一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置，属于金属构件表面处理技术领域。该方法首先将待处理金属构件的强化位置表面进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥，利用激光诱导冲击波的方法，强化处理金属构件的裂纹表面，改变金属构件表面应力强度的分布情况，从而达到改变裂纹扩展路径的目的。实现该方法的装置包括激光发生器、导光分光系统、喷水系统、工件夹具系统及控制系统。本发明专利技术方法不但可以改变金属构件裂纹的扩展路径，而且可以提高金属构件表面的强度、硬度以及表面的残余压应力，增加金属构件的抗应力腐蚀能力和疲劳寿命，本发明专利技术装置具有结构简单、操作方便、能耗少、效率高的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置
：本专利技术属于金属构件表面处理
，具体涉及一种利用激光诱导冲击波技术强化处理含裂金属构件表面以改变裂纹扩展路径的方法及装置，从而延长金属薄板类构件的剩余疲劳寿命，特别适合于改变变截面薄板类金属构件上裂纹扩展路径。
技术介绍
：金属薄板由于其重量较轻、易于成形为复杂形状的构件等优点被广泛地用在航空、汽车等领域。当构件出现微裂纹后，在疲劳载荷作用下，裂纹将会沿着截面强度较小和拉应力较大的路径扩展，从而导致构件过早失效，致使设备提前报废。裂纹扩展路径的长短对应着构件的剩余疲劳寿命的长短，因此在构件裂纹萌生后，采取有效的方法改变裂纹的扩展路径，对延长构件的剩余疲劳寿命和使用寿命有着很大的工程应用价值。专利CN103868786A提供一种预测疲劳裂纹扩展规律的方法，介绍了一种根据一段时间内对裂纹扩展情况的跟踪观测，推断裂纹扩展规律，预测构件寿命的方法，此专利提供了一种预测疲劳裂纹扩展快慢的方法，但没有涉及到裂纹扩展路径对剩余疲劳寿命的影响。专利技术专利CN105067396A介绍一种控制金属构件疲劳裂纹扩展路径的方法，该方法是通过改变试样的几何形状特征来控制疲劳裂纹前缘的应力分布，从而来控制裂纹的扩展路径，该方法解决了试样疲劳裂纹扩展路径在表面的扩展长度与内部的扩展长度不一致的问题，但不涉及到采用表面处理的方法来改变裂纹的扩展路径，它的适用范围也十分有限。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置，以延长含裂构件的剩余疲劳寿命，本专利技术提供的一种基于激光冲击波技术的改变裂纹扩展路径的方法，该方法具体步骤如下：(1)微裂纹在薄板类的金属构件24上形成以后，在循环疲劳载荷的作用下，裂纹容易在应力较大或强度较低的区域扩展，通过计算分析，确定裂纹扩展的方向。(2)根据裂纹扩展方向，在裂纹前端和应力较大的一侧，确定激光冲击强化的位置，并对所述金属构件24上两侧待强化处理区域进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥。(3)在金属构件24两侧待强化处理区域上分别涂覆黑漆作为激光的第一能量吸收层12及第二能量吸收层21，然后将带有能量吸收层的金属构件24装夹在夹具25上，夹具25固定在工作台26上。(4)通过控制器2调整工作台26的位置，使金属构件24两侧待强化的区域分别对着第一激光冲击头9和第二激光冲击头18；打开第一喷水头22和第二喷水头23，流水在金属构件24的两侧形成第一约束层11和第二约束层20。(5)受控的激光发生器3发出脉宽为ns量级、单脉冲能量为2-100J、功率密度为GW/cm2量级的主激光脉冲束4，所述主激光脉冲束4被第一全反镜5反射及经过分光镜13后被分成两束光学特征完全相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14，所述第一分激光脉冲束6依次被第二全反镜7、第三全反镜8反射后到达第一激光冲击头9，经过第一聚焦透镜10会聚后，透过第一约束层11辐照在第一能量吸收层12上；所述第二分激光脉冲束14依次被第四全反镜15、第五全反镜16和第六全反镜17反射后到达第二激光冲击头18，经过第二聚焦透镜19会聚后，透过第二约束层20辐照在第二能量吸收层21上；由于第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14到达金属构件24两侧表面的路程相等，所以它们同时辐照于金属构件24两侧表面的第一能量吸收层12和第二能量吸收层21上；所述第一能量吸收层12及第二能量吸收层21分别吸收第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的能量后形成GPa量级的高压冲击波，高压冲击波作用在金属构件24两侧表面，使金属构件24两侧受冲击区域的表层产生塑性强化层，完成了对金属构件24的单次冲击强化处理。