一种载荷传递式不等强度激光冲击方法

技术领域

本发明属于激光冲击技术领域，具体涉及一种载荷传递式不等强度激光冲击方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

激光冲击技术特别适合对小孔、倒角、焊缝和沟槽等部位进行强化。而复杂型面结构的零部件往往在相异区域具有相异的形状特征或失效形式，这就要求相异区域需对应相异的激光冲击加工强度，以使材料获得整体综合性能的提高。以航空发动机叶片为例，其叶身相异区域具有相异的厚度分布，为典型的变截面厚度曲面构件。在对航空发动机叶片等构件进行激光冲击处理时，要求叶身中部区域与叶缘区域接受相异强度的激光冲击压力，否则极易造成叶片整体性能分布的不均匀以及叶缘部位的宏观变形。

发明人发现，以往对形状复杂零件进行分区域不等强度的激光冲击强化处理时，一般通过调节激光脉冲参数来实现相异区域的相异加工强度。激光脉冲参数的调节对激光冲击设备性能要求较高，且相异脉冲参数在相异区域的编程设定工序复杂，严重影响了不等强度激光冲击强化加工的实用性与操作效率。

发明内容

针对复杂结构零件对不等强度激光冲击强化加工的强烈需求以及以往不等强度强化加工工艺较低的可行性，提出一种基于变粗糙度压力调节的载荷传递式的不等强度激光冲击强化方法，实现复杂结构金属零件的分区域不等强度强化处理，有效降低加工成本，提高强化效率，并使构件内部残余压应力实现变截面一致性分布。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的技术方案提供了一种载荷传递式不等强度激光冲击方法，包括如下步骤：

制备具有相异表面粗糙度分布的铝箔作为吸收层；

获得待加工构件相异区域可接受相异激光冲击压力的加工条件；

将相异表面粗糙度的吸收层涂覆于待加工构件的相异区域；

在待加工构件表面实现相异厚度区域匹配相异加工强度的激光冲击处理。

本发明的原理如下：

本发明的物理依据是材料表面粗糙度对其接受实际激光冲击强度的影响规律：具有不同表面粗糙度的材料表面不同区域或者具有不同表面粗糙度的不同构件，在接受相同加工参数的激光冲击处理时，表面粗糙度较低的区域或者构件往往获得更强的激光冲击实际加工强度。

上述本发明的技术方案的有益效果如下：

1)本发明所提出的方法有效规避不等强度激光冲击处理对脉冲激光器的较高要求，通过技术优化方式间接实现具有变截面特征的材料的不等强度激光冲击处理，具有加工装备门槛低以及加工过程复杂程度低的技术优势。

2.)本发明所提出的方法中，选用铝箔作为吸收层材料，通过改变吸收层粗糙度的方法来使得材料不同位置得到不同大小的冲击波压力，制备方法较为简单，可以使用现有的制备手段轻易获得，并且精度也容易控制。

3)本发明使用铝箔作为吸收层，并且主要依靠铝箔的表面粗糙度作为获得不同激光冲击力，因此能够避免吸收层偏薄的位置发生烧蚀现象，避免高能激光束烧穿吸收层材料，对材料表面组织造成损伤。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的具有不同区域不同厚度分布的变截面特征典型构件，

图2是本发明根据一个或多个实施方式的航空发动机叶片构件的形状特征示意图，

图3是本发明根据一个或多个实施方式的典型变截面厚度构件的截面形状特征示意图，

图4是本发明根据一个或多个实施方式的利用变表面粗糙度分布吸收层调节不同厚度部位激光冲击加工强度的方法的示意图，

图5是本发明根据一个或多个实施方式的利用变表面粗糙度分布吸收层进行激光冲击后的变截面厚度构件的残余应力分布示意图，

图6是利用均一表面粗糙度分布吸收层进行激光冲击后的变截面厚度构件的宏观变形示意图。

图中：1、叶片边缘部位，2、叶片中间部位，3、需施加较低的激光冲击加工强度的区域，4、需施加较高的激光冲击加工强度的区域，5、脉冲激光光束，6、高表面粗糙度吸收层，7、低表面粗糙度吸收层，8、叶片边缘宏观变形部位，9、叶片中间宏观变形部位，10、叶片边缘部位残余应力分布区域，11、叶片中间部位残余应力分布区域。

