CN114592119A - 一种基于预应力的激光冲击强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于预应力的激光冲击强化方法，包括：根据结构件的应力集中位置，确定结构件的各区域的激光冲击强化位置；依据结构件的结构形式，确定预应力加载方式；在预应力加载条件下进行激光冲击强化，强化后释放预应力加载条件。该基于预应力的激光冲击强化方法的目的是解决常规激光冲击强化应力集中部位最大应力的边缘残余压应力反而偏小，而使用中希望拉应力最大的边缘有最高的残余压应力，实现匹配的梯度分布，而预应力激光冲击强化刚好利用反向应力集中回弹实现冲击强化局部区域理想的残余压应力梯度分布。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种基于预应力的激光冲击强化方法。
背景技术
激光冲击强化过程中只有很少部分激光能量转化为金属材料表层的塑性变形，而激光冲击强化就是需要金属材料表层塑性变形获得残余压应力并改善疲劳性能的。
江苏大学姜银方等在《激光诱导冲击波的预应力成形仿真研究》文章中，为了研究预应力对板料激光冲击成形性能的影响，采用数值仿真的方法，分析了不同板料尺寸下，预应力对板料激光冲击成形极限的影响。
研究结果表明，无预应力作用下，不同尺寸板料的激光冲击成形极限深度不同；在预应力作用下，板料的激光冲击成形极限深度有所增加；当预应力在0～10MPa范围时，板料的激光冲击成形极限随着预应力的增大而增大，超过此范围时，成形极限随预应力变化比较缓慢，并逐渐接近一限定值；在相同预应力作用下，不同尺寸板料的激光冲击成形极限提高的幅度不同。激光冲击预应力成形有利于提高板料的成形性能，研究为有效的控制板料变形过程，实现金属板料的激光冲击成形提供了依据。
江苏大学鲁金忠等提出《一种平板件预应力激光冲击强化的方法和装置》专利，专利申请号201811227487.1，提出利用一种平板件预应力激光冲击强化的装置实施平板件预应力激光冲击强化的方法，在拉伸机上施加的拉伸力F为：F＝ε×E×h×s，其中ε为预应变值，E为平板件的弹性模量，h为平板件的高度，s为平板件的宽度；平板件材料的预应变值ε为0.5/1000～1/1000。该方法对平板试件有一定的效果，并采用平板试件中间区域全强化方式，这种方式会导致试件激光冲击强化后塑性变形程度大于不外加载荷的试件，但残余压应力不好控制，并且会导致心部残余拉应力增大，但实际结构会比试验件尺寸大得多预应变值ε达到0.5/1000～1/1000非常困难。
因此，发明人提供了一种基于预应力的激光冲击强化方法。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种基于预应力的激光冲击强化方法，解决了预应力激光冲击强化后残余拉应力难以控制的技术问题。
(2)技术方案
本发明提供了一种基于预应力的激光冲击强化方法，包括以下步骤：
根据结构件的应力集中位置，确定所述结构件的各区域的激光冲击强化位置；
依据所述结构件的结构形式，确定预应力加载方式；
在预应力加载条件下进行激光冲击强化，强化后释放预应力加载条件。
进一步地，所述依据所述结构件的结构形式，确定预应力加载方式，具体为：
利用结构上的应力集中特性，通过非均匀加载方式获得激光冲击强化区域局部区域的拉应力。
进一步地，所述结构件的平均预应变值为0.024％～0.048％。
进一步地，所述激光冲击强化位置包括齿轮根部、槽根部、孔区、筋板底部中的至少一个。
进一步地，所述激光冲击强化位置在预应力加载后最大应变位置的应变小于0.2％。
进一步地，最大应力集中部位的应力小于或等于屈服极限的75％。
(3)有益效果
综上，本发明通过预应力方式提高激光冲击强化效果，特别对于应力集中部位，在拉伸、弯曲、扭转条件下，应力集中部位能获得更高的残余拉应力，激光冲击强化条件下更容易产生塑形变形，卸载后由于应力集中能产生相应应力集中的回弹，实现激光冲击强化后应力集中部位能获得更高残余压应力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的一种基于预应力的激光冲击强化方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的针对中心圆孔的激光冲击强化示意图；
图3是本发明实施例提供的针对边缘圆弧坑的激光冲击强化示意图；
图4是本发明实施例提供的针对边缘V形坑的激光冲击强化示意图；
图5是本发明实施例提供的一种对筋板底部的激光冲击强化示意图；
图6是本发明实施例提供的另一对筋板底部的激光冲击强化示意图；
图7是本发明实施例提供的一种结构件的预弯加载示意图；
图8是本发明实施例提供的一种结构件的预弯拉载示意图；
图9是本发明实施例提供的一种结构件的预扭加载示意图。
图中：
1-液压缸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例提供的一种基于预应力的激光冲击强化方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：
