一種激光增材薄壁件激光沖噴丸應(yīng)力調(diào)控的方法
【專利摘要】本發(fā)明的一種激光增材薄壁件激光噴丸應(yīng)力調(diào)控的方法涉及激光增材制造應(yīng)力調(diào)控領(lǐng)域，該方法包括以下步驟，首先基于不同的激光增材制造參數(shù)，模擬出激光增材制造后材料表面的熱致應(yīng)力分布。其次模擬計(jì)算加工切屑剝離材料表面后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形以及刀具施加的變形，并計(jì)算出加工后的應(yīng)力分布。接著根據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力分布及變形狀況，制定激光沖擊方案，先通過激光沖擊成形矯正變形區(qū)域的位置偏差X與角度偏差θ。最后計(jì)算激光沖擊矯形后試樣件表面的殘余應(yīng)力分布，通過激光沖擊強(qiáng)化調(diào)整試樣表面的殘余應(yīng)力，使其趨于一致。
【專利說明】
一種激光増材薄壁件激光沖噴丸應(yīng)力調(diào)控的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及激光增材制造應(yīng)力調(diào)控領(lǐng)域，特指一種通過激光噴丸調(diào)控增材制造件表面應(yīng)力狀態(tài)和外形的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正向大型化、高參數(shù)、極端惡劣條件下高可靠、長壽命服役的方向快速發(fā)展，高性能難加工金屬大型關(guān)鍵構(gòu)件制造技術(shù)被公認(rèn)為是重大高端裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)和核心關(guān)鍵技術(shù)。激光增材制造技術(shù)有望為國防及工業(yè)重大裝備中大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供一條快速、柔性、低成本、高性能、短周期的技術(shù)新途徑。從1992年起，基于同軸送粉激光熔化沉積的致密金屬零件激光增材制造技術(shù)在世界范圍內(nèi)引起了人們的高度關(guān)注，國內(nèi)外眾多大學(xué)及研究院所在鈦合金、鎳基高溫合金、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、難熔合金等高性能金屬材料的激光增材制造工藝、裝備、組織及性能研究等方面取得了大量研究成果O
[0003]激光增材制造技術(shù)作為一項(xiàng)新的制造技術(shù)，其制造件表面殘余應(yīng)力調(diào)控是該技術(shù)得以大規(guī)模應(yīng)用不可或缺的研究領(lǐng)域。激光增材制造因其熱加工的本質(zhì)在樣件制造完畢后會(huì)殘留熱致應(yīng)力，該應(yīng)力對(duì)材料的疲勞性能以及樣件的尺寸精度將造成不利的影響，尤其對(duì)于激光增材制造的大型薄壁件，在進(jìn)行表面機(jī)加工時(shí)，殘余應(yīng)力釋放往往導(dǎo)致材料變形，實(shí)際生產(chǎn)過程中需要進(jìn)行復(fù)雜的防變形工藝，如雙邊切削、熱處理后切削、設(shè)計(jì)專用夾具等，這些繁瑣的工藝、工裝掩蓋了激光增材制造快速高效的優(yōu)點(diǎn)，阻礙其應(yīng)用。因此本發(fā)明提出一種激光增材薄壁件激光噴丸應(yīng)力調(diào)控的方法，它利用激光沖擊波調(diào)控增材制造件表面的應(yīng)力分布，強(qiáng)化了樣件表面，并矯正了樣件外形，簡化了生產(chǎn)工藝，省去了復(fù)雜的工裝夾具，使得激光增材制造零件能夠廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于以上不足，本發(fā)明提出一種激光增材薄壁件激光噴丸應(yīng)力調(diào)控的方法，它利用激光沖擊波調(diào)控增材制造件表面的應(yīng)力分布，強(qiáng)化了樣件表面，并矯正了樣件外形。
[0005]本發(fā)明的方法技術(shù)方案如下:一種激光增材薄壁件激光噴丸應(yīng)力調(diào)控的方法，其特征在于:該方法包括以下步驟，
[0006]步驟1:基于不同的激光增材制造參數(shù)，模擬出激光增材制造后材料表面的熱致應(yīng)力分布；
[0007]步驟2:根據(jù)步驟I的結(jié)果，模擬計(jì)算加工切肩剝離材料表面后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形以及刀具施加的變形，并計(jì)算出加工后的應(yīng)力分布;在樣件的側(cè)面設(shè)有動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)測(cè)量樣件表面的應(yīng)變狀態(tài)，記錄每個(gè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)尺寸間的位置偏差X，以及面之間的角度偏差Θ;
