CN113088674A - 基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，本发明为解决激光冲击强化过程中普遍存在的能量利用、搭接效果和残余压应力的影响深度等问题。首先对增材制造出的金属表面进行预处理，然后进行激光冲击强化加工；先对激光冲击强化过程进行仿真处理和分析，确定脉冲1和脉冲2的最佳分配比例和光斑搭接率，相应地调整聚焦透镜和反射镜2的合适安装位置；然后高能量脉冲1对待强化区域进行逐点加工强化，同时低能量脉冲2对下一个逐点加工区域进行预加工，随后金属靶材移动一个工位，再次进行激光冲击强化，直至强化加工完成。本发明在不改变激光装置参数的情况下，充分利用了激光脉冲能量，综合提高激光冲击强化效果。

Description

基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法

技术领域

本发明属于激光加工中的激光冲击强化技术领域，尤其涉及一种对增材制造金属表面强化的方法。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing，AM)是依照三维模型数据将材料逐层堆积最终形成实物的工艺，其相较于传统减材制造工艺没有加工限制，可以制造传统工艺难以制造的复杂物品，由于激光密度高，也可实现传统工艺难以加工的材料的加工，适用范围更广，材料利用率更高，但也正因其逐层堆积的制造方式，不可避免地容易产生缺陷，同时制造物品的表面粗糙度、残余应力以及各种机械性能也难以得到有效保证。

激光冲击强化技术(Laser Shocking Peening，LSP)是一种新型的材料表面强化技术，其原理是利用短脉冲、高功率激光诱导等离子体冲击波，引起材料近表层区域产生塑性形变，改变材料表面的显微组织和力学性能，从而提高金属材料的抗疲劳、抗腐蚀和耐磨损等机械性能，可以有效延缓裂纹扩展速度、提高零件的疲劳寿命，具有灵活、高效、非接触及强化效果显著等特点。由于激光冲击强化的这些显著优势，其被广泛应用于增材制造领域，用来提高材料表面硬度、抗疲劳和磨损等机械性能，改善残余应力，抑制制造缺陷，增加金属零件的使用寿命。

目前，人们已在提高激光冲击强化效果的技术环节上开展了许多研究并取得进步，包括激光能量利用、搭接效果和激光冲击强化产生的残余压应力场引入深度等方面的探索提高。然而，很多方法只是针对激光冲击强化过程中某一方面的提高改进，其效果单一，因此综合提高激光冲击强化过程中的能量利用、搭接效果、和残余压应力影响深度对提高产品质量具有重大意义。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于激光强化冲击的增材制造金属表面强化方法，综合解决激光冲击强化过程中普遍存在的能量利用、搭接效果和残余压应力的影响深度等问题，利用激光强化冲击提高材料机械性能，改善增材制造残余应力，抑制缺陷产生。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：包含如下步骤：

S1：将使用激光熔覆技术或选区激光熔化技术增材制造出的金属实体表面进行预处理；S1所述预处理方式为对使用激光熔覆技术或选区激光熔化技术增材制造出的金属实体表面进行光洁化处理，然后将金属固定在激光冲击工作台上，铺设约束层和保护层；

S2：使用分束系统将一束脉冲激光分为脉冲1和脉冲2，分别对金属表面进行激光冲击强化，具体步骤为：

脉冲激光器发射脉冲激光通过反射镜1反射，激光到达分束镜，通过分束镜将一束脉冲激光分为脉冲1、脉冲2，其中脉冲1的能量大于脉冲2的激光能量，分束后脉冲1沿原有轨迹前行，脉冲2经过反射镜2反射重新沿与脉冲1方向平行方向前行，最终脉冲1、脉冲2经过聚焦透镜到达金属表面，形成一强一弱前后两束脉冲激光，分别对金属表面进行效果不同的激光冲击强化，随后金属靶材移动一个工位，再次进行激光冲击强化，直至强化加工完成；在进行激光冲击强化之前，能通过改变反射镜2水平方向上的位置来适当调整光斑搭接率，达到不同激光冲击强化效果的目的。

