專利名稱：一種復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型材料的表面強(qiáng)化以及小型材料的細(xì)微結(jié)構(gòu)強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，可改善材料 表面應(yīng)力大小和分布，提高金屬工件使用壽命。特指一種基于激光沖擊波和電磁脈沖的復(fù) 合沖擊材料表面強(qiáng)化的方法與裝置，尤其適應(yīng)于需要抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕的零部件。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的材料改性技術(shù)有鍛打、冷擠壓、激光熱處理和機(jī)械噴丸等方法，使板料內(nèi)部產(chǎn) 生殘余壓應(yīng)力，以達(dá)到強(qiáng)化的目的，但存在著生產(chǎn)準(zhǔn)備時間長，加工柔性差和制造成本高 等不足。目前，激光加工技術(shù)和材料激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)己應(yīng)用于航空航天、船舶工業(yè)和汽 車覆蓋件等生產(chǎn)行業(yè)，但實(shí)際激光噴丸強(qiáng)化過程中，殘余壓應(yīng)力分布和大小并不均勻，在 沖擊區(qū)域外等部位還會產(chǎn)生拉應(yīng)力。電磁脈沖是利用電磁感應(yīng)定律，通過脈沖磁場穿過工 件而在工件上產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生的磁場與初始電場、磁場相互間產(chǎn)生了巨大的作用力， 從而使工件受力成形，被廣泛用到機(jī)械、電子、汽車工業(yè)、輕化工及儀器儀表、航空航天、 兵器工業(yè)等諸多領(lǐng)域。
經(jīng)檢索目前國外文獻(xiàn)中2007年8月DANE C BRENT [US]; HARRIS FRITZ B [US]; TARANOWSKI JOSEPHT [US]等人的"ACTIVE BEAM DELIVERY SYSTEM FOR LASER PEENING AND LASER PEENING METHOD",專利號為KR20070086485 (A),介紹了一 種可以移動的激光束來進(jìn)行材料表面激光噴丸強(qiáng)化技術(shù)，即在工件固定情況下，通過激光
傳遞系統(tǒng)，使得激光束沿著一定的光學(xué)路徑對板料進(jìn)行完整噴丸，其缺陷如下(1)移動 光束的的過程復(fù)雜，難以精確控制。(2)雖然能多次按照一定的路徑?jīng)_擊材料表面，但難
以解決激光噴丸強(qiáng)化過程殘余應(yīng)力分布不合理的問題。(3)材料表面激光多次噴丸時搭接 處難以處理，無法保證搭接處激光噴丸后殘余壓應(yīng)力的分布均勻。(4)無法對復(fù)雜曲面零 件進(jìn)行強(qiáng)化，且無法保證復(fù)雜曲面過渡處在激光噴丸后獲得較好的強(qiáng)化效果。
目前還未有采用電磁脈沖裝置處理材料表面的現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于激光沖擊波和電磁脈沖的復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化的方 法與裝置，用以提高材料表面性能，改善板料表面殘余應(yīng)力場的分布，提高材料的抗應(yīng)力 腐蝕能力和疲勞壽命。
本發(fā)明復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化方法采用的技術(shù)方案是采用大功率重復(fù)頻率脈沖激光器和電磁脈沖裝置同時作用于試樣板料，由計算機(jī)中央處理單元控制激光器和電磁脈沖裝 置。
由計算機(jī)中央處理單元同時發(fā)出控制指令到激光控制器和電磁脈沖控制，通過激光控 制器使激光器發(fā)出激光束，再由可調(diào)節(jié)的外光路系統(tǒng)改變激光束路線，以光斑調(diào)節(jié)裝置調(diào) 節(jié)激光束的光斑大小作用于試樣板料；同時通過電磁脈沖控制器啟動電磁力發(fā)生系統(tǒng)，再 經(jīng)電磁脈沖裝置產(chǎn)生渦流形成磁場作用于試樣板料。
