CN114686676A - 一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光冲击强化技术领域，尤其是一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法。通过控制电脉冲和激光冲击波的起始时刻与持续时间的匹配关系，实现电脉冲和激光冲击波的对材料进行实时耦合强化，使得材料的塑性和强度的双向深度提升，并实现零件的大面积均匀强化。通过在进行脉冲电流辅助激光冲击强化的过程中同时引入电脉冲的效果，实现了短时间内的电脉冲与脉冲电流辅助激光冲击强化的复合深度强化，使得材料的内部缺陷得到一定的愈合，进一步提升材料的疲劳寿命。

Description

一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法
技术领域
本发明涉及激光冲击强化技术领域，尤其是一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法领域。
背景技术
激光冲击技术(laser shock peening/processing,LSP)，是利用激光束在材料表面形成冲击波，从而提升材料抗疲劳性能。尽管最近20年国内外在航空构件激光冲击波抗疲劳制造科学和关键技术方面开展了较为系统的研究工作，也在科学前沿和工程应用上取得了巨大的进展，但单一激光束诱导的冲击波仍然面临着巨大的挑战和问题，如大面积激光搭接冲击导致材料表面粗糙度增加，应力集中风险增加；零件表面残余压应力层浅，晶粒细化程度低等问题。
而电脉冲作为一种新型的强化技术，在现在材料成型及强化的研究中得到了广泛的应用。电流可以通过降低流动应力来改善材料的成形性与塑性，该性质成为电致塑性。从目前的研究看来，脉冲电流还对材料的裂纹愈合有着重要的作用，而激光冲击强化也对材料的抗疲劳性能的提升有着重要的作用，因此电流辅助激光冲击对疲劳性能肯定存在着明显的优势。
目前已有中国专利CN12853086A提出一种脉冲电流耦合激光喷丸强化金属材料的方法及装置，实现了脉冲电流辅助冲击激光冲击波作用，并对电脉冲参数进行了优化，利用最佳电脉冲参数进行激光冲击强化，能有效地提升激光冲击的强化效果。但由于电脉冲与激光冲击波之间的关系不明确，无法保证电脉冲和激光冲击波的单脉冲同时作用，因此该发明无法实现电脉冲与激光冲击波的实时耦合，因此无法保证脉冲电流辅助激光冲击过程的稳定性以及冲击效果的均匀性。
因此，本发明基于目前激光冲击强化存在的不足以及关于脉冲电流辅助激光冲击效果在均匀性差的现状下提出了电脉冲与激光冲击波实时耦合强化的方法，能够有效提升材料的力学性能，加深材料表面纳米化化程度，为工业大面积均匀强化的应用提供可能性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，通过调节电脉冲和激光冲击波的起始时刻及电脉冲与激光器频率的关系以及工件的移动速度的匹配关系，从而实现电脉冲与激光冲击波实时耦合作用，最终实现强度和塑性的深度提升效果。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，通过调节电脉冲的起始时刻与持续时间、激光器激光的起始时刻与持续时间以及工件的移动速度的匹配关系，从而实现电脉冲与激光冲击波实时耦合强化，最终实现强度和塑性的深度提升效果，具体步骤如下：
(1)调节电脉冲波形；
(2)调节电脉冲和激光器发生频率分别为f1和f2，使得f1＝m*f2；
(3)调节电脉冲和激光器脉宽分别为τ1和τ2，且τ1>τ2；
(4)调节电脉冲参数：电流幅值为I0，半峰全高FWHM为τ3，电流值为I0/2的时刻分别为t1和t4；
(5)优先启动电脉冲，t2时刻后启动激光器，激发激光冲击波，其中t2满足如下关系：t2≥t1，t2≤t4-6τ2；
(6)激光冲击波从冲击起始点开始进行激光冲击，同时将工件以速度V＝D*f2*(1-p％)沿设定的激光冲击路径向冲击终止点移动，直至完成终止点的激光冲击，关闭激光器；关闭电脉冲发生装置，完成强化过程，其中D为激光冲击圆形光斑直径或方形光斑边长，p％为光斑搭接率。
进一步的，步骤(1)中，电脉冲为直流电，波形为半正弦，三角或者矩形，电流与时间满足以下关系：