(6)单次强化处理后，控制器2控制工作台26上下或前后移动方向和位置，以改变金属构件24的位置，控制下一个相邻光斑的强化位置，金属构件24新的位置确定后，激光发生器3再发出主激光脉冲束4以进行下次的冲击强化，主激光脉冲4的参数和频率受控制器2控制；依次完成多个位置的强化，以实现金属构件24待冲击处理表面的强化。(7)冲击强化完毕后，先关闭激光发生器3，随后关闭控制器2，关闭第一喷水头22和第二喷水头23，将金属构件24从夹具25上取下来。本专利技术提供一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的装置，该装置包括激光发生器3、导光分光系统、喷水系统、工件夹具系统及控制系统。所述导光分光系统包括主激光脉冲束4、第一分激光脉冲束6、第二分激光脉冲束14、第一全反镜5、分光镜13、第二全反镜7、第三全反镜8、第四全反镜15、第五全反镜16、第六全反镜17、第一激光冲击头9、第二激光冲击头18、第一聚焦透镜10和第二聚焦透镜19；主激光脉冲束4经过第一全反镜5、分光镜13后被分成两束完全相同的第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14，所述第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的能量分别为主激光脉冲束4的二分之一，第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14的波长、频率与主激光脉冲束4的波长、频率相同；所述第一激光冲击头9与第二激光冲击头18对称设置在所述金属构件24的两侧，第一聚焦透镜10位于第一激光冲击头9内，第二聚焦透镜19位于第二激光冲击头18内。所述喷水系统包括第一喷水头22、第二喷水头23，提供流水作为激光冲击强化金属构件24的第一约束层11、第二约束层20，第一喷水头22和第二喷水头23的水流速度相同，分别在金属构件24的两侧形成厚度为2mm的流动的水帘以作为第一约束层11和第二约束层20，且流水完全覆盖金属构件24待强化区域。所述工件夹具系统包括工作台26、金属构件24、夹具25、第一能量吸收层12及第二能量吸收层21，所述金属构件24固定在夹具25上，所述夹具25固定在工作台26上，所述工作台26能够上下、前后移动，所述第一能量吸收层12及第二能量吸收层21涂覆在金属构件24的两侧，所述第一能量吸收层12及第二能量吸收层21的厚度为0.05mm。所述控制系统包括计算机1及控制器2，控制信息由所述计算机1输入并传递给所述控制器2，所述控制器2通过数据线分别连接激光发生器3和工作台26，控制器2用于控制激光发生器3发出的主激光脉冲束4的参数及控制工作台26的移动速度和位置。本专利技术具有以下技术特点：1、采用激光冲击波作为改变裂纹扩展路径的能量源，属于非接触式强化处理方式，不需要改变构件的几何形状，不受构件大小的限制，不需要增加材料，具有较大的加工柔性。2、激光束输出的能量、频率、光斑等参数具有高度的可调性，可以根据构件材料的不同机械性能进行调节，采用分光镜等可实现工件两侧强化的参数完全一样，保证了薄板类的工件在强化后不变形，保持了工件原有的精度。3、激光束诱导冲击波的压力高达GPa量级，远高于任何金属材料的屈服极限，形成的残余压应力层的深度是喷丸、滚压等传统的强化方法形成的残余应力层的深度的2-5倍，而且形成的残余压应力的幅值还较大。4、激光束在表层诱导的残余压应力的同时，表层材料的硬度得到了提高，晶粒得到了细化，材料的屈服极限和抗疲劳极限得到了提高，构件材料的机械性能得到了改善，大大延长了含裂工件剩余疲劳寿命。