CN114231729B - 一种工件激光冲击强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工件激光冲击强化方法，包括如下步骤：测量工件抗拉强度和加工前表面粗糙度；确定激光束移动速率及光斑直径范围；选择范围内的一组激光束移动速率及光斑直径，计算对应的激光束加工覆盖比；若计算结果位于最佳覆盖比区间，进行加工；否则重新选择一组激光束移动速率及光斑直径；测量工件表面残余压应力和加工后表面粗糙度，与表面残余压应力和表面粗糙度关系表进行对比；若超出关系表范围，重新选择激光束移动速率和光斑直径。本发明的一种工件激光冲击强化方法，基于工件加工前抗拉强度选择优化的工艺参数，获得工件加工后表面残余压应力和表面粗糙度，并以此评价强化效果，建立了工艺参数的有效选择及优化一体的完整的体系。

Description

一种工件激光冲击强化方法

技术领域

本发明属于核工业激光冲击强化技术领域，具体涉及一种工件激光冲击强化方法。

背景技术

核电厂关键部件在役检查及维修强化是核电厂安全运行和经济效益的保障，维持设备在长寿期内可靠、安全、稳定运行是核电厂最为关注的问题。然而，在交变载荷及腐蚀环境下，疲劳失效、应力腐蚀开裂是典型的损伤模式，例如汽轮机叶片末级根部的疲劳断裂，换热管/焊缝区域的应力腐蚀开裂，轴件应力位置萌生疲劳裂纹等。另一方面，核电站放射性特殊的工况、核岛大型部件、固定大面积的焊缝位置等等实际工程因素，使得在核电厂现场甚至设备在线维修强化成为亟待解决的技术需求。

激光冲击强化技术是近二十年迅速发展的金属表面强化技术，其基本原理是通过纳米级强脉冲激光(能量密度可达GW/cm²)在金属表面诱导产生等离子体，其在短时间内急剧膨胀产生高压冲击波(高达数GPa)，从而在金属表层产生残余压应力场，以此改善零部件服役工况下的疲劳寿命。相对传统机械喷丸强化，激光喷丸技术无物理丸粒，特别对核电工况，避免了对工件的沾染，避免产生额外的放射性废物；工艺上，产生更高的残余压应力和更大的表面影响层深。目前，激光技术已在发动机叶片、涡轮得以探索性应用。

随着“双碳政策”战略的实施，我国核电机组稳步增加，为保障核电安全可靠性运行，将使得激光强化技术在核电领域运用迎来广阔的发展空间。如前所述，核电应用环境将要求激光冲击系统高度集成化、紧凑化设计，由于潜在的放射性风险，同时需要将激光束远程输送至核岛进行加工处理。在激光冲击强化应用领域中，激光器能量在数个至数十焦耳量级，高能量通过大光斑面积从而获得高加工效率，其缺点是难以通过光纤进行远距离传输激光束。如若采用的激光束能量在毫焦量级，其能量低且光斑面积小，则必须通过高重频保证高加工质量和效率，其优点在于可以采用光纤进行远距离传输激光束。专利号为US8304686B2，专利名称为Laser shock hardening method and apparatus的美国专利，公开了采用低能量的方案，并尝试将激光束通过光纤传输应用于核岛焊缝位置。

此外，有必要建立优化的激光冲击强化工艺参数。激光能量、光斑尺寸、激光束移动速率等参数相互制约，显著影响强化效果。从激光参数看，激光能量密度取决于光斑尺寸，直接影响残余压应力大小和深度，光斑尺寸与移动速率直接决定了加工效率。从效果看，尽量获得更高的残余压应力大小和深度是理想的加工效果，但往往伴随着表面粗糙度的增加，这可能对疲劳寿命产生负面影响。目前大多数研究均集中在高激光能量范畴，例如大量的激光冲击强化核心工艺参数研究中(详见表1)，其激光能量均集中在10～100J范围，而在低能量高重频领域的研究极少。

表1典型的激光冲击强化工艺研究文献

综上所述，利用低能量高重频，针对核电厂设备金属零部件的现场或在线修复强化的激光冲击强化技术，在激光束参数选择及优化方面继续提升以并实现高加工效率。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种工件激光冲击强化方法，用于解决现有技术中核电厂金属零部件在现场或在线修复强化的激光冲击强化技术中关于工艺参数的有效选择及优化方面的薄弱和欠缺问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