作为优选方案，所述步骤S1中，在进行光洁化处理时对金属样件进行铣削或者使用连续激光进行激光切割以对金属样件进行去飞边处理，使金属形貌规整，并用所需粗糙度砂纸对金属表面进行打磨处理，达到产品所需质量要求的同时也使得金属表面粗糙度降低；

所述步骤S1之前还应确定待加工金属零件的待强化区域，所述待强化区域是指增材制造金属易断裂或易磨损或有应力集中等缺陷的区域，该区域能由超声检测的方法来确定缺陷所在区域。

进一步地，所述步骤S1中，所述保护层为黑色胶带或黑漆；所述约束层为去离子水幕或K9玻璃。

更进一步地，所述S2在进行激光冲击强化之前，还应确定脉冲激光能量分配比和搭接率；具体方法为先对激光冲击强化过程进行仿真分析，得到增材制造金属中残余压应力场的分布结果，其中仿真过程中脉冲能量分配参数的初步设置参考以下估算方程，防止经过分束镜后低能量脉冲2的能量不足以达到材料的屈服强度，简化仿真过程；方程为：

其中，P为冲击波峰值压力，α为内能转化为热能的系数，Z为保护层和约束层的合成声阻抗，E₀为激光脉冲能量，d为光斑直径，t_p为脉冲宽度；v为材料泊松比，σ_s为材料的初始屈服应力；

为高速应变情况下激光光束垂直入射时材料发生屈服所需的应力；

然后适当改变脉冲能量分配比和搭接率进行仿真分析得到最佳激光冲击强化效果，从而确定最佳的激光脉冲1和激光脉冲2的能量分配比例，以及激光能量光斑的搭接率，此时既能实现较好的搭接效果，又能充分利用激光脉冲能量，在实现本次显著激光冲击强化的同时，也使得下一次待加工区域的加工硬化程度偏低，综合提升激光冲击强化效果。

更进一步地，所述步骤S2中，所述激光冲击的处理方式为逐点加工，即采用金属靶材移动一下，激光冲击一下的处理方式，需注意逐点加工方向，即金属靶材移动方向，须与脉冲1与脉冲2辐照在金属表面的落点中心连线所在直线方向一致；

所述步骤S2中，脉冲激光器发射出的脉冲激光其波长为1064nm，脉冲宽度为10～20ns，初始光斑直径12mm，脉冲功率密度为3～8.5GW/cm²，经过聚焦透镜汇聚，辐照到金属表面的光斑直径为2～8mm。

更进一步地，所述步骤S2中，所述分束系统中包括反射镜1、反射镜2和分束镜；所述反射镜1、反射镜2的安装应与水平面成45°，用于反射脉冲激光，控制脉冲激光的辐照方向；所述分束镜的安装应与反射镜1、反射镜2垂直且分束镜与反射镜1在同一竖直线上，与反射镜2在同一水平线，用于将脉冲激光分为脉冲1和脉冲2；所述分束系统的安装应保证当脉冲激光射入时，分束系统能实现步骤S2所述效果；

所述步骤S2中，能通过聚焦透镜和反射镜2互相配合调试的安装方法来改变光斑搭接率，同时尽量保证激光光束入射方向接近垂直金属表面入射，此时光斑面积最小，相应地激光功率密度最大；聚焦透镜在空间上移动，反射镜2在水平方向上移动且与分束镜在同一水平线上。

上述仿真分析采用可以解决高速动力学问题的仿真软件ABAQUS。优选地，S2在进行激光冲击强化之前，可以通过改变反射镜2水平方向上的位置来适当调整光斑搭接率，达到不同激光冲击强化效果的目的。优选地，可以通过聚焦透镜和反射镜2互相配合调试的安装方法来改变光斑搭接率，同时尽量保证激光光束入射方向接近垂直金属表面入射，此时光斑面积最小，相应地激光功率密度最大；聚焦透镜在空间上移动，反射镜2在水平方向上移动且与分束镜在同一水平线上。

