CN112981089B - 一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法及装置 - Google Patents

一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于表面改性技术领域，公开了一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法及装置。方法包括在工件的待强化区域铺设保护层，在保护层上涂覆吸收层，通过在吸收层的表面喷水形成约束层，使用蓝光半导体激光器对待强化区域进行激光加热作业，使用脉冲激光器对待强化区域进行激光冲击强化作业。装置包括控制箱、数据传输线、激光头、水管、喷水头。本发明能够增加金属或金属复合材料的强度和延展性，能够增强材料疲劳性能和断裂韧性，能够有效降低冲击强化的成本，提供的装置便于携带，能够实现对大型结构件的冲击强化。

Description

一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法及装置
技术领域
本发明属于表面改性技术领域，更具体地，涉及一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法及装置。
背景技术
为提高工件的使用性能和服役寿命，常常需要对加工表面进行后续的强化处理。在室温下进行激光冲击强化后的试件，其残余压应力和硬化层会在机械载荷或者热加工下松弛，不能保证其有较好的机械性能。此外，对于大型结构件，由于其安装位置固定，在连接处或者机械加工的地方，往往需要对其机械性能进行强化，但是普通激光装置体积较大，不便于携带。而现有技术采用的加热激光其功率较大，往往是固定在工作台上对工件进行加热，进而进行冲击强化处理，因此现有技术采用的装置不便于对大型结构件进行冲击强化。
现有的针对大型结构件的强化方法，比如表面机械摩擦处理和表面机械研磨处理等能够显著提高工件强度，但是，这些方法通常在提高强度的同时造成了材料延展性的显著降低，不利于材料的工程应用。而采用激光对大型结构件进行冲击强化，由于受到工作环境的限制，因此不能就地进行冲击强化。此外，现有技术提出的装置及方法在同时提高材料硬度和延展性的应用中存在较大缺陷，对于大型结构件而言，工件位置固定，大功率加热激光设备难以移动，往往无法对工件进行加热，进而无法对工件进行冲击强化处理。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法及装置。
本发明提供一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法，包括以下步骤：
步骤1、在工件的待强化区域铺设保护层，在所述保护层上涂覆吸收层；
步骤2、通过在所述吸收层的表面喷水形成约束层；
步骤3、使用加热激光器对所述待强化区域进行激光加热作业；所述加热激光器采用蓝光半导体激光器；
步骤4、使用脉冲激光器对所述待强化区域进行激光冲击强化作业。
优选的，所述工件为大型结构件；所述方法还包括：
步骤5、移动激光头，重复步骤1至步骤4，对大型结构件的不同待强化区域进行激光冲击强化；所述激光头包括所述加热激光器和所述脉冲激光器。
优选的，所述步骤1中，所述吸收层为石墨或黑漆，所述吸收层的厚度小于20μm。
优选的，所述步骤2中，所述喷水的频率为1～20Hz。
优选的，所述步骤3中，所述加热激光器由若干个所述蓝光半导体激光器组成，若干个所述蓝光半导体激光器围绕待强化区域组成环状分布的激光加热组。
优选的，所述蓝光半导体激光器的工艺参数为：激光波长为400～450nm，工作电压直流为7～24V，光斑直径小于1mm；所述激光加热作业的温度控制在20～400℃。
优选的，所述脉冲激光器的工艺参数为：激光波长为1064nm，脉冲宽度小于1μs，脉冲频率小于10Hz，脉冲能量大于100mJ，光斑直径为100-10000μm；作业时，所述脉冲激光器的光斑直径大于所述蓝光半导体激光器的光斑直径。
优选的，所述步骤4中，使用脉冲激光器对所述待强化区域进行激光冲击强化作业之前，还包括：对所述待强化区域的中心进行定位。
优选的，所述脉冲激光器设置在所述激光头的中心位置处，所述加热激光器由若干个所述蓝光半导体激光器组成，若干个所述蓝光半导体激光器围绕所述脉冲激光器组成环状分布。
本发明提供一种多激光协同辅助的激光冲击强化装置，包括：控制箱、数据传输线、激光头、水管、喷水头；
所述控制箱通过所述数据传输线与所述激光头连接，所述激光头包括加热激光器和脉冲激光器；所述控制箱通过所述水管与所述喷水头连接；