本發(fā)明復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化裝置采用的技術(shù)方案是包括計算機(jī)中央處理單元、激 光器和電磁脈沖裝置，計算機(jī)中央處理單元以激光控制器連接激光器、以電磁脈沖控制串 接電磁力發(fā)生系統(tǒng)后連接電磁脈沖裝置，由激光器發(fā)出的激光束和電磁脈沖裝置同向靠近 試樣板料。
本發(fā)明提出基于激光沖擊波和電磁脈沖的復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化的技術(shù)方案，使金屬 試樣板料受到激光和電磁脈沖雙重強(qiáng)化作用。 一方面，直接利用強(qiáng)脈沖激光束沖擊試樣表 面的柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊波沖擊材料表面；另一方面，利用電磁脈沖 使金屬工件內(nèi)產(chǎn)生渦流形成磁場而使金屬工件受力，其有益效果是
1、 本發(fā)明電磁脈沖裝置解決了激光沖擊波壓力分布不均勻的問題，同時激光沖擊波 力效應(yīng)的作用彌補(bǔ)了電磁脈沖裝置的沖擊力的不足，適應(yīng)沿規(guī)劃路徑軌跡逐點(diǎn)沖擊，可對 復(fù)雜金屬工件表面進(jìn)行充分強(qiáng)化，獲得較好的噴丸效果。
2、 本發(fā)明利用重復(fù)頻率脈沖激光穿過集磁器中心孔使金屬試樣工件受力，擴(kuò)大單獨(dú) 激光沖擊噴丸強(qiáng)化區(qū)域，通過激光沖擊波和電磁脈沖的復(fù)合沖擊，在板料表面形成一定的 分布均勻而合理的殘余壓應(yīng)力，擴(kuò)大殘余壓應(yīng)力區(qū)域，防止材料表面產(chǎn)生有害的殘余拉應(yīng) 力，可應(yīng)用于小孔疲勞強(qiáng)化，損傷修復(fù)再制造，阻止裂紋擴(kuò)展，消除焊接應(yīng)力和提高抗應(yīng) 力腐蝕。
3、 由于電磁強(qiáng)化是以磁場作介質(zhì)，并能穿過非電導(dǎo)體材料，為非接觸加工過程，無 工具與工件變形表面相接觸，而激光也是通過沖擊波的作用在貼有柔性貼膜的工件上，磁
場與柔性貼膜無相互作用，在成形部位表面無機(jī)械損傷，成形過程無機(jī)械接觸，無摩擦， 不需潤滑，所以，工件材料的物理和化學(xué)性能不變，對工作環(huán)境或工件均不污染，是一種 高效、清潔方便的綠色強(qiáng)化工藝。
4、 本發(fā)明將試樣板料固定在多軸坐標(biāo)臺上，可調(diào)節(jié)多軸坐標(biāo)臺的移動和轉(zhuǎn)動，使脈 沖激光和電磁脈沖能完整地沖擊復(fù)雜曲面的表面，實(shí)現(xiàn)材料表面多次復(fù)合沖擊處理及復(fù)雜 曲面材料的強(qiáng)化，且可實(shí)現(xiàn)三維立體沖擊。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一歩詳細(xì)說明。
圖1是復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化裝置結(jié)構(gòu)示意圖2是激光與電磁脈沖沖擊消除焊接應(yīng)力試樣圖3是試樣板料11的激光與電磁脈沖沖擊噴丸區(qū)域示意圖4是激光沖擊噴丸強(qiáng)化后試樣板料11的殘余應(yīng)力分布圖5是激光與電磁脈沖強(qiáng)化后試樣板料11的殘余應(yīng)力分布圖6是激光與電磁脈沖沖擊抗疲勞處理試樣圖。 圖中l(wèi)-計算機(jī)中央處理單元；2-激光控制器；3-電磁脈沖控制器；4-激光器；5-外 光路系統(tǒng)；6-光斑調(diào)節(jié)裝置；7-電磁脈沖裝置；8-激光束；9-夾具；10-柔性貼膜；11-試樣 板料；12-多軸聯(lián)坐標(biāo)臺；13-多軸坐標(biāo)臺控制器；14-集磁器；15-電磁脈沖線圈；16-電磁 力發(fā)生系統(tǒng)；17-放電開關(guān)；18-脈沖儲能電容器組；19-充電開關(guān)；20-充電裝置；21-板料 圓形光斑沖擊區(qū)域；22、 23、 24中心孔；25-板料；26-板料；27-焊接區(qū)域。
具體實(shí)施例方式
圖1所示，計算機(jī)中央處理單元l以激光控制器2連接激光器4，激光器4發(fā)出激光 束8，在激光器4出口側(cè)安裝外光路系統(tǒng)5用以改變激光束8的方向，在激光器4和激光 束8之間連接光斑調(diào)節(jié)裝置6，激光束8經(jīng)光斑調(diào)節(jié)裝置6調(diào)節(jié)光斑大小后作用于試樣板 料11上。
