CN112941300A - 一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳秒‑飞秒激光复合冲击强化系统，包括纳秒激光器、纳秒激光矫正透镜组、纳秒激光电动快门开关、纳秒激光反射镜、反射镜、物镜、水约束层系统、三维移动平台、飞秒激光器、飞秒激光矫正透镜组、飞秒激光电动快门开关、飞秒激光反射镜和控制系统；控制系统用于控制纳秒激光器、纳秒激光电动快门开关、三维移动平台、飞秒激光器及飞秒激光电动快门开关，水约束层系统固定放置于三维移动平台上且用于放置零件。本发明还涉及一种纳秒‑飞秒激光复合冲击强化方法。该纳秒‑飞秒激光复合冲击强化系统及方法的目的是解决激光冲击强化零件的最终表面质量较差的问题。

Description

一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统及方法

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，具体涉及一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统及方法。

背景技术

激光冲击强化作为一种新型表面改性技术，在航空重大装备关重结构部件上有着广泛的应用。该技术基本原理是：利用短脉冲、高峰值功率密度的激光轰击材料表面形成高温、高压等离子体，进而在其诱导产生GPa级瞬时高压冲击波的力学效应下，材料表层发生塑性变形，引起晶格畸变、位错、晶粒细化等微观结构变化和宏观残余压应力，实现零件表面强化，大幅提高金属材料的耐磨损、抗腐蚀和抗疲劳等性能。

激光冲击强化工艺应用通常自上而下采用约束层、吸收层、零件的物理结构，吸收层一方面起到了吸收激光能量作用，另一方面保护了强化过程中零件不被灼伤。但完好吸收层冲击后工件表面塑性变形会产生凹凸不平，影响其表面完整性；而吸收层的破损则会在试样表面产生烧蚀，导致表面局部氧化。在其随后的服役过程中，表面的微观局部凹凸不平可能产生应力集中，表面烧蚀氧化则可能产生微裂纹，最终均会对零件的疲劳寿命以及服役性能产生不利影响。

因此，发明人提供了一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统及方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统及方法，通过采用纳秒激光在覆盖有约束层和吸收层的材料表面诱导高压冲击波，使材料内部形成大深度残余应力层，晶粒细化和塑性变形，然后使用飞秒激光直接辐射该表面，利用其超快去除效应，整平纳秒冲击后的表面并实现表面烧蚀的去除，解决了激光冲击强化零件的最终表面质量较差的技术问题。

(2)技术方案

本发明的实施例的第一方面提供了一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统，包括纳秒激光器、纳秒激光矫正透镜组、纳秒激光电动快门开关、纳秒激光反射镜、反射镜、物镜、水约束层系统、三维移动平台、飞秒激光器、飞秒激光矫正透镜组、飞秒激光电动快门开关、飞秒激光反射镜和控制系统；

所述控制系统用于控制所述纳秒激光器、所述纳秒激光电动快门开关、所述三维移动平台、所述飞秒激光器及所述飞秒激光电动快门开关，所述水约束层系统固定放置于所述三维移动平台上且用于放置零件；其中，

所述纳秒激光器用于将发出的纳秒激光经所述纳秒激光矫正透镜组矫正后通过所述纳秒激光电动快门开关后，由所述反射镜改变光路方向，并由所述反射镜改变光路方向进入所述物镜，所述物镜将纳秒激光聚焦至所述零件的表面；

所述飞秒激光器用于将发出的飞秒激光经所述飞秒激光矫正透镜组矫正后通过所述飞秒激光电动快门开关后，由所述飞秒激光反射镜改变光路方向，并由所述反射镜改变光路方向进入所述物镜，所述物镜将飞秒激光聚焦至所述零件的表面。

进一步地，所述纳秒激光电动快门开关水平放置且与所述纳秒激光器用于将发出的纳秒激光相互垂直，所述纳秒激光反射镜与水平方向的夹角为45°。

进一步地，所述飞秒激光电动快门开关水平放置且与所述飞秒激光器用于将发出的飞秒激光相互垂直，所述飞秒激光反射镜与水平方向的夹角为45°。

本发明的实施例的第二方面提供了一种上述的纳秒-飞秒激光复合冲击强化方法，该方法包括以下步骤：

对待纳秒激光冲击的零件的表面进行清理；

在待冲击区域覆盖吸收层，并设置约束层；

根据所述待冲击区域设置第一激光冲击路径，采用纳米激光冲击强化；

去除所述吸收层，并清洗冲击区域，随后干燥；

在纳秒激光已冲击强化区域设置第二激光冲击路径，采用飞秒激光快速扫描所述冲击区域直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整；

