CN114438307A - 一种激光冲击-超声滚压复合强化方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光冲击‑超声滚压复合表面强化处理方法，用于对金属材料表面进行强化，通过在完成工件加工后对工件依次进行激光冲击和超声滚压，从而将激光冲击和超声滚压两种表面强化手段先后作用在工件表面，一方面在工件表面形成了幅值更大、影响层更深的残余压应力，另一方面使工件的表面粗糙度大幅减小，能够显著提升金属结构件的疲劳寿命。本发明方法操作简单，可以大幅度提高金属材料表面强化效果，在传动轴、齿轮和飞机起落架等高承载结构件上具有重要的应用前景。

Description

一种激光冲击-超声滚压复合强化方法
技术领域
本发明属于金属材料表面强化技术领域，特别涉及一种金属材料表面激光冲击-超声滚压复合强化方法。
背景技术
变形、磨损、裂纹及断裂是传动轴、齿轮和飞机起落架等高承载结构件服役期间失效的主要形式，加工表面完整性是影响结构件失效的关键因素。喷丸、滚压及激光冲击是对结构件表面进行强化处理的常用方法。通过对结构件进行表面改性处理，能够有效改善表面形貌，在表层引入残余压应力，诱导表层组织晶粒细化，形成硬化层等强化效应，提升耐磨损、抗应力腐蚀和抗疲劳等性能，延长结构件使用寿命。
超声滚压是在普通滚压的基础上，增加超声冲击，利用超声冲击的高应变率作用，使材料表层更容易产生塑性变形，超声冲击产生的应力波传递可以进一步改善表层材料组织结构，实现材料结构件表面性能的进一步提升。激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的表面性能的一种新技术，其具有非接触、无热影响及可控性强等优点。
已有的研究结果表明，单一的强化技术在材料表面整体改性强化中仍存在不足。激光冲击强化在形成大层深的残余压应力影响层方面具有明显优势，但在表面光整、晶粒细化等方面没有明显效果；超声滚压虽能在较小的滚压力下实现表面光整、提升组织变形效果，但对大层深残余应力的形成不具备明显优势。针对现有单一的强化工艺的强化效果片面的问题，提出激光冲击-超声滚压复合强化方法，实现材料表面的综合强化处理，增强材料表面强化效果，提升结构件的服役性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光冲击-超声滚压表面复合强化方法，先通过激光冲击设备对零件表面进行激光冲击强化，再通过超声滚压装置对激光冲击强化后的零件表面进行超声滚压强化，从而实现激光冲击-超声滚压表面复合强化。
一种激光冲击-超声滚压复合强化方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)表面预处理，待复合强化表面为完成精密机加工的表面；
2)在激光冲击强化设备上装夹工件，固定激光器，将吸收激光能量并产生高压等离子体的涂层材料涂敷(粘贴)在待加工工件表面，调整激光约束层使其在加工区域内厚度均匀，调整激光与工件待加工区域位置，保证激光与待加工表面垂直；
3)设定激光冲击强化参数，控制搭接率，实现对工件表面的激光冲击强化；
4)加工结束激光器停止出光，关闭激光器，取出工件；
5)在机床上加装超声滚压强化装置，调整滚压刀具与工件待加工表面的相对位置，保证滚压刀与工件待加工表面垂直；
6)设定超声滚压强化的工艺参数；
7)启动机床，通过工件的旋转运动及超声滚压装置的进给运动，实现超声滚压强化；
8)关闭机床、超声滚压装置等设备，取出工件。
进一步地，所述的激光冲击强化相关参数有：激光冲击强化采用Nd：YAG激光器作为激光发射源；用流水作约束层，厚度为1mm～2mm；铝箔作为吸收层，厚度为0.12mm。激光脉冲能量20～80J，优选30J；脉宽5～100ns，优选15ns；激光冲击光斑边长范围为1mm～10mm，优选为4mm×4mm的方形光斑；搭接率控制在5％～90％，优选20％左右。
进一步地，所述的超声滚压强化相关参数设定为：滚压力0～3000N，优选1300N左右；超声振幅1～50μm，优选8μm；超声频率1-50kHz，优选28kHz；工件转速400r/min，进给速度0.05mm/r，单道次滚压。
进一步地，为降低由于激光强化中光斑能量的分布不均匀及光斑搭接率不同，导致的材料表面塑性变形量的差异对后续超声滚压表面改性加工的影响，滚压刀具半径与光斑边长(半径)的比值2R/l(R/r)应控制在一定范围内，例如2R/l(R/r)范围为0.1～10。
本发明将激光冲击与超声滚压强化技术按确定的顺序复合作用于材料表面，激光冲击强化深度大，超声滚压形变均匀、光整效果显著，两种强化工艺结合，实现降低表面粗糙度、增大残余压应力影响层深和微观组织晶粒细化的综合强化效果。
附图说明
图1为激光冲击-超声滚压复合表面强化处理方法示意图；
图2为不同表面处理条件下的45CrNiMoVA钢表层残余应力分布；
