一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法技术

本发明专利技术涉及激光加工与振动时效新工艺领域，特指一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法。利用激光冲击强化技术与振动时效处理相结合，采用激振器激振，传感器拾振，通过控制振动频率，使振幅值保持在规定范围内，在振动时效处理辅助下进行激光搭接冲击强化处理，使其表面产生更严重的塑性变形，并在冲击区域诱导出高幅残余压应力，同时激光束辐照金属表面状态下，振动使表层晶粒得到进一步细化甚至纳米化，在温度场作用下，振动使热应力场梯度减小,故使材料内部残余应力均匀化，显著提高金属构件的机械性能，使金属表面得到强化，从而有效提高了金属构件的疲劳寿命，预防疲劳裂纹的萌生及扩展。

【技术实现步骤摘要】
一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法
本专利技术涉及激光加工与振动时效新工艺领域，特指一种在振动时效的辅助场下对金属表面待强化区域进行激光冲击强化，获得抗疲劳的表面强化层。本方法适用于金属表面的强化处理。
技术介绍
工业零部件大部分是由金属材料构成，金属合金部件在工作中，由于受磨损、冲击、疲劳等作用，易产生裂纹，致使材料报废。随着我国工业高速发展，对工件工业提出了更高的要求，如何提高工件的加工质量和使用寿命，一直是人们不断探索的课题。目前表面强化技术正逐步成为提高工件质量和使用寿命的重要途径，常用的有喷丸和滚压两种方法。喷丸虽然可以在材料表层诱导较大的残余压应力，但是对材料表面粗糙度影响较大，而滚压产生的残余压应力层较浅，不能达到很好的强化效果。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。振动时效的实质是通过振动的形式给工件施加一个动应力，当动应力与工件本身的残余应力叠加后，达到或超过材料的微观屈服极限时，工件就会发生微观或宏观的局部、整体的弹性塑性变形，同时降低并均匀化工件内部的残余应力，最终达到防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸与几何精度的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法，其特征在于：利用激光冲击强化技术与振动时效处理相结合，采用激振器激振，传感器拾振，通过控制振动频率，使振幅值保持在规定范围内，使金属构件自身晶粒细化，材料发生微量的塑性变形，材料内部的内应力得以松弛和减轻，在振动时效处理辅助下对金属构件表面进行大面积激光搭接冲击强化处理，使其表面产生更严重的塑性变形，并在冲击区域诱导出高幅残余压应力，同时激光束辐照金属表面状态下，振动使表层晶粒得到进一步细化甚至纳米化，在有温度场作用下，振动使热应力场梯度减小,故使材料内部残余应力均匀化，显著提高金属构件的机械性能，使金属表面得到强化，从而有效提高了金属构件的疲劳寿命，预防疲劳裂纹的萌生及扩展。具体步骤如下：(1)采用金相砂纸将待处理试样进行逐级磨削处理后，放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍；(2)将激振器固定在待处理试样上，激振器通过电机电缆连接到控制器上；(3)将传感器放置在金属基体试样表面上，通过其底部的磁铁固定在试样上，传感器通过屏蔽电缆连接到控制器上；(4)将金属基体试样安装在组合工艺装置加载平台上，并使用橡胶垫支撑试样，然后将激光束光斑中心与基体待冲击表面的左上角重合，作为冲击强化处理起始位置；(5)采用厚度为0.10-0.12mm的专用铝箔作为吸收层，贴在试样表面待冲击区域，然后通过喷水装置将水喷到金属基体表面，形成一层厚度为1～2mm的液体约束层；(6)通过控制器对传感器传来的信号进行处理和显示，监控试样振幅值，通过调整振动频率使其振幅值控制在10μm～50μm之间，并保持不变；(7)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，打开激光器，采用逐行加工的方法通过机械手控制系统控制试样加载平台移动，对金属试样待冲击区域进行大面积激光搭接冲击强化处理；所述步骤(1)中，对金属表面进行磨削处理，清洗表面的灰尘与油渍是为了保证基体试样表面的平整性，提高激光搭接冲击强化效率。所述步骤(2)中，激振器由一台直流电机带动一个可调偏心距的偏心转动机构组成，是振动时效工艺的激振源，它的作用是引起工件振动，给工件施加动应力。所述步骤(4)中，用橡胶垫支撑试样主要起隔振作用，减小振动系统的能量损失。所述步骤(6)中，振动频率控制范围为20Hz～120Hz所述步骤(7)中，激光器采用的单脉冲Nd：YAG激光器，工作参数为：波长1064nm，脉冲宽度5-10ns，单次脉冲能量为1.5-10J，光斑半径1-3mm，光斑搭接率为50％。本专利技术的技术效果：本专利技术在振动时效处理辅助下对金属构件表面进行大面积激光搭接冲击强化处理，激光束辐照金属表面状态下，振动使表层晶粒得到细化甚至纳米化，同时在有温度场作用下，振动使热应力场梯度减小,故使材料内部残余应力均匀化，激光冲击使金属表面产生严重的塑性变形，并在冲击区域诱导出高幅残余压应力，显著提高金属构件的机械性能，使金属表面得到强化，从而有效提高了金属构件的疲劳寿命，预防疲劳裂纹的萌生及扩展。附图说明图1为本专利技术的振动时效处理装置示意图。图中：1.试样，2.橡胶垫，3.激振器，4.电机电缆，5.传感器，6.屏蔽电缆，7.控制器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，对本专利技术的技术方案做进一步详细说明。本实施例所采用的试样基体材料为304不锈钢，其几何尺寸为60mm×30mm×10mm。一种使用上述强化方法加工试样的实例，其步骤为:(1)采用金相砂纸将待处理试样进行逐级磨削处理后，放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍；(2)将激振器3固定在待处理304不锈钢试样1上，激振器3通过电机电缆4连接到控制器7上；(3)将传感器5放置在304不锈钢试样表面上，通过其底部的磁铁固定在试样上，传感器5通过屏蔽电缆6连接到控制器7上；(4)将304不锈钢基体试样1安装在组合工艺装置加载平台上，并使用橡胶垫2支撑试样，然后将激光束光斑中心与基体试样1待冲击表面的左上角重合，作为冲击强化处理起始位置；(5)采用厚度为0.10mm的专用铝箔作为吸收层，贴在试样表面待冲击区域，然后通过喷水装置将水喷到304不锈钢基体表面，形成一层厚度为1mm的液体约束层；(6)通过控制器7对传感器5传来的信号进行处理和显示，监控试样振幅值，调整振动频率为60Hz，使试样振幅控制在25μm，并保持不变；(7)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数：波长1064nm，脉冲宽度10ns，单次脉冲能量5J，光斑半径2mm，光斑搭接率50％，打开激光器，采用逐行加工的方法通过机械手控制系统控制试样加载平台移动，对304不锈钢基体试样1待冲击区域进行大面积激光搭接冲击强化处理；本实施例对304不锈钢试样进行表面力学性能检测，并与处理前对比。结果发现在试样表层形成了很好的残余压应力分布，最大残余压应力达到-758MPa，残余压应力层深在0.6mm左右，表面硬度提升了43％，经过该工艺处理的工件使用寿命比强化前提高了35％以上。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法，其特征在于：采用激振器激振，传感器拾振，通过控制振动频率，使振幅值保持在规定范围内，使金属构件自身晶粒细化，材料发生微量的塑性变形，材料内部的内应力得以松弛和减轻，在振动时效处理辅助下对金属构件表面进行大面积激光搭接冲击强化处理，使其表面产生更严重的塑性变形，表层晶粒得到进一步细化甚至纳米化，并在冲击区域诱导出高幅残余压应力，显著提高金属构件的机械性能，使金属表面得到强化，从而有效提高了金属构件的疲劳寿命，预防疲劳裂纹的萌生及扩展。