Figure BDA0003574659230000021
其中n≥0，n为整数；X(t)为电流关于时间的函数，单位为A，t为电脉冲的持续时间，单位为t，g(t)为X(t)高水平阶段的函数表示式，f1为电脉冲发生频率，τ1为电脉冲脉宽。
步骤(2)中，f1≤1000Hz，f2≤10Hz，m≥1，m为整数；
步骤(3)中，τ1≤5000μs，τ2≤30ns；
步骤(4)中，t1和t4是X(t)＝I0/2在一个周期内的两个不同时刻，且t1和t4满足t4＝t1+τ3，若无解，则t1＝nf-1，t4＝nf-1+τ1，其中n≥0，n为整数。
进一步的，激光冲击强化约束层为甘油；吸收层采用双层吸收层，内层为耐高温绝缘胶层；外层为铝箔。
进一步的，步骤(4)中，电脉冲其余参数：0A≤电流幅值≤5000A，0V≤电压幅值≤12V；激光冲击其余参数：能量密度根据材料进行选择。
本发明的有益效果在于：
1.通过控制电脉冲和激光冲击波的起始时刻与持续时间的匹配关系，实现电脉冲和激光冲击波的对材料进行实时耦合强化，使得材料的塑性和强度的双向深度提升，并实现零件的大面积均匀强化。
2.通过在进行脉冲电流辅助激光冲击强化的过程中同时引入电脉冲的效果，实现了短时间内的电脉冲与脉冲电流辅助激光冲击强化的复合深度强化，使得材料的内部缺陷得到一定的愈合，进一步提升材料的疲劳寿命。
因此，一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，可以实现深度强化的同时提升塑性，达到塑性和强度的双向提升，同时在材料表面引入较深的残余压应力层，从而更显著提升材料的抗疲劳性能以及抗腐蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明所述的脉冲电流和激光冲击波实时耦合的分布情况。
图2是激光冲击路径图。
表1为S0，S1，S2试样表面硬度值表格。
图3是S0，S1，S2试样不同深度方向残余压应力图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施例所采用50×50×5mm3的方形试样基体，其材料为TA2纯钛。
一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法的具体实施例，如下：
一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，通过调节电脉冲的产生时刻与持续时间、激光器激光的产生时刻与持续时间以及工件的移动速度的匹配关系，从而实现电脉冲与激光冲击波实时交替，最终实现强度和塑性的深度双向提升效果，具体步骤如下：
(1)调节电脉冲波形为半正弦波；
(2)调节电脉冲和激光器频率分别为f1＝500Hz，f2＝5Hz，使得f1＝100*f2；(3)调节电脉冲和激光器脉宽分别为τ1＝1000μs和τ2＝10ns；
(4)调节电脉冲参数：电流幅值为I0＝4000A，符合如下公式：
Figure BDA0003574659230000041
半峰全高FWHM为τ3＝2/3000s，电流值为I0/2时刻分别为t1＝1/6000+1/500n s和t4＝5/6000+1/500n s；
(5)激光冲击光斑为圆形光斑，D＝3mm，搭接率均为50％，能量为5GW/cm2，约束层为甘油，吸收层采用双层吸收层，内层为耐高温绝缘胶层，外层为铝箔，t2＝1/3000s后启动激光冲击装置；
(6)激光冲击装置从冲击起始点开始激光冲击，同时工件以V＝7.5mm/s的速度沿激光冲击路径向冲击终止点移动，直至最终完成终止点的冲击，关闭激光冲击装置；关闭电脉冲发生装置，完成强化过程。
表1是S0,S1,S2试样表面硬度值，其中S0为原始试样，S1为激光冲击试样，S2为电脉冲与激光冲击波实时耦合强化试样。如表1所示，S0表面硬度为188HV，S1表面硬度为209HV，S2表面硬度为245HV。由此可见，S1对比S0表面硬度明显提升了21HV，约提升了11％；而S2对比S1，表面硬度提升了65HV，约提升了17％，而对比S0，则约提升了30％，由此可见，经过电脉冲与激光冲击波实时耦合处理试样其表面硬度比激光冲击处理试样的表面硬度有了更为明显的提升，电脉冲与激光冲击波实时耦合处理可更好的改善材料的表面硬度。
