CN114990323B - 磁水双约束脉冲激光冲击强化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及齿轮表面改性技术领域，尤其是涉及一种磁水双约束脉冲激光冲击强化方法及系统，磁水双约束脉冲激光冲击强化方法包括如下步骤：对渗碳淬火齿轮试样的齿面进行清洗及吹干；将渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面置于磁场中；在待强化齿面布置吸收层及流体约束层，且吸收层紧贴在待强化齿面设置，而后对待强化齿面进行激光冲击强化处理；测试处理后的齿面的表面的硬度\粗糙度，若不满足预设要求，则调节参数并再次进行激光冲击处理，直至硬度值、粗糙度值满足预设要求为止。可见，采用磁/水双约束脉冲激光冲击强化技术对渗碳淬火齿轮的待强化齿面进行强化处理，提高了齿轮抗胶合能力的效果。

Description

磁水双约束脉冲激光冲击强化方法及系统

技术领域

本申请涉及齿轮表面改性技术领域，尤其是涉及一种磁水双约束脉冲激光冲击强化方法及系统。

背景技术

目前，渗氮、添加涂层、喷丸等技术已应用于齿轮抗胶合制造中，但都存在各在的缺点。激光冲击强化技术不仅可在零件表面形成残余压应力，而且残余压应力深度可达1.5mm～2mm，还可细化表层晶粒，相对于渗氮、添加涂层、喷丸等技术，有其独特的优越性。目前该技术尚未全面在齿轮抗胶合领域中应用，仅少量的应用仍存在以下问题亟需解决：激光冲击强化时，由于只采用单一水层做保护层，激光冲击能量较弱，难以使待强化金属材料的表层产生足够的高应变率塑性变形，难以改变待强化金属的表层微观组织，或对待强化金属表层的强化深度较小，在强化后进行机加工修整时容易去除金属强化层。

发明内容

本申请的目的在于提供一种磁水双约束脉冲激光冲击强化方法及系统，在一定程度上解决了现有技术中存在的在齿轮抗胶合领域中，激光冲击强化时，由于只采用单一水层做保护层，激光冲击能量较弱，难以使待强化金属材料的表层产生足够的高应变率塑性变形，难以改变待强化金属的表层微观组织，或对待强化金属表层的强化深度较小的技术问题。

本申请提供了一种磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，包括如下步骤：

对渗碳淬火齿轮试样的齿面进行清洗以及吹干；

将所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面置于磁场中；

在所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面布置用于被激光束激发产生带电粒子团的吸收层以及用于对所述带电粒子团进行约束的流体约束层，且所述吸收层紧贴所述待强化齿面设置，而后对所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面进行激光冲击强化处理；

对激光冲击强化后的所述渗碳淬火齿轮试样的齿面的表面的硬度、粗糙度进行测试，如测得的硬度值、粗糙度不满足预设要求，则调整激光冲击强化的相关参数，再次进行激光冲击强化处理，直至激光冲击强化后的所述渗碳淬火齿轮试样的齿面的表面的硬度值和粗糙度值满足预设要求为止；

在激光强化工艺步骤中，所述磁场的磁感线与所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面相平行设置，且所述磁场的磁感线的方向由上向下，所述待强化齿面位于所述磁场的几何中心线的一侧，并且靠近激光发生器设置，且所述待强化齿面与所述磁场的几何中心线的距离为(1/4～1/3)B，其中，B为磁极的宽度；

调整所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面的方位和/或激光发生器的方位，以使得激光发射器的发射部与所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面的表面之间的距离为300mm～800mm；

以使得激光发生器所发射的激光束以40℃～90℃的角度入射至待强化齿面的表面。

在上述技术方案中，进一步地，在激光强化工艺步骤中，激光发生器发射的激光束经过平凸透镜聚焦到所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述平凸透镜的焦距为100mm～200mm。

在上述任一技术方案中，进一步地，在激光强化工艺步骤中，采用的工艺参数如下：激光波长为193nm～1064nm，激光能量为2J～9J，光斑直径为0.5mm～3mm，脉宽为8ns～10ns，冲击次数为1次～3次，光斑搭接率为40％～75％，所述吸收层为750μm～120μm厚的不透明铝箔，所述流体约束层为1mm～2mm厚的流水层，所述渗碳淬火齿轮试样的旋转角度为2π/Z，Z为齿数。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述磁场的强度为1T～1.5T。

