CN113462883B - 一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其包括：向工件待强化区域喷涂吸收层材料，使得吸收层材料均匀覆盖待强化区域；开启低波段连续激光器，对工件待强化区域进行持续加热作业；向工件待强化区域喷射水约束层材料，使得水层均匀覆盖待强化区域；开启脉冲激光器，对工件待强化区域进行激光冲击强化作业；向工件强化区域喷射高压气流，去除残留水层；重复上述步骤，完成对工件不同区域的激光冲击强化。本发明中通过实时喷涂吸收层材料确保激光冲击作业过程中脉冲激光束与吸收层材料的有效作用，以避免传统方法因脉冲激光束与吸收层材料的过作用致使吸收层材料剥离而降低连续激光冲击作业的可靠性。

Description

一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法

技术领域

本发明涉及表面改性技术领域，尤其涉及一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法。

背景技术

工业大型复杂工件往往具备尺寸大、质量大及非规则曲面多等特征，传统的渗碳、电镀或热喷涂等表面改性技术无法实现大型复杂工件的局部精确高效强化作业。激光冲击强化是一种利用高功率密度、低脉宽激光束诱导产生的等离子体冲击力学效应对待强化材料进行改性处理的新技术。相比于传统的淬火等表面强化技术，激光冲击强化工艺对于材料表面几乎不会产生热效应，具备清洁环保、作业效率高及可控性高等优势特征，可在材料表层产生高残余压应力硬化层，进而显著提升工件表层的强度、硬度及摩擦学性能。因此，激光冲击强化工艺，被认为是一种卓越的表面改性技术方法，逐步应用于航空航天、海洋船舶、机车制造及军工领域。

值得注意的是，传统室温环境下的激光冲击作业，在材料表面产生的残余压应力硬化层深度较浅，且在复杂的外界环境及内在交变载荷作用下，残余压应力容易释放。因此，如何进一步提升激光冲击的强化效果，获得具备优异强度及塑性的结构件，这成为制约激光冲击技术在材料表面改性技术领域进一步发展及应用的技术瓶颈之一。动态应变时效可增加由变形产生的位错密度，当材料处在动态应变时效温度时，溶质原子的扩散有利于位错形核，动态应变时效中溶质原子对位错的钉扎作用会导致加工硬化，位错结构的稳定性提高，激光诱导残余压应力更稳定。动态析出是指在高温塑性变形过程中会有大量的纳米级沉淀相析出，塑性变形产生的位错会对沉淀相的析出产生积极作用，与静态析出相比，动态析出更加有利于加工硬化。因此，在激光冲击作业过程中，通过引入加热激光器，进行热源辅助激光冲击强化，有望通过动态应变时效及动态析出进一步提升激光冲击作业的可靠性。

目前已有针对于热源辅助激光冲击强化工艺的专利报道，如公开号为CN110578047A的中国发明专利公开了一种高温激光冲击强化装置与方法，通过快速夹紧装置将待强化工件夹紧并置于保护罩内，利用加热平台对整个工件进行加热处理，但也存在如下缺点：(1)上述专利提供的强化方法仅适用于小型工件，针对大型复杂结构件的强化效果不佳，无法实现大型结构件的局部精确强化；(2)上述专利所述装置结构复杂，作业成本高昂，无法在工程领域广泛推广及应用。公开号为CN101962710B的中国发明专利公开了一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法，在激光冲击作业前，在工件表面均匀预置吸收层，再利用高功率高波段连续激光对工件待强化区域进行辅助加热，同步采用高功率脉冲激光对待强化区域进行冲击强化，但也存在如下缺点：(1)高功率高波段连续加热激光能耗过大；(2)预置的吸收层在脉冲激光的单次冲击作业后，由于等离子体压力冲击波作用，吸收层会发生过度剥离，在进行相邻区域的激光冲击强化作业时，往往会因为吸收层覆盖区域的减少，影响激光冲击作业的强化效果。

发明内容

针对上述问题，本发明公开一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，旨在解决现有热源辅助激光冲击强化技术中无法实现大型复杂结构件局部精确强化、无法解决脉冲激光诱导产生的等离子冲击波对石墨吸收层的过作用问题。

