圆光斑激光冲击强化轨迹迭加的方法

摘要

本发明公开了一种圆光斑激光冲击强化轨迹迭加的方法，使用双面对冲激光强化系统，冲击件的吸收保护层采用一面有胶体的不透明胶带或金属膜，采用水作为冲击件的约束层；确定冲击光斑直径的迭加率为x％，光斑直径为D，进行四轮冲击；每一轮冲击的相邻光斑中心间隔2D(1-x％)，相邻两轮冲击的零点在横向上间隔为D·(1-x％)，视所用保护层材料性质确定每一轮之间是否重新贴膜。本发明避免了膜层破裂损伤冲击件表面，又达到了光斑迭加的冲击效果。

权利要求

1.圆光斑激光冲击强化轨迹迭加的方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，使用两束激光脉冲能量相同、脉宽相同、聚焦光斑尺寸相同的双面对冲的激光强化系统，冲击件的吸收保护层采用一面有胶体的不透明胶带或金属膜，其中胶体对金属2

冲击件的粘附力≥30N/cm，金属膜延伸率≥30％，胶带和胶体的总厚度在100～130μm，金属膜和胶体的总厚度在50～100μm；采用水作为冲击件的约束层，集成控制系统控制水的流速和流量，在冲击件冲击表面形成均匀的水幕；

第二步，确定冲击光斑直径的迭加率为x％，光斑直径为D，采用圆光斑直径迭加率在

30％以上；将清洗干净的冲击件表面贴上吸收保护层，根据冲击区域的要求，选取该区域边界上某一点为零点，作为第一个光斑中心点，进行第一轮冲击；这一轮冲击的相邻光斑中心间隔2D(1-x％)，将整个冲击区域冲击处理一次；

第三步，视所用保护层材料性质来确定是否清除保护层，重新贴膜，进行第二轮冲击；吸收保护层为胶带时，清除保护层，重新进行贴膜后进行第二轮冲击；吸收保护层为金属膜时，直接进行第二轮冲击；这一轮冲击的零点与第一轮冲击的零点在横向上间隔为D·(1-x％)，第二轮冲击的相邻光斑中心间隔为2D(1-x％)，将整个冲击区域冲击处理一次；

第四步，清除冲击件上的保护层，重新贴膜；第三轮冲击的零点与第一轮冲击的零点在纵向上间隔为D·(1-x％)，第三轮冲击的相邻光斑中心间隔为2D(1-x％)，将整个冲击区域冲击处理一次；

第五步，视所用保护层材料性质确定是否重新贴膜；吸收保护层为胶带时，清除保护层，重新进行贴膜后进行第四轮冲击；吸收保护层为金属膜时，直接进行第四轮冲击；第四轮冲击的零点与第三轮冲击的零点间隔D·(1-x％)，第四轮冲击的相邻光斑中心间隔为

2D(1-x％)，将整个冲击区域冲击处理一次；四次冲击完成后，整个冲击过程完成。

2.根据权利要求1所述的圆光斑激光冲击强化轨迹迭加的方法，其特征在于：所述的第二步至第五步重复执行达到多次冲击的效果。

说明书

圆光斑激光冲击强化轨迹迭加的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光加工领域，尤其是一种圆光斑激光冲击强化轨迹迭加的方法，适用于小曲率表面的零件且冲击区域远大于激光聚焦光斑的激光冲击强化处理。

背景技术

[0002] 激光冲击强化Laser Shock Processing，简写LSP，又称为激光喷丸，是利用高功2
率密度GW/cm 量级、短脉冲ns量级聚焦强激光束冲击覆盖在金属表面的激光吸收保护膜，其吸收激光能量后温度迅速升高，发生气化、电离、爆炸，诱发高幅值冲击波，即光能转变为冲击波机械能；高达数GPa的冲击波压力使材料表层发生超高应变率微观塑性变形，形成残余压应力层，从而有效地改善了金属材料的机械性能，特别能大幅度提高材料的疲劳寿命、抗应力腐蚀性能。