本发明的工作原理如下：

本发明为解决激光冲击强化过程中普遍存在的能量利用、搭接效果和残余压应力的影响深度等问题。首先使用激光熔覆技术或者选区激光熔化技术增材制造出金属实体，对金属表面进行光洁化处理，然后把金属固定在激光冲击工作台上，铺设约束层和保护层；先对激光冲击强化过程进行仿真处理和分析，确定脉冲1和脉冲2的最佳分配比例和光斑搭接率，相应地调整聚焦透镜和反射镜2的合适安装位置；然后高能量脉冲1对待强化区域进行逐点加工强化，同时低能量脉冲2对下一个逐点加工区域进行预加工，随后金属靶材移动一个工位，再次进行激光冲击强化，直至强化加工完成。本发明在不改变激光装置参数的情况下，充分利用了激光脉冲能量，既实现了本次显著的激光冲击强化效果，也使得下一次强化区域的加工硬化程度较低，从而提高激光冲击强化的影响深度，搭接部分由于强化过程受到两次冲击而效果显著，达到综合提高增材制造金属表面的激光冲击强化效果的目的。

本发明的有益效果及优点如下：

1、两个脉冲进行激光冲击强化，即实现了本次显著的激光冲击强化效果，也使得下一次强化区域的加工硬化程度较低，从而提高残余应压力的影响深度；

2、进行激光冲击强化之前，先对激光冲击过程进行仿真分析，根据最佳激光冲击强化效果来确定脉冲能量分配比和能量光斑搭接率，综合提升激光冲击强化效果。

3、搭接率可调，且搭接部分由于强化受到两次冲击，增强了搭接效果；

4、在不改变激光装置参数的情况下，将一束脉冲激光分为两束进行强化，使激光脉冲能量的利用更为充分，而且也保证了逐点加工的效率；

5、利用激光冲击强化综合提高了材料表面硬度、抗疲劳和磨损等机械性能，改善增材制造残余应力，抑制制造缺陷的产生，有效提高材料使用寿命。

附图说明

图1是本发明基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法的流程图。

图2是本发明激光冲击方法原理图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用激光冲击综合提升增材制造金属表面机械性能，抑制缺陷产生的方法，同时解决了激光冲击强化过程中普遍存在的能量利用、搭接效果和残余应力影响深度等问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图所示，本发明基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，具体步骤如下：

S1：将使用激光熔覆技术或选区激光熔化技术增材制造出的金属实体表面进行预处理；

S2：使用分束系统将一束脉冲激光分为脉冲1和脉冲2，分别对金属表面进行激光冲击强化；

步骤S1的具体过程为：使用同轴送粉的激光熔覆工艺或者选区激光熔化工艺使得金属粉末熔化再凝固，经过层层叠加从而制造出的金属实体，然后对金属表面进行光洁化处理，将金属样件安装在激光冲击装置的加工平台上，然后在金属表面铺设吸收层、约束层。

S2在进行激光冲击强化之前，先对激光冲击强化过程进行仿真分析，得到增材制造金属中残余压应力场的分布结果，其中仿真过程中脉冲能量分配参数的初步设置参考以下估算方程，防止经过分束镜后低能量脉冲2的能量不足以达到材料的屈服强度，简化仿真过程；方程为：

其中，P为冲击波峰值压力，α为内能转化为热能的系数，Z为保护层和约束层的合成声阻抗，E₀为激光脉冲能量，d为光斑直径，t_p为脉冲宽度；ν为材料泊松比，σ_s为材料的初始屈服应力。

为高速应变情况下激光光束垂直入射时材料发生屈服所需的应力。

然后改变脉冲能量分配比和搭接率进行仿真分析得到最佳激光冲击强化效果，从而确定最佳的激光脉冲1和激光脉冲2的能量分配比例，以及激光能量光斑的搭接率。

仿真具体过程，材料本构模型可采用Johnson-Cook模型，又由于铺设了保护层约束层，所以模型中可以忽略温度的影响；对材料施加的冲击波压力分布服从高斯能量分布；使材料发生屈服的冲击波压力大小(等效塑性应力)根据广义胡克定律和米塞斯准则来初步设定。