清洗所述冲击区域并干燥。

进一步地，所述对待纳秒激光冲击的零件的表面进行清理，具体为：

清洗零件的待冲击强化区域，去除所述零件的表面杂质，然后进行干燥处理。

进一步地，所述在待冲击区域覆盖吸收层，并设置约束层，具体为：

纳秒激光冲击强化可使用铝箔或高分子黑胶带作为吸收层，去离子水作为约束层，保证约束层的厚度为1-2mm，激光冲击强化前将所述吸收层贴设于零件表面。

进一步地，所述根据所述待冲击区域设置第一激光冲击路径，采用纳米激光冲击强化，具体为：

纳秒激光冲击采用单次或多次冲击，可根据零件性能需求设置激光功率、搭接率、激光重复频率和扫描速度。

进一步地，所述在纳秒激光已冲击强化区域设置第二激光冲击路径，采用飞秒激光快速扫描所述冲击区域直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整，具体为：

在没有约束层和吸收层的情况下，采用飞秒激光快速扫描冲击区域，根据纳秒激光冲击表面质量和零件性能需求设置激光功率、搭接率、激光重复频率和扫描速度，直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整。

(3)有益效果

综上，本发明通过首先采用纳秒激光在覆盖有约束层和吸收层的材料表面诱导高压冲击波，使材料内部形成大深度残余应力层，晶粒细化和塑性变形，然后使用飞秒激光直接辐射该表面，利用其超快去除效应，整平纳秒冲击后的表面并实现表面烧蚀的去除。该方法综合了纳秒激光冲击强化大深度残余应力制造效应与飞秒激光超快去除的技术优势，从而有效解决激光冲击强化零件的最终表面质量控制问题。此外通过本发明的复合强化工艺亦可实现零件的二次强化，进一步提高零件表面的残余应力幅值，提高激光冲击强化零件的服役可靠性，实现兼具激光强化深度和零件最终表面质量的先进制造。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化方法中的纳秒激光冲击与飞秒激光冲击光斑示意图；

图4是本发明实施例提供的一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化方法中的激光扫描轨迹示意图；

图5是本发明实施例提供的一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化方法中的母材、纳秒强化与纳秒+飞秒强化后深度方向的硬度分布图。

图中：

1-纳秒激光器；2-纳秒激光矫正透镜组；3-纳秒激光电动快门开关；4-纳秒激光反射镜；5-反射镜；6-物镜；7-水约束层系统；8-三维移动平台；9-飞秒激光器；10-飞秒激光矫正透镜组；11-飞秒激光电动快门开关；12-飞秒激光反射镜；13-控制系统；100-零件；201-纳秒激光冲击强化过程；202-飞秒激光冲击强化过程；203-纳秒激光光斑；204-飞秒激光光斑，205-纳秒激光扫描方向；206-飞秒激光扫描方向；301-纳秒激光扫描轨迹；302-纳秒激光光斑；303-飞秒激光光斑；304-飞秒激光扫描轨迹；305-待强化区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本发明实施例提供的一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统的结构示意图，本发明的实施例的第一方面提供了一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统，包括纳秒激光器1、纳秒激光矫正透镜组2、纳秒激光电动快门开关3、纳秒激光反射镜4、反射镜5、物镜6、水约束层系统7、三维移动平台8、飞秒激光器9、飞秒激光矫正透镜组10、飞秒激光电动快门开关11、飞秒激光反射镜12和控制系统13；

控制系统13用于控制纳秒激光器1、纳秒激光电动快门开关3、三维移动平台8、飞秒激光器9及飞秒激光电动快门开关11，水约束层系统7固定放置于三维移动平台8上且用于放置零件100；其中，

纳秒激光器1用于将发出的纳秒激光经纳秒激光矫正透镜组2矫正后通过纳秒激光电动快门开关3后，由纳秒激光反射镜4改变光路方向，并由反射镜5改变光路方向进入物镜6，物镜6将纳秒激光聚焦至零件100的表面；

飞秒激光器9用于将发出的飞秒激光经飞秒激光矫正透镜组10矫正后通过飞秒激光电动快门开关11后，由飞秒激光反射镜12改变光路方向，并由反射镜5改变光路方向进入物镜6，物镜6将飞秒激光聚焦至零件100的表面。

