一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法技术

本发明专利技术涉及激光加工领域，特指一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法，利用吸收层厚度与激光冲击强化塑性变形关系，采用厚度交错分布的网格状吸收层与两层交错的激光冲击加工方法相配合，明显降低方形光斑冲击产生的微凸起与微凹坑的高度差，有效减小工件表面的粗糙度，从而在工件表面形成大面积均匀表面微形貌。

【技术实现步骤摘要】
一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法
本专利技术涉及激光加工领域，特指一种获得大面积均匀表面形貌方法，特别适合于大面积金属表面的均匀强化处理。
技术介绍
激光冲击强化(又叫激光喷丸)是一种新型的材料表面强化技术，利用强激光诱导的冲击波力学效应对材料进行加工，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点。其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力，大量的研究证明激光冲击强化技术是延长裂纹萌生时间降低裂纹扩展速度提高材料寿命的有效手段。工件表面的微观形貌对其质量和性能有显著影响，直接影响到工件表面的接触强度、抗腐蚀性、耐磨性、密封性、抗疲劳性等。由于激光冲击强化会使工件表面光斑冲击中间区域产生塑性变形形成微凹坑，在光斑边缘由于边界效应容易凸起，表面粗糙度增大，形成应力集中，导致疲劳裂纹萌生和发展；常用零件大面积激光冲击强化通常采用圆形光斑搭接冲击导致表面粗糙度较大，满足不了动力传递关键部件(比如涡轮发动机风扇叶片)的表面粗糙度的要求，圆形光斑搭接冲击也会导致残余应力表面不均匀和深度方向上的不一致，从而导致待处理工件疲劳失效。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法，即采用厚度交错分布的网格状吸收层与两层交错的激光冲击加工方法相配合，明显降低方形光斑冲击产生的微凸起与微凹坑的高度差，有效减小工件表面的粗糙度，从而在工件表面形成大面积均匀表面微形貌和强化效果，具体步骤为：(1)将工件安装五轴工作台上，并在工件待加工表面覆盖网格状吸收层。(2)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，相邻方形光斑的搭接距离为f。(3)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角重合在冲击区域起始拐角作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，即图3(a)中的A点，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。(4)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化。(5)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角的重合位置从步骤(3)中的冲击区域起始拐角X方向向冲击区域外偏移a/2，Y方向向冲击区域外偏移a/2，作为第二层的激光冲击强化处理起始点位置，即图3(b)中的B点，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。(6)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第二层激光冲击强化。本专利技术所采用的激光冲击强化用的脉冲激光束为正方形光斑，边长为2-8mm，频率为1-5Hz，脉宽为8-30ns，脉冲能量3-15J。所述的网格吸收层的设计为即相邻方形光斑搭接区域对应的吸收层区域采用较小厚度d1，其他区域的吸收层采用较大厚度d2；网格吸收层正面表面较小厚度处为凹槽，背面为平面；吸收层较小厚度d1可根据公式计算，其中为涂层气化速度，为压力脉冲持续时间，为脉冲激光脉宽3-4倍，较大厚度d2可根据公式计算，其中为冲击材料的泊松比，正面表面凹槽圆角为0.1-0.2mm，网络吸收层背面具有粘性，能够吸附在光滑工件表面；采用两层交错激光冲击强化，两层激光冲击强处理工艺参数保持不变，并且第二层激光冲击强化处理起始点位置与第一层激光冲击强化处理起始点位置X方向相差a/2，Y方向相差a/2；每层方形光斑激光冲击强化过程中行间和列间相邻光斑的搭接率f/a为8-12％。本专利技术采用吸收层制备方法为：将GN-521有机硅凝胶、氰基丙烯酸酯、甲基叔丁基醚按照质量比5：3：2的比例在70-90℃反应10min～30min，正面根据方形光斑边长和搭接率制凸模压制，背面为平面，冷却以后形成0.8-1mm厚度的网格吸收层。本专利技术的有益效果：明显降低微凹坑与微凸起的高度差，控制工件表面塑性变形，有效减小表面粗糙度。附图说明图1为获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化装置示意图。图2为网格状吸收层正面示意图，D-D为网格状吸收层界面示意图.其中a为方形光斑尺寸，f为相邻方形光斑搭接距离，搭接率为f/a，d1为相邻方形光斑搭接区域吸收层的厚度，d2为其他区域的吸收层厚度。图3为工件表面激光冲击区域光斑示意图.(a)第一层，(b)第二层；其中a为方形光斑尺寸，f为相邻方形光斑搭接距离；A为第一层激光冲击起始点，B为第二层激光冲击起始点。图4为激光冲击后工件截面示意图.其中h1为第一次激光冲击后微凸起与微凹坑的高度差，h2为第二次激光冲击后微凸起与微凹坑的高度差。图中：1.激光器，2.激光器控制装置，3.方形激光束，4.流水约束层，5.网格状吸收层，6.工件，7.五轴工作台，8.数控系统，9.矩形激光冲击区域，10.微凸起，11.初始平面位置，12.微凹坑，22.中间区域，23.过渡区域，24.边缘区域。具体实施方式下面结合附图对本发作明详细说明。本专利技术提供了一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法，即采用厚度交错分布的网格状吸收层与两层交错的激光冲击加工方法相配合，明显降低方形光斑冲击产生的微凸起与微凹坑的高度差，有效减小工件表面的粗糙度，从而在工件表面形成大面积均匀表面微形貌和强化效果，具体步骤为：(1)将工件6安装五轴工作台7上，并在工件6待加工表面覆盖网格状吸收层5。(2)通过激光器控制装置2设定激光器1的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，相邻方形光斑的搭接距离为f。(3)通过数控系统8调节五轴工作台7使激光束位置与网格状吸收层5的单个网格中心重合在A点，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。(4)采用流水约束层4，打开激光器1，采用逐行加工的方法通过数控系统8控制五轴工作台7的移动和转动实现对工件6待加工表面进行第一层激光冲击强化。(5)通过数控系统8调节五轴工作台7使激光束位置与网格状吸收层5的单个网格中心重合在B点，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致。(6)采用流水约束层4，打开激光器1，采用逐行加工的方法通过数控系统8控制五轴工作台7的移动和转动实现对工件6待加工表面进行第二层激光冲击强化。本专利技术所采用的激光冲击强化用的脉冲激光束为正方形光斑，边长为2-8mm，频率为1-5Hz，脉宽为8-30ns；所述的网格吸收层的设计为即相邻方形光斑搭接区域对应的吸收层区域采用较小厚度d1，其他区域的吸收层采用较大厚度d2；网格吸收层正面表面较小厚度处为凹槽，背面为平面；吸收层较小厚度d1可根据公式计算，其中为涂层气化速度，为压力脉冲持续时间，一般为脉冲激光脉宽3-4倍，较大厚度d2可根据公式计算，其中为冲击材料的泊松比，正面表面凹槽圆角为0.1-0.2mm，网络吸收层背面具有粘性，能够吸附在光滑工件表面；采用两层交错激光冲击强化，两层激光冲击强处理工艺参数保持不变，并且第二层激光冲击强化处理起始点位置与第一层激光冲击强化处理起始点位置X方向相差a/2，Y方向相差a/2；每层方形光斑激光冲击强化过程中行间和列间相邻光斑的搭接率f/a为8-12％。本专利技术采用吸收层制备方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法，其特征在于：采用厚度交错分布的网格状吸收层与两层交错的激光冲击加工方法相配合，两层激光冲击强处理工艺参数保持不变，并且第二层激光冲击强化处理起始点位置与第一层激光冲击强化处理起始点位置X方向相差a/2，Y方向相差a/2；从而降低方形光斑冲击产生的微凸起与微凹坑的高度差，有效减小工件表面的粗糙度，从而在工件表面形成大面积均匀表面微形貌和强化效果。