所述多激光协同辅助的激光冲击强化装置用于实现上述的多激光协同辅助的激光冲击强化方法中的步骤。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，首先在工件的待强化区域铺设保护层，在保护层上涂覆吸收层；然后通过在吸收层的表面喷水形成约束层；之后使用加热激光器(蓝光半导体激光器)对待强化区域进行激光加热作业；最后使用脉冲激光器对所述待强化区域进行激光冲击强化作业。即本发明采用加热激光器协同加热工件，可以有效改善工件的力学性能，避免工件在冲击强化过程中出现脆性断裂及冲击裂纹，加热作用后再通过脉冲激光器对工件进行冲击强化作业可以同时增加工件的强度和延展性，并能增强材料疲劳性能和断裂韧性。由于材料对蓝光范围波段的激光吸收好，加热激光器选用蓝光半导体激光器，应用中采用多束低功率的蓝光半导体激光器即可将工件加热到所需要的冲击强化温度，结合喷水形成的约束层，能够有效降低装置成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法的原理示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法中激光空间位置的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法中激光光斑图解；
图4为本发明实施例提供的一种多激光协同辅助的激光冲击强化装置的示意图；
图5为本发明实施例提供的一种多激光协同辅助的激光冲击强化装置中激光头的示意图；
图6为采用本发明实施例提供的一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法、现有技术中的直接激光冲击强化方法对应试样的受力与形变对比图。
其中，101-工件的待强化区域、102-保护层、103-吸收层、104-约束层、105-加热激光器、106-脉冲激光器、107-控制箱、108-数据传输线、109-水管、110-激光头、111-喷水头。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例1：
实施例1提供了一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法，包括以下步骤：
步骤1、在工件的待强化区域铺设保护层，在所述保护层上涂覆吸收层；
步骤2、通过在所述吸收层的表面喷水形成约束层；
步骤3、使用加热激光器对所述待强化区域进行激光加热作业；所述加热激光器采用蓝光半导体激光器；
步骤4、使用脉冲激光器对所述待强化区域进行激光冲击强化作业。
优选的方案中，使用脉冲激光器对所述待强化区域进行激光冲击强化作业之前，还包括：对所述待强化区域的中心进行定位。
所述工件为大型结构件时，所述方法还包括：
步骤5、移动激光头，重复步骤1至步骤4，对大型结构件的不同待强化区域进行激光冲击强化；所述激光头包括所述加热激光器和所述脉冲激光器。
其中，所述吸收层为石墨或黑漆，所述吸收层的厚度小于20μm。
所述喷水的频率为1～20Hz。
所述加热激光器由若干个所述蓝光半导体激光器组成，若干个所述蓝光半导体激光器围绕待强化区域组成环状分布的激光加热组。
所述蓝光半导体激光器的工艺参数为：激光波长为400～450nm，工作电压直流为7～24V，光斑直径小于1mm；所述激光加热作业的温度控制在20～400℃。
所述脉冲激光器的工艺参数为：激光波长为1064nm，脉冲宽度小于1μs，脉冲频率小于10Hz，脉冲能量大于100mJ，光斑直径为100-10000μm；作业时，所述脉冲激光器的光斑直径大于所述蓝光半导体激光器的光斑直径。
所述脉冲激光器设置在所述激光头的中心位置处，所述加热激光器由若干个所述蓝光半导体激光器组成，若干个所述蓝光半导体激光器围绕所述脉冲激光器组成环状分布。
实施例2：
实施例2提供了一种多激光协同辅助的激光冲击强化装置，参见图4，包括：控制箱107、数据传输线108、激光头110、水管109、喷水头111；所述控制箱107通过所述数据传输线108与所述激光头110连接，所述激光头110包括加热激光器和脉冲激光器；所述控制箱107通过所述水管109与所述喷水头111连接。
所述多激光协同辅助的激光冲击强化装置用于实现如实施例1提供的多激光协同辅助的激光冲击强化方法中的步骤。
参见图1至图5，以对汽车车门进行多激光协同的激光冲击强化处理为例进行说明：在工件的待强化区域101(例如7075铝合金)的表面上方放置激光烧蚀保护层102，并涂刷或喷涂吸收层103(例如石墨)；利用喷水头111对工件的待强化区域101喷射水流形成透明的约束层104，并利用加热激光器105进行激光加热作业。对工件的待强化区域101的中心进行定位聚焦，利用脉冲激光106进行激光冲击强化作业，完成此待强化区域的冲击强化处理。然后移动激光头到下一个待强化区域，同样进行冲击强化处理。
