一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法及装置，实施该方法的结构包括高能脉冲激光、约束层、预紧力、吸收层、弹性接触膜、微凹坑和金属工件。其工作原理是吸收层在高能脉冲激光辐照下，产生等离子爆炸，等离子爆炸在约束层的约束作用下产生高压冲击波，在该冲击波作用下，弹性接触膜产生弹性变形，而待处理金属工件表面产生塑性变形，当冲击波作用消失后，待处理金属工件表面将形成微凹坑，并产生高幅残余压应力层，在预紧力的作用下，弹性接触膜回弹至初始状态；当进行搭接处理时，在预紧力作用下，弹性接触膜产生遮挡作用，使搭接区域的二次变形程度大幅度降低甚至不产生二次变形，从而大幅度降低由于搭接区域的二次塑性变形引起的表面粗糙度。采用本发明可以进一步提高激光冲击波强化中金属工件的疲劳性能，可应用于金属表面的强化处理。
【专利说明】一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及特种加工领域，具体涉及一种激光冲击波强化技术。
【背景技术】
[0002] 激光冲击波强化是一种新型的材料表面强化技术，可以在金属制件表面获得高幅 残余压应力层，大大提高制件的疲劳寿命，与常规喷丸技术相比，其残余压应力层更深。21 世纪初，美国将激光冲击技术应用到F10UF119和F414发动机叶片的强化和再制造上。
[0003] 激光冲击波强化一般采用圆形激光光斑进行，激光冲击波强化是通过强冲击波对 金属表面进行强化处理，因此，会在表面造成塑形变形，形成一个深度为数个微米的微凹 坑，当对大面积的区域进行激光冲击强化时，为使整个处理区域得到强化，相邻光斑之间必 须要有一定的搭接量，形成一定的重叠区域，在搭接区域形成二次塑性变形，从而使表面粗 糙度大幅上升，这在很大程度上抵消了由残余压应力引起的疲劳寿命提高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法及装置， 以降低在对大面积区域进行激光冲击波强化时，由于搭接区域的二次塑性变形引起的表面 粗糙度，从而进一步提高待处理金属工件疲劳性能。
[0005] 为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下： 一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于：利用吸收层（4)在高能 脉冲激光（1)辐照下，产生等离子爆炸，等离子爆炸在约束层（2)的约束作用下产生高压冲 击波；在所述冲击波作用下，弹性接触膜（5)产生弹性变形，使待处理金属工件表面产生塑 性变形，当冲击波作用消失后，待处理金属工件（7)表面将形成微凹坑￠)，并产生高幅残 余压应力层，在预紧力（3)的作用下，弹性接触膜（5)回弹至初始状态，当进行搭接处理时， 在预紧力（3)作用下，弹性接触膜（5)产生遮挡作用，使搭接区域（8)的二次变形程度大幅 度降低甚至不产生二次变形，从而大幅度降低由于搭接区域（8)的二次塑性变形引起的表 面粗糙度。
[0006] 所述的弹性接触膜（5)为金属薄膜，厚度为5(Γ150 μ m，硬度高于金属工件（7);在 应变率高达106s4的情况下，弹性接触膜（5)的动态屈服强度大于金属工件（7)的雨贡纽 极限（HEL);弹性接触膜（5)的下表面经抛光处理。
[0007] 所述的预紧力（3)其大小必须保证在激光冲击波强化过程中，吸收层（4)、弹性接 触膜（5)和金属工件（7)之间不产生相对滑移。
[0008] 所述的高能脉冲激光（1)的脉宽范围为l(T30nS，功率密度范围为lO^KTGW/cm 2， 高能脉冲激光（1)产生的冲击波的峰值压力小于弹性接触膜（5)的动态屈服强度，且大于 金属工件（7)的雨贡纽极限HEL。
[0009] 实施所述的一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法的装置，其特征在于： 包括从上到下依次覆盖在金属工件（7)待处理表面上的高能脉冲激光（1)、约束层（2)、预 紧力（3)、吸收层（4)、弹性接触膜（5)和金属工件（7);约束层（2)、吸收层（4)和弹性接触 膜（5)，吸收层（4)、弹性接触膜（5)和金属工件（7)通过预紧力（3)依次紧密贴合。
[0010] 本发明的工作原理为：吸收层在高能脉冲激光辐照下，产生等离子爆炸，等离子爆 炸在约束层的约束作用下产生高压冲击波，在该冲击波作用下，弹性接触膜产生弹性变形， 而待处理金属工件表面产生塑性变形，当冲击波作用消失后，待处理金属工件表面将形成 微凹坑，并产生高幅残余压应力层，而弹性接触膜回弹至初始状态，当进行搭接处理时，在 预紧力作用下，由于弹性接触膜的遮挡作用，搭接区域的二次变形程度大幅度降低甚至不 产生二次变形，从而大幅度降低由于搭接区域的二次塑性变形引起的表面粗糙度的大幅度 提1?。
[0011] 本发明具有的有益效果。本发明通过在吸收层和金属工件之间放置一弹性接触膜 和精确控制高能脉冲激光产生的高压冲击波的峰值压力，保证了金属工件表面产生激光冲 击波强化效果而弹性接触膜仍然回弹至初始状态，在预紧力的作用下，在对大面积区域进 行激光冲击波强化时，搭接区域的二次变形程度大幅度降低甚至不产生二次变形，大幅度 降低了激光冲击波强化的表面粗糙度，可以进一步提高待处理金属工件的疲劳性能；弹性 接触膜的硬度高于待处理金属，并且其下表面经抛光处理，在高压冲击波作用下，金属工件 的粗糙表面可以得到一定程度的抛光。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是本发明激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法示意图； 图中：1高能脉冲激光2约束层3预紧力4吸收层5弹性接触膜6微凹坑7金属工 件8搭接区域。