本发明了提供了一种工件激光冲击强化方法，用于在工件表面形成残余压应力层，包括如下步骤：

步骤一：测量工件的抗拉强度和工件的待加工区域的加工前表面粗糙度；

步骤二：根据抗拉强度确定激光束移动速率及光斑直径的范围；

步骤三：选择范围内的一组激光束移动速率及光斑直径，并根据激光束移动速率及光斑直径计算对应的激光束加工覆盖比；若激光束加工覆盖比位于最佳覆盖比区间，则根据选定的激光束移动速率及光斑直径对工件进行激光冲击强化；若激光束加工覆盖比超出最佳覆盖比区间，则重复步骤三，直至激光束加工覆盖比位于最佳覆盖比区间；

步骤四：测量工件激光冲击强化后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度；

步骤五：根据表面残余压应力和表面粗糙度关系表，判断加工后工件的表面残余压应力和加工后表面粗糙度是否位于关系表的规定范围内；若位于关系表范围内，则达到加工要求；若加工后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度超出关系表的范围，则重新选择激光束移动速率和光斑直径进行激光冲击强化，直至工件激光冲击强化后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度位于关系表的范围内。

本发明可调的激光加工工艺参数包括激光束移动速率、光斑直径。此外，激光束加工覆盖比，定义为激光加工区域被激光脉冲冲击的平均次数。可通过附图2简化理解为：光斑直径之和与实际加工长度之比。

根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤二中，根据抗拉强度，并基于附图1确定激光冲击强化工件的激光束移动速率及光斑直径的范围。在本发明的一些实施例中，附图1为工件的抗拉强度与加工时的激光束移动速率及光斑直径的关系，当已知工件的抗拉强度时，即可在附图1中找到对应该抗拉强度的激光束移动速率及光斑直径的合适范围，加工时参数的选择及优化可在该选定范围内进行调整。

根据本发明的一些优选实施方面，所述激光束加工覆盖比按照如下公式进行计算：

c＝d·n/v

式中，d是光斑直径，v是激光束移动速率，c是激光束加工覆盖比，n是激光脉冲重复频率，在本发明的一些实施例中，所述激光脉冲重复频率n为300Hz。激光束加工覆盖比可根据附图6简化理解光斑的名义长度(多个光斑的直径之和)与实际加工长度之比，激光束加工覆盖比越大，光斑的重合面积越大。

根据本发明的一些优选实施方面，所述表面残余压应力和表面粗糙度关系表为：

表中，σ_b是工件的抗拉强度。在本发明的一些实施例中，加工前测试工件的加工前表面粗糙度和抗拉强度，根据附图1的关系图可确定出可选的激光束移动速率及光斑直径的具体范围，再选定一组合适的激光束移动速率及光斑直径作为激光参数，并根据激光束加工覆盖比计算公式计算激光束加工覆盖比，初步判定该组参数是否合适，当参数合适后，对工件进行激光冲击强化后再次测试加工后工件的表面残余压应力和加工后表面粗糙度，并结合上表，根据测试所得的数据对号入座，判断加工后的工件的表面残余压应力和加工后表面粗糙度是否处在相应的范围内，即可判断所选的参数是否合适，加工后的工件是否满足需求；并且还可根据判断结果对不符合要求的工件重新选择激光束移动速率和光斑直径进行加工。

根据本发明的一些优选实施方面，所述最佳覆盖比区间为10～16。在本发明的一些实施例中，根据残余应力饱和曲线(如附图6所示)可知，在某一选定的激光束移动速率和光斑尺寸下，残余压应力和应力影响层深度随着覆盖比的增加而增加，当残余压应力增加幅度低于10％时，定义残余压应力达到饱和，所对应的覆盖比为饱和覆盖比，据此得出最佳覆盖比区间为10～16，可适用于本发明中的激光冲击强化方法的参数的选取和判断。

根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤五中的激光束移动速率大于步骤二中的激光移动速率，步骤五中的光斑直径大于步骤二中的光斑直径。

根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤二中的激光束移动速率为≤25mm/s，所述步骤二中的光斑直径为≤0.8mm。

根据本发明的一些优选实施方面，所述步骤五中的激光束移动速率为>25mm/s，所述步骤五中的光斑直径为>0.8mm。在本发明的一些实施例中，当步骤二中的选择的激光束加工速率和光斑直径进行加工后不符合要求时，为保证加工效率，则选择更大的激光束加工速率和光斑直径。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益之处在于：通过采用激光脉冲进行工件表面激光冲击强化的方法，基于工件加工前的抗拉强度选择优化的工艺参数，获得工件加工后的表面残余压应力和表面粗糙度，并以此指标评价强化效果，建立起了激光冲击强化工艺参数的有效选择及优化的较为完整的系统。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为基材抗拉强度与激光束移动速率及光斑直径之间的关系图；

