域的位置在待加工材料表面沿横向和纵向移动单光斑辐照圆形区域的半径距离。

作为进一步的技术方案，单光斑约束层的制备过程为：

制备高斯形状的模具；利用模具将约束层加工成为高斯分布厚度的几何形状。

作为进一步的技术方案，所述单光斑吸收层材料为黑漆；所述单光斑约束层材料为玻璃或去离子水幕。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明的表面强化方法，通过改变激光束光强分布直接获得具有“反高斯”分布状态的激光冲击波压力，使得激光光强呈“反高斯”分布状态，进而实现避免“残余应力洞”的不利影响并设法抑制应力分布不均的发生。

本发明的表面强化方法，在不改变激光束光强分布的条件下，通过调整涂覆在材料表面单光斑辐照区域的吸收层或约束层的厚度间接获得反高斯分布状态的激光冲击波压力，进而实现可抑制“残余应力洞”形成的激光冲击处理方法。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的激光表面强化方法的流程示意图；

图2为具有“反高斯”状态的光强分布方式的单个激光光束的示意图；

图3为单光斑辐照区域的具有厚度“高斯”分布特征的吸收层涂层示意图；

图4为具有连续多个厚度“高斯”分布的单光斑辐照面积的累积压印模具示意图；

图5为具有厚度“高斯”分布状态吸收层的较大区域涂敷过程示意图；

图6为搭接率为50％的两次激光冲击处理的实现方式示意图；

图7为搭接率为50％的两次激光冲击处理的光斑搭接方式示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

1为脉冲激光光束；2为脉冲激光光束的辐照区域；3为具有形状“反高斯”形式的压印模具；4为材料表面厚度“高斯”分布吸收层涂层；5为待加工材料表面；6为黑漆吸收层；7为按压有累积挤压模具的黑漆吸收层；8为厚度“高斯”分布吸收层阵列。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

术语解释部分:本发明中如出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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的具体含义。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法。

该方法的提出基于以下物理原理：

当平顶或高斯分布的激光光束照射到待加工金属材料表面时，激光辐照区域形成一定强度的残余压应力场分布。然而，该条件下形成靶材表面残余应力分布往往呈现一种“残余应力洞”现象，即激光辐照中心区域的残余压应力水平相对边缘位置较低。不同的是，当激光光束的光强分布为“中心低，四周高”的状态时，例如激光光强呈“反高斯”分布状态，“残余应力洞”的形成趋势在一定程度上会得到减轻。

在其他工艺参数固定的条件下，激光能量直接决定作用于靶材表面的激光冲击波强度。因此，“中心低，四周高”的激光光强的作用相当于形成“中心低，四周高”状态的激光冲击波压力。综上所述，“中心低，四周高”状态的激光冲击波压力对于削弱“残余应力洞”的形成趋势产生积极影响。

本发明中所指的“反高斯”泛指具有“中心低，四周高”状态的分布形式。

本发明的激光表面强化方法主要有两种实现途径：一种通过改变激光束光强分布直接获得具有“反高斯”分布状态的激光冲击波压力，进而实现可抑制“残余应力洞”形成的激光冲击处理方法；另一种是在不改变激光束光强分布的条件下，通过调整涂覆在材料表面单光斑辐照区域的吸收层或约束层的厚度间接获得反高斯分布状态的激光冲击波压力，进而实现可抑制“残余应力洞”形成的激光冲击处理方法。

本发明的激光表面强化方法的具体步骤过程为：

1.制备具有“反高斯”状态的光强分布方式的激光光束。

该步骤中，改进现有具有平顶分布或高斯分布激光光束的激光发射器装备，通过编程设定单激光束不同位置的电压而获得具有“中心低，四周高”状态反高斯分布方式激光光强的激光光束。