在上述任一技术方案中，进一步地，所述对渗碳淬火齿轮试样的齿面进行清洗以及吹干包括如下步骤：首先对所述渗碳淬火齿轮的待强化齿面逐级进行碱洗、酒精超声清洗处理，最后吹干备用。

本申请还提供了一种磁水双约束脉冲激光冲击强化系统，包括激光发生器、平凸透镜、磁场、分度旋转装置、夹具以及喷水构件；

其中，所述磁场的磁感线的方向沿着竖直方向由上向下；所述分度旋转装置设置于所述磁场中；所述夹具设置于所述分度旋转装置；

所述激光发生器位于所述磁场的一侧，且所述平凸透镜设置于所述激光发生器与所述磁场之间，以使得所述激光发生器所发出的激光经由所述平凸透镜进入所述磁场；

所述喷水构件设置于所述夹具的侧上方，用于向置于所述夹具上的渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面喷洒层流水。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法中，采用磁/水双约束脉冲激光冲击强化技术对渗碳淬火齿轮待强化齿面进行强化处理，达到提高齿轮抗胶合能力的效果，也为通过磁/水双约束脉冲激光冲击强化技术来提高齿轮的抗胶合、抗疲劳、抗磨损等性能。

本申请提供的磁水双约束脉冲激光冲击强化系统，应用于上述的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，因而，具有该磁水双约束脉冲激光冲击强化方法的全部有益技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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为本申请实施例提供的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的磁水双约束脉冲激光冲击强化系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的磁水双约束脉冲激光冲击强化系统的磁场的分布图；

图4为渗碳淬火齿轮经激光冲击强化处理后横截面宏观形貌。

附图标记：

1-激光发生器，2-平凸透镜，3-N磁极，4-S磁极，5-渗碳淬火齿轮试样，51-待强化齿面，6-夹具，7-分度旋转装置，8-吸收层，9-流体约束层，10-磁感线。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。

基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面参照图1至图4描述根据本申请一些实施例所述的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法及系统。

实施例一

参见图1至图3所示，本申请的实施例提供了一种磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，包括如下步骤：

步骤100、对渗碳淬火齿轮试样5的齿面进行清洗以及吹干，具体地，首先对渗碳淬火齿轮的待强化齿面51进行碱洗、酒精超声清洗处理，最后吹干备用。

步骤200、将经过步骤100处理后的渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51置于稳定的磁场环境中，例如可利用夹具6将渗碳淬火齿轮试样5固定在下文所述的分度旋转装置7上，再将渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51置于稳态磁场环境中；

其中，待强化齿面51位于磁场的几何中心线的一侧，并且靠近激光发生器1设置，优选地，待强化齿面51与磁场的几何中心线的距离为(1/4～1/3)B，其中，B为磁极的宽度；磁场的强度为1T～1.5T；

此外，在渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51布置用于被激光束激发产生带电粒子团的吸收层8以及用于对带电粒子团进行约束的流体约束层9，且吸收层8紧贴待强化齿面51设置；

优选地，吸收层8为750μm～120μm厚的不透明铝箔，流体约束层9为1mm～2mm厚的流水层。

步骤300、设置激光冲击强化工艺参数，对渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51进行激光冲击强化处理；

其中，磁场的磁感线10与渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51相平行设置，且磁场的磁感线10的方向由上向下，且优选地，磁场是由N磁极3和S磁极4形成的，沿着竖直方向，N磁极3在S磁极4的上方；

调整渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51的方位和/或激光发生器1的方位，以使得激光发射器的发射部与渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51的表面之间的距离为300mm～800mm，激光发生器1所发射的激光束以40℃～90℃的角度入射至待强化齿面51；

采用的工艺参数如下：激光波长为193nm～1064nm，激光能量为2J～9J，光斑直径为0.5mm～3mm，脉宽为8ns～10ns，冲击次数为1次～3次，光斑搭接率为40％～75％，渗碳淬火齿轮试样5的旋转角度为2π/Z，Z为齿数；

而且注意：在激光发生器1和渗碳淬火齿轮试样5之间还设置有平凸透镜2，使得激光发生器1发射的激光束经过平凸透镜2聚焦到所述渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51。