图3是S0,S1,S2试样不同深度方向残余压应力图。由图2可以发现S0试样表面及其以下残余压应力均在285MPa上下波动，S1试样表面残余压应力为356MPa，距离表面720μm处的残余压应力为285MPa左右，基本同未处理试样的残余应力相同；而S2表面残余压应力为532MPa，距离表面1040μm处的残余压应力为286MPa左右，同未处理试样相同。由此可见，经过电脉冲与激光冲击波实时耦合处理之后的试样表面残余压应力值明显高激光冲击处理的试样，且其残余压应力层的厚度明显大于激光冲击处理的试样。
表1是S0,S1,S2试样表面硬度值
试样 硬度/HV
S0(原始试样) 188
S1(激光冲击试样) 209
S2(电脉冲与激光冲击波实时耦合强化试样) 245
因此得出结论：本装置处理的试样本发明所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法可以实现电流与激光冲击波的实时耦合，可以通过诱导更深的残余压应力层，更好地提升材料硬度力学性能和抗疲劳性能。

Claims (7)

1.一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，其特征在于，通过调节电脉冲的起始时刻与持续时间、激光器激光的起始时刻与持续时间以及工件的移动速度的匹配关系，从而实现电脉冲与激光冲击波实时耦合强化，最终实现强度和塑性的深度提升效果，具体步骤如下：
(1)调节电脉冲波形；
(2)调节电脉冲和激光器发生频率分别为f1和f2，使得f1＝m*f2；
(3)调节电脉冲和激光器脉宽分别为τ1和τ2，且τ1>τ2；
(4)调节电脉冲参数：电流幅值为I0，半峰全高FWHM为τ3，电流值为I0/2的时刻分别为t1和t4；
(5)优先启动电脉冲，t2时刻后启动激光器，激发激光冲击波，其中t2满足如下关系：t2≥t1，t2≤t4-6τ2；
(6)激光冲击波从冲击起始点开始进行激光冲击，同时将工件以速度V＝D*f2*(1-p％)沿设定的激光冲击路径向冲击终止点移动，直至完成终止点的激光冲击，关闭激光器；关闭电脉冲发生装置，完成强化过程，其中D为激光冲击圆形光斑直径或方形光斑边长，p％为光斑搭接率。
2.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，其特征在于，步骤(1)中，电脉冲为直流电，波形为半正弦，三角或者矩形，电流与时间满足以下关系：
Figure FDA0003574659220000011
其中n≥0，n为整数；X(t)为电流关于时间的函数，单位为A，t为电脉冲的持续时间，单位为t，g(t)为X(t)高电平阶段的函数表示式，f1为电脉冲发生频率，τ1为电脉冲脉宽。
3.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，其特征在于，步骤(2)中，f1≤1000Hz，f2≤10Hz，m≥1，m为整数。
4.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，其特征在于，步骤(3)中，τ1≤5000μs，τ2≤30ns。
5.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，其特征在于，步骤(4)中，t1和t4是X(t)＝I0/2在一个周期内的两个不同时刻，且t1和t4满足t4＝t1+τ3，若无解，则t1＝nf-1，t4＝nf-1+τ1，其中n≥0，n为整数。
6.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，其特征在于，激光冲击强化约束层为甘油；吸收层采用双层吸收层，内层为耐高温绝缘胶层；外层为铝箔。
7.如权利要求1所述的一种电脉冲和激光冲击波实时耦合强化的方法，其特征在于，步骤(4)中，电脉冲其余参数：0A≤电流幅值≤5000A，0V≤电压幅值≤12V；激光冲击其余参数：能量密度根据材料进行选择。
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