若制备出具有“反高斯”状态的光强分布方式的激光光束时，则进入第2步。

需要指出的是，并不是所有装备都能满足调整激光束光强的功能。当激光加工装备不具体调整激光束光强的功能时，则进入第3步。

2.在待加工材料表面涂覆吸收层与约束层，并进行激光冲击加工处理。

2.1.涂覆吸收层与约束层；

在待加工材料表面涂敷均匀厚度的吸收层或约束层材料。

其中，吸收层材料可选择黑漆或黑胶带，分别通过喷涂与粘贴的方式固定于待加工材料表面。

约束层材料可选择K9玻璃或去离子水幕。去离子水幕通过去离子水在材料表面以固定速度流动的方式施加。

2.2.激光冲击加工处理；

该步骤要求已完成具有“反高斯”光强分布的激光光束的调整和均匀厚度吸收层与约束层在材料表面的涂敷。

按照设定的激光光束以及涂敷涂层，对材料表面进行激光冲击处理。

激光冲击处理过程中，不同激光束的搭接率根据实际加工需要进行设定，一般根据待加工材料的强度，取搭接率数值为30％～70％。

该步骤完成后，材料表面获得均匀分布的残余应力，每个单光斑处理区域均不会出现较严重的“残余应力洞”现象。最终获得的材料表面塑性变形以及残余应力均会均匀分布。

3.制备具有厚度“高斯”分布状态的单光斑吸收层。

需要指出的是，该步骤“高斯”分布泛指“中心高，四周低”状态的分布形式。

3.1.涂覆均匀厚度吸收层；

单个光斑区域涂覆的吸收层一般具有相同的厚度。

3.2.制备形状“反高斯”形式的压印模具；

压印模具的表面需具有光滑状态，且其接触吸收层的表面为凹面，即压印模具的形状呈现“中间低，四周高”的状态。

3.3.利用“反高斯”形式模具按压均匀厚度吸收层，获得具有厚度“高斯”分布状态的单光斑吸收层。

该步骤要求使用压印模具来制备具有厚度“高斯”分布状态的单光斑吸收层，在“反高斯”形状模具的作用下，材料表面的均匀厚度吸收层被按压成“高斯”形状。

需要指出的是，从材料表面涂覆完均匀厚度吸收层到压印模具按压处理的时间间隔不宜过长，应控制在1分钟以内，以避免黑漆吸收层发生固化而对后续“高斯”厚度的成形产生不利影响。

需要指出的是，该步骤制备厚度“高斯”分布的吸收层的目的是通过改变不同位置吸收层的厚度来调节不同的激光冲击波衰减程度，最终实现单光斑辐照的不同区域获得不同的激光冲击压力。

为了便于成型单光斑辐照区域吸收层厚度的“高斯”分布，该步骤要求吸收层材料为黑漆。

另外，在压印模具按压黑漆吸收层之前，须在压印目标凹面内涂敷润滑剂，以使得黑漆吸收层的成型更易实现，避免模具表面与黑漆吸收层的粘连。

还需要指出的是，为了最终实现单光斑辐照区域的不同区域获得不同的激光冲击压力，也可以通过改变单光斑辐照区域不同位置的约束层的厚度来调节不同的激光冲击波衰减程度。约束层可以选择K9玻璃或去离子水幕。当约束层材料选择K9玻璃时，要求制备具有厚度“高斯”分布的约束层，并将其涂敷于待加工材料表面；当约束层材料选择去离子水幕时，要求制备具有厚度“高斯”分布的透明容器，将去离子水注入透明容器后再涂敷于待加工材料表面。

4.涂覆具有厚度“高斯”分布状态吸收层于待加工材料表面。

该步骤要求将第3步制备的单光斑吸收层均匀分布于靶材的待加工区域。

需要指出的是，为更加便于操作，可一次性制备具有连续多个厚度“高斯”分布的单光斑辐照面积的累积压印模具。当在材料表面涂覆完成均匀厚度的黑漆吸收层后，在较短时间内用累积压印模具按压黑漆吸收层，最后在待加工材料表面的较大区域内制备完成具有厚度“高斯”分布的黑漆吸收层。

5.在第4步后，采用具有平顶分布光强的激光束对待加工材料表面进行冲击处理。

该步骤要求对靶材表面至少进行两次冲击处理，以使得材料表面的光斑搭接率为50％。

在第一次冲击处理过程中，材料表面的单光斑辐照区域吸收层呈紧挨而不搭接的排布方式，利用具有平顶分布光强的激光束对待加工材料进行冲击处理；在第二次冲击过程中，材料表面的单光斑辐照区域吸收层仍呈紧挨而不搭接的排布方式，但每个单光斑辐照区域的位置需在材料表面沿横向和纵向移动单光斑辐照圆形区域的半径距离，使其恰好搭接在第一次冲击处理时相邻光斑的边界位置。

在对材料表面进行两次激光冲击处理之后，材料表面便接受具有单光斑冲击波强度“高斯”分布的脉冲激光进行的搭接率为50％的脉冲激光表面强化处理。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