步骤400、采用硬度计对经步骤300处理后的渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面进行硬度测试，判断经激光冲击强化后的渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面硬度是否达到标准要求。

步骤500、采用粗糙度仪对经步骤300处理后的渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面进行粗糙度测试，判断经激光冲击强化后的渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面粗糙度是否达到标准要求。(注意：上述的步骤400和步骤500可以根据实际需要调整)

步骤600、若经激光冲击强化后的渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面硬度不符合预定值，和/或，经激光冲击强化后的渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面粗糙度不符合预定值，则对激光冲击强化的相关参数进行调整，调整后再次进行激光表面强化处理，而后再次进行步骤400和步骤500的操作，重复上述操作，直到渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面硬度和表面粗糙度均满足标准要求。

基于以上描述的方法，选取市售的试验样品1、试验样品2、试验样品3、试验样品4、试验样品5以及试验样品6，这六种不同型号的渗碳淬火齿轮作为试验对象，其基体材料均为18CrNiMo7-6钢，分别对渗碳淬火基体和渗碳淬火基体的表面施用本发明中提供的一种渗碳淬火齿轮齿面激光冲击强化方法，并且对试验后的显微硬度和表面粗糙度进行测量，结果如表一所示。

表一

从表中可以看出，与渗碳淬火18CrNiMo7-6钢相比，经本发明提供的一种用于渗碳淬火齿轮齿面磁/水双约束脉冲激光冲击强化方法处理后，其表面硬度显著提高，是渗碳淬火18CrNiMo7-6钢表面硬度的1.097～1.120倍，表面粗糙度虽有一定程度降低，但激光冲击强化后，表面粗糙度Ra值为0.60～0.64，仍满足渗碳淬火齿轮的表面粗糙度要求。

综上，本磁水双约束脉冲激光冲击强化方法具有如下结构和优点：

本方法采用磁场+水层双约束，与单一的水层约束相比，增强了对脉冲激光诱导等离子体的约束，在磁压力作用下使等离子冲击波沿着垂直于待强化齿面51表面膨胀，且显著提高了等离子体冲击波膨胀速度，增大等离子体冲击波压强，其中，等离子冲击波压强增大原理为：在磁场约束条件下，等离子体膨胀瞬时，粒子运动速度比较快，磁场约束等离子体使粒子做回旋运动，导致电子密度增加，压强增加。

此外，将待强化齿面51的表面设置在距稳态磁场中心位置的一侧，并靠近激光发生器1，在此位置，等离子体膨胀方向与磁场线曲率和梯度方向相反，磁性压力适中，电子-离子碰撞产生的欧姆热较少，降低能量损耗，从而确保等离子体冲击波膨胀速度，提高冲击能量。

可见，经过本方法处理后，可以使渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面形成残余压应力，且残余压应力层深度可达1.2mm～2.2mm，还可以细化表层晶粒，经激光冲击强化处理后渗碳淬火齿轮的使用寿命是无激光冲击强化淬火齿轮的2.5～5倍，可见，本方法属于有效提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术，具体可参见图4所示。此外，本方法是一种绿色清洁表面改性方法，有利于环保。

实施例二

本申请的实施例还提供一种磁水双约束脉冲激光冲击强化系统，应用于上述实施例一所述的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，因而，具有该磁水双约束脉冲激光冲击强化方法的全部有益技术效果，相同的技术特征及有益效果不再赘述。

在该实施例中，磁水双约束脉冲激光冲击强化系统包括激光发生器1、平凸透镜2、磁场、分度旋转装置7、夹具6以及喷水构件；

其中，磁场的磁感线10的方向沿着竖直方向由上向下，且优选地，磁场是由N磁极3和S磁极4形成的，沿着竖直方向，N磁极3在S磁极4的上方；分度旋转装置7设置于磁场中；夹具6设置于分度旋转装置7；

激光发生器1位于磁场的一侧，且平凸透镜2设置于激光发生器1与磁场之间，以使得激光发生器1所发出的激光经由平凸透镜2进入磁场；

喷水构件设置于夹具6的侧上方，用于向置于夹具6上的渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51喷洒层流水。