[0003] 激光冲击强化设备主要包括几部分：高平均功率纳秒脉冲激光器、运动控制机器人、水约束过滤加压装置、集成控制系统。集成控制系统将激光器、运动控制机器人、水约束层控制接口通过现场总线(CAN)连接到一台控制工控机上，在同一控制平台下按照工件加工要求、各部分接口数据标准自动协同发送控制指令，使其相互配合工作。

[0004] 目前激光冲击强化通常采用胶带或油漆作为激光冲击强化的吸收保护层，水作为约束层。冲击件表面贴上胶带或涂覆上均匀的油漆，通过调节水的流速和流量在冲击件表面形成均匀的一定厚度的水幕，高功率激光器对冲击件表面发射激光脉冲，吸收层吸收激光能量产生高温高压等离子体爆炸，诱导高压等离子体冲击波，作用于金属表面并向内部传播。在冲击件表面形成深度达1～2mm的残余压应力。

[0005] 激光冲击强化是一种能大幅提升材料疲劳性能的新型表面处理技术，目前多用于对疲劳强度要求很高的航空构件。由于冲击处理的航空部件制造工艺比较复杂，价格比较昂贵，在冲击强化过程中要保证冲击件的质量，避免冲击件的损伤。

[0006] 根据实验测试数据表明，激光冲击区域之外存在过渡残余拉应力，冲击区域内为残余压应力，这与国内外公开发表的科技文献中测试结果一致。为保证冲击区域表面为分布均匀的残余压应力，应将冲击区域表面处理完全覆盖，因此在使用圆光斑冲击时，需要采取一定覆盖率的迭加冲击，以保证冲击区域被完全处理覆盖。吸收层采用金属膜时，由于金属膜的延展性，激光沿一个轨迹方向迭加冲击，金属膜沿轨迹方向延展，会使金属膜向外凸起，形成气泡，从而引起金属膜的破裂。吸收层为胶带时，圆光斑迭加冲击，相邻光斑迭加区域受到多次冲击，由于激光的脉冲能量很高，胶带在多次吸收激光能量后，烧蚀破裂。如果吸收层破裂，高能量的脉冲激光将直接作用于冲击件表面，既破坏了冲击件表面的光洁度，脉冲激光束含有的长脉冲系统放大自发辐射激光的聚焦烧蚀作用也降低了冲击件的激光冲击强化效果。

[0007] 根据我们查阅的相关文件，国内由江苏大学张永康等人申请的专利《激光冲击成形强化系统》，申请号为200610161633，主要描述的是激光冲击成形强化设备的系统集成，未涉及激光冲击强化时具体工艺及激光光斑迭加方法。尚未查到国内公开发表的涉及圆光斑激光冲击强化轨迹迭加的文章。

发明内容

[0008] 为了克服现有技术中吸收保护层容易破裂，会烧蚀冲击件表面的不足，本发明提出一种圆光斑激光冲击强化轨迹交替迭加的方法，完成冲击区域要求的光斑覆盖率，提高了冲击件的激光冲击强化合格率。

[0009] 本发明采用圆光斑迭加的方法，将整个冲击区域覆盖。为避免金属膜或胶带在冲击过程中破裂，本发明在冲击时没有采用一次贴膜完成整个冲击强化的过程，而是分两次贴膜冲击或多次贴膜冲击合成光斑迭加的效果，具体包括以下步骤：

[0010] 第一步，使用两束激光脉冲能量相同、脉宽相同、聚焦光斑尺寸相同的双面对冲的激光强化系统，避免了冲击件的变形。冲击件的吸收保护层采用一面有胶体的不透明胶带2
或金属膜，其中胶体对金属冲击件有较好的粘附力(≥30N/cm)，金属膜延伸率≥30％，胶带和胶体的总厚度在100～130μm，金属膜和胶体的总厚度在50～100μm。采用水作为冲击件的约束层，集成控制系统控制水的流速和流量，在冲击件冲击表面形成均匀的水幕。