(1)以对金属材料表面区域进行均匀激光表面强化处理为例，实际激光加工系统的脉冲激光装置具有可控激光光强分布的功能。

1.制备具有“反高斯”状态的光强分布方式的激光光束。

该步骤中，改进现有具有平顶分布或高斯分布激光光束的激光发射器装备，通过编程设定单激光束不同位置的电压而获得具有“中心低，四周高”状态分高斯分布方式激光光强的激光光束。如图2所示，经调整以后的单个激光束的光强分布呈“反高斯”状态分布，即激光束的中心位置的激光光强较四周位置低。

将图2中激光光束作用于材料表面时，激光冲击波压力大小也同样遵循“反高斯”分布规律。

2.待加工材料表面涂覆吸收层与约束层，并进行激光冲击加工处理。

2.1.涂覆吸收层与约束层；

在待加工材料表面涂敷均匀厚度的吸收层或约束层材料。

吸收层材料选择黑胶带，通过粘贴的方式固定于待加工材料表面。

约束层材料选择去离子水幕，通过去离子水在材料表面以固定速度流动的方式施加。

2.2.激光冲击加工处理；

该步骤要求已完成具有“反高斯”光强分布的激光光束的调整和均匀厚度吸收层与约束层在材料表面的涂敷。

按照设定的激光光束以及涂敷涂层，对材料表面进行激光冲击处理。

激光冲击处理过程中，不同激光束的搭接率根据实际加工需要进行设定，一般根据待加工材料的强度，取搭接率30％～70％。

该步骤完成后，材料表面获得均匀分布的残余应力，每个单光斑处理区域均不会出现较严重的“残余应力洞”现象。最终获得的材料表面塑性变形以及残余应力均会均匀分布。

(2)以对金属材料表面区域进行均匀激光表面强化处理为例，实际激光加工系统的脉冲激光装置不具备可控激光光强分布的功能。

1.制备具有厚度“高斯”分布状态的单光斑吸收层。

1.1.涂覆均匀厚度吸收层；

该步骤要求吸收层材料为黑漆。另外，在压印模具按压黑漆吸收层之前，须在压印目标凹面内涂敷润滑剂，以使得黑漆吸收层的成型更易实现，避免模具表面与黑漆吸收层的粘连。单个光斑区域涂敷的吸收层一般具有相同的厚度。

122.制备形状“反高斯”形式的压印模具；

压印模具的表面需具有光滑状态，且其接触吸收层的表面为凹面，即压印模具的形状呈现“中间低，四周高”的状态。如图2所示，当脉冲激光光束在材料表面的圆形辐照区域面积大小确定后，制备在剖面的形状上具有“反高斯”形式的压印模具。

1.3.利用“反高斯”形式模具按压均匀厚度吸收层，获得具有厚度“高斯”分布状态的单光斑吸收层。

该步骤要求使用压印模具来制备具有厚度“高斯”分布状态的单光斑吸收层，在“反高斯”形状模具的作用下，材料表面的均匀厚度吸收层被按压成“高斯”形状。

如图3所示，在形状“反高斯”形式的压印模具的挤压作用下，材料表面涂敷的黑漆吸收层最终具备厚度“高斯”分布的状态。

经具有形状“反高斯”形式的压印模具按压后形成材料表面厚度“高斯”分布吸收层涂层。

2.涂覆具有厚度“高斯”分布状态吸收层于待加工材料表面。

如图4所示，为便于操作，一次性制备具有连续多个厚度“高斯”分布的单光斑辐照面积的累积压印模具。当在材料表面涂敷完成均匀厚度的黑漆吸收层后，在较短时间内用所述累积压印模具按压黑漆吸收层，最后在待加工材料表面的较大区域内制备完成具有厚度“高斯”分布的黑漆吸收层。

具体操作过程如图5所示，首先在待加工材料表面5涂敷均匀厚度的黑漆吸收层6，随后在40秒内将累积挤压模具覆盖在黑漆吸收层之上并进行按压处理，最终待加工材料表面的黑漆吸收层被按压成规则排列的厚度“高斯”分布吸收层阵列8。

3.采用具有平顶分布光强的激光束对待加工材料表面进行冲击处理。

该步骤要求对靶材表面至少进行两次冲击处理，以使得材料表面的光斑搭接率为50％。

在第一次冲击处理过程中，材料表面的单光斑辐照区域吸收层呈紧挨而不搭接的排布方式，利用具有平顶分布光强的激光束对待加工材料进行冲击处理；在第二次冲击过程中，材料表面的单光斑辐照区域吸收层仍呈紧挨而不搭接的排布方式，但每个单光斑辐照区域的位置需在材料表面沿横向和纵向移动单光斑辐照圆形区域的半径距离，使其恰好搭接在第一次冲击处理时相邻光斑的边界位置。

