CN113088673A - 一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，基于能量守恒原理构建激光斜冲击能量衰减模型，用以表征斜冲击时倾斜角度θ与靶材辐照区域吸收有效能量Ee之间的变化关系；并根据靶材吸收能量产生等离子体所需要的最低阈值Et确定激光入射能量Einput最小值及激光光斑搭接率εp最小值。为激光斜冲击工艺参数设计提供理论指导，极大提高了加工效率，降低能耗，改善表面强化效果，有效解决了激光斜冲击深孔结构实现孔内表面强化时存在的工艺参数和加工效果无法规律控制的难题。

Description

一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法
技术领域
本发明涉及激光冲击强化工艺领域，特别涉及一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法。
背景技术
深孔类结构是零件中常见结构，主要起到支撑、定位和导向等作用。在实际工作受载时，孔类零件局部受力集中，极易产生应力断裂现象。此外，孔细长结构特征使得沿着径向容易剪切断裂。部分零部件孔与轴相对运动时，频繁的摩擦造成内控壁的磨损，从而降低定位精度，甚至破坏零件密封性和稳定性。因此提高深孔根部及孔内壁表面强度成为改善含孔类结构零部件强度的关键。
目前关于深孔类零件表面性能的提升主要采用的是表面涂层技术、热处理工艺、激光冲击强化等方法。但是表面涂层技术成本高，环境污染大，热处理工艺对零件整体进行无差别作用，能效比低。而激光冲击强化虽然能够对金属表面进行强韧化处理，诱导生成微纳尺度的细化晶粒，从而提高材料的力学性能，但是受限于深孔类零件结构孔内空间的限制，激光头无法深入孔内开展作业。而激光斜冲击时对激光冲击入射光角度进行偏转，从而满足入射光线作用于靶材的目标表面。但由于激光斜冲击，光线折射作用对入射光能量损耗效果与垂直表面辐照存在着一定的差异。此外，激光斜冲击时，孔壁上光斑形状发生了改变。因此，传统的激光垂直靶材表面冲击强化工艺无法满足深孔类激光斜冲击的需求。
发明内容
针对以上现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于克服现有技术的不足之处，公开了一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将激光入射光源等效成无数平行直线光源，根据激光斜冲击能量传递特点构建能量衰减模型；
步骤2，根据靶材产生等离子体所需能量最低阈值Et及能量衰减模型确定激光入射能量Einput设置下限值；
步骤3，根据激光斜冲击靶材表面辐照光斑形状及能量衰减规律确定光斑搭接率εp最小值。
进一步地，所述靶材表面设置铝箔或者黑色油漆作为吸收层，水作为约束层。
进一步地，步骤1中，将激光沿着光斑椭圆长轴方向等效成n条单位平行光源，根据能量守恒定律满足关系式：
Einput＝Ee+Eoutput
其中，Einput为入射能量，Eoutput为反射能量，Ee为有效能量；材料反射比
Figure BDA0002993095890000021
吸收比
Figure BDA0002993095890000022
当激光斜冲击辐照在空内壁时，所形成的空间包络面平面展开后为长轴为
Figure BDA0002993095890000023
的椭圆，θ为光源与水平方向夹角；
第x条光源产生的反射能量为
Figure BDA0002993095890000024
Figure BDA0002993095890000025
第x条光线辐照的靶材表面吸收的有效能量为
Figure BDA0002993095890000026
Figure BDA0002993095890000027
进一步地，所述步骤2中所述靶材表面吸收能量发生电子的阶跃现象，并产生等离子体，而激光诱导材料产生等离子体所需能量最小阈值为Et。根据能量衰减模型可知激光斜冲击时靶材表面吸收有效能量Ee最小值为
Figure BDA0002993095890000031
要想实现激光斜冲击强化效果，则必须满足Eemin≥Et，即
Figure BDA0002993095890000032
进一步地，所述步骤3根据能量衰减规律可知，当入射能量Einput固定时，要满足所辐照区域完全产生等离子体，则沿着光斑椭圆长轴第x束光线辐照产生的有效能量Eex≥Et，则
Figure BDA0002993095890000033
即光斑搭接率
Figure BDA0002993095890000034
Figure BDA0002993095890000035
本发明取得的有益效果：
本发明建立了激光斜冲击深孔类结构时能量衰减模型，表征了入射光倾斜角度θ对能量衰减的影响规律，并基于激光斜冲击能量衰减模型确定入射光能量Einput、光斑搭接率εp参数值，为激光斜冲击工艺参数设计提供理论指导，极大提高了加工效率，降低能耗，改善表面强化效果，有效解决了激光斜冲击深孔结构实现孔内表面强化时存在的工艺参数和加工效果无法规律控制的难题。同时也填补了激光斜冲击工艺理论的空白，完善了激光冲击强化理论体系。
附图说明
图1为激光斜冲击时等效光路照射示意图；
图2为激光斜冲击所形成的空间包络面沿着平面展开后的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
设定入射光为n条直线平行光源，则可将入射光源等效为圆柱形直线光组成；定义入射光能量没有其他损失，全部转化为靶材表面吸收的有效能量和反射能量；定义靶材吸收能量产生等离子体气化效应最小阈值。
一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，如图1-2所示，包括以下步骤：
步骤1，将激光入射光源等效成无数平行直线光源，根据激光斜冲击能量传递特点构建能量衰减模型；
步骤2，根据靶材产生等离子体所需能量最低阈值Et及能量衰减模型确定激光入射能量Einput设置下限值；
步骤3，根据激光斜冲击靶材表面辐照光斑形状及能量衰减规律确定光斑搭接率εp最小值。
靶材表面采用铝箔或者黑色油漆作为吸收层，水作为约束层，采用激光冲击处理深孔内壁。入射能量Einput主要分为靶材表面吸收的有效能量Ee和光的反射作用产生的反射能量Eoutput两部分，激光在靶材表面的折射行为基本上忽略不计。将激光沿着光斑椭圆长轴方向等效成n条单位平行光源，光源与水平方向夹角为θ，根据能量守恒定律可知入射能量Einput与有效能量Ee和反射能量Eoutput满足关系式：
Einput＝Ee+Eoutput (式1)；
其中材料反射比
Figure BDA0002993095890000041
吸收比
Figure BDA0002993095890000042
则当激光斜冲击辐照在空内壁时，所形成的空间包络面平面展开后为长轴为
Figure BDA0002993095890000043
的椭圆。
为了方便计算，设定圆形光柱作用在深孔内壁所形成的光板为平面椭圆形。沿着椭圆长轴从上到下分别将n条光线编号为1,2,3，…,x,…,n，则第1条光线反射能量可表示为：
Figure BDA0002993095890000044
而第2条入射光能量会与第1条光线的反射光能量发生干涉与将入射光等效成无数根平行光源，湮灭作用，因此第2条光线反射能量为：
Figure BDA0002993095890000051
第3条入射光能量会与第2条光线的反射光能量发生干涉与将入射光等效成无数根平行光源，湮灭作用，因此第2条光线反射能量为：
Figure BDA0002993095890000052
以此类推，第x条光线反射能量为：
Figure BDA0002993095890000053
从式5中可以推算出第x(1≤x≤n,x＝1,2,3,...,n)条光源产生的反射能量为：
Figure BDA0002993095890000054
第x条光线辐照的靶材表面吸收的有效能量为：
Figure BDA0002993095890000055
Figure BDA0002993095890000056
Figure BDA0002993095890000057
当靶材表面辐照能量达到材料本身电子发生阶跃行为所需能量时，材料表面产生等离子体气化现象，从而在约束层作用下产生冲击波作用于材料，诱导生成表面残余压应力，并促使晶粒细化。设定材料产生等离子体所需能量最小阈值为Et，根据能量衰减模型(式9)可知激光斜冲击时，靶材表面吸收有效能量沿着椭圆长轴方向逐步减弱，因此材料表面吸收有效能量最小值Ee在椭圆长轴最下端处，其值为：
Figure BDA0002993095890000058
即要实现激光冲击强化的作用效果，需满足Eemin≥Et，进一步转化可知入射光能量参数满足：
Figure BDA0002993095890000061
在材料确定的前提下(即产生等离子体能量阈值Et已知)。根据能量衰减规律可知，当入射光能量Einput固定时，要满足所辐照区域完全产生等离子体，则沿着光斑椭圆长轴第x束光线辐照产生的有效能量Eex≥Et，则辐照有效作用光斑长度可表示为：
Figure BDA0002993095890000062
由式12辐射有效作用光斑尺寸可以确定激光斜冲击时光斑搭接率满足：
Figure BDA0002993095890000063
以上仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (5)