計算機(jī)中央處理單元1以電磁脈沖控制器3串接電磁力發(fā)生系統(tǒng)16后連接電磁脈沖 裝置7。電磁力發(fā)生系統(tǒng)16由放電開關(guān)17、脈沖儲能電容器組18、充電開關(guān)19和充電 裝置20構(gòu)成。電磁脈沖裝置7由集磁器14和電磁脈沖線圈15組成。激光束8和電磁脈 沖裝置7在同一方向靠近試樣板料11，激光束8穿過集磁器14的中心孔后作用于試樣板 料11上。充電裝置20向脈沖儲能電容器組18充電，脈沖儲能電容器組18對電磁脈沖線 圈15放電。
計算機(jī)中央處理單元1以多軸坐標(biāo)臺控制器13連接多軸聯(lián)坐標(biāo)臺12。夾具9安裝在 多軸聯(lián)坐標(biāo)臺12上，試樣板料11固定在夾具9上，在試樣板料11上附貼柔性貼膜10， 柔性貼膜10有約束層與吸收層組成。計算機(jī)中央處理單元1以多軸坐標(biāo)臺控制器13連接 多軸聯(lián)坐標(biāo)臺12。
本發(fā)明通過計算機(jī)中央處理單元1控制大功率重復(fù)頻率脈沖激光器4和電磁脈沖裝置 7，大功率重復(fù)頻率脈沖激光器4和電磁脈沖裝置7同時作用于試樣板料11上的柔性貼膜10上。中央控制處理器1在工作時，同時發(fā)出控制指令到激光控制器2和電磁脈沖控制 器3。中央控制處理器1通過激光控制器2控制激光器4，使激光器4發(fā)出激光脈寬為4ns 10ns、能量為0 100J的激光束，通過可調(diào)節(jié)外光路系統(tǒng)5改變沖擊路線，光斑調(diào)節(jié)裝置 6調(diào)節(jié)激光束8的光斑直徑大小，使光斑直徑為0.2mm 20mm。激光束8穿過集磁器14 中心孔后作用在試樣板料11上的柔性貼膜10表面，同時，中央控制處理器1通過電磁脈 沖控制器3啟動電磁力發(fā)生系統(tǒng)16、電磁力發(fā)生系統(tǒng)16觸發(fā)電磁脈沖裝置7，使電磁脈 沖裝置7產(chǎn)生渦流形成磁場作用于試樣板料11上的柔性貼膜10表面，使試樣板料11受 力，電磁脈沖裝置7的放電能量為0 kJ 100kJ、電壓為0.3 kV 20kV、電容為20nF 1600iiF，試樣板料11距離電磁脈沖裝置7中的電磁脈沖線圈15的距離為2mm 10ram。 根據(jù)實(shí)際的強(qiáng)化目的，可由中央控制處理器編制程序1通過電磁脈沖控制器3控制脈沖儲 能電容器組18的連續(xù)充放電及充放電時機(jī)，開始放電開關(guān)17是關(guān)閉的，充電開關(guān)19是 導(dǎo)通的，充電裝置20向脈沖儲能電容器組18充電，使其存儲足夠的能量，達(dá)到實(shí)際工作 電壓要求后，通過計算機(jī)中央處理單元1控制觸發(fā)放電開關(guān)17導(dǎo)通，充電開關(guān)19是關(guān)閉 的，脈沖儲能電容器組18對電磁脈沖裝置中電磁脈沖線圈15快速放電，產(chǎn)生高壓強(qiáng)脈沖 電流，從而激發(fā)強(qiáng)脈沖磁場，在試樣板料11和電磁脈沖線圈15之間產(chǎn)生電磁力的作用， 這樣，使試樣板料11在激光沖擊波和電磁脈沖雙重作用力下獲得強(qiáng)化，可以根據(jù)不同的 強(qiáng)化要求調(diào)整激光沖擊波與電磁肪沖的合力的大小與分布。
本發(fā)明通過改變上述激光脈寬、能量、光斑直徑以及沖擊路徑等激光參數(shù)來調(diào)整沖擊 壓力的大小和沖擊方向，通過改變試樣板料11距離電磁脈沖裝置7中的電磁脈沖線圈15 的距離，電磁脈沖裝置7的放電能量，電壓和電容來調(diào)整電磁場作用在試樣板料11上的 力的大小，從而可以根據(jù)不同的材料及不同的需求調(diào)節(jié)各種參數(shù)，以達(dá)到充分強(qiáng)化材料的 目的。
沖擊過程中當(dāng)被沖擊試樣板料11是復(fù)雜曲面時,將試樣板料11表面貼有柔性貼膜10， 可通過多軸坐標(biāo)臺轉(zhuǎn)動控制器13控制多軸聯(lián)坐標(biāo)臺12的轉(zhuǎn)動。在產(chǎn)生激光和電磁脈沖的 同時，多軸聯(lián)坐標(biāo)臺12受多軸坐標(biāo)臺轉(zhuǎn)動控制器13控制后向待沖擊位置作三維運(yùn)動，從 而達(dá)到控制沖擊位置的目的，使得脈沖激光和電磁脈沖能完整地沖擊復(fù)雜曲面的表面。