在对材料表面进行所述的两次激光冲击处理之后，材料表面便接受具有单光斑冲击波强度“高斯”分布的脉冲激光进行的搭接率为50％的脉冲激光表面强化处理。

如图6所示，在第一次激光冲击处理后，第二次激光冲击处理所采用的激光光束需相对第一次激光光束的位置进行激光光束半径距离的移动，以使得待加工材料表面的激光冲击光斑搭接率达到50％。图7示出了搭接率为50％的两次激光冲击处理的具体光斑搭接方式。

该步骤完成后，材料表面获得均匀分布的残余应力，每个单光斑处理区域均不会出现较严重的“残余应力洞”现象。最终获得的材料表面塑性变形以及残余应力均会均匀分布。

(3)以对金属材料表面区域进行均匀激光表面强化处理为例，实际激光加工系统的脉冲激光装置不具备可控激光光强分布的功能。

1.制备具有厚度“高斯”分布状态的单光斑约束层。

约束层可以选择K9玻璃。借助于“高斯”形状的模具，将熔融玻璃加工成为厚度“高斯”分布的几何形状。

2.待加工材料表面涂敷均匀厚度的黑漆吸收层以及具有“高斯”几何形状的K9玻璃约束层。

借助于单光斑辐照区域“高斯”形状模具的循环累加，制备“高斯”几何形状阵列的K9玻璃约束层。在材料表面待处理区域涂敷均匀黑漆吸收层后，将所述具备特定形状的K9玻璃约束层施加于材料表面。

3.采用具有平顶分布光强的激光束对待加工材料表面进行冲击处理。

该步骤完成后，材料表面获得均匀分布的残余应力，每个单光斑处理区域均不会出现较严重的“残余应力洞”现象。最终获得的材料表面塑性变形以及残余应力均会均匀分布。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法，其特征是，包括以下步骤：

制备具有反高斯状态光强分布方式的激光光束；

待加工材料表面涂覆吸收层或约束层；

采用反高斯状态光强分布方式的激光光束对待加工材料表面进行激光冲击加工处理，处理时待加工材料表面单光斑辐照的不同区域获得不同的激光冲击压力。

2.如权利要求1所述的激光表面强化方法，其特征是，所述吸收层材料为黑漆或黑胶带，采用喷涂或粘贴的方式固定于待加工材料表面。

3.如权利要求1所述的激光表面强化方法，其特征是，所述约束层材料为玻璃或去离子水幕。

4.如权利要求1所述的激光表面强化方法，其特征是，激光冲击加工处理时，激光光束搭接率为30％～70％。

5.一种具有反高斯分布冲击波强度的激光表面强化方法，其特征是，包括以下步骤：

制备具有高斯分布状态厚度的单光斑吸收层/单光斑约束层；

将单光斑吸收层涂覆于待加工材料表面；或者，将均匀厚度吸收层以及单光斑约束层涂覆于待加工材料表面；

采用具有平顶分布光强的激光光束对待加工材料表面进行激光冲击加工处理，处理时待加工材料表面单光斑辐照的不同区域获得不同的激光冲击压力。

6.如权利要求5所述的激光表面强化方法，其特征是，单光斑吸收层的制备步骤为：

涂覆均匀厚度的吸收层；

制备反高斯形式的压印模具；

将压印模具按压吸收层，进而得到具有高斯分布状态厚度的单光斑吸收层。

7.如权利要求5所述的激光表面强化方法，其特征是，采用单光斑吸收层时，对待加工材料表面至少进行两次冲击处理。

8.如权利要求7所述的激光表面强化方法，其特征是，冲击处理时，待加工材料表面的单光斑吸收层呈紧挨而不搭接的排布方式；第一次冲击处理中，利用具有平顶分布光强的激光光束对待加工材料进行冲击处理；在第二次冲击处理中，每个单光斑辐照区域的位置在待加工材料表面沿横向和纵向移动单光斑辐照圆形区域的半径距离。

9.如权利要求5所述的激光表面强化方法，其特征是，单光斑约束层的制备过程为：

制备高斯形状的模具；利用模具将约束层加工成为高斯分布厚度的几何形状。

10.如权利要求5所述的激光表面强化方法，其特征是，所述单光斑吸收层材料为黑漆；所述单光斑约束层材料为玻璃或去离子水幕。

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