一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法技术

本发明专利技术涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法。采用压电陶瓷作为振动部件，经过极化后连接超声波发生器，根据超声波原理，沿压电陶瓷柱产生低频振动位移波，利用其产生的径向振动撞击细管件内壁，使细管件内壁产生一定的塑形变形，在细管件内壁引入残余应力，使细管件内壁得到强化并降低表面粗糙度，同时对细管件外壁进行激光温喷丸强化，最终使细管件内外壁均产生强化效果。

An ultrasonic assisted laser shot peening method for strengthening thin pipes

The invention relates to the field of surface engineering technology and laser processing technology, in particular to a combination method of ultrasonic assisted laser shot peening and strengthening of thin pipes. The piezoelectric ceramic is used as a vibrating component and the ultrasonic generator is connected after polarization. According to the principle of ultrasonic wave, the low frequency vibration displacement wave is produced along the piezoelectric ceramic column, and the inner wall of the tube is impacted by its radial vibration to make the inner wall of the pipe shape a certain shape and deformation, and the residual stress is introduced into the inner wall of the pipe. The inner wall of the pipe is strengthened and the surface roughness is reduced. At the same time, the outer wall of the pipe is enhanced by laser warm shot peening, and the inner and outer walls of the fine pipe are all strengthened.

【技术实现步骤摘要】
一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法
本专利技术涉及表面工程技术与激光加工
，具体涉及一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法。
技术介绍
在工业应用中有大量金属管件的内外表面需要改性处理，例如油田上的输油管道、化工管道、航空、汽车发动机在高温、腐蚀等恶劣环境下工作的内外壁亟待强化处理的管状零部件，普通处理方法无法满足其表面强化要求。这些工件常因内外表面磨损、腐蚀、氧化而发生早期失效，因此开发具有抗磨损、抗腐蚀、抗氧化的内外表面改性技术及工艺，是目前表面改性领域亟需解决的难题。激光冲击强化(Lasershockpeening,LSP)是一种新型的表面强化技术，可以提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能，尤其能有效改善材料的抗疲劳断裂性能。但是，研究表明，LSP诱导的残余压应力在高温服役条件下会发生释放，严重降低疲劳寿命。温度辅助下的激光冲击强化(Warmlasershockpeening,WLSP)较传统LSP工艺而言，可通过在位错周围诱导高致密的纳米级析出物，对其进行钉扎，阻碍位错滑动，从而获得更稳定的位错组织、更优的机械性能。同时激光冲击强化技术只能对管件外表面进行冲击，相比于工件的外表面而言，管状工件内壁改性处理主要存在以下几个技术难题。一是受到内腔形状和尺寸的限制，一些处理方法很难实施，或者是即使能实施也很难得到良好的改性效果，尤其是对于一些细长的管件更是如此。二是受到内腔形状和尺寸的限制，一些处理介质很难进入管腔内部，或者是即使进入也难以保证改性层的均匀性。本方法利用极化后的压电陶瓷柱激励超声波产生径向位移撞击细管件内壁。控制频率实现激励出径向振动的波，旋转振动过程中，对细管件内壁进行光整加工，降低表面粗糙度。将压电陶瓷柱紧贴细管件内壁不仅可以实现对细管件内壁的强化，同时也避免了对外壁进行激光温喷丸强化时引起的管件尺寸变形。
技术实现思路
本专利技术提出了一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法。本方法主要是采用压电陶瓷作为振动部件，经过极化后连接超声波发生器，沿压电陶瓷柱产生低频振动位移波，利用其产生的径向振动撞击细管件内壁，同时转动需强化的细管件，保证细管件内壁得到均匀的珩磨和强化，降低内壁的表面粗糙度和引入残余应力，同时对管道外壁进行激光温喷丸强化，对细管件内外壁均产生强化效果。所述内壁强化处理过程中：先对PZT系压电陶瓷柱进行极化，极化电场为1.5-5kv/mm，极化温度为100-180℃，极化时间为10-60min，采用空气极化法。所述内壁强化处理过程中：保护套由具有振动能力强，高硬度和耐反复冲击性强等优点的POM材料并且添加碳钎维制成，保护套可以防止在振动时压电陶瓷柱的脆裂，同时根据管件内径尺寸大小调节保护套厚度，保证强化效果。所述内壁强化处理过程中：压电陶瓷柱极化后激励超声波，激励的信号为窄带半正弦脉冲信号，幅值为20V，激励频率为20kHz-60kHz。所述内壁强化处理过程中：压电陶瓷柱产生径向振动对管件内壁进行撞击，同时以每次旋转2/Drad的方式不连续转动样件，使小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，使管件内壁得到均匀强化。所述激光温喷丸强化处理过程中：实验前，采用1200#的SiC砂纸对试样外表面进行打磨，直至表面光亮，并用去离子水对细管件进行超声清洗，清洗后，将铝箔吸收层紧密覆盖于试样表面，以水作为约束层。所述激光温喷丸强化处理过程中：每次旋转停顿时，即对管件外表面进行激光温喷丸强化，激光温喷丸强化参数如下：光斑直径为2mm，脉宽为8-30ns，脉冲能量为2-15J，横向和纵向搭接率为50％，WLSP的温度控制在260℃。以相同激光参数对细管件外表面轴向方向进行逐圈冲击。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本文具体实施案例试样示意图。图2为本文具体实施案例激光冲击路径图。表1为本文具体实施案例性能测试数据。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明，但本专利技术不应仅限于实施例。本实施例所采用的试样，具体尺寸如图1所示，试样基体材料为X70管线钢。一种使用上述超声波辅助激光温喷丸强化处理细管件的方法进行处理的试样的实例，其步骤为：(1)选取如图1所示X70管线钢试样，直径为5mm，长度为50mm，内经为3mm，实验前，采用1200#的SiC砂纸对试样外表面进行打磨，直至表面光亮，并用去离子水对细管件进行超声清洗，清洗后，将铝箔吸收层紧密覆盖于试样表面。(2)先对对PZT系压电陶瓷柱进行极化，极化电场为1.5-5kv/mm，极化温度为100-180℃。，极化时间为10-60min，采用空气极化法。所谓极化就是在压电陶瓷上加一强直流电场使陶瓷中的电畴沿电场方向取向排列。极化前，压电陶瓷柱各晶粒内存在许多自发极化方向不同的电畴，陶瓷内的极化方向为零，极化后，迫使其电畴转向，使其自发极化做定向排列。(3)在压电陶瓷柱上套上保护套，防止在振动时压电陶瓷柱的脆裂，保护套由材料并且添加碳纤维制成，该材料具有强度刚度高与金属十分接近、减磨耐磨性好，添加碳纤维可以增加其振动性能2-3倍。(4)压电陶瓷柱极化后激励超声波，激励的信号为窄带半正弦脉冲信号，幅值为20V，激励频率为20kHz-60kHz。(5)压电陶瓷柱产生径向振动对管件内壁进行撞击，同时以每次旋转0.2rad的方式不连续转动样件，使小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，使管件内壁得到均匀强化。(6)在管件转动停顿时，对管件外表面进行激光温喷丸强化，以水作为约束层，光斑为直径为2mm的圆形光斑，搭界率为50％，脉宽为15ns，脉冲能量为8J，WLSP温度为260℃。(7)在外表面圆周上冲击完一层后，轴向方向上向下逐层冲击,搭界率为50％，共冲击50层。(8)对原始试样和强化后试样进行抗拉强度和SCC敏感性指数测试。如表1所示，原始试样和激光温喷丸处理后试样的抗拉强度分别为764MPa和803MPa，提高5.1％，表明本方法提高了X70管线钢拉伸强度，SCC敏感性指数与原始试样相比，SCC敏感性指数依然＞35％，但下降5.84％，这表明本方法不能消除其明显的应力腐蚀倾向，只很大程度上使其应力腐蚀性能有所改善。表1试样抗拉强度SCC敏感性指数原始试样764MPa50.94％强化后试样803MPa45.1％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法，其特征在于：采用压电陶瓷作为振动部件，经过极化后连接超声波发生器，根据超声波原理，沿压电陶瓷柱产生低频振动位移波，利用其产生的径向振动撞击细管件内壁，使细管件内壁产生塑形变形，在管件内壁引入残余应力，使管件内壁得到强化并降低表面粗糙度，同时对管道外壁进行激光温喷丸强化，最终使细管件内外壁均产生强化效果。