本申请提供的磁水双约束脉冲激光冲击强化系统的工作原理如下：

首先将渗碳淬火齿轮试样5固定在夹具6上，并且调整渗碳淬火齿轮试样5的方位和激光发生器1的方位，以满足试验要求，而后在渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51贴附不透明铝箔，而后在渗碳淬火齿轮试样5的喷洒层流水，最后开启激光发生器1以及分度旋转装置7，对渗碳淬火齿轮试样5进行激光冲击强化处理。

可见，利用本装置结合前述的方法，能够对渗碳淬火齿轮试样5的待强化齿面51进行激光冲击强化处理，可以使渗碳淬火齿轮的待强化齿面51的表面形成残余压应力，且残余压应力层深度可达1.2mm～2.2mm，还可以细化表层晶粒，经激光冲击强化处理后渗碳淬火齿轮的使用寿命是无激光冲击强化齿轮的2.5～5倍，可见，本方法属于有效提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。

进一步，优选地，喷水构件为喷头，喷头可通过支架固定在夹具6的斜上方。

进一步，优选地，夹具6为现有技术中常采用的液涨芯轴。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，其特征在于，包括如下步骤：

对渗碳淬火齿轮试样的齿面进行清洗以及吹干；

将所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面置于磁场中；

在所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面布置用于被激光束激发产生带电粒子团的吸收层以及用于对所述带电粒子团进行约束的流体约束层，且所述吸收层紧贴所述待强化齿面设置，而后对所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面进行激光冲击强化处理；

对激光冲击强化后的所述渗碳淬火齿轮试样的齿面的表面的硬度、粗糙度进行测试，如测得的硬度值、粗糙度不满足预设要求，则调整激光冲击强化的相关参数，再次进行激光冲击强化处理，直至激光冲击强化后的所述渗碳淬火齿轮试样的齿面的表面的硬度值和粗糙度值满足预设要求为止；

在激光强化工艺步骤中，所述磁场的磁感线与所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面相平行设置，且所述磁场的磁感线的方向由上向下，所述待强化齿面位于所述磁场的几何中心线的一侧，并且靠近激光发生器设置，且所述待强化齿面与所述磁场的几何中心线的距离为(1/4～1/3)B，其中，B为磁极的宽度；

调整所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面的方位和/或激光发生器的方位，以使得激光发射器的发射部与所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面的表面之间的距离为300mm～800mm；

以使得激光发生器所发射的激光束以40℃～90℃的角度入射至待强化齿面的表面。

2.根据权利要求1所述的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，其特征在于，在激光强化工艺步骤中，激光发生器发射的激光束经过平凸透镜聚焦到所述渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面。

3.根据权利要求2所述的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，其特征在于，所述平凸透镜的焦距为100mm～200mm。

4.根据权利要求1所述的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，其特征在于，在激光强化工艺步骤中，采用的工艺参数如下：激光波长为193nm～1064nm，激光能量为2J～9J，光斑直径为0.5mm～3mm，脉宽为8ns～10ns，冲击次数为1次～3次，光斑搭接率为40％～75％，所述吸收层为750μm～120μm厚的不透明铝箔，所述流体约束层为1mm～2mm厚的流水层，所述渗碳淬火齿轮试样的旋转角度为2π/Z，Z为齿数。

5.根据权利要求1所述的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，其特征在于，所述磁场的强度为1T～1.5T。

6.根据权利要求1所述的磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，其特征在于，所述对渗碳淬火齿轮试样的齿面进行清洗以及吹干包括如下步骤：首先对所述渗碳淬火齿轮的待强化齿面逐级进行碱洗、酒精超声清洗处理，最后吹干备用。

7.一种磁水双约束脉冲激光冲击强化系统，其特征在于，应用于如权利要求1至6中任一项所述磁水双约束脉冲激光冲击强化方法，且所述磁水双约束脉冲激光冲击强化系统包括激光发生器、平凸透镜、磁场、分度旋转装置、夹具以及喷水构件；

其中，所述磁场的磁感线的方向沿着竖直方向由上向下；所述分度旋转装置设置于所述磁场中；所述夹具设置于所述分度旋转装置；

所述激光发生器位于所述磁场的一侧，且所述平凸透镜设置于所述激光发生器与所述磁场之间，以使得所述激光发生器所发出的激光经由所述平凸透镜进入所述磁场；

所述喷水构件设置于所述夹具的侧上方，用于向置于所述夹具上的渗碳淬火齿轮试样的待强化齿面喷洒层流水。