[0013] 图2为本发明搭接方式下激光冲击波强化以及粗糙度测量基准线示意图。
[0014] 图中：9测量基准线。
【具体实施方式】
[0015] 为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说 明。
[0016] 本发明的一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法如图1所示，包括工作台 高能脉冲激光1、约束层2、预紧力3、吸收层4、弹性接触膜5、微凹坑6、金属工件7和搭接 区域8。约束层2、吸收层4、弹性接触膜5依次覆盖在金属工件7待处理表面上。吸收层 4、弹性接触膜5和金属工件7通过预紧力3紧密贴合，不产生相对位移。
[0017] 在下述实施实例中，高能脉冲激光1脉宽为10ns，激光光斑直径为3mm，功率密度 为3X 109GW/cm2,高能脉冲激光1产生的峰值压力约为2GPa ;约束层2为流动的去离子水 膜，其厚度约为1mm ;弹性接触膜5的材质为60Si2CrVA，其硬度为700HV，动态屈服强度约为 2. 8GPa ;金属工件7材质为LY2铝合金，其硬度为130HV，雨贡纽极限HEL约为lGPa，初始表 面粗糙度为1.83 μ m。
[0018] 实施实例一 本实例进行了两组对比试验，第一组采用常规的激光冲击波强化方法，吸收层4为厚 度为150 μ m的铝箔；第二组采用本发明的激光冲击波强化方法，吸收层4为厚度为100 μ m 的铝箔，弹性约束层厚度为50 μ m。两组试验中相邻激光光斑中心之间的距离为5mm。
[0019] 图2是本实施实例中搭接方式下激光冲击波强化以及粗糙度测量基准线，测得常 规激光冲击波强化方法下，沿图2的测量基准线测得的线粗糙度为3. 27 μ m ;本发明的激光 冲击波强化方法下，沿图2的测量基准线9测得的线粗糙度为0. 65 μ m，粗糙度大幅度降低。
[0020] 实施实例二 本实例进行了两组对比试验，第一组采用常规的激光冲击波强化方法，吸收层4为厚 度为150 μ m的铝箔；第二组采用本发明的激光冲击波强化方法，吸收层4为厚度为100 μ m 的铝箔，弹性约束层厚度为50 μ m。两组试验中相邻激光光斑中心之间的距离为4. 2mm。
[0021] 2测得常规激光冲击波强化方法下，沿图2的测量基准线测得的线粗糙度为 4. 46 μ m;本发明的激光冲击波强化方法下，沿图2的测量基准线9测得的线粗糙度为 0. 89 μ m，粗糙度大幅度降低。
[0022] 实施实例三 本实例进行了两组对比试验，第一组采用常规的激光冲击波强化方法，吸收层4为厚 度为150 μ m的铝箔；第二组采用本发明的激光冲击波强化方法，吸收层4为厚度为100 μ m 的铝箔，弹性约束层厚度为50 μ m。两组试验中相邻激光光斑中心之间的距离为3mm。
[0023] 测得常规激光冲击波强化方法下，沿图2的测量基准线测得的线粗糙度为 5. 62 μ m ;本发明的激光冲击波强化方法下，沿图2的测量基准线9测得的线粗糙度为 1.47μπι，粗糙度大幅度降低。
【权利要求】
1. 一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于：利用吸收层（4)在高 能脉冲激光（1)辐照下，产生等离子爆炸，等离子爆炸在约束层（2)的约束作用下产生高压 冲击波；在所述冲击波作用下，弹性接触膜（5)产生弹性变形，使待处理金属工件表面产生 塑性变形，当冲击波作用消失后，待处理金属工件（7)表面将形成微凹坑￠)，并产生高幅 残余压应力层，在预紧力（3)的作用下，弹性接触膜（5)回弹至初始状态，当进行搭接处理 时，在预紧力（3)作用下，弹性接触膜（5)产生遮挡作用，使搭接区域（8)的二次变形程度 大幅度降低甚至不产生二次变形，从而大幅度降低由于搭接区域（8)的二次塑性变形引起 的表面粗糙度。
2. 如权利要求1所述的一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于： 所述的弹性接触膜（5)为金属薄膜，厚度为5(Γ150 μ m，硬度高于金属工件（7);在应变率 高达106S4的情况下，弹性接触膜（5)的动态屈服强度大于金属工件（7)的雨贡纽极限 (HEL);弹性接触膜（5)的下表面经抛光处理。
3. 如权利要求1所述的一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于： 所述的预紧力（3)其大小必须保证在激光冲击波强化过程中，吸收层（4)、弹性接触膜（5) 和金属工件（7)之间不产生相对滑移。
4. 如权利要求1所述的一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法，其特征在于： 所述的高能脉冲激光（1)的脉宽范围为l(T30ns，功率密度范围为lO^KTGW/cm2,高能脉冲 激光（1)产生的冲击波的峰值压力小于弹性接触膜（5)的动态屈服强度，且大于金属工件 ⑵的雨贡纽极限HEL。
5. 根据权利要求1所述的一种激光冲击波强化中降低表面粗糙度的方法的装置，其特 征在于：包括从上到下依次覆盖在金属工件（7)待处理表面上的高能脉冲激光（1)、约束层 (2)、预紧力（3)、吸收层（4)、弹性接触膜（5)和金属工件（7);约束层（2)、吸收层（4)和弹 性接触膜（5)，吸收层（4)、弹性接触膜（5)和金属工件（7)通过预紧力（3)依次紧密贴合。
【文档编号】C21D10/00GK104046769SQ201410250736
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】戴峰泽, 张永康 申请人:江苏大学