【技术特征摘要】
1.一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法，其特征在于：采用激振器激振，传感器拾振，通过控制振动频率，使振幅值保持在规定范围内，使金属构件自身晶粒细化，材料发生微量的塑性变形，材料内部的内应力得以松弛和减轻，在振动时效处理辅助下对金属构件表面进行大面积激光搭接冲击强化处理，使其表面产生更严重的塑性变形，表层晶粒得到进一步细化甚至纳米化，并在冲击区域诱导出高幅残余压应力，显著提高金属构件的机械性能，使金属表面得到强化，从而有效提高了金属构件的疲劳寿命，预防疲劳裂纹的萌生及扩展。2.根据权利要求1所述的一种振动辅助激光冲击处理金属构件的表面强化方法，其特征在于具体步骤如下：(1)采用金相砂纸将待处理试样进行逐级磨削处理后，放在酒精溶液中用超声波清洗机清除表面的灰尘与油渍；(2)将激振器固定在待处理试样上，激振器通过电机电缆连接到控制器上；(3)将传感器放置在金属基体试样表面上，通过其底部的磁铁固定在试样上，传感器通过屏蔽电缆连接到控制器上；(4)将金属基体试样安装在组合工艺装置加载平台上，并使用橡胶垫支撑试样，然后将激光束光斑中心与基体待冲击表面的左上角重合，作为冲击强化处理起始位置；(5)采用铝箔作为吸收层，贴在试样表面待冲击区域，然后通过喷水装置将水喷到金属基体表面，形成一层液体约束层；(6)通过控制器对传感器传来的信号进行处理和显示，监控试样振幅值，通过调整振动频率使其振幅值控制在10μm～50μm之间，并保持不变；(7)通过激光器控制装置设定激光器的输出功率和光斑参数，打开激光器，采用逐行加...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗开玉，王长雨，鲁金忠，尹叶芳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32