步骤S2的具体过程如图2所示，脉冲激光器发射脉冲激光通过反射镜1反射，激光到达分束镜，通过分束系统将一束脉冲激光分为脉冲1、脉冲2，其中脉冲1的能量大于脉冲2的激光能量，分束后脉冲1沿原有轨迹前行，脉冲2经过反射镜2反射重新沿与脉冲1方向平行方向前行，最终脉冲1、脉冲2经过聚焦透镜到达金属表面，形成一强一弱前后两束脉冲激光，分别对金属进行效果不同的激光冲击强化。

脉冲激光器发射出的脉冲激光其波长为1064nm，脉冲宽度为10～20ns，初始光斑直径12mm，脉冲功率密度为3～8.5GW/cm²，经过聚焦透镜汇聚，辐照到金属表面的光斑直径为2～8mm。

光洁化处理程度需根据表面强化需求确定，对金属样件进行铣削或者使用连续激光进行激光切割以对金属样件进行去飞边处理，使金属形貌规整，后使用砂纸对金属表面进行打磨处理，达到产品质量要求的同时也使待强化区域表面粗糙度降低。表面强化需求具体指待强化区域在现有表面质量条件下获得的实际强化效果与目标强化效果存在差距时，表面强化效果的提高程度。而表面强化效果则指待强化增材制造金属内部残余压应力场的各项指标以及表层一定深度内的显微组织变化等方面，表面强化效果需要根据实际要求进行确定。

在经光洁化处理后的待强化区域表面需依次涂覆保护层和约束层。

保护层一般为黑漆或黑色胶带。

约束层一般为去离子水幕或K9玻璃。

激光冲击的处理方式为逐点加工，即采用金属靶材移动一下，激光冲击一下的处理方式，需注意逐点加工方向，即金属靶材移动方向，须与脉冲1与脉冲2辐照在金属表面的落点中心连线所在直线方向一致。

分束系统中包括反射镜1、反射镜2、分束镜；

反射镜1、反射镜2的安装应与水平面成45°，用于反射脉冲激光，控制脉冲激光的辐照方向；

分束镜的安装应与反射镜1、2垂直且分束镜与反射镜1在同一竖直线上，与反射镜2在同一水平线，用于将脉冲激光分为脉冲1和脉冲2；

分束系统的安装应保证当脉冲激光射入时，分束系统可实现S2效果。

本发明中，先进行激光冲击强化仿真分析得出最佳脉冲能量分配比和搭接率，调整聚焦透镜和反射镜2的合适安装位置再进行激光冲击强化加工；加工过程中使用低能量的脉冲2对待加工区域进行加工硬化程度较低的预加工，然后使用高能量脉冲1对已经进行过预加工的待加工区域进行显著激光冲击强化，从而提升残余压应力的影响深度，增强激光能量光斑的搭接效果，可以在不改变原有激光能量参数的前提下，增强激光冲击强化效果，且其方法实施简单，有助于提升激光脉冲能量的利用率，降低加工成本的同时，综合提升增材制造金属表面激光冲击强化效果。

Claims (7)

1.一种基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：包含如下步骤：

S1：将使用激光熔覆技术或选区激光熔化技术增材制造出的金属实体表面进行预处理；S1所述预处理方式为对使用激光熔覆技术或选区激光熔化技术增材制造出的金属实体表面进行光洁化处理，然后将金属固定在激光冲击工作台上，铺设约束层和保护层；

S2：使用分束系统将一束脉冲激光分为脉冲1和脉冲2，分别对金属表面进行激光冲击强化，具体步骤为：

脉冲激光器发射脉冲激光通过反射镜1反射，激光到达分束镜，通过分束镜将一束脉冲激光分为脉冲1、脉冲2，其中脉冲1的能量大于脉冲2的激光能量，分束后脉冲1沿原有轨迹前行，脉冲2经过反射镜2反射重新沿与脉冲1方向平行方向前行，最终脉冲1、脉冲2经过聚焦透镜到达金属表面，形成一强一弱前后两束脉冲激光，分别对金属表面进行效果不同的激光冲击强化，随后金属靶材移动一个工位，再次进行激光冲击强化，直至强化加工完成；在进行激光冲击强化之前，能通过改变反射镜2水平方向上的位置来适当调整光斑搭接率，达到不同激光冲击强化效果的目的。

