圓光斑激光沖擊強化軌跡迭加的方法

專利名稱：圓光斑激光沖擊強化軌跡迭加的方法
技術領域：
本發明涉及激光加工領域，尤其是一種圓光斑激光沖擊強化軌跡迭加的方法，適 用于小曲率表面的零件且沖擊區域遠大于激光聚焦光斑的激光沖擊強化處理。
背景技術：
激光沖擊強化Laser Shock Processing,簡寫LSP，又稱為激光噴丸，是利用高功 率密度GW/cn^量級、短脈沖ns量級聚焦強激光束沖擊覆蓋在金屬表面的激光吸收保 護膜，其吸收激光能量后溫度迅速升高，發生氣化、電離、爆炸，誘發高幅值沖擊波， 即光能轉變為沖擊波機械能；高達數GPa的沖擊波壓力使材料表層發生超高應變率微 觀塑性變形，形成殘余壓應力層，從而有效地改善了金屬材料的機械性能，特別能大 幅度提高材料的疲勞壽命、抗應力腐蝕性能。
激光沖擊強化設備主要包括幾部分高平均功率納秒脈沖激光器、運動控制機器 人、水約束過濾加壓裝置、集成控制系統。集成控制系統將激光器、運動控制機器人、 水約束層控制接口通過現場總線(CAN)連接到一臺控制工控機上，在同一控制平臺下 按照工件加工要求、各部分接口數據標準自動協同發送控制指令，使其相互配合工作。
目前激光沖擊強化通常采用膠帶或油漆作為激光沖擊強化的吸收保護層，水作為 約束層。沖擊件表面貼上膠帶或涂覆上均勻的油漆，通過調節水的流速和流量在沖擊 件表面形成均勻的一定厚度的水幕，高功率激光器對沖擊件表面發射激光脈沖，吸收 層吸收激光能量產生高溫高壓等離子體爆炸，誘導高壓等離子體沖擊波，作用于金屬 表面并向內部傳播。在沖擊件表面形成深度達l 2mm的殘余壓應力。
激光沖擊強化是一種能大幅提升材料疲勞性能的新型表面處理技術，目前多用于 對疲勞強度要求很高的航空構件。由于沖擊處理的航空部件制造工藝比較復雜，價格 比較昂貴，在沖擊強化過程中要保證沖擊件的質量，避免沖擊件的損傷。
根據實驗測試數據表明，激光沖擊區域之外存在過渡殘余拉應力，沖擊區域內為 殘余壓應力，這與國內外公開發表的科技文獻中測試結果一致。為保證沖擊區域表面 為分布均勻的殘余壓應力，應將沖擊區域表面處理完全覆蓋，因此在使用圓光斑沖擊 時，需要采取一定覆蓋率的迭加沖擊，以保證沖擊區域被完全處理覆蓋。吸收層采用 金屬膜時，由于金屬膜的延展性，激光沿一個軌跡方向迭加沖擊，金屬膜沿軌跡方向延展，會使金屬膜向外凸起，形成氣泡，從而引起金屬膜的破裂。吸收層為膠帶時， 圓光斑迭加沖擊，相鄰光斑迭加區域受到多次沖擊，由于激光的脈沖能量很高，膠帶 在多次吸收激光能量后，燒蝕破裂。如果吸收層破裂，高能量的脈沖激光將直接作用 于沖擊件表面，既破壞了沖擊件表面的光潔度，脈沖激光束含有的長脈沖系統放大自 發輻射激光的聚焦燒蝕作用也降低了沖擊件的激光沖擊強化效果。
根據我們查閱的相關文件，國內由江蘇大學張永康等人申請的專利《激光沖擊成
形強化系統》，申請號為200610161633 ，主要描述的是激光沖擊成形強化設備的系統 集成，未涉及激光沖擊強化時具體工藝及激光光斑迭加方法。尚未査到國內公開發表 的涉及圓光斑激光沖擊強化軌跡迭加的文章。

發明內容
為了克服現有技術中吸收保護層容易破裂，會燒蝕沖擊件表面的不足，本發明提 出一種圓光斑激光沖擊強化軌跡交替迭加的方法，完成沖擊區域要求的光斑覆蓋率， 提高了沖擊件的激光沖擊強化合格率。