【技术特征摘要】
1.一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法，其特征在于：采用压电陶瓷作为振动部件，经过极化后连接超声波发生器，根据超声波原理，沿压电陶瓷柱产生低频振动位移波，利用其产生的径向振动撞击细管件内壁，使细管件内壁产生塑形变形，在管件内壁引入残余应力，使管件内壁得到强化并降低表面粗糙度，同时对管道外壁进行激光温喷丸强化，最终使细管件内外壁均产生强化效果。2.如权利要求1所述的一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法，其特征在于，具体步骤如下：具体步骤如下：(1)对细管件外表面进行打磨，直至表面光亮，并用去离子水对细管件进行超声清洗，清洗后，将铝箔吸收层紧密覆盖于细管件表面；(2)对压电陶瓷柱进行极化，并在压电陶瓷上套上保护套；(3)压电陶瓷柱极化后激励超声波产生径向振动对细管件内壁进行撞击，在细管件内壁上产生塑性变形，从而引入残余应力，使细管件内壁得到强化；(4)在压电陶瓷对细管件内壁进行强化时，转动需要强化的细管件，使得强化效果均匀；(5)同时对转动的细管件外壁进行激光温喷丸强化处理，使细管件外壁得到强化。3.如权利要求2所述的一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法，其特征在于：所述细管件材料为应用于航空航天、汽车轮船、化工行业的关键重要部件的金属材料；细管件内径尺寸范围为3-5mm，壁厚范围为2-3mm。4.如权利要求3所述的一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法，其特征在于：所述细管件材料为铝合...

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