图3为不同表面处理条件下的45CrNiMoVA钢表面粗糙度；
图4为不同表面处理条件下的45CrNiMoVA钢扭转疲劳S-N曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例试样材料为超高强度钢(45CrNiMoVA)。
一种激光冲击-超声滚压表层强化方法，具体步骤如下：
步骤S0、工件材料磨削加工；
步骤S1、进行激光冲击。具体地，将工件安装在激光冲击强化设备上，激光器固定采用铝箔作为吸收层，厚度为0.12mm，采用水流作为约束层，调整厚度为1mm～2mm，对工件进行激光冲击强化。
步骤S2、进行超声滚压强化。具体地，将S1中完成激光冲击强化的工件装夹在加装了超声滚压装置的机床上，打开超声滚压装置，对工件表面进行超声滚压。
进一步地，检测激光冲击-超声滚压强化后的工件表面形貌、表层残余应力和表面粗糙度等。
进一步地，采用显微镜对零件表面形貌进行检测，并按GBT 1031-2009测量表面粗糙度Ra。采用X-350衍射仪和电解抛光方法测量表层残余应力的分布。
对表面未强化的零件、表面超声滚压强化零件、表面激光冲击强化零件和表面激光冲击-超声滚压强化零件，分别进行表面形貌、表层残余应力和表面粗糙度的检测。检测结果显示：
零件表面粗糙度方面，相比于未处理状态(NT)，超声滚压(USR)后表面粗糙度值减小39.9％，激光冲击(LSP)后表面粗糙度值减小19.4％，激光冲击-超声滚压(LSP+USR)复合强化后表面粗糙度值减小39.1％。
零件表层残余应力方面，未强化处理表面(NT)，受材料热处理及切削加工的影响，工件表层分布有0.15mm深的残余压应力，残余压应力沿表面深度呈先增加、后减小的趋势变化，残余压应力值较小。超声滚压(USR)处理后，残余压应力的峰值、深度都出现明显增大，最大值达到-1272MPa，影响层深度超过0.5mm；激光冲击(LSP)状态下，残余压应力的最大值达到-1247MPa，此后沿深度逐渐衰减，影响层深度超过1.3mm；激光冲击-超声滚压(LSP+USR)复合强化后残余压应力的最大值达到-1274MPa，残余压应力影响层深度超过1.6mm，近表层残余应力分布受超声滚压主导，内部受激光冲击主导。
通过激光冲击-超声滚压复合强化方法对工件进行表面改性处理，能够有效改善表面形貌，诱导表层组织晶粒细化，使材料表面形成硬化层，并在表层引入高的残余压应力，有效减少疲劳应力作用下裂纹的形核并抑制裂纹的早期扩展，大幅提升耐磨损、抗应力腐蚀和抗疲劳等性能，延长结构件使用寿命。
对表面未强化、表面激光冲击强化、表面超声滚压强化和表面激光冲击-超声滚压复合强化的试样，分别进行扭转疲劳试验。根据结果显示，激光冲击和超声滚压强化处理后超高强度钢试样扭转疲劳寿命都出现明显提升，激光冲击-超声滚压复合表面强化处理后的扭转疲劳寿命提升最大，优于单一强化处理的强化效果。
综上所述，本发明提供了一种金属材料激光冲击-超声滚压复合强化方法，该方法操作简单，可以显著提高金属材料表层的抗疲劳性能。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡是在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种激光冲击-超声滚压表面复合强化处理方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、待强化加工表面为已完成精密机加工的工件表面；
S2、激光冲击强化；具体地，将S1中的工件装夹在激光冲击强化处理设备上，调整激光冲击能量吸收层和约束层，调整激光头使激光束与工件待强化表面垂直，根据工件材料属性确定所需激光能量，对工件表面进行激光冲击强化处理。
S3、超声滚压强化；具体地，调整滚压刀具位姿，使滚压刀作用方向与S2中已完成激光冲击强化待超声滚压强化的表面垂直，对S2中的工件表面进行超声滚压强化。
2.根据权利要求1所述，一种激光冲击-超声滚压复合工艺强化方法，其特征在于，超声滚压强化滚压头为球体，待强化表面为弧面或平面。
3.根据权利要求1所述，一种激光冲击-超声滚压复合工艺强化方法，其特征在于，超声滚压刀具半径R与方形光斑边长l(圆形光斑半径为r)的比值，2R/l(R/r)范围为0.1～10。
4.根据权利要求1所述，一种激光冲击-超声滚压复合工艺强化方法，其特征在于，激光冲击强化的相关参数为：激光脉冲能量20～80J，脉宽5～100ns，激光冲击方形光斑边长范围为1mm～10mm，搭接率范围控制在5％～90％。
5.根据权利要求1所述，一种激光冲击-超声滚压复合工艺强化方法，其特征在于，超声滚压强化相关参数有：滚压力0～3000N，超声振幅1～50μm，超声频率20～50kHz。
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