本發明采用圓光斑迭加的方法，將整個沖擊區域覆蓋。為避免金屬膜或膠帶在沖 擊過程中破裂，本發明在沖擊時沒有采用一次貼膜完成整個沖擊強化的過程，而是分
兩次貼膜沖擊或多次貼膜沖擊合成光斑迭加的效果，具體包括以下步驟
第一步，使用兩束激光脈沖能量相同、脈寬相同、聚焦光斑尺寸相同的雙面對沖 的激光強化系統，避免了沖擊件的變形。沖擊件的吸收保護層采用一面有膠體的不透
明膠帶或金屬膜，其中膠體對金屬沖擊件有較好的粘附力(》30N/cm2)，金屬膜延伸 率>30%，膠帶和膠體的總厚度在100-130 P m，金屬膜和膠體的總厚度在50~100 u m。 采用水作為沖擊件的約束層，集成控制系統控制水的流速和流量，在沖擊件沖擊表面 形成均勻的水幕。
第二步，確定沖擊光斑直徑的迭加率為x%，光斑直徑為D， 一般采用圓光斑直 徑迭加率在30%以上。將清洗干凈的沖擊件表面貼上保護吸收層，根據沖擊區域的要 求，選取該區域邊界上某一點為零點，作為第一個光斑中心點，進行第一輪沖擊。這 一輪沖擊的相鄰光斑中心間隔2D(l-;c。/。)，將整個沖擊區域沖擊處理一次。
第三步，視所用保護層材料性質來確定是否清除保護層，重新貼膜，進行第二輪 沖擊。吸收保護層為膠帶時，清除保護層，重新進行貼膜后進行第二輪沖擊；吸收保護層為金屬膜時，直接進行第二輪沖擊。這一輪沖擊的零點與與第一輪沖擊的零點在 橫向上間隔為D.(1-X。/。)。第二輪沖擊的相鄰光斑中心間隔為2D(1-x%)，將整個沖擊 區域沖擊處理一次。
第四步，清除沖擊件上的保護層，重新貼膜。第三輪沖擊的零點與第一輪沖擊的 零點在縱向上間隔為D.(l-jc%)。第三輪沖擊的相鄰光斑中心間隔為2￡ (1-;c%)，將整
個沖擊區域沖擊處理一次。
第五步，視所用保護層材料性質確定是否重新貼膜。吸收保護層為膠帶時，清除 保護層，重新進行貼膜后進行第四輪沖擊；吸收保護層為金屬膜時，直接進行第四輪 沖擊。第四輪沖擊的零點與第三輪沖擊的零點間隔Z).(l-;c。/。)。第四輪沖擊的相鄰光斑
中心間隔為2D(1-x%)，將整個沖擊區域沖擊處理一次。四次沖擊完成后，整個沖擊過 程完成。
當同一區域需要進行多次沖擊時，可重復上述步驟進行更多次貼膜沖擊的方法達 到所要求的沖擊效果。
本發明的有益效果是針對現有技術中吸收保護層容易破裂，造成沖擊件表面燒 蝕的不足，采用多次貼膜多次沖擊的方法，避免了膜層破裂損傷沖擊件表面，又達到 了光斑迭加的沖擊效果。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。


圖1是本發明所述裝置的結構示意圖2是沖擊件雙面沖擊示意圖3是光斑直徑30%迭加示意圖4是光斑直徑50%迭加前兩輪光斑覆蓋示意圖5是光斑直徑50%迭加后兩輪光斑覆蓋示意圖6是光斑直徑50%迭加整體示意圖7是光斑直徑xQ/。迭加示意圖中，l.激光沖擊集成控制系統；2.高功率脈沖激光器；3.可控制水嘴；4運動控 制機器人；5.45°半透半反分光鏡；6.45°全反射鏡；7.沖擊件；8.聚焦鏡；9.吸收層; Ll.第一輪激光沖擊；L2.第二輪激光沖擊；L3.第三輪激光沖擊；L4.第四輪激光沖擊；D.光斑直徑；Wl.同一輪沖擊不同光斑的中心距離；W2兩輪沖擊相鄰光斑中心距離；
xQ/。.光斑直徑迭加率。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