1.一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将激光入射光源等效成无数平行直线光源，根据激光斜冲击能量传递特点构建能量衰减模型；
步骤2，根据靶材产生等离子体所需能量最低阈值Et及能量衰减模型确定激光入射能量Einput设置下限值；
步骤3，根据激光斜冲击靶材表面辐照光斑形状及能量衰减规律确定光斑搭接率εp最小值。
2.根据权利要求1所述的一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，其特征在于，所述靶材表面设置铝箔或者黑色油漆作为吸收层，水作为约束层。
3.根据权利要求1所述的一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，其特征在于，步骤1中，将激光沿着光斑椭圆长轴方向等效成n条单位平行光源，根据能量守恒定律满足关系式：
Einput＝Ee+Eoutput
其中，Einput为入射能量，Eoutput为反射能量，Ee为有效能量；材料反射比
Figure FDA0002993095880000011
吸收比
Figure FDA0002993095880000012
当激光斜冲击辐照在空内壁时，所形成的空间包络面平面展开后为长轴为
Figure FDA0002993095880000013
的椭圆，θ为光源与水平方向夹角；
第x条光源产生的反射能量为
Figure FDA0002993095880000014
Figure FDA0002993095880000015
第x条光线辐照的靶材表面吸收的有效能量为
Figure FDA0002993095880000016
Figure FDA0002993095880000017
4.根据权利要求3所述的一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，其特征在于，所述步骤2中所述靶材表面吸收能量发生电子的阶跃现象，并产生等离子体，而激光诱导材料产生等离子体所需能量最小阈值为Et。根据能量衰减模型可知激光斜冲击时靶材表面吸收有效能量Ee最小值为
Figure FDA0002993095880000021
要想实现激光斜冲击强化效果，则必须满足Eemin≥Et，即
Figure FDA0002993095880000022
5.根据权利要求4所述的一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，其特征在于，所述步骤3根据能量衰减规律可知，当入射能量Einput固定时，要满足所辐照区域完全产生等离子体，则沿着光斑椭圆长轴第x束光线辐照产生的有效能量Eex≥Et，则
Figure FDA0002993095880000023
即光斑搭接率
Figure FDA0002993095880000024
Figure FDA0002993095880000025
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