[发明专利]水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法

说明书

本发明公开了一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法。该装置包括排水罩、三维运动机构及复合加工机构；复合加工机构包括激光加工机构及超声频微锻造机构；激光加工机构集成有多种激光加工模式，通过选定任一激光加工模式以在待加工面上形成对应的激光改性层；液压压紧机构能够根据激光加工机构所选择的激光加工模式，通过液压推杆施予超声频微锻造机构对应的进给量，调整超声频微锻造机构与待加工面之间的压紧力。三维运动机构带动复合加工机构移动，促使激光加工机构形成激光改性层、超声频微锻造机构对激光改性层进行超声频微锻造原位强化。因此，本发明适用范围广，应用方便，显著提高效率，降低海洋工程装备的维护和更换成本。

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法，特别适用于水下金属材料工件的表面改性。

背景技术

我国是一个海洋油气资源比较丰富的国家，在南海及东海领域拥有十分丰富的油气资源，仅在南海领域就有油气田180多个。大力开发海洋油气资源对缓解石油供应长期依赖进口的现状，确保国家石油战略安全具有十分积极的意义。海洋油气资源的开发需要大量适用于海洋环境中服役的高强钢，随着我国海洋石油工业的“深水战略”不断实施，海洋资源开发对高强钢的需求必将不断扩大，加之远海环境较近海环境更加恶劣复杂，其在严酷海洋环境中的服役安全问题必将日益凸显。海洋工程结构在服役过程中除了要面临高盐高湿的严酷复杂环境，还时常受到海风、海浪和海流等环境载荷以及作业动态载荷的反复作用，在结构内部产生不断变化的应力。在海洋油气资源勘探和开发过程中，腐蚀尤其是腐蚀疲劳是造成海洋石油工程结构恶性破坏事故和缩短使用寿命的主要原因，海洋工程结构完全具备有发生腐蚀疲劳破坏的环境因素和力学因素。

海洋工程装备的腐蚀疲劳开裂或断裂主要发生在工件表面，通过对表面进行改性是提升海洋工程装备抗腐蚀疲劳的重要途径。激光表面改性技术是当前比较前沿的表面处理技术，激光表面改性技术主要包括激光熔凝技术、激光表面合金化、激光淬火等。激光熔凝技术是利用短波高频激光与金属表面的交互作用，材料表面局部熔化，并迅速移除激光，通过材料基体的热吸收及传导，使重熔的金属迅速冷却，改变材料原有的组织。激光相变硬化技术是在强化过程中表层温度低于熔点，通过固态相变生成马氏体进行强化的过程。在这两个过程中，固溶强化、细晶强化、位错强化等多种机理共同作用于材料表面，实现金属材料的表面强化，能够显著提高金属材料的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性及回火稳定性，并可在一定程度上进行金属材料表面缺陷修复。激光表面合金化技术是在表面熔覆一定厚度的合金改性层，从而提升表面的性能。利用激光改性技术对海洋工程构件进行表面强化，还面临一些技术瓶颈，例如，在激光表面熔凝改性过程中，由于熔体回流作用，激光表面改性区域表面易形成波纹或皱纹，表面具有较高的残余拉应力、搭接过程会造成回火软化等，此外激光致微裂纹、气孔、夹渣、未熔合极易成为腐蚀疲劳裂纹来源，不利于海洋构件疲劳韧性提升。

发明内容

针对当前海洋工程装备金属材料表面经常产生腐蚀微裂纹，甚至发生腐蚀疲劳，亟需进行表面强化的现状，本发明提出一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置和方法。该装置为适应海洋工程装备所处海洋苛刻服役环境需求，在水下采用超声频微锻造技术，原位结合适宜的激光表面改性技术，改善海洋工程装备金属材料表层的组织和力学性能，降低腐蚀疲劳裂纹的敏感性，从而提高海洋工程装备的使用寿命。

为实现上述的技术目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种水下超声频微锻造原位强化激光改性层装置，包括排水罩、三维运动机构以及复合加工机构；其中：

所述的排水罩，为上端封闭、下端敞口设置的空腔构件，且排水罩的敞口端配设有排水裙边，而封闭端则分别设置有空气进气口、保护气进气口；

所述的三维运动机构，悬挂支撑于排水罩内；

所述的复合加工机构，设置于排水罩内并位于三维驱动机构的下方，包括激光加工机构以及超声频微锻造机构；