本發明所用激光沖擊強化裝置為現有技術如圖l所示的激光沖擊強化裝置，由
高功率脈沖激光器2發射激光，由45°半透半反分光鏡5將激光分成兩束相同的激光 束，通過一系列45。全反射鏡6的調整，由聚焦鏡8將光程相同的兩束激光分別聚焦， 調節聚焦鏡8的位置，使兩束激光照射在沖擊件7正反兩面的聚焦光斑尺寸相同，脈 寬相同，并且沖擊件表面的光斑使用焦前光斑。可控制的水嘴3噴出水，在沖擊件表 面形成均勻的水幕。調節機器人4使激光與沖擊件7表面法線成一個小的角度。專利 申請號為200910020997.6的專利《一種光隔離激光沖擊強化雙面對沖裝置》具體描述 了雙面對沖的激光沖擊強化裝置。集成控制系統1控制高功率脈沖激光器2的能量、 工作模式，控制機器人4的運動，控制水嘴3的水速和水流量。集成控制系統l可對 機器人4的運動軌跡編程存儲在數據庫中。在激光沖擊時直接調出數據庫由系統自動 控制沖擊過程。
如圖2所示的沖擊件的雙面沖擊示意圖，沖擊件7表面涂覆吸收保護層9，噴水 嘴3噴出的水在吸收保護層表面形成均勻的約束層。吸收保護層9采用一面有膠體的 金屬膜或黑色膠帶。因為鋁的延展性僅次于金、銀，lg Al可拉長成37m的細絲，展 成50r^鋁箔厚度小于0.01mm，因此通常采用鋁箔作為吸收保護層。金屬膜連同膠體 的厚度在50 100um。
利用光斑迭加沖擊來實現沖擊區域的沖擊覆蓋率大于100%,通常采用的方法是 激光聚焦光斑直徑的30%~50%的迭加。
如圖3所示，采用聚焦光斑直徑30%的迭加方法，相鄰迭加光斑圓心距離0.7D。 如果按照光斑間距0.7D順序迭加沖擊直至整個沖擊區域沖擊完成，在沖擊過程中，吸 收保護膜9一定會破裂，造成沖擊件表面的燒蝕。因此，本發明采用交替迭加沖擊來 達到光斑直徑30%迭加沖擊效果，包括以下步驟
第一步，使用兩束激光脈沖能量相同、脈寬相同、聚焦光斑尺寸相同的雙面對沖 的激光強化系統，沖擊件的吸收保護層采用一面有膠體的不透明膠帶，膠帶和膠體的總厚度在120nm，采用水作為沖擊件的約束層，集成控制系統控制水的流速和流量， 在沖擊件沖擊表面形成均勻的水幕。
第二步，第一輪沖擊如圖3所示細實線圓光斑分布L1，這一輪相鄰光斑中心間距 Wl為1.4D，按照Wl的光斑中心間距將待沖擊區域處理一次。
第三步，Ll完成后，去除吸收保護層，重新貼上膠帶，進行第二輪激光沖擊，如 圖3所示細虛線圓光斑分布L2。 L2與Ll的橫向相鄰迭加的光斑中心距離W2， W2 為0.7D。 L2這一輪相鄰的光斑中心間隔與第一輪L1的光斑中心間隔相同，即W1。
第四步，完成第二輪激光沖擊L2，去除吸收保護層，重新貼上膠帶，進行第三輪 激光沖擊，如圖3所示粗實線圓光斑分布L3。 L3與L1縱向相鄰迭加的光斑中心距離 W2為0.7D。這一輪相鄰光斑中心間隔仍然為Wl。
第五步，完成L3的激光沖擊后，去除吸收保護層，再重新貼上膠帶，對沖擊區 域進行第四輪激光沖擊，如圖3粗虛線圓光斑分布L4。 L4與L3橫向相鄰迭加光斑中 心間距W2為0.7D。 L4的相鄰光斑中心間隔W1，完成L4的激光沖擊。以上四步完 成后則完成對整個沖擊區域的沖擊過程。完整的光斑迭加如圖3所示。
當吸收保護膜采用鋁箔時，膠體對金屬沖擊件的粘附力為40N/cm2，鋁箔連同膠 體的厚度在100Mm，由于金屬膜抗激光沖擊燒蝕能力強于膠帶，在整個沖擊過程中可 以只貼兩次。在沖擊完L1后不需要重新貼膜，直接沖擊L2，沖擊完成后，去除金屬 膜，重新貼膜，再完成L3、 L4。