[0011] 第二步，确定冲击光斑直径的迭加率为x％，光斑直径为D，一般采用圆光斑直径迭加率在30％以上。将清洗干净的冲击件表面贴上保护吸收层，根据冲击区域的要求，选取该区域边界上某一点为零点，作为第一个光斑中心点，进行第一轮冲击。这一轮冲击的相邻光斑中心间隔2D(1-x％)，将整个冲击区域冲击处理一次。

[0012] 第三步，视所用保护层材料性质来确定是否清除保护层，重新贴膜，进行第二轮冲击。吸收保护层为胶带时，清除保护层，重新进行贴膜后进行第二轮冲击；吸收保护层为金属膜时，直接进行第二轮冲击。这一轮冲击的零点与与第一轮冲击的零点在横向上间隔为D·(1-x％)。第二轮冲击的相邻光斑中心间隔为2D(1-x％)，将整个冲击区域冲击处理一次。

[0013] 第四步，清除冲击件上的保护层，重新贴膜。第三轮冲击的零点与第一轮冲击的零点在纵向上间隔为D·(1-x％)。第三轮冲击的相邻光斑中心间隔为2D(1-x％)，将整个冲击区域冲击处理一次。

[0014] 第五步，视所用保护层材料性质确定是否重新贴膜。吸收保护层为胶带时，清除保护层，重新进行贴膜后进行第四轮冲击；吸收保护层为金属膜时，直接进行第四轮冲击。第四轮冲击的零点与第三轮冲击的零点间隔D·(1-x％)。第四轮冲击的相邻光斑中心间隔为2D(1-x％)，将整个冲击区域冲击处理一次。四次冲击完成后，整个冲击过程完成。

[0015] 当同一区域需要进行多次冲击时，可重复上述步骤进行更多次贴膜冲击的方法达到所要求的冲击效果。

[0016] 本发明的有益效果是：针对现有技术中吸收保护层容易破裂，造成冲击件表面烧蚀的不足，采用多次贴膜多次冲击的方法，避免了膜层破裂损伤冲击件表面，又达到了光斑迭加的冲击效果。

[0017] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

[0018] 图1是本发明所述装置的结构示意图；

[0019] 图2是冲击件双面冲击示意图；

[0020] 图3是光斑直径30％迭加示意图；

[0021] 图4是光斑直径50％迭加前两轮光斑覆盖示意图；

[0022] 图5是光斑直径50％迭加后两轮光斑覆盖示意图；

[0023] 图6是光斑直径50％迭加整体示意图；

[0024] 图7是光斑直径x％迭加示意图；

[0025] 图中，1.激光冲击集成控制系统；2.高功率脉冲激光器；3.可控制水嘴；4运动控制机器人；5.45°半透半反分光镜；6.45°全反射镜；7.冲击件；8.聚焦镜；9.吸收层；L1.第一轮激光冲击；L2.第二轮激光冲击；L3.第三轮激光冲击；L4.第四轮激光冲击；D.光斑直径；W1.同一轮冲击不同光斑的中心距离；W2两轮冲击相邻光斑中心距离；x％.光斑直径迭加率。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

[0027] 本发明所用激光冲击强化装置为现有技术：如图1所示的激光冲击强化装置，由高功率脉冲激光器2发射激光，由45°半透半反分光镜5将激光分成两束相同的激光束，通过一系列45°全反射镜6的调整，由聚焦镜8将光程相同的两束激光分别聚焦，调节聚焦镜8的位置，使两束激光照射在冲击件7正反两面的聚焦光斑尺寸相同，脉宽相同，并且冲击件表面的光斑使用焦前光斑。可控制的水嘴3喷出水，在冲击件表面形成均匀的水幕。调节机器人4使激光与冲击件7表面法线成一个小的角度。专利申请号为200910020997.6的专利《一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置》具体描述了双面对冲的激光冲击强化装置。
集成控制系统1控制高功率脉冲激光器2的能量、工作模式，控制机器人4的运动，控制水嘴3的水速和水流量。集成控制系统1可对机器人4的运动轨迹编程存储在数据库中。在激光冲击时直接调出数据库由系统自动控制冲击过程。