具体技术方案如下：

一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，具有这样的特征，包括以下步骤：

A)向工件待强化区域喷涂吸收层材料，使得吸收层材料均匀覆盖待强化区域；

B)开启低波段连续激光器，对工件待强化区域进行持续加热作业；

C)向工件待强化区域喷射水约束层，使得水层均匀覆盖待强化区域；

D)开启脉冲激光器，对工件待强化区域进行激光冲击强化作业；

E)向工件强化区域喷射高压气流，去除残留水层；

F)重复步骤A)-E)，完成对工件不同区域的激光冲击强化。

上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤A)中，吸收层材料为石墨、黑漆或两种材料的混合物，吸收层的厚度不小于100nm。

上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤B)中，低波段连续激光器的激光波长为300-800nm，低波段连续激光器的加热温度高于200℃。

上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤C)中，约束层的厚度大于100μm。

上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤D)中，脉冲激光器为毫秒、纳秒、皮秒、飞秒或阿秒激光器产生的脉冲激光，且单脉冲能量不小于1mJ。

上述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，还具有这样的特征，步骤E)中，高压气流介质为压缩空气、氮气、氦气或氩气中的一种，或是上述两种或多种气体的混合气；高压气流的压强不小于0.5MPa。

本发明的强化机理如下：

连续加热激光器发射的低波段激光束在与吸收层及工件待强化区域材料持续作用过程中除加速吸收层材料固化外还使得工件待强化区域材料温度升高至动态应变时效温度。脉冲激光器发射的脉冲激光束与吸收层材料相互作用的同时诱导产生向工件厚度方向传播的等离子体冲击波，上述等离子波在水约束层的约束作用下产生GPa级别的冲击压力，以使得材料发生塑性变形外还在工件表面产生残余压应力硬化层。单次激光冲击强化作业结束后通过采用高压气体去除工件表面残余的水层，避免因残留水层过多造成吸收层材料涂覆困难，影响连续激光冲击作业效果。通过实时喷涂吸收层材料，确保了激光冲击作业过程中脉冲激光束与吸收层材料的有效作用，避免了传统方法即预置吸收层材料中因脉冲激光束与吸收层材料的过作用致使吸收层材料剥离而引起的连续激光冲击作业可靠性低的问题。

由于动态应变时效可增加由变形产生的位错密度，当材料处在动态应变时效温度时溶质原子的扩散有利于位错形核，动态应变时效中溶质原子对位错的钉扎作用会导致加工硬化，位错结构的稳定性得到提高，激光诱导残余压应力更稳定。又由于高温塑性变形过程中会有大量的纳米级沉淀相析出，塑性变形产生的位错会对沉淀相的析出产生积极作用，与静态析出相比，动态析出更加有利于加工硬化。因此，在激光冲击作业过程中，通过引入加热激光器，进行热源辅助激光冲击强化，可通过动态应变时效及动态析出进一步提升激光冲击作业的可靠性。

上述方案的有益效果是：

1)通过实时喷涂吸收层材料，确保了激光冲击作业过程中脉冲激光束与吸收层材料的有效作用，避免了传统方法即预置吸收层材料中因脉冲激光束与吸收层材料的过作用致使吸收层材料剥离而引起的连续激光冲击作业可靠性低的问题；

2)通过采用低波段连续加热激光器，可在较低的激光功率下，显著提升加热效率，加速吸收层材料的固化速率，并可提升激光冲击强化工件的强度及延展性；

3)本发明设计思路新颖，可行性高，作业效率高，适用于大型复杂结构件的局部精确激光冲击强化。

附图说明

图1为本发明中提供的热源辅助激光冲击强化流程示意图。

图2为本发明中提供的热源辅助激光冲击强化装置示意图。

图3为本发明实施例1中冲击强化后的拉伸性能曲线。

图中：强化区域1；射流方向2；石墨喷涂装置3；水流喷射装置4；脉冲激光器5；低波段连续激光器6；气流喷射装置7；连接支撑杆8；连接管9；调角转向控制器10；连接轴11。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

实施例1

如图1所示，为基于本发明一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化流程示意图；如图2所示，为本发明一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化装置示意图。本发明中对7075铝合金脉冲激光对接焊缝的热源辅助激光冲击强化处理包括以下步骤：

A)将连接轴11与M-710iC六轴自动机器人机械臂连接，调整调角转向控制器10，控制连接支撑杆8及连接管9的空间位置，使得射流方向2朝向7075铝合金脉冲激光对接焊缝强化区域1，采用石墨喷涂装置3向对接焊缝强化区域1喷涂石墨吸收层材料(石墨厚度约为5μm)，使得石墨均匀覆盖对接焊缝强化区域1；