[0008]步驟3:基于步驟2的結(jié)果根據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力分布及變形狀況，制定激光沖擊方案，先通過激光沖擊成形矯正變形區(qū)域的位置偏差X與角度偏差Θ;計(jì)算激光沖擊矯形后試樣件表面的殘余應(yīng)力分布，通過激光沖擊強(qiáng)化調(diào)整試樣表面的殘余應(yīng)力，使其趨于一致。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0010]1.有效調(diào)控激光增材制造件的表面應(yīng)力，強(qiáng)化其使用壽命使其能夠服役于更多工況。
[0011]2.矯正由于殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形，控制尺寸精度，避免了由于加工變形產(chǎn)生的產(chǎn)品報(bào)廢。
[0012]3.應(yīng)力調(diào)控與矯形相結(jié)合，簡化了工藝流程，省去了機(jī)加工的變形控制設(shè)計(jì)，在機(jī)加工時(shí)省去了中途停機(jī)熱處理公藝，保證了加工的連貫性。
[0013]4.避免了機(jī)加工時(shí)防變形夾具設(shè)計(jì)，節(jié)約了成本。
【附圖說明】
[0014]圖1是切削加工樣件變形示意圖；
[0015]圖2是動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀布置示意圖；
[0016]圖3是激光沖擊矯形示意圖；
[0017]圖4是激光增材制造后材料表面殘余應(yīng)力分布；
[0018]圖5是切削后材料表面殘余應(yīng)力分布；
[0019]圖6是激光沖擊后材料表面殘余應(yīng)力分布。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021 ]以下實(shí)施例用來說明本發(fā)明，但不是限制本發(fā)明。
[0022]本發(fā)明涉及激光增材制造應(yīng)力調(diào)控領(lǐng)域，特指一種通過激光噴丸調(diào)控增材制造件表面應(yīng)力狀態(tài)和外形的方法，首先基于不同的激光增材制造參數(shù)，模擬出激光增材制造后材料表面的熱致應(yīng)力分布。其次模擬計(jì)算加工切肩剝離材料表面后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形以及刀具施加的變形，并計(jì)算出加工后的應(yīng)力分布。接著根據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力分布及變形狀況，制定激光沖擊方案，先通過激光沖擊成形矯正變形區(qū)域的位置偏差X與角度偏差θ。最后計(jì)算激光沖擊矯形后試樣件表面的殘余應(yīng)力分布，通過激光沖擊強(qiáng)化調(diào)整試樣表面的殘余應(yīng)力，使其趨于一致。
[0023]—種激光增材薄壁件激光噴丸應(yīng)力調(diào)控的方法，該方法包括以下步驟，
[0024]步驟1:基于不同的激光增材制造參數(shù)，模擬出激光增材制造后材料表面的熱致應(yīng)力分布;激光功率為1500w，送分率0.02g/mm，掃描速度7mm/s時(shí)材料的殘余應(yīng)力如圖4所示，材料中間區(qū)域具有較大的拉應(yīng)力。
[0025]步驟2:根據(jù)步驟I的結(jié)果，模擬計(jì)算加工切肩剝離材料表面后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形以及刀具施加的變形，并計(jì)算出加工后的應(yīng)力分布如圖4所示，加工后拉應(yīng)力有所減小，但材料表面仍然表現(xiàn)為拉應(yīng)力;在樣件的側(cè)面設(shè)有動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)測(cè)量樣件表面的應(yīng)變狀態(tài)，記錄每個(gè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)尺寸間的位置偏差X，以及面之間的角度偏差Θ;
[0026]步驟3:基于步驟2的結(jié)果根據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力分布及變形狀況，制定激光沖擊方案，先通過激光沖擊成形矯正變形區(qū)域的位置偏差X與角度偏差Θ;計(jì)算激光沖擊矯形后試樣件表面的殘余應(yīng)力分布，通過激光沖擊強(qiáng)化調(diào)整試樣表面的殘余應(yīng)力，使其趨于一致。