图2为激光束加工覆盖比在1～3范围内光斑名义长度与实际加工长度之比的关系示意图；

图3为本发明实施例一中加工的汽轮机低压缸叶片的结构示意图；

图4为本发明实施例二中加工的汽轮机主轴过渡段及表面堆焊层的结构示意图；

图5本发明实施例三中加工的核岛薄壁管与薄板焊缝处的结构示意图；

图6为残余应力饱和曲线；

附图中：叶片-10，根部-11，主轴-20，过渡段-21，表面堆焊区-22，薄壁管-31，薄板-32，焊缝-33。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的一种工件激光冲击强化方法，包括如下步骤：

步骤一：测量工件的抗拉强度和工件的待加工区域的加工前表面粗糙度；

步骤二：根据抗拉强度确定激光束移动速率及光斑直径的范围；

步骤三：选择范围内的一组激光束移动速率及光斑直径，并根据激光束移动速率及光斑直径计算对应的激光束加工覆盖比；若激光束加工覆盖比位于最佳覆盖比区间，则根据选定的激光束移动速率及光斑直径对工件进行激光冲击强化；若激光束加工覆盖比超出最佳覆盖比区间，则重复步骤三，直至激光束加工覆盖比位于最佳覆盖比区间；

步骤四：测量工件激光冲击强化后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度；

步骤五：根据表面残余压应力和表面粗糙度关系表，判断加工后工件的表面残余压应力和加工后表面粗糙度是否位于关系表的规定范围内；若位于关系表范围内，则达到加工要求；若加工后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度超出关系表的范围，则重新选择激光束移动速率和光斑直径进行激光冲击强化，直至工件激光冲击强化后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度位于关系表的范围内。

实施例一 激光冲击强化方法加工汽轮机低压缸叶片10

如图3所示为汽轮机低压缸末级叶片，其根部为疲劳裂纹产生的薄弱区域，本实施例提供了一种利用激光冲击强化方法对叶片10的根部11进行激光冲击强化，使得该区域形成残余压应力层，加工位置为图3中的根部11。

该叶片10为17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢，其抗拉强度为1200MPa，根部11处的加工前粗糙度值为6μm。

根据图1选择激光冲击强化参数为：激光束移动速率为12mm/s、光斑直径为0.5mm，计算出激光束加工覆盖比为12，处于最佳覆盖比区间内。经加工后，检测到根部11的表面残余压应力值为790±25MPa，加工后表面粗糙度为4.5mm，对照表面残余压应力和表面粗糙度关系表，加工前的抗拉强度为1200MPa，属于σ_b>1100MPa的范围，加工后的表面残余压应力应该大于0.60σ_b，即大于720MPa，根据检测结果可知符合要求；加工前粗糙度值为6μm，属于3～10μm范围内，加工后也应处于3～10μm范围内，根据检测结果可知符合要求。

实施例二 激光冲击强化方法加工汽轮机主轴20的过渡段21及表面堆焊区22

如图4所示为汽轮机主轴20的过渡段21为应力集中区域，是疲劳裂纹易萌生区域。此外，主轴20的圆周面存在划伤，需经堆焊修复尺寸。由于堆焊过程及冷却过程产生大量的热应力，本实施例提供了一种利用激光冲击强化方法对过渡段21和表面堆焊区22进行激光冲击强化，可以释放并形成残余压应力层，从而提升主轴20的服役寿命。

主轴20的最大直径超过800mm，长度超过6m，适合通过光纤传输至现场加工。主轴20的材料为40CrNiMo调质钢，其抗拉强度为900MPa，过渡段21的加工前表面粗糙度>6μm，圆周处的加工前表面粗糙度<3μm。

根据图1选择激光冲击强化参数选择为：激光束移动速率为15mm/s、光斑直径为0.7mm，计算出激光束加工覆盖比为14，处于最佳覆盖比区间内。经加工后，检测表面残余压应力值为650±18MPa，过渡段的加工后表面粗糙度为7.5μm，圆周粗糙度为6.5μm，对照表面残余压应力和表面粗糙度关系表，加工前的抗拉强度为900MPa，属于σ_b＝700～1100的范围，加工后的表面残余压应力应该大于0.70σ_b，即大于630MPa，根据检测结果可知符合要求；过渡段21的加工前粗糙度值为>6μm，属于3～10μm范围内，加工后也应处于3～10μm范围内，根据检测结果可知符合要求。