2.根据权利要求1所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述步骤S1中，在进行光洁化处理时对金属样件进行铣削或者使用连续激光进行激光切割以对金属样件进行去飞边处理，使金属形貌规整，并用所需粗糙度砂纸对金属表面进行打磨处理，达到产品所需质量要求的同时也使得金属表面粗糙度降低；

所述步骤S1之前还应确定待加工金属零件的待强化区域，所述待强化区域是指增材制造金属易断裂或易磨损或有应力集中等缺陷的区域，该区域能由超声检测的方法来确定缺陷所在区域。

3.根据权利要求2所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述步骤S1中，所述保护层为黑色胶带或黑漆；所述约束层为去离子水幕或K9玻璃。

4.根据权利要求1至3中任一所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述S2在进行激光冲击强化之前，还应确定脉冲激光能量分配比和搭接率；具体方法为先对激光冲击强化过程进行仿真分析，得到增材制造金属中残余压应力场的分布结果，其中仿真过程中脉冲能量分配参数的初步设置参考以下估算方程，防止经过分束镜后低能量脉冲2的能量不足以达到材料的屈服强度，简化仿真过程；方程为：

其中，P为冲击波峰值压力，α为内能转化为热能的系数，Z为保护层和约束层的合成声阻抗，E₀为激光脉冲能量，d为光斑直径，t_p为脉冲宽度；v为材料泊松比，σ_s为材料的初始屈服应力；

为高速应变情况下激光光束垂直入射时材料发生屈服所需的应力；

然后适当改变脉冲能量分配比和搭接率进行仿真分析得到最佳激光冲击强化效果，从而确定最佳的激光脉冲1和激光脉冲2的能量分配比例，以及激光能量光斑的搭接率，此时既能实现较好的搭接效果，又能充分利用激光脉冲能量，在实现本次显著激光冲击强化的同时，也使得下一次待加工区域的加工硬化程度偏低，综合提升激光冲击强化效果。

5.根据权利要求1至3中任一所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述步骤S2中，所述激光冲击的处理方式为逐点加工，即采用金属靶材移动一下，激光冲击一下的处理方式，需注意逐点加工方向，即金属靶材移动方向，须与脉冲1与脉冲2辐照在金属表面的落点中心连线所在直线方向一致；

所述步骤S2中，脉冲激光器发射出的脉冲激光其波长为1064nm，脉冲宽度为10～20ns，初始光斑直径12mm，脉冲功率密度为3～8.5GW/cm²，经过聚焦透镜汇聚，辐照到金属表面的光斑直径为2～8mm。

6.根据权利要求4中任一所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述步骤S2中，所述激光冲击的处理方式为逐点加工，即采用金属靶材移动一下，激光冲击一下的处理方式，需注意逐点加工方向，即金属靶材移动方向，须与脉冲1与脉冲2辐照在金属表面的落点中心连线所在直线方向一致；

所述步骤S2中，脉冲激光器发射出的脉冲激光其波长为1064nm，脉冲宽度为10～20ns，初始光斑直径12mm，脉冲功率密度为3～8.5GW/cm²，经过聚焦透镜汇聚，辐照到金属表面的光斑直径为2～8mm。

7.根据权利要求1或2或3或6所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述步骤S2中，所述分束系统中包括反射镜1、反射镜2和分束镜；所述反射镜1、反射镜2的安装应与水平面成45°，用于反射脉冲激光，控制脉冲激光的辐照方向；所述分束镜的安装应与反射镜1、反射镜2垂直且分束镜与反射镜1在同一竖直线上，与反射镜2在同一水平线，用于将脉冲激光分为脉冲1和脉冲2；所述分束系统的安装应保证当脉冲激光射入时，分束系统能实现步骤S2所述效果；

所述步骤S2中，能通过聚焦透镜和反射镜2互相配合调试的安装方法来改变光斑搭接率，同时尽量保证激光光束入射方向接近垂直金属表面入射，此时光斑面积最小，相应地激光功率密度最大；聚焦透镜在空间上移动，反射镜2在水平方向上移动且与分束镜在同一水平线上。

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