[0028] 如图2所示的冲击件的双面冲击示意图，冲击件7表面涂覆吸收保护层9，喷水嘴3喷出的水在吸收保护层表面形成均匀的约束层。吸收保护层9采用一面有胶体的金属膜
2
或黑色胶带。因为铝的延展性仅次于金、银，1g Al可拉长成37m的细丝，展成50m 铝箔厚度小于0.01mm，因此通常采用铝箔作为吸收保护层。金属膜连同胶体的厚度在50～100μm。

[0029] 利用光斑迭加冲击来实现冲击区域的冲击覆盖率大于100％，通常采用的方法是激光聚焦光斑直径的30％～50％的迭加。

[0030] 如图3所示，采用聚焦光斑直径30％的迭加方法，相邻迭加光斑圆心距离0.7D。如果按照光斑间距0.7D顺序迭加冲击直至整个冲击区域冲击完成，在冲击过程中，吸收保护膜9一定会破裂，造成冲击件表面的烧蚀。因此，本发明采用交替迭加冲击来达到光斑直径30％迭加冲击效果，包括以下步骤：

[0031] 第一步，使用两束激光脉冲能量相同、脉宽相同、聚焦光斑尺寸相同的双面对冲的激光强化系统，冲击件的吸收保护层采用一面有胶体的不透明胶带，胶带和胶体的总厚度在120μm，采用水作为冲击件的约束层，集成控制系统控制水的流速和流量，在冲击件冲击表面形成均匀的水幕。

[0032] 第二步，第一轮冲击如图3所示细实线圆光斑分布L1，这一轮相邻光斑中心间距W1为1.4D，按照W1的光斑中心间距将待冲击区域处理一次。

[0033] 第三步，L1完成后，去除吸收保护层，重新贴上胶带，进行第二轮激光冲击，如图3所示细虚线圆光斑分布L2。L2与L1的横向相邻迭加的光斑中心距离W2，W2为0.7D。L2这一轮相邻的光斑中心间隔与第一轮L1的光斑中心间隔相同，即W1。

[0034] 第四步，完成第二轮激光冲击L2，去除吸收保护层，重新贴上胶带，进行第三轮激光冲击，如图3所示粗实线圆光斑分布L3。L3与L1纵向相邻迭加的光斑中心距离W2为0.7D。这一轮相邻光斑中心间隔仍然为W1。

[0035] 第五步，完成L3的激光冲击后，去除吸收保护层，再重新贴上胶带，对冲击区域进行第四轮激光冲击，如图3粗虚线圆光斑分布L4。L4与L3横向相邻迭加光斑中心间距W2为0.7D。L4的相邻光斑中心间隔W1，完成L4的激光冲击。以上四步完成后则完成对整个冲击区域的冲击过程。完整的光斑迭加如图3所示。

[0036] 当吸收保护膜采用铝箔时，胶体对金属冲击件的粘附力为40N/cm2，铝箔连同胶体的厚度在100μm，由于金属膜抗激光冲击烧蚀能力强于胶带，在整个冲击过程中可以只贴两次。在冲击完L1后不需要重新贴膜，直接冲击L2，冲击完成后，去除金属膜，重新贴膜，再完成L3、L4。

[0037] 如图4至图5所示，采用光斑直径50％迭加的冲击方法过程与30％直径迭加相同，只是其中W1为D，W2为0.5D。光斑迭加的示意图如图6所示。

[0038] 光斑直径在30％～50％之间迭加的冲击方法与30％和50％直径迭加的过程相同。其中W1和W2的取值如图7所示，光斑直径迭加率为x％时，同一轮冲击光斑中心距离W2为D·(1-x％)，W1为W2的2倍。