在上述实施方式中，纳秒激光器1、纳秒激光电动快门开关3、飞秒级激光器9、三维移动平台8、飞秒激光电动快门开关11均被控制系统13控制；纳秒激光矫正透镜组2可矫正纳秒激光，飞秒激光矫正透镜组10可矫正飞秒激光，使激光方向和矫正透镜组光轴方向重合；纳秒激光反射镜4、反射镜5、飞秒激光反射镜12可改变光路方向90°；物镜6可将激光聚焦至工作表面，纳秒激光电动快门开关3可控制纳秒激光通断，飞秒激光电动快门开关11可控制飞秒激光通断，纳秒激光电动快门开关3和飞秒激光电动快门开关11在加工前保持关闭状态；三维移动平台8可带动零件100移动，配合纳秒激光器1和飞秒级激光器9实现零件面域冲击强化。

该纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统的操作过程是：依次打开纳秒激光器1和纳秒激光电动快门开关3，纳秒激光器1发出的纳秒激光经纳秒激光矫正透镜组2矫正，其光路与纳秒激光矫正透镜组2光轴重合，纳秒激光经过纳秒激光电动快门开关3后，由纳秒激光反射镜4改变光路方向90°，并由反射镜5改变光路方向90°进入物镜6，并由物镜6将纳秒激光聚焦至处理后的零件100表面，使用控制系统13控制三维移动平台8运动对零件100进行纳秒激光冲击强化，完成纳秒冲击试验后，关闭纳秒激光器1和纳秒激光电动快门开关3，处理纳秒激光冲击后的零件100，调节反射镜5至图2虚线位置，依次打开飞秒级激光器9和飞秒激光电动快门开关11，飞秒级激光器9发出的飞秒激光经飞秒激光矫正透镜组10矫正，其光路与飞秒激光矫正透镜组10的光轴重合，飞秒激光经过飞秒激光电动快门开关11后，由飞秒激光反射镜12改变光路方向90°，并由反射镜5改变光路方向90°进入物镜6，并由物镜6将飞秒激光聚焦至处理后的零件100表面，使用控制系统13控制三维移动平台8运动对零件100进行飞秒激光冲击强化。

在一些可选的实施例中，纳秒激光电动快门开关3水平放置且与纳秒激光器1用于将发出的纳秒激光相互垂直，纳秒激光反射镜4与水平方向的夹角为45°。

在一些可选的实施例中，飞秒激光电动快门开关11水平放置且与飞秒激光器9用于将发出的纳秒激光相互垂直，纳秒激光反射镜12与水平方向的夹角为45°。

图2是本发明实施例提供的一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

S1、对待纳秒激光冲击的零件的表面进行清理；

S2、在待冲击区域覆盖吸收层，并设置约束层；

S3、根据待冲击区域设置第一激光冲击路径，采用纳米激光冲击强化；

S4、去除吸收层，并清洗冲击区域，随后干燥；

S5、在纳秒激光已冲击强化区域设置第二激光冲击路径，采用飞秒激光快速扫描冲击区域直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整；

S6、清洗冲击区域并干燥。

在上述实施方式中，首先采用纳秒激光在覆盖有约束层和吸收层的材料表面诱导高压冲击波，使材料内部形成大深度残余应力层，晶粒细化和塑性变形，然后使用飞秒激光直接辐射该表面，利用其超快去除效应，整平纳秒冲击后的表面并实现表面烧蚀的去除。该方法综合了纳秒激光冲击强化大深度残余应力制造效应与飞秒激光超快去除的技术优势，实现兼具激光强化深度和零件最终表面质量的先进制造。采用纳秒激光进行激光冲击，可在零件表面实现大深度微观结构变化，并引入高幅值残余应力；采用飞秒激光进行激光冲击，可整平纳秒激光冲击强化导致的表面微凹坑，同时去除表面局部烧蚀或氧化，提高强化区域的表面完整性，并对表层材料进一步强化。