为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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在本发明的具体含义。

正如背景技术所介绍的，针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种载荷传递式不等强度激光冲击方法，能够有效规避不等强度激光冲击处理对脉冲激光器的较高要求，通过技术优化方式间接实现具有变截面特征的材料的不等强度激光冲击处理，具有加工装备门槛低以及加工过程复杂程度低的技术优势。

实施例1

本发明的一种典型实施方式中，本实施例公开了一种载荷传递式不等强度激光冲击方法，包括如下步骤：

制备具有相异表面粗糙度分布的铝箔作为吸收层；

获得待加工构件相异区域可接受相异激光冲击压力的加工条件；

将相异表面粗糙度的吸收层涂覆于待加工构件的相异区域；

在待加工构件表面实现相异厚度区域匹配相异加工强度的激光冲击处理。

更加具体的，本实施例使用如上所述的方法的对如图1所示的具有变截面特征的典型构件——航空发动机叶片进行加工，其具体包括以下步骤：

(1)确定待加工变截面形状特征构件的激光冲击处理的吸收层材料。

本实施例所述的不等强度激光冲击加工的不等载荷的来源为不同表面粗糙度吸收层对激光冲击波强度的接受效率。吸收层的变表面粗糙度参数是本实施例所述方法的必需技术指标。为更易实现待加工构件表面吸收层的表面粗糙度控制，本实施例采用不小于200μm厚铝箔作为吸收层材料。厚铝箔为金属材料吸收层，相对黑胶带等其他吸收层材料，其更易制备具有不同表面粗糙度的表面状态。

(2)确定待加工变截面形状特征构件的不同厚度区域的对应激光冲击加工强度。

本步骤要求确定待加工构件的变截面形状特征，并依据形状特征确定对应激光冲击加工强度。

本实施例所述方法的加工目标为材料整体性能的改善，基于形状特征匹配加工强度的原则为：在不引起薄壁区域变形损伤的条件下引入不等强度的残余压应力场，且薄壁区域的残余应力也不会在激光冲击处理后对构件尺寸产生影响。

本实施例不限定不同区域匹配不同激光冲击强度的除数值模拟之外的其他方法，本领域技术人员可选择数值模拟方式选择获得最优目标性能情况下不同厚度区域的对应激光冲击强度。

如图3所示，待加工构件中存在需施加较低的激光冲击加工强度的区域3和需施加较高的激光冲击加工强度的区域4两种区域。

(3.)制备不同区域具有不同表面粗糙度分布的铝箔吸收层。

本实施例要求依据已确定的待加工构件不同区域需匹配的最优激光冲击强度，制备特定表面粗糙度分布方式的铝箔吸收层。

铝箔表面粗糙度的控制可通过机械研磨的方式实现，也可以采用本实施例未涉及的其他可改变的材料表面粗糙程度的技术途径。

铝箔吸收层的制备需充分考虑待加工构件的形状特征以及待加工构件需匹配的激光冲击强度。在待加工构件的待处理区域内，铝箔吸收层应完全覆盖所述待处理区域。所述待处理区域的薄壁部位因对应较低强度的激光冲击加工强度，涂覆该薄壁部位的铝箔吸收层的表面粗糙度应相对较高；所述待处理区域的厚壁部位因对应较高强度的激光冲击加工强度，涂覆该厚壁部位的铝箔吸收层的表面粗糙度应相对较低。

本实施例不限定铝箔吸收层不同区域的表面粗糙度的定量调控方法。本实施例提供所述定量调控方法之一为：在该步骤中制备多种不同表面状态的铝箔吸收层，通过后续的激光冲击加工效果表征的对比分析，优选最适宜的铝箔吸收层。所述不同表面状态的铝箔吸收层是指：以不同区域具有的不同表面粗糙度的数值差为依据，制备的具有不同的所述数值差的铝箔吸收层。

