一种激光冲击强化曲面结构的方法技术

本发明专利技术涉及材料表面强化的技术领域，更具体地，涉及一种激光冲击强化曲面结构的方法，包括：测量待加工曲面的形状参数，根据曲面结构特征拟合待加工曲面的数学函数；确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量；确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算所需的对应激光光束能量；得到最终的激光光束能量分布表达式；根据激光光束能量分布表达式制备激光光束对待加工曲面进行冲击强化处理。本发明专利技术针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结构的等强度激光冲击强化，且在强化曲面结构的过程中，能够保证激光冲击强度的一致性，提升残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。

A Method of Surface Structural Strengthening by Laser Shock

The invention relates to the technical field of material surface strengthening, and more specifically, to a method of laser shock hardening surface structure, which includes: measuring the shape parameters of the surface to be machined, fitting the mathematical function of the surface to be machined according to the surface structure characteristics, determining the laser beam energy required for laser vertical incidence on the surface to be machined, determining the position coordinates of several special shock areas and so on. The corresponding laser beam energy is calculated, the final expression of laser beam energy distribution is obtained, and the laser beam is prepared according to the expression of laser beam energy distribution for shock hardening of the machined surface. The invention adjusts the energy distribution of laser beam according to the shape characteristics of the surface structure, so that the whole surface of the surface to be machined can obtain a uniform laser energy density, and realizes the equal intensity laser shock strengthening of the surface structure. In the process of strengthening the surface structure, the uniformity of laser shock intensity can be guaranteed, and the uniformity of the distribution of surface integrity parameters such as residual stress can be enhanced. Uniformity.