【技术特征摘要】
1.一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法，其特征在于：采用厚度交错分布的网格状吸收层与两层交错的激光冲击加工方法相配合，两层激光冲击强化处理工艺参数保持不变，并且第二层激光冲击强化处理起始点位置与第一层激光冲击强化处理起始点位置X方向相差a/2，Y方向相差a/2；从而降低方形光斑冲击产生的微凸起与微凹坑的高度差，有效减小工件表面的粗糙度，从而在工件表面形成大面积均匀表面微形貌和强化效果；具体步骤如下：(1)将工件安装五轴工作台上，并在工件待加工表面覆盖网格状吸收层；(2)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，使其光斑形状为方形，相邻方形光斑的搭接距离为f；(3)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角重合在冲击区域起始拐角作为第一层的激光冲击强化处理起始点位置，并使网格约束层的X轴和Y轴与工作台的X轴和Y轴一致；(4)采用流水作为约束层，打开激光器，采用逐行加工的方法通过数控系统控制五轴工作台的移动和转动实现对工件待加工表面进行第一层激光冲击强化；(5)通过数控系统调节五轴工作台使激光束位置与网格状吸收层的单个网格拐角的重合位置从步骤(3)中的冲击区域起始拐角X方向向冲击区域外偏移a/2，Y方向向冲击区域外偏移a/2，作为第二层的激光冲击强化处理起始点位...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁金忠，邢佳，罗开玉，林通，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32