其中，参见图5，所述脉冲激光器106设置在所述激光头110的中心位置处，所述加热激光器105由若干个所述蓝光半导体激光器组成，若干个所述蓝光半导体激光器围绕所述脉冲激光器106组成环状分布。每个所述蓝光半导体激光器为低功率激光器。参见图3，所述脉冲激光器106的光斑直径大于所述蓝光半导体激光器的光斑直径，所述脉冲激光器106的光斑区域包含所述加热激光器105的光斑区域。
如图6所示，通过实验对比现有技术中的直接激光冲击强化方法对应试样和采用本发明提供的方法及装置进行激光加热冲击强化对应试样的力学性能，可以看出，本发明对应的试样在相同的形变位移下可以承受更大的拉伸和挤压应力，表明本发明对应的激光加热冲击强化试样的效果更好，能够更好地提升工件的力学性能。
本发明的强化机理是：利用多束低功率的蓝光半导体激光对工件进行加热，吸收层的材料吸收脉冲激光器的能量并迅速汽化电离，形成高温高压等离子体，等离子快速膨胀并受到约束层的限制而产生脉冲冲击波，冲击波压缩工件的待强化区域的表层材料，可有效抑制激光作业过程中冲击裂纹的萌生及扩展，进而实现冲击强化区域的强韧结合，有效提升工件的综合力学性能。冲击强化区域非结晶相到非强化区域结晶相之间呈现梯度过度，达到同时增强材料强度和延展性的效果，进而能增强材料疲劳性能和断裂韧性，有效提升工件的综合力学性能。
本发明提供的方法能够增加金属或金属复合材料的强度和延展性，并能增强材料疲劳性能和断裂韧性。本发明提供的装置结构设计简单、操作便捷、可靠性高、能够实现大型结构件待强化区域的局部精确高效冲击强化，加热激光器由若干个蓝光半导体激光器构成，多束低功率的蓝光半导体激光器能将工件加热到所需要的冲击强化温度的同时降低装置成本。采用低功率密度、小体积的激光，便于携带，可以实现对大型结构件不同部位进行冲击强化，尤其是那些难以接触到的位置，例如曲面，直角边等。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种多激光协同辅助的激光冲击强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在工件的待强化区域铺设保护层，在所述保护层上涂覆吸收层；
步骤2、通过在所述吸收层的表面喷水形成约束层；
步骤3、使用加热激光器对所述待强化区域进行激光加热作业；所述加热激光器采用蓝光半导体激光器；
步骤4、使用脉冲激光器对所述待强化区域进行激光冲击强化作业；
其中，所述加热激光器由若干个所述蓝光半导体激光器组成，若干个所述蓝光半导体激光器围绕所述脉冲激光器组成环状分布；所述蓝光半导体激光器为低功率激光器，激光波长为400～450nm。
2.根据权利要求1所述的多激光协同辅助的激光冲击强化方法，其特征在于，所述工件为大型结构件；所述方法还包括：
步骤5、移动激光头，重复步骤1至步骤4，对大型结构件的不同待强化区域进行激光冲击强化；所述激光头包括所述加热激光器和所述脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的多激光协同辅助的激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤1中，所述吸收层为石墨或黑漆，所述吸收层的厚度小于20μm。
4.根据权利要求1所述的多激光协同辅助的激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤2中，所述喷水的频率为1～20Hz。
5.根据权利要求1所述的多激光协同辅助的激光冲击强化方法，其特征在于，所述蓝光半导体激光器的工艺参数为：工作电压直流为7～24V，光斑直径小于1mm；所述激光加热作业的温度控制在20～400℃。
6.根据权利要求1所述的多激光协同辅助的激光冲击强化方法，其特征在于，所述脉冲激光器的工艺参数为：激光波长为1064nm，脉冲宽度小于1μs，脉冲频率小于10Hz，脉冲能量大于100mJ，光斑直径为100-10000μm；作业时，所述脉冲激光器的光斑直径大于所述蓝光半导体激光器的光斑直径。
7.根据权利要求1所述的多激光协同辅助的激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤4中，使用脉冲激光器对所述待强化区域进行激光冲击强化作业之前，还包括：对所述待强化区域的中心进行定位。
8.一种多激光协同辅助的激光冲击强化装置，其特征在于，包括：控制箱、数据传输线、激光头、水管、喷水头；
所述控制箱通过所述数据传输线与所述激光头连接，所述激光头包括加热激光器和脉冲激光器；所述控制箱通过所述水管与所述喷水头连接；
所述多激光协同辅助的激光冲击强化装置用于实现如权利要求1-7中任一项所述多激光协同辅助的激光冲击强化方法中的步骤。
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