圖2所示為本發(fā)明的應(yīng)力實(shí)例，將板料25和板料26通過采用HJ — 4C02激光器4焊 接，焊接功率和焊接速度分別為2. 2 3. OkW和1. 8 2mm/s，由于在焊接過程中在焊接處 產(chǎn)生有害拉應(yīng)力，實(shí)際過程中通常還需對此拼焊板成形，如沖壓成形，所以有必要對焊接 區(qū)域進(jìn)行表面改性。可根據(jù)實(shí)際的焊接參數(shù)和不同的板料的響應(yīng)特點(diǎn)，通過調(diào)整激光能量和光斑大小，以及電磁脈沖電壓，來調(diào)整沖擊波壓力的大小和電磁脈沖作用力的大小，對 焊接區(qū)域27進(jìn)行復(fù)合沖擊強(qiáng)化，以消除有害殘余應(yīng)力，提高焊接區(qū)域的表面性能，使其 滿足實(shí)際需要。在具體沖擊過程中，由于激光和電磁脈沖作用時間極短，需保持激光沖擊 波作用力和電磁脈沖產(chǎn)生的沖擊力在同一時刻作用或合理的沖擊節(jié)奏，可通過激光控制器 2和電磁脈沖控制器3使得脈沖激光和電磁脈沖在對材料表面作用時具有同步性或節(jié)奏 性。
以下通過2個實(shí)施例說明本發(fā)明具有良好的殘余壓應(yīng)力分布以及沖擊抗疲勞性能。 實(shí)施例l
圖3中的試樣板料11為2024鋁合金板料，其尺寸為40X40mm，厚為0.5mm,將試 樣板料H安裝在夾具9上，通過光斑調(diào)節(jié)裝置6調(diào)節(jié)光斑直徑為8mm、激光能量為25J 對其沖擊，中間的圓形為板料圓形光斑沖擊區(qū)域21。沖擊時殘余應(yīng)力分布如圖4所示， 從圖4可看到，試樣板料11經(jīng)激光沖擊后，沖擊區(qū)域內(nèi)的殘余壓力分布并不均勻，壓力 最大不在中心區(qū)，從中心區(qū)到2mm殘余壓應(yīng)力有增大趨勢，從2mm-4mm殘余壓應(yīng)力逐 漸減小，而且在距中心處6-8mm的沖擊區(qū)域外產(chǎn)生拉應(yīng)力，可見激光噴丸強(qiáng)化有缺陷。
采用本發(fā)明圖1所示的基于激光沖擊波和電磁脈沖的復(fù)合沖擊裝置對上述相同的試 樣板料ll進(jìn)行表面強(qiáng)化，其殘余應(yīng)力分布圖如圖5所示，從圖5可看到，對比圖4的單 獨(dú)激光沖擊強(qiáng)化，采用本發(fā)明復(fù)合沖擊裝置強(qiáng)化后，試樣板料11的殘余應(yīng)力分布更加均 勻，而且沖擊區(qū)域外并無殘余拉應(yīng)力，獲得良好的殘余壓應(yīng)力的分布及大小，從而能改進(jìn) 板料的表面性能。 實(shí)施例2
圖6所示為選用雙聯(lián)"狗骨型"緊固孔疲勞試件，試樣光斑沖擊區(qū)域的兩個中心孔22 的直徑為2mm，在沖擊強(qiáng)化區(qū)域分別涂上吸收層(鋁箔0.15mm)和約束層(4.5mm厚 K9光學(xué)玻璃)，其中， 一個中心孔23做單獨(dú)激光噴丸強(qiáng)化，而另一個中心孔24做激光與 電磁脈沖復(fù)合沖擊強(qiáng)化，對比中心孔23、 24實(shí)驗(yàn)，試樣經(jīng)實(shí)施例1中所述的兩種不同方 法處理后，可依靠檢測沖擊區(qū)硬度和通過疲勞實(shí)驗(yàn)得出結(jié)果。結(jié)果得出單獨(dú)激光處理的試 件表面沖擊區(qū)域的硬度比未處理提高40%左右，疲勞壽命增加2 10倍。而經(jīng)激光和電磁 脈沖復(fù)合沖擊處理的試件的硬度比未處理提高70%，疲勞壽命增加3 15倍。可見，相對 激光單獨(dú)噴丸強(qiáng)化時，激光與電磁脈沖復(fù)合進(jìn)行處理，可以更高地提高疲勞性能及預(yù)防疲 勞裂紋的產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1、一種復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化方法，其特征是由計算機(jī)中央處理單元(1)控制大功率重復(fù)頻率脈沖激光器(4)和電磁脈沖裝置(7)，大功率重復(fù)頻率脈沖激光器(4)和電磁脈沖裝置(7)同時作用于試樣板料(11)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是具體步驟為由計算機(jī)中央處理單元(1)同時發(fā)出控制指令到激光控制器(2)和電磁脈沖控制器(3)，通過激光控制器(2)使激 光器(4)發(fā)出激光束(8)，再由可調(diào)節(jié)的外光路系統(tǒng)(5)改變激光束(8)路線，以光 斑調(diào)節(jié)裝置(6)調(diào)節(jié)激光束(8)的光斑大小作用于試樣板料(11);同時通過電磁脈沖 