CN114774669A - 一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料表面强化处理领域，尤其是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。

Description

一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法
技术领域
本发明涉及材料表面强化处理领域，尤其是一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法。
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。因此，目前采用引入电场与激光冲击波交替，形成复合能量场的加工制造，成为了目前的研究方向之一。
2015年，清华大学王海波等人研究发现在超声表面轧制工艺中引入电脉冲辅助加工，奥氏体不锈钢能提高表面性能。与原有的超声表面轧制工艺相比，电脉冲的引入有利于表面裂纹的愈合，并改变了表面强化层内的断面显微硬度梯度分布。电脉冲引起的晶粒细化程度更深和塑性变形也随之增强。
2020年，肖涵等人采用脉冲电流辅助再结晶退火和电脉冲辅助时效相结合的工艺方法，优化了冷轧Al-Mg-Li合金的组织和力学性能，主要是脉冲电流促进了位错的增多。
2020年，西北工业大学赵卫东等人利用脉冲电流辅助超声纳米晶表面改性技术(EP-UNSM)对300M钢进行处理时，发现脉冲电流能有效地提高300M钢的塑性。脉冲电流具有更高的峰值电流密度，可以更有效地激活针状位错。EP-UNSM处理的钢的表面硬度和塑性影响深度远高于UNSM，脉冲电流可以在不显著提高温度的情况下，有效地提高所选变形表面工程工艺(UNSM)的加工效率。
中国专利CN113151665A提出了一种针对大工件的电致塑性和激光冲击复合强化方法及装置，该发明专利主要提供了一种电流辅助激光冲击强化的装置。基装置提出了一种电致塑性和激光冲击复合强化的方法，该方法不适用于普遍的电流辅助激光冲击强化的方法，没有普适性，而且该方法没有明确电脉冲与激光冲击波的作用时间，无法保证电脉冲与激光冲击波的作用效果，会导致作用效果不明显或不均匀等后果。本发明一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，是基于电脉冲与激光冲击波两者作用时间段，将电脉冲高电平作用阶段和激光冲击波作用阶段妥善分开对材料进行作用，能够保证强化效果的均匀性且还能有效的提升材料的粗糙度，并且能有效提升材料的力学性能，增加表面纳米化程度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法与装置，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。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，通过调节电脉冲的高电平时段与持续时间、激光器脉冲激光的入射时刻与激光冲击波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，使得τ1>τ2；
(4)启动电脉冲发生装置，对工件进行预热，t1时刻后启动激光器，其中t1满足以下关系：t1≥τ1，t1＜f1 -1-6τ2；
(5)激光冲击装置从起始点开始进行激光冲击，同时将工件以速度V＝D*f2*(1-p％)沿着设定好的激光冲击路径向冲击终止点移动，直至到达冲击终止点，关闭激光冲击装置；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；波形为矩形，半正弦或三角波。
进一步的，步骤(2)中，f1≤1000Hz，f2≤10Hz，m≥1，m为正整数。
进一步的，步骤(3)中，τ1≤200μs，τ2≤50ns。
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.通过调节电脉冲的高电平时段与持续时间、激光器脉冲激光的入射时刻与激光冲击波持续时间，实现电脉冲和激光冲击波的对材料进行实时交替作用，电脉冲阶段对材料进行软化提升塑性，电脉冲冷却阶段对材料进行激光冲击，对材料进行强化，缓解软化带来的粗糙度降低，从而在提升塑性和强度的同时，使得表面粗糙度也得到了改善。
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。
3.本发明所述方法在进行激光冲击强化的同时引入了脉冲电流对材料进行交替强化，并在工件移动过程中持续电脉冲处理进行塑性提升，从而实现材料塑性与强度的深度提升。
因此，一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，可以实现深度强化的同时提升塑性，达到塑性和强度的双提升，同时提升材料表面的粗糙度，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为本发明所述的电脉冲和激光冲击波实时分布情况。
图2为激光冲击强化路径
表1为S0,S1,S2试样表面硬度值。
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。
一种电脉冲与激光冲击波实时交替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，通过调节调节电脉冲的高电平时段与持续时间、激光器脉冲激光的入射时刻与激光冲击波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提升效果，具体步骤如下：
(1)调节电脉冲波形为矩形波；
(2)调节电脉冲和激光器频率均为f1＝700Hz，f2＝5Hz，f1＝140f2；
(3)调节电脉冲和激光器脉宽分别为τ1＝90μs和τ2＝10ns；
(4)调节电流幅值＝4000A，优先启动电脉冲发生装置，对工件进行预热；使激光冲击光斑为圆形光斑，D＝3mm，搭接率均为50％，功率密度为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，91μs后，启动激光冲击装置；
(5)激光冲击装置进行激光冲击，同时启动第一机械手，将工件以V＝7.5mm/s的速度按冲击路径(图2)向终止点移动，完成终止点的激光冲击之后，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是原始试样，S1是激光冲击强化试样，S2是电脉冲与激光冲击波交替强化试样。如表1所示，S0表面硬度为179HV，S1表面硬度为205HV，S2表面硬度为238HV。由此可见，S1对比S0表面硬度明显提升了26HV，约提升了14.5％；而S2对比S1，表面硬度提升了33HV，约提升了16.1％，而对比S0，则约提升了33.0％，由此可见，经过EP-LSP处理试样其表面硬度比LSP处理试样的表面硬度有了更为明显的提升，EP-LSP可更好的改善材料的表面硬度。而对比单独激光冲击，抗拉强度也提升了6.6％。
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与激光冲击波实时交替的方法可以实现电流与激光冲击波的实时交替强化，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。
表1为S0,S1,S2试样表面硬度值
Figure BDA0003574587450000041

Claims (6)

1.一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，其特征在于，通过调节电脉冲的高电平时段与持续时间、激光器脉冲激光的入射时刻与激光冲击波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提升，具体步骤如下：
(1)调节电脉冲波形；
(2)调节电脉冲和激光器频率分别为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，使得τ1>τ2；
(4)启动电脉冲发生装置，对工件进行预热，t1时刻后启动激光器，其中t1满足以下关系：t1≥τ1，t1＜f1-1-6τ2；
(5)激光冲击装置从起始点开始进行激光冲击，同时将工件以速度V＝D*f2*(1-p％)沿着设定好的激光冲击路径向冲击终止点移动，直至到达冲击终止点，关闭激光冲击装置；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所述的一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，其特征在于，步骤(1)中，电脉冲为直流电；波形为矩形，半正弦或三角波。
3.如权利要求1所述的一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，其特征在于，步骤(2)中，f1≤1000Hz，f2≤10Hz，m≥1，m为正整数。
4.如权利要求1所述的一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，其特征在于，步骤(3)中，τ1≤200μs，τ2≤50ns。
5.如权利要求1所述的一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，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。
6.如权利要求1所述的一种电脉冲与激光冲击波实时交替的方法，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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