【技术实现步骤摘要】
一种激光冲击强化曲面结构的方法
本专利技术涉及材料表面强化的
，更具体地，涉及一种激光冲击强化曲面结构的方法。
技术介绍
激光冲击是一种利用强激光诱导的冲击波来强化金属的新技术，能够大幅度增强金属材料的耐久性。由于激光具有较好的可达性。激光冲击强化技术特别适合壁薄且型面复杂的航空发动机叶片等零件。航空发动机叶片以及涡轮盘榫槽等结构表面一般为非平面，若采用能量分布不变的激光光束对上述曲面结构进行强化处理，则会造成待加工表面受力不均的结果，甚至导致部分区域应力集中现象的发生。目前，有申请人提出将待加工曲面进行区域划分，针对不同小区域的激光光束的实际投影面积来调整激光光束能量，取得了较好的等强度激光冲击强化效果。然而，这种方法针对同一小区域采用相同的激光能量分布，忽略了每一小区域的曲率变化，激光冲击处理的强度控制不够精确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光冲击强化曲面结构的方法，针对强化处理过程中的任一区域进行激光光束能量空间分布的调整，使得待加工曲面结构的任一位置具有与之对应的激光能量，能够提高能量密度及冲击强度在曲面结构分布的均匀性。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：提供一种激光冲击强化曲面结构的方法，包括以下步骤：S1.测量待加工曲面的形状参数，推导曲面结构特征的数学函数类型，拟合所述待加工曲面的数学函数表达式；S2.根据材料表面强化要求，确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量e0；S3.基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算对应所需的激光光束能量E；S4.采用待加工曲面的数学函数类型表征激光能量分布得到激光能量分布函数，并将若干位置坐标及其所需的激光能量代入激光能量分布函数，得到最终的激光光束能量分布表达式；S5.根据步骤S4中所述的激光光束能量分布表达式制备激光光束，并对待加工曲面进行冲击强化处理。本专利技术的激光冲击强化曲面结构的方法，针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结构的等强度激光冲击强化。本专利技术的方法在强化曲面结构的过程中，保证激光冲击强度的一致性，提升残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。优选地，步骤S1中，所述数学函数类型的拟合包括以下步骤：S11.测量待加工曲面的形状参数；S12.根据步骤S11中所述的形状参数推导数学函数类型；S13.得到表征待加工曲面形状的数学函数表达式。基于待加工曲面的形状参数推导出待加工曲面的数学函数，便于根据待加工曲面的数学函数设置激光光束能量的分布。优选地，步骤S11中所述形状参数包括代表曲面形状特征的位置坐标。形状参数包括代表曲面形状特征的位置坐标，在已得到待加工曲面形状函数类型的条件下，仅需测量部分特殊位置坐标即可。优选地，步骤S2中材料表面强化要求包括与激光诱导的冲击压力相关的力学性能及机械性能的要求，所述激光诱导的冲击压力Pmax与激光能量密度I0间的关系表示为式中，I0为待加工区域单位面积单位时间的激光能量。本专利技术假定能量为的E0激光光束垂直入射待加工曲面时可获得最优的强化效果；力学性能包括高周疲劳等，机械性能包括显微硬度等，高周疲劳与显微硬度等指标均与激光诱导的冲击压力相关。优选地，步骤S3中，待加工曲面的特殊冲击区域选自待加工曲面的中心点、对称点以及边界点中的一种或几种的组合。待加工曲面的特殊冲击区域指有助于拟合曲面数学函数表达式的特征坐标区域，可选择待加工的中心点、对称点以及边界点。优选地，步骤S4中，若干位置坐标包括待加工曲面的中心点、对称点以及边界点的位置坐标。所述的若干位置坐标及其所需的激光能量在转化为坐标点后经过激光能量分布函数，有助于拟合激光能量分布函数表达式，可选择与步骤S3一致的特殊区域的位置坐标。优选地，步骤S5中，若激光光束能量分布包括超出激光器性能的数据，则通过减小激光光束辐照的单次冲击面积降低所需的激光光束能量。若计算得到的激光光束能量分布包括超出激光器性能的数据，则可以采用更小尺寸的激光光束辐照更小的单次冲击面积，使得待加工曲面的曲率变化范围进一步缩小，从而降低所需的最大激光光束能量。优选地，步骤S5中，在对待加工曲面进行冲击强化处理前，对待强化区域进行预处理；所述预处理包括吸收层及约束层的涂覆。吸收层及约束层的设置保护待加工工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收。优选地，步骤S5中，所述冲击强化处理采用逐点加工的方式进行。本专利技术使用机械臂携带待加工工件移动进行待强化区域不同位置的激光冲击处理时，采用机械臂移动一下激光冲击一下的方式进行。优选地，所述曲面结构包括航空发动机叶片结构及涡轮盘榫槽结构。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的激光冲击强化曲面结构的方法，针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结构的等强度激光冲击强化；且在强化曲面结构的过程中，能够保证激光冲击强度的一致性，提升残余应力等表面完整性参数分布的均匀性。附图说明图1为本专利技术的激光冲击强化曲面结构的方法的流程图。图2为实施例二平面结构冲击强化时需采用的激光光束能量分布示意图；图3为实施例二曲面结构冲击强化时需采用的激光光束能量分布示意图I；图4为实施例二曲面结构冲击强化时需采用的激光光束能量分布示意图II。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本专利技术的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本专利技术实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本专利技术的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。实施例1如图1所示为本专利技术的激光冲击强化曲面结构的方法的流程图，包括以下步骤：S1.测量待加工曲面的形状参数，推导曲面结构特征的数学函数类型，拟合所述待加工曲面的数学函数表达式；S2.根据材料表面强化要求，确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量E0；S3.基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算对应所需的激光光束能量E；S4.采用待加工曲面的数学函数类型表征激光能量分布得到激光能量分布函数，并将若干位置坐标及其所需的激光能量代入激光能量分布函数，得到最终的激光光束能量分布表达式；S5.根据步骤S4中所述的激光光束能量分布表达式制备激光光束，并对待加工曲面进行冲击强化处理。本实施例的曲面结构包括航空发动机叶片结构及涡轮盘榫槽结构。本实施例在实施时，针对曲面结构的形状特征对激光光束能量分布进行调整，使待加工曲面的整个表面获得趋于一致的激光能量密度，实现曲面结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.测量待加工曲面的形状参数，推导曲面结构特征的数学函数类型，拟合所述待加工曲面的数学函数表达式；S2.根据材料表面强化要求，确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量E0；S3.基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算对应所需的激光光束能量E；S4.采用待加工曲面的数学函数类型表征激光能量分布得到激光能量分布函数，并将若干位置坐标及其所需的激光能量代入激光能量分布函数，得到最终的激光光束能量分布表达式；S5.根据步骤S4中所述的激光光束能量分布表达式制备激光光束，并对待加工曲面进行冲击强化处理。

【技术特征摘要】
1.一种激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.测量待加工曲面的形状参数，推导曲面结构特征的数学函数类型，拟合所述待加工曲面的数学函数表达式；S2.根据材料表面强化要求，确定激光垂直入射待加工表面所需的激光光束能量E0；S3.基于激光斜入射条件下的激光能量补偿原则，确定若干特殊冲击区域的位置坐标并计算对应所需的激光光束能量E；S4.采用待加工曲面的数学函数类型表征激光能量分布得到激光能量分布函数，并将若干位置坐标及其所需的激光能量代入激光能量分布函数，得到最终的激光光束能量分布表达式；S5.根据步骤S4中所述的激光光束能量分布表达式制备激光光束，并对待加工曲面进行冲击强化处理。2.根据权利要求1所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，步骤S1中，所述数学函数表达式的拟合包括以下步骤：S11.测量待加工曲面的形状参数；S12.根据步骤S11中所述的形状参数推导数学函数类型；S13.得到表征待加工曲面形状的数学函数表达式。3.根据权利要求2所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，步骤S11中，所述形状参数包括代表曲面形状特征的位置坐标。4.根据权利要求1所述的激光冲击强化曲面结构的方法，其特征在于，步骤S2中材料表面强化要...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢国鑫，张永康，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44