一種用于曲面的方形光斑激光沖擊均勻強化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明方法涉及激光加工領(lǐng)域，特指一種用于曲面的方形光斑激光沖擊均勻強化方法，特別適合于汽輪機葉片和轉(zhuǎn)動體零部件，圓盤，齒輪軸和軸承等曲面零件的均勻強化處理。
【背景技術(shù)】
[0002]激光沖擊強化(又叫激光噴丸)是一種新型的材料表面強化技術(shù)，利用強激光誘導的沖擊波使金屬表層產(chǎn)生劇烈塑性變形，誘導較深殘余壓應力和細化晶粒，顯著提高了金屬零件表面性能，具有尚壓、尚能、超快和超尚應變率等特點；其形成的殘余壓應力層能有效地消除材料內(nèi)部的應力集中和抑制裂紋的萌生和擴展，能夠顯著提高金屬零件的疲勞壽命以及抗腐蝕和抗磨損能力，大量的研究證明激光沖擊強化導致的殘余壓應力使裂紋萌生位置改變，延長裂紋萌生時間，降低裂紋擴展速度，提高材料壽命的有效手段。
[0003]工業(yè)上，我國多起汽輪機葉片以及各種轉(zhuǎn)動體零部件疲勞和腐蝕失效大多是由于疲勞載荷與溶解氧、氯化物等含腐蝕介質(zhì)的高溫環(huán)境交互作用而導致腐蝕和侵蝕，這對汽輪機葉片以及各種轉(zhuǎn)動體零部件抗疲勞強度和抗腐蝕性能提出了嚴峻考驗；工業(yè)汽輪機低壓過渡區(qū)葉片以及各種轉(zhuǎn)動體零部件都含有復雜的扭曲面，其各個部位的曲率大小不一；激光沖擊強化方法大多應用于平面，應用于曲面的研究比較少。另外，普通激光沖擊強化處理容易使吸收層翹曲剝落，導致葉片表面燒蝕和破損；導致沖擊產(chǎn)生的殘余壓應力場和表面微形貌不均勻，強化效果不一致；變曲率扭曲表面的激光沖擊強化工藝無法達到標準。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種應用于曲面的方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強化方法，即在對不同曲面進行激光沖擊時，根據(jù)曲面曲率的變化調(diào)節(jié)方形光斑的大小，沖擊時采用多層交錯強化方法，每一層均采用能量均勻分布的方形光斑進行緊挨不搭接的激光沖擊強化，相鄰兩層之間光斑位置在橫向與縱向均按一定比例均勻交錯的方法來實現(xiàn)金屬件的表面均勻強化；該方法實現(xiàn)了對曲面進行有效的激光沖擊強化，并且能顯著消除方形光斑的邊界效應，使工件表層晶粒細化，提高大面積激光沖擊強化的穩(wěn)定性和可靠性，獲得均勻強化效果并且加工效率高，實現(xiàn)曲面類零件的均勻強化，具體步驟為:
(I)通過激光器控制裝置設定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)，使其光斑形狀為方形，邊長為a，根據(jù)曲率的變化確定a的值。
[0005]設定曲率k范圍在0~125之間，根據(jù)曲率半徑r=l/k，單位；k等于O時，r為無窮大，此時曲面為平面；k等于125時，r=8mm，此時曲面彎曲程度已經(jīng)很大，當曲率半徑大于125時，本方法不再適用；光斑尺寸選擇具體如下:當曲率Ii=Mk2 Ckn匕為曲面上某點的兩個主曲率)在0~42時，光斑邊長a取8mm ;k在42~84時，a取4mm ;k在84~125時，a取2mm ο
[0006](2)將工件安裝在五軸工作臺上，并在工件待加工表面覆蓋吸收層，在吸收層表面根據(jù)曲率的大小繪制相應邊長a的方形網(wǎng)格；當曲率k在0~42時，光斑邊長a取8mm ;k在42-84 時，a 取 4mm ;k 在 84~125 時，a 取 2mm。
[0007](3)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束位置與網(wǎng)格狀吸收層的單個網(wǎng)格拐角重合，在沖擊區(qū)域起始拐角作為第一層的激光沖擊強化處理起始點位置，并使網(wǎng)格約束層的X軸和Y軸與工作臺的X軸和Y軸一致。
[0008](4)采用流水作為約束層，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)控制五軸工作臺的移動和轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對工件待加工表面進行第一層激光沖擊強化，采用逐行沖擊的方法，當曲率k在0~42范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)光斑為8mm，對曲面進行沖擊；當曲率k在42~84范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)光斑為4_，對曲面進行沖擊；當曲率k在84~125范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)光斑為2mm，對曲面進行沖擊，在沖擊過程中相鄰方形光斑緊挨不搭接。
[0009](5)更換吸收層，并在吸收層表面重新繪制網(wǎng)格。
[0010](6)通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺使激光束位置與網(wǎng)格狀吸收層的單個網(wǎng)格拐角的重合位置從上一層中的沖擊區(qū)域起始拐角在橫向與縱向均按一定比例均向沖擊區(qū)域外偏移b，作為第二層的激光沖擊強化處理起始點位置。
[0011](7)采用流水作為約束層，打開激光器，采用逐行加工的方法通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)五軸工作臺的轉(zhuǎn)動和移動實現(xiàn)對工件待加工表面進行第二層激光沖擊強化，沖擊過程中相鄰方形光斑緊挨不搭接。
[0012](8)重復步驟(5) (6) (7)，直至完成第N層激光沖擊強化。
[0013]本發(fā)明所采用的激光沖擊強化用的脈沖激光束為正方形光斑，邊長a為2，4，8mm，頻率為1~5 Hz，脈寬為8~30 ns，脈沖能量3~15 J，激光強化沖擊偏移量b=8/N ;采用流水作為約束層，厚度為I mm ;吸收層材料為鋁箔，厚度為100 μπι。
[0014]本發(fā)明的有益效果:實現(xiàn)了對曲面進行有效的激光沖擊強化，并且能消除方形光斑的邊界效應，工件表層晶粒細化，提高大面積激光沖擊強化的穩(wěn)定性和可靠性，獲得均勻強化效果且加工效率高。
【附圖說明】
[0015]圖1激光沖擊曲面工件示意圖。
[0016]圖2方形光斑單層沖擊時光斑排列示意圖。
[0017]圖3為方形光斑激光多層交錯沖擊均勻強化方法的示意圖。
[0018]圖4為ΑΜ50鎂合金曲面激光沖擊區(qū)域金相圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細的說明。
[0020]本實施例所采用的曲面基體材料為ΑΜ50鎂合金；激光器的工藝參數(shù)為:脈寬8ns，頻率I Hz，脈沖能量6 J，光斑形狀為方形，本實例中相鄰方形光斑緊挨不搭接如圖2。具體步驟為:
(I)通過激光器控制裝置設定激光器的輸出功率和光斑參數(shù)，使其光斑形狀為方形，邊長為a，根據(jù)曲率的變化確定a的值；本實例中曲面曲率分為3個部分，分別為k在0~42，42-84,84-125內(nèi)，當k在0~42時，光斑邊長a取8mm ;當k在42~84時，a取4mm ;當k在84—125 時，a 取 2mm。
[0021](2)將工件安裝在五軸工作臺上，并在工件待加工表面覆蓋吸收層，在吸收