如图4所示，制备完成的铝箔吸收层中，可分为高表面粗糙度吸收层6和高表面粗糙度吸收层7两种的吸收层。

(4.)待加工构件的装夹以及吸收层和约束层的涂覆。

本步骤要求在待加工构件表面涂覆已制备完成的可匹配构件形状特征的铝箔吸收层，以及涂覆约束层，并完成待加工构件在激光冲击机械臂的装夹。

(5)采用相同脉冲参数的激光对待加工构件进行垂直入射的激光冲击。

本实施例所述的不等强度激光冲击处理方法仅通过调整吸收层粗糙度这一参数来实现分区域不等强度加工目标，因此，激光入射角度等参数均按照均匀激光冲击处理的条件来选择。本步骤要求待加工构件在激光冲击处理时，分区域采用相同的脉冲激光以及相同的脉冲激光入射角度。

本步骤完成后，构件表面的不同厚度区域获得不同强度的残余应力场分布，实现了待加工构件的变截面厚度应力分布一致性以及构件整体服役性能的提高。

以某钛合金航空发动机叶片的不等强度“形-性”协同激光冲击强化处理为例。所述航空发动机叶片的待加工曲面区域具有如图3所示变截面厚度形状特征。

(1)确定所述待加工曲面的基于变粗糙度压力调节的载荷传递式不等强度激光冲击处理所采用的吸收层材料为200μm厚铝箔。

(2)依据表面强化相关指标为边缘薄壁部位的残余压应力层引入深度为0.2mm和中部较厚截面区域的残余压应力层引入深度为1mm，通过多组变参数对比试验而确定：铝箔吸收层表面粗糙度为Ra5左右时，待加工材料的残余应力引入深度约为0.2mm；铝箔吸收层表面粗糙度为Ra1以下时，待加工材料的残余应力引入深度约为1mm。

(3)确定待加工叶片曲面区域的边缘涂覆吸收层表面粗糙度为Ra5，中部涂覆吸收层表面粗糙度为Ra1，叶片边缘与中部的区间范围内依据厚度判定采用吸收层的表面粗糙度数值。本实施例通过线性插值关系来确定所述特定截面厚度部位的对应吸收层表面粗糙度数值，举例来讲，若边缘截面厚度为2mm且其对应吸收层表面粗糙度为Ra5，中部截面厚度为10mm且其对应吸收层表面粗糙度为Ra1，则上述两位置区间内截面厚度为6mm的部位则可判定其对应吸收层表面粗糙度约为Ra3。在进行完上述表面粗糙度参数判定工作之后，采用机械研磨方式在待加工曲面区域对应的待涂覆吸收层的对应部位加工对应表面粗糙度数值的表面状态。

(4)将待加工叶片装夹于激光冲击系统的机械手臂，并在其表面涂覆具有不同表面状态的铝箔吸收层和施加去离子水约束层。

(5)采用激光能量、脉冲宽度、光斑尺寸分别为5J、18ns、1mm的激光光束对待加工叶片的待加工曲面区域进行脉冲光束垂直入射的激光冲击处理。至此，完成对钛合金航空发动机叶片的基于变粗糙度压力调节的载荷传递式不等强度激光冲击处理，如图5所示，钛合金不同部位获得“形状尺寸”与“力学性能”相匹配的不等强度表面强化处理，钛合金叶片的边缘叶缘与中部叶身的对应残余应力分布状态如图5所示，实现良好的“形-性”协同调控。图5中，标号为10的区域为叶片边缘部位残余应力分布区域，标号为11的区域为叶片中间部位残余应力分布区域。

另外，在上述实施例的实施过程中，若选择表面粗糙度在不同位置不发生变化的均匀铝箔吸收层进行激光冲击处理，待加工叶片叶缘部位承受与叶身部位相同的激光冲击作用强度，则可导致如图6所示的表面处理效果，即叶片的边缘薄壁部位发生不期望的宏观塑性变形，进而影响构件的尺寸控制。图6中，标号为8的部位为叶片边缘宏观变形部位，标号为9的部位为叶片中间宏观变形部位。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。