具体地，在步骤S4中，去除吸收层，并采用酒精或者丙酮进行冲击区域清洗，并随后干燥。

在步骤S6中，采用酒精或者丙酮进行冲击区域清洗，并随后干燥零件。

在一些可选的实施例中，在步骤S1中，对待纳秒激光冲击的零件的表面进行清理，具体为：

清洗零件的待冲击强化区域，去除零件的表面杂质，然后进行干燥处理。可选用酒精或丙酮对冲击区域进行清洗。

在一些可选的实施例中，在步骤S2中，在待冲击区域覆盖吸收层，并设置约束层，具体为：

纳秒激光冲击强化可使用铝箔或高分子黑胶带作为吸收层，去离子水作为约束层，保证约束层的厚度为1-2mm，激光冲击强化前将吸收层贴设于零件表面。

在一些可选的实施例中，在步骤S3中，根据待冲击区域设置第一激光冲击路径，采用纳米激光冲击强化，具体为：

纳秒激光冲击采用单次或多次冲击，可根据零件性能需求设置激光功率、搭接率、激光重复频率和扫描速度。

在一些可选的实施例中，在步骤S5中，在纳秒激光已冲击强化区域设置第二激光冲击路径，采用飞秒激光快速扫描冲击区域直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整，具体为：

在没有约束层和吸收层的情况下，采用飞秒激光快速扫描冲击区域，根据纳秒激光冲击表面质量和零件性能需求设置激光功率、搭接率、激光重复频率和扫描速度，直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整。

实验中待强化零件选用厚度为5.0mm的材料为7050-T7451铝合金。如图3所示，先对其进行纳秒激光冲击强化，然后进行飞秒激光强化。如图4所示，待强化区域305为25mm×20mm，激光冲击路径呈“弓”字型往复。使用厚度约为100μm的铝箔作为吸收层，在激光冲击强化前将铝箔紧密贴在试样表面，以防止约束层的去离子水进入试样和铝箔之间，影响冲击效果。

实验过程中采用的纳秒激光器1的参数如下：波长为1064nm，脉冲宽度为15ns，重复频率为1Hz，光斑直径为4mm；实验过程中采用的飞秒激光器10参数如下：激光波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz，光斑直径为25μm。

实施例1

开展单次纳秒激光与单次飞秒激光复合冲击强化实验，测量冲击后的残余应力和硬度，具体加工步骤如下：

(1)清洗零件100的待冲击强化区域，去除零件表面杂质，然后进行干燥处理；

(2)将厚度约为100μm的铝箔作为吸收层紧密贴在步骤(1)获得的已清洗和干燥的零件100上，并固定在三维移动平台8上，置于水约束系统7中，保证去离子水约束层厚度为1-2mm；

(3)依次打开纳秒激光器1和纳秒激光电动快门开关3，纳秒激光器1发出的纳秒激光经纳秒激光矫正透镜组2矫正，其光路与纳秒激光矫正透镜组2光轴重合，纳秒激光经过纳秒激光电动快门开关3后，由纳秒激光反射镜4改变光路方向90°，并由反射镜5改变光路方向90°进入物镜6，并由物镜6将纳秒激光聚焦至处理后的零件100表面，设置激光能量为20J，采用单次冲击，确定激光冲击速度以保证50％搭接率，使用控制系统13控制三维移动平台8运动，沿图4中的纳秒激光扫描轨迹301所示的“弓”字型往复冲击路径对零件100进行纳秒激光冲击强化，其中，飞秒激光将继续沿着飞秒激光扫描轨迹304进行冲击强化，直至完全覆盖待强化区域305；

(4)去除吸收层，清洗和干燥零件；

(5)关闭纳秒激光器1和纳秒激光电动快门开关3，调节反射镜5至图1所示虚线位置，依次打开飞秒级激光器9和飞秒激光电动快门开关11，飞秒级激光器9发出的飞秒激光经飞秒激光矫正透镜组10矫正，其光路与飞秒激光矫正透镜组10的光轴重合，飞秒激光经过飞秒激光电动快门开关11后，由飞秒激光反射镜12改变光路方向90°，并由反射镜5改变光路方向90°进入物镜6，并由物镜6将飞秒激光聚焦至处理后的零件100表面，使用控制系统13控制三维移动平台8运动，使激光聚焦在零件100的待冲击强化区域上，设置激光能量为75μJ，采用单次冲击，确定激光冲击速度以保证84％搭接率，并沿图4中的飞秒激光扫描轨迹304所示的“弓”字型往复冲击路径对纳秒激光已冲击强化区域进行飞秒激光冲击强化；