S100、根据结构件的应力集中位置，确定结构件的各区域的激光冲击强化位置；
S200、依据结构件的结构形式，确定预应力加载方式；
S300、在预应力加载条件下进行激光冲击强化，强化后释放预应力加载条件。
在上述实施方式中，利用预加拉应力情况下激光冲击强化更容易产生塑形变形，卸载预应力后应力集中部位能获得更大的回弹，从而实现应力集中部位获得更大的残余压应力，更有利于平衡拉力载荷下的局部拉应力值。通过预应力可以使激光能量转化为材料塑性变形能量的比率大幅度增加，适合具有应力集中部位工件的激光冲击强化，安全有效，便于推广使用。
在优化供应参数过程中，可以采用不同大小预应力获得理想的残余压应力层和疲劳性能。
在一些可选的实施例中，步骤S200中，依据结构件的结构形式，确定预应力加载方式，具体为：
利用结构上的应力集中特性，通过非均匀加载方式获得激光冲击强化区域局部区域的拉应力。
具体地，如图2-4所示，对于常见的带孔、带槽平板或者圆棒形式拉伸试件，只对孔、槽局部位置进行激光冲击强化，由于这些部位应力集中系数Kt值较高，经常在2.5到5之间，预应力加载后最大应变位置的应变要小于一般定义屈服的0.2％，考虑到结构和材料的不均匀性，表面非理想型面，微观上局部应力可能高于理想的应力集中系数，按照极限值60％设计，将最大应变设定为安全的0.12％，这样最大应力集中部位的微观上也处于不屈服的安全状态，需要将平板件平均预应变值ε设定为0.024％～0.048％，计算不同材料和结构下所需要的预应力值，在加载情况下进行激光冲击强化。
在一些可选的实施例中，结构件的平均预应变值为0.024％～0.048％。其中，按照激光冲击强化小孔等典型结构较大应力集中部位应力集中系数在3左右，将局部应力集中部位的最大应变控制在0.15％以下，避免预应力产生局部塑形变形。
在一些可选的实施例中，激光冲击强化位置包括齿轮根部、槽根部、孔区、筋板底部中的至少一个。
在一些可选的实施例中，激光冲击强化位置在预应力加载后最大应变位置的应变小于0.2％。其中，考虑到应力集中部位微观上安全系数，可取0.1～0.15％，一般可取0.15％以下，避免预应力产生应力集中部位局部塑形变形。
具体地，如图5-6所示，对于常见的带筋壁板结构，由于该结构很难进行拉伸加载，拉伸加载情况下底部圆弧应力集中系数不高，采用平板固定，筋板弯曲形式形成底部应力集中进行激光冲击强化，将最大应变设定为安全的0.1～0.15％，根据结构加载转动矩、转动惯性距计算需要载载力的大小。
在一些可选的实施例中，最大应力集中部位的应力小于或等于屈服极限的75％。
具体地，如图7-9所示，根据不同结构形式，确定预弯、预拉、预扭等预应力加载方式，预应力加载位置和方向尽量接近实在载荷的位置和方向，最大应力集中部位应力不能超过屈服极限的75％，避免由于结构不均匀性，最大应力集中部位的应力可能略大于模型值而导致屈服。在优化供应参数过程中，可以采用不同大小预应力获得理想的残余压应力层和疲劳性能。
利用孔、槽、转接R区等结构上的应力集中特性，通过非均匀加载方式获得激光冲击强化区域局部区域较大的拉应力，可以使外部机械能参与转化为激光冲击强化过程中塑性变形能，提高激光冲击强化效果；由于不同拉应力状态下激光冲击强化塑形变形区域趋于平衡，利用卸载过程应力集中部位更大的回弹，实现应力集中部位更大的残余压应力，实现应力集中部位拉应力条件下激光冲击强化可以获得较高的残余压应力，在使用过程中拉应力载荷下能实现更好的匹配，从而提高疲劳性能。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (6)
1.一种基于预应力的激光冲击强化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
根据结构件的应力集中位置，确定所述结构件的各区域的激光冲击强化位置；
依据所述结构件的结构形式，确定预应力加载方式；
在预应力加载条件下进行激光冲击强化，强化后释放预应力加载条件。
2.根据权利要求1所述的基于预应力的激光冲击强化方法，其特征在于，所述依据所述结构件的结构形式，确定预应力加载方式，具体为：
利用结构上的应力集中特性，通过非均匀加载方式获得激光冲击强化区域局部区域的拉应力。
3.根据权利要求1所述的基于预应力的激光冲击强化方法，其特征在于，所述结构件的平均预应变值为0.024％～0.048％。
4.根据权利要求1所述的基于预应力的激光冲击强化方法，其特征在于，所述激光冲击强化位置包括齿轮根部、槽根部、孔区、筋板底部中的至少一个。
5.根据权利要求1或4所述的基于预应力的激光冲击强化方法，其特征在于，所述激光冲击强化位置在预应力加载后最大应变位置的应变小于0.2％。
6.根据权利要求1所述的基于预应力的激光冲击强化方法，其特征在于，最大应力集中部位的应力小于或等于屈服极限的75％。
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