B)选用蓝光半导体连续加热激光器6(激光器波长为450±15nm，激光器功率为80W，激光光斑半径为1.5mm)将对接焊缝强化区域1加热升温至250℃；

C)采用水流喷射装置4向对接焊缝强化区域1喷射水层(水层厚度约为1.5mm)；

D)选用纳秒脉冲激光器5(激光波长为1064nm，脉冲宽度为7ns，脉冲频率为10Hz，电流为10A，电压为900V，激光光斑直径大小为1mm，光斑搭接率为50％)，脉冲激光器5的光斑与步骤C)中蓝光半导体连续加热激光器6的光斑中心重合，并以1J的单脉冲能量进行对接焊缝强化区域1的激光冲击强化作业；

E)采用气流喷射装置7向对接焊缝强化区域1喷射气压约为0.6MPa的高压高纯氩气，去除残留水层。

如图3所示，本发明中对比了未加热、未喷涂石墨直接进行激光冲击强化试样及加热并喷涂石墨进行激光冲击强化试样的拉伸性能曲线，由图中可以发现：未加热、未喷涂石墨直接进行激光冲击强化试样的断裂延伸率仅为27％，极限抗拉强度为33MPa；加热并喷涂石墨层进行激光冲击强化试样的断裂延伸率为41％，极限抗拉强度为44MPa。相比未加热、未喷涂石墨直接进行激光冲击强化试样，加热并喷涂石墨层进行激光冲击强化试样的断裂延伸率与极限抗拉强度分别提升33％、52％，由此说明采用本发明提供的方法可显著提升激光冲击强化作业后结构件的可靠性。

实施例2

如图1所示，为基于本发明一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化流程示意图；如图2所示，为本发明一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化装置示意图。本发明中对高温钛合金IMI834超塑性成形叶片的强化处理包括以下步骤：

A)将连接轴11与M-710iC六轴自动机器人机械臂连接，调整调角转向控制器10，控制连接支撑杆8及连接管9的空间位置，使得射流方向2朝向叶片待强化区域1；采用石墨喷涂装置3向叶片待强化区域1喷涂石墨吸收层材料(石墨厚度约为4μm)，使得石墨均匀覆盖叶片待强化区域1；

B)选用蓝光半导体连续加热激光器6(激光器波长为450±15nm，激光器功率为100W，激光光斑半径为1.5mm)将叶片待强化区域1加热升温至400℃；

C)采用水流喷射装置4向叶片待强化区域1喷射水层(水层厚度约为2mm)；

D)选用纳秒脉冲激光器5(激光波长为1064nm，脉冲宽度为10ns，脉冲频率为10Hz，激光光斑直径大小为3mm，光斑搭接率为50％)，脉冲激光器5的光斑与步骤B)中蓝光半导体连续加热激光器6的光斑中心重合，并以9J的单脉冲能量对叶片待强化区域1进行冲击强化；

E)采用气流喷射装置7向叶片待强化区域1喷射气压约为0.6MPa的压缩空气，去除残留水层。

F)重复步骤A)-E)，完成对叶片不同区域的激光冲击强化作业。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)向工件待强化区域喷涂吸收层材料，使得吸收层材料均匀覆盖待强化区域；

B)开启低波段连续激光器，对工件待强化区域进行持续加热作业；

C)向工件待强化区域喷射水约束层，使得水层均匀覆盖待强化区域；

D)开启脉冲激光器，对工件待强化区域进行激光冲击强化作业；

E)向工件强化区域喷射高压气流，去除残留水层；

F)重复步骤A)-E)，完成对工件不同区域的激光冲击强化；

其中，步骤B)中低波段连续激光器的激光波长为300-800nm。

2.根据权利要求1所述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其特征在于，步骤A)中吸收层材料为石墨、黑漆或两种材料的混合物，吸收层的厚度不小于100nm。

3.根据权利要求1所述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其特征在于，步骤B)中低波段连续激光器的加热温度高于200℃。

4.根据权利要求1所述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其特征在于，步骤C)中约束层的厚度大于100μm。

5.根据权利要求1所述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其特征在于，步骤D)中脉冲激光器为毫秒、纳秒、皮秒、飞秒或阿秒激光器产生的脉冲激光，且单脉冲能量不小于1mJ。

6.根据权利要求1所述的面向大型结构件热源辅助激光冲击强化方法，其特征在于，步骤E)中高压气流介质为压缩空气、氮气、氦气或氩气中的一种，或是上述两种或多种气体的混合气，高压气流的压强不小于0.5MPa。

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