如圖4至圖5所示，采用光斑直徑50%迭加的沖擊方法過程與30%直徑迭加相同， 只是其中W1為D， W2為0.5D。光斑迭加的示意圖如圖6所示。
光斑直徑在30%~50%之間迭加的沖擊方法與30%和50%直徑迭加的過程相同。 其中Wl和W2的取值如圖7所示，光斑直徑迭加率為x。/。時，同一輪沖擊光斑中心距 離W2為1>.(1-x%) ， Wl為W2的2倍。
權利要求
1、圓光斑激光沖擊強化軌跡迭加的方法，其特征在于包括下述步驟第一步，使用兩束激光脈沖能量相同、脈寬相同、聚焦光斑尺寸相同的雙面對沖的激光強化系統，沖擊件的吸收保護層采用一面有膠體的不透明膠帶或金屬膜，其中膠體對金屬沖擊件的粘附力≥30N/cm2，金屬膜延伸率≥30％，膠帶和膠體的總厚度在100～130μm，金屬膜和膠體的總厚度在50～100μm；采用水作為沖擊件的約束層，集成控制系統控制水的流速和流量，在沖擊件沖擊表面形成均勻的水幕；第二步，確定沖擊光斑直徑的迭加率為x％，光斑直徑為D，一般采用圓光斑直徑迭加率在30％以上；將清洗干凈的沖擊件表面貼上保護吸收層，根據沖擊區域的要求，選取該區域邊界上某一點為零點，作為第一個光斑中心點，進行第一輪沖擊；這一輪沖擊的相鄰光斑中心間隔2D(1-x％)，將整個沖擊區域沖擊處理一次；第三步，視所用保護層材料性質來確定是否清除保護層，重新貼膜，進行第二輪沖擊；吸收保護層為膠帶時，清除保護層，重新進行貼膜后進行第二輪沖擊；吸收保護層為金屬膜時，直接進行第二輪沖擊；這一輪沖擊的零點與與第一輪沖擊的零點在橫向上間隔為D·(1-x％)，第二輪沖擊的相鄰光斑中心間隔為2D(1-x％)，將整個沖擊區域沖擊處理一次；第四步，清除沖擊件上的保護層，重新貼膜；第三輪沖擊的零點與第一輪沖擊的零點在縱向上間隔為D·(1-x％)，第三輪沖擊的相鄰光斑中心間隔為2D(1-x％)，將整個沖擊區域沖擊處理一次；第五步，視所用保護層材料性質確定是否重新貼膜；吸收保護層為膠帶時，清除保護層，重新進行貼膜后進行第四輪沖擊；吸收保護層為金屬膜時，直接進行第四輪沖擊；第四輪沖擊的零點與第三輪沖擊的零點間隔D·(1-x％)，第四輪沖擊的相鄰光斑中心間隔為2D(1-x％)，將整個沖擊區域沖擊處理一次；四次沖擊完成后，整個沖擊過程完成。
2、 根據權利要求1所述的圓光斑激光沖擊強化軌跡迭加的方法，其特征在于所述 的第二步至第五步可重復執行達到多次沖擊的效果。
全文摘要
本發明公開了一種圓光斑激光沖擊強化軌跡迭加的方法，使用雙面對沖激光強化系統，沖擊件的吸收保護層采用一面有膠體的不透明膠帶或金屬膜，采用水作為沖擊件的約束層；確定沖擊光斑直徑的迭加率為x％，光斑直徑為D，進行四輪沖擊；每一輪沖擊的相鄰光斑中心間隔2D(1-x％)，相鄰兩輪沖擊的零點在橫向上間隔為D·(1-x％)，視所用保護層材料性質確定每一輪之間是否重新貼膜。本發明避免了膜層破裂損傷沖擊件表面，又達到了光斑迭加的沖擊效果。
文檔編號C21D1/09GK101537534SQ20091002210
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月20日 優先權日2009年4月20日
發明者何艷磊, 李國杰, 李應紅, 毋乃靚 申請人:西安天瑞達光電技術發展有限公司