表面堆焊区22的加工前粗糙度值为<3μm，属于<3μm范围内，加工后应处于<6μm范围内，而加工后为6.5μm，不符合要求。故对表面堆焊区22的激光参数进行调整，重新选择激光速移动速率为28mm/s，光斑直径为1mm，计算出激光束加工覆盖比为10.7，处于最佳覆盖比区间内。重新作业处理后，表面残余压应力几乎无变化，而加工后表面粗糙度降低至5.2μm，处于<6μm范围内，符合需求。

实施例三 激光冲击强化方法加工核岛薄壁管31与薄板32的焊缝33

如图5所示为核岛薄壁管31与薄板32焊接的结构示意图，本实施例提供了一种利用激光冲击强化方法对焊缝33处进行激光冲击强化形成残余压应力层。

管材及焊缝33位置处均为316L不锈钢，其屈服强度为640MPa，加工前表面粗糙度8μm。

考虑到不锈钢强度低，以及管材及板材厚度小，为避免激光冲击强化后发生严重变形，需要利用直径较大的光斑进行作业，以使光斑密度小，不易造成薄壁管31及薄板32的变形。根据图1选择激光冲击强化参数选择为：激光束移动速率为25mm/s、光斑直径为1.0mm，计算出激光束加工覆盖比为12，处于最佳覆盖比区间内。经加工后，检测表面残余压应力值为550±12MPa，加工后表面粗糙度为6.8μm，对照表面残余压应力和表面粗糙度关系表，加工前的抗拉强度为640MPa，属于σ_b<700MPa的范围，加工后的表面残余压应力应该大于0.80σ_b，即大于512MPa，根据检测结果可知符合要求；加工前粗糙度值为8μm，属于3～10μm范围内，加工后也应处于3～10μm范围内，根据检测结果可知符合要求。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种工件激光冲击强化方法，用于在工件表面形成残余压应力层，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：测量工件的抗拉强度和工件的待加工区域的加工前表面粗糙度；

步骤二：根据抗拉强度确定激光束移动速率及光斑直径的范围；

步骤三：选择范围内的一组激光束移动速率及光斑直径，并根据激光束移动速率及光斑直径计算对应的激光束加工覆盖比；若激光束加工覆盖比位于最佳覆盖比区间，则根据选定的激光束移动速率及光斑直径对工件进行激光冲击强化；若激光束加工覆盖比超出最佳覆盖比区间，则重复步骤三，直至激光束加工覆盖比位于最佳覆盖比区间；

步骤四：测量工件激光冲击强化后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度；

步骤五：根据表面残余压应力和表面粗糙度关系表，判断加工后工件的表面残余压应力和加工后表面粗糙度是否位于关系表的规定范围内；若位于关系表范围内，则达到加工要求；若加工后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度超出关系表的范围，则重新选择激光束移动速率和光斑直径进行激光冲击强化，直至工件激光冲击强化后的表面残余压应力和加工后表面粗糙度位于关系表的范围内。

2.根据权利要求1所述的一种工件激光冲击强化方法，其特征在于，在所述步骤二中，根据抗拉强度，并基于附图1确定激光冲击强化工件的激光束移动速率及光斑直径的范围。

3.根据权利要求1所述的一种工件激光冲击强化方法，其特征在于，所述激光束加工覆盖比按照如下公式进行计算：

c＝d·n/v

式中，d是光斑直径，v是激光束移动速率，c是激光束加工覆盖比，n是激光脉冲重复频率。

4.根据权利要求1所述的一种工件激光冲击强化方法，其特征在于，所述表面残余压应力和表面粗糙度关系表为：

表中，σ_b是工件的抗拉强度。

5.根据权利要求1所述的一种工件激光冲击强化方法，其特征在于，所述最佳覆盖比区间为10～16。

6.根据权利要求1所述的一种工件激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤五中的激光束移动速率大于步骤二中的激光移动速率，步骤五中的光斑直径大于步骤二中的光斑直径。

7.根据权利要求6所述的一种工件激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤二中的激光束移动速率为≤25mm/s，所述步骤二中的光斑直径为≤0.8mm。

8.根据权利要求7所述的一种工件激光冲击强化方法，其特征在于，所述步骤五中的激光束移动速率为>25mm/s，所述步骤五中的光斑直径为>0.8mm。

9.根据权利要求3所述的一种工件激光冲击强化方法，其特征在于，所述激光脉冲重复频率n为300Hz。

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