[发明专利]一种获得大面积均匀表面形貌的激光冲击强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工领域，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。

背景技术

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。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明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。

本发明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2-8 mm，频率为1-5 Hz，脉宽为8-30 ns，脉冲能量3-15 J。

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0.1-0.2 mm，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%。

本发明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10 min~30 min，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0.8-1 mm厚度的网格吸收层。

本发明的有益效果：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。