控制器(3)啟動電磁力發(fā)生系統(tǒng)(6)，再經(jīng)電磁脈沖裝置(7)產(chǎn)生渦流形成磁場作用于 試樣板料(11)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是激光器(4)發(fā)出的激光脈寬為4ns 10ns， 能量為0J 100J;經(jīng)光斑調(diào)節(jié)裝置(6)調(diào)節(jié)的激光束(8)的光斑直徑為0.2mm 20mm， 電磁脈沖裝置(7)的放電能量為0 kJ 100kJ、電壓為0.3 kV 20kV、電容為20 u F 1600 uF;試樣板料(11)距離電磁脈沖裝置(7)中的電磁脈沖線圈(15)的距離為2mm 10mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是當(dāng)試樣板料(11)是復(fù)雜曲面時，通過多軸坐標(biāo)臺轉(zhuǎn)動控制器(13)控制多軸坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(12)。
5、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化裝置，包括計算機(jī)中央處理單 元(1)、激光器(4)和電磁脈沖裝置(7),其特征是計算機(jī)中央處理單元(1)以激光 控制器(2)連接激光器(4)、以電磁脈沖控制器(3)串接電磁力發(fā)生系統(tǒng)(16)后連接 電磁脈沖裝置(7)，由激光器(4)發(fā)出的激光束(8)和電磁脈沖裝置(7)同向靠近試 樣板料(11)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是所述電磁脈沖裝置(7)由集磁器(14) 和電磁脈沖線圈(15)組成，激光束(8)穿過集磁器(14)的中心孔。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是所述電磁力發(fā)生系統(tǒng)(16)由放電開關(guān) (17)、脈沖儲能電容器組(18)、充電開關(guān)(19)和充電裝置(20)構(gòu)成，充電裝置(20)向脈 沖儲能電容器組(18)充電，脈沖儲能電容器組(18)對線圈(15)放電。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是在激光器(4)出口側(cè)安裝外光路系統(tǒng)(5) 改變激光束(8)的方向，在激光器(4)和激光束(8)之間連接光斑調(diào)節(jié)裝置(6)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是在試樣板料(11)上附有柔性貼膜(10)， 柔性貼膜(10)由約束層與吸收層組成。
10、根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征是試樣板料(11)固定在多軸聯(lián)坐標(biāo)臺U2) 的夾具(9)上，計算機(jī)中央處理單元(l)以多軸坐標(biāo)臺控制器(13)連接多軸坐標(biāo)臺(12)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光沖擊波和電磁脈沖的復(fù)合沖擊材料表面強(qiáng)化方法及裝置，由計算機(jī)中央處理單元控制激光器和電磁脈沖裝置同時作用于試樣板料，由可調(diào)節(jié)的外光路系統(tǒng)改變激光束路線，以光斑調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)激光束的光斑大?。煌瑫r通過電磁脈沖控制器啟動電磁力發(fā)生系統(tǒng)，使金屬試樣板料受到激光和電磁脈沖雙重強(qiáng)化作用，通過調(diào)節(jié)多軸坐標(biāo)臺的移動和轉(zhuǎn)動，使脈沖激光和電磁脈沖能完整地沖擊復(fù)雜曲面的表面，實(shí)現(xiàn)三維立體沖擊；本發(fā)明可防止材料表面產(chǎn)生有害的殘余拉應(yīng)力，應(yīng)用于小孔疲勞強(qiáng)化，損傷修復(fù)再制造，阻止裂紋擴(kuò)展，消除焊接應(yīng)力和提高抗應(yīng)力腐蝕。
文檔編號C21D1/09GK101560587SQ200910027130
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者姜銀方, 張朝陽, 張永康, 楊超君, 飛 王, 王永良, 錢曉眀, 顧永玉, 魯金忠 申請人:江蘇大學(xué)