5、采用脉宽为ns量级的激光进行冲击加工，激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：(1)微裂纹在薄板类的金属构件(24)上形成以后，在循环疲劳载荷的作用下，裂纹容易在应力较大或疲劳强度较低的区域扩展，通过计算分析，确定裂纹扩展方向；(2)根据裂纹扩展方向，在裂纹的前端和应力较大的一侧，确定激光冲击强化的位置，并对所述金属构件(24)两侧待强化处理区域表面进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥；(3)在所述金属构件(24)两侧待强化处理区域上分别涂覆黑漆作为激光的第一能量吸收层(12)及第二能量吸收层(21)，然后将带有能量吸收层的所述金属构件(24)装夹在夹具(25)上，所述夹具(25)固定在工作台(26)上；(4)通过控制器(2)调整所述工作台(26)的位置，使所述金属构件(24)两侧待强化区域分别对着第一激光冲击头(9)和第二激光冲击头(18)；然后打开第一喷水头(22)和第二喷水头(23)，流水在所述金属构件(24)的两侧形成第一约束层(11)和第二约束层(20)；(5)受控的激光发生器(3)发出脉宽为ns量级、单脉冲能量为2‑100J、功率密度为GW/cm

【技术特征摘要】
1.一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：(1)微裂纹在薄板类的金属构件(24)上形成以后，在循环疲劳载荷的作用下，裂纹容易在应力较大或疲劳强度较低的区域扩展，通过计算分析，确定裂纹扩展方向；(2)根据裂纹扩展方向，在裂纹的前端和应力较大的一侧，确定激光冲击强化的位置，并对所述金属构件(24)两侧待强化处理区域表面进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥；(3)在所述金属构件(24)两侧待强化处理区域上分别涂覆黑漆作为激光的第一能量吸收层(12)及第二能量吸收层(21)，然后将带有能量吸收层的所述金属构件(24)装夹在夹具(25)上，所述夹具(25)固定在工作台(26)上；(4)通过控制器(2)调整所述工作台(26)的位置，使所述金属构件(24)两侧待强化区域分别对着第一激光冲击头(9)和第二激光冲击头(18)；然后打开第一喷水头(22)和第二喷水头(23)，流水在所述金属构件(24)的两侧形成第一约束层(11)和第二约束层(20)；(5)受控的激光发生器(3)发出脉宽为ns量级、单脉冲能量为2-100J、功率密度为GW/cm2量级的主激光脉冲束(4)，所述主激光脉冲束(4)被第一全反镜(5)反射及经过分光镜(13)后被分成两束光学特征完全相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束(6)和第二分激光脉冲束(14)，所述第一分激光脉冲束(6)依次被第二全反镜(7)、第三全反镜(8)反射后到达所述第一激光冲击头(9)，经过第一聚焦透镜(10)会聚后，透过所述第一约束层(11)辐照在所述第一能量吸收层(12)上；所述第二分激光脉冲束(14)依次被第四全反镜(15)、第五全反镜(16)和第六全反镜(17)反射后到达所述第二激光冲击头(18)，经过第二聚焦透镜(19)会聚后，透过所述第二约束层(20)辐照在所述第二能量吸收层(21)上；所述第一能量吸收层(12)和所述第二能量吸收层(21)分别吸收所述第一分激光脉冲束(6)和所述第二分激光脉冲束(14)能量后形成GPa量级的高压冲击波，高压冲击波作用在所述金属构件(24)两侧表面，使所述金属构件(24)两侧受冲击区域的表层产生塑性强化，完成对所述金属构件(24)两侧的单次强化处理；(6)所述单次强化处理后，控制器(2)使所述工作台(26)上下或前后移动位置，改变所述金属构件(24)的位置，以控制下一个相邻光斑的强化位置，所述金属构件(24)新的位置确定后，所述激光发生器(3)再发出所述主激光脉冲束(4)以进行下次的冲击强化，所述主激光脉冲束(4)的参数及频率受所述控制器(2)控制；依次完成多个位置的多次强化，以完成所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴权，李明明，邬宗鹏，尹元德，段士伟，裴善报，陈彬，胡劲松，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34