[0027]具體實(shí)施例1:
[0028]步驟I’，首先通過激光功率500W，掃描速度350mm/min，送粉量9g/min，制造一件薄壁件試樣。
[0029]步驟2’，基于步驟I’的激光增材制造參數(shù)，模擬出激光增材制造后材料表面的熱致應(yīng)力分布。
[0030]步驟3’，根據(jù)步驟2’的計(jì)算結(jié)果，模擬計(jì)算加工切肩I剝離樣件3表面后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形以及刀具2施加的變形，并計(jì)算出加工后的應(yīng)力分布，在樣件3的側(cè)面涂有光學(xué)顯影劑4，并設(shè)有動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀6，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀6，實(shí)時(shí)檢測(cè)樣件3表面的應(yīng)變狀態(tài)，記錄每個(gè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)尺寸5間的位置偏差X，以及面之間的角度偏差Θ。
[0031]步驟4’，基于步驟3’的結(jié)果根據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力分布及變形狀況，制定激光沖擊方案，在需要矯形的區(qū)域涂覆黑漆10作為吸收層，涂水機(jī)器人8在樣件3表面施加水膜作為約束層，激光器7發(fā)射激光對(duì)變形區(qū)域進(jìn)行沖擊，使材料反向變形，矯正變形區(qū)域的位置偏差X與角度偏差Θ。激光沖擊后材料表的殘余應(yīng)力分布如圖6所示，材料表面呈現(xiàn)為壓應(yīng)力。
[0032]所述激光沖擊成形是指:材料發(fā)生彎曲變形后，采用大功率激光沖擊試樣表面時(shí)，會(huì)在材料表面施加微小的塑性變形和殘余壓應(yīng)力層，在殘余壓應(yīng)力的作用下材料將沿著激光入射相反的方向突起，形成彎曲變形從而將材料矯直。此方法通過殘余應(yīng)力使材料成形，而非通過沖擊力使材料發(fā)生變形成形。
[0033]計(jì)算激光沖擊矯形后試樣件3表面的殘余應(yīng)力分布，通過激光沖擊強(qiáng)化調(diào)整試樣表面的殘余應(yīng)力，使其趨于一致。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光增材薄壁件激光噴丸應(yīng)力調(diào)控的方法，其特征在于:該方法包括以下步驟， 步驟1:基于不同的激光增材制造參數(shù)，模擬出激光增材制造后材料表面的熱致應(yīng)力分布； 步驟2:根據(jù)步驟I的結(jié)果，模擬計(jì)算加工切肩剝離材料表面后殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致的變形以及刀具施加的變形，并計(jì)算出加工后的應(yīng)力分布;在樣件的側(cè)面設(shè)有動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變檢測(cè)儀，實(shí)時(shí)測(cè)量樣件表面的應(yīng)變狀態(tài)，記錄每個(gè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)尺寸間的位置偏差X，以及面之間的角度偏差Θ; 步驟3:基于步驟2的結(jié)果根據(jù)不同區(qū)域的應(yīng)力分布及變形狀況，制定激光沖擊方案，先通過激光沖擊成形矯正變形區(qū)域的位置偏差X與角度偏差Θ;計(jì)算激光沖擊矯形后試樣件表面的殘余應(yīng)力分布，通過激光沖擊強(qiáng)化調(diào)整試樣表面的殘余應(yīng)力，使其趨于一致。
【文檔編號(hào)】C21D11/00GK106048144SQ201610599791
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月27日 公開號(hào)201610599791.3, CN 106048144 A, CN 106048144A, CN 201610599791, CN-A-106048144, CN106048144 A, CN106048144A, CN201610599791, CN201610599791.3
【發(fā)明人】孫桂芳, 盧軼, 王占棟, 倪中華
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)