(6)清洗和干燥零件。

完成冲击后观察发现零件表面无重铸层与微裂纹，对强化零件进行测量，发现经纳秒激光冲击起残余应力数值为-136.7MPa±32.3MPa，纳秒+飞秒复合冲击后期残余应力数值为-318.0MPa±25.7MPa，纳秒冲击与纳秒+飞秒复合冲击后其显微硬度均得到明显提高，表面硬度大于180HV，影响层深度大于1mm，如图5所示，横坐标代表深度值，单位为mm，纵坐标代表硬度值，单位为HV，曲线A代表母材的深度方向硬度分佈，曲线B代表纳秒强化后深度方向的硬度分布，曲线C代表纳秒+飞秒强化后深度方向的硬度分布。

由实施例可见，通过纳秒-飞秒激光复合冲击强化方法，实现兼具大强化深度和高表面质量的冲击强化效果。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统，其特征在于，包括纳秒激光器(1)、纳秒激光矫正透镜组(2)、纳秒激光电动快门开关(3)、纳秒激光反射镜(4)、反射镜(5)、物镜(6)、水约束层系统(7)、三维移动平台(8)、飞秒激光器(9)、飞秒激光矫正透镜组(10)、飞秒激光电动快门开关(11)、飞秒激光反射镜(12)和控制系统(13)；

所述控制系统(13)用于控制所述纳秒激光器(1)、所述纳秒激光电动快门开关(3)、所述三维移动平台(8)、所述飞秒激光器(9)及所述飞秒激光电动快门开关(11)，所述水约束层系统(7)固定放置于所述三维移动平台(8)上且用于放置零件(100)；其中，

所述纳秒激光器(1)用于将发出的纳秒激光经所述纳秒激光矫正透镜组(2)矫正后通过所述纳秒激光电动快门开关(3)后，由所述纳秒激光反射镜(4)改变光路方向，并由所述反射镜(5)改变光路方向进入所述物镜(6)，所述物镜(6)将纳秒激光聚焦至所述零件(100)的表面；

所述飞秒激光器(9)用于将发出的飞秒激光经所述飞秒激光矫正透镜组(10)矫正后通过所述飞秒激光电动快门开关(11)后，由所述飞秒激光反射镜(12)改变光路方向，并由所述反射镜(5)改变光路方向进入所述物镜(6)，所述物镜(6)将飞秒激光聚焦至所述零件(100)的表面。

2.根据权利要求1所述的纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统，其特征在于，所述纳秒激光电动快门开关(3)水平放置且与所述纳秒激光器(1)用于将发出的纳秒激光相互垂直，所述纳秒激光反射镜(4)与水平方向的夹角为45°。

3.根据权利要求1或2所述的纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统，其特征在于，所述飞秒激光电动快门开关(11)水平放置且与所述飞秒激光器(9)用于将发出的纳秒激光相互垂直，所述纳秒激光反射镜(12)与水平方向的夹角为45°。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

对待纳秒激光冲击的零件的表面进行清理；

在待冲击区域覆盖吸收层，并设置约束层；

根据所述待冲击区域设置第一激光冲击路径，采用纳米激光冲击强化；

去除所述吸收层，并清洗冲击区域，随后干燥；

在纳秒激光已冲击强化区域设置第二激光冲击路径，采用飞秒激光快速扫描所述冲击区域直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整；

清洗所述冲击区域并干燥。

5.根据权利要求4所述的纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统的操作方法，其特征在于，所述对待纳秒激光冲击的零件的表面进行清理，具体为：

清洗零件的待冲击强化区域，去除所述零件的表面杂质，然后进行干燥处理。

6.根据权利要求4所述的纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统的操作方法，其特征在于，所述在待冲击区域覆盖吸收层，并设置约束层，具体为：

纳秒激光冲击强化可使用铝箔或高分子黑胶带作为吸收层，去离子水作为约束层，保证约束层的厚度为1-2mm，激光冲击强化前将所述吸收层贴设于零件表面。

7.根据权利要求4所述的纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统的操作方法，其特征在于，所述根据所述待冲击区域设置第一激光冲击路径，采用纳米激光冲击强化，具体为：

纳秒激光冲击采用单次或多次冲击，可根据零件性能需求设置激光功率、搭接率、激光重复频率和扫描速度。

8.根据权利要求4所述的纳秒-飞秒激光复合冲击强化系统的操作方法，其特征在于，所述在纳秒激光已冲击强化区域设置第二激光冲击路径，采用飞秒激光快速扫描所述冲击区域直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整，具体为：

在没有约束层和吸收层的情况下，采用飞秒激光快速扫描冲击区域，根据纳秒激光冲击表面质量和零件性能需求设置激光功率、搭接率、激光重复频率和扫描速度，直至表面烧蚀去除干净及试样表面平整。

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