一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法及应用 |
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| 申请号 | CN202210805679.6 | 申请日 | 2022-07-08 | 公开(公告)号 | CN115074519A | 公开(公告)日 | 2022-09-20 |
| 申请人 | 山东大学; | 发明人 | 卢国鑫; 罗学昆; 邦妮·阿塔德; 王强; 阿里夫·罗赫曼; 季忠; 陈传忠; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法,包括:获取多次激光冲击的固定参数，所述多次激光冲击的固定参数包括复合单次激光冲击 基础 工艺的固定参数；保持激光 能量 不变，在残余压应 力 深度不低于单次激光冲击基础工艺中单次激光冲击诱导的残余压 应力 深度的条件下提高激光脉冲宽度；保持脉冲宽度不变，在保证激光冲击引起的材料表面残余应力不出现残余应力洞不允许带引号， 实施例 中可以的条件下提高激光能量；本发明基于不同工艺参数对激光冲击残余应力场分布特征的影响规律，提出变激光参数多次处理的工艺参数确定方法。本发明将为高强度激光冲击技术的研究和发展提供一种新的思路，通过逐步改变激光参数来调控表面强化效果的方式具有很强的经济性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法,其特征在于，包括: |
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| 说明书全文 | 一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法及应用技术领域背景技术[0002] 激光冲击是利用脉冲激光诱导的冲击波引发材料强烈塑性变形，进而获得有益的表面强化效果的一项工程材料表面处理技术。与传统的机械喷丸强化技术一样，激光冲击处理所带来的表面强化效果也主要基于材料表层一定深度的残余压应力场的形成。而在有限的硬件设备及其参数指标的条件下，尽量使得材料表面产生更大的残余压应力场强度成为一种普遍追求。进而，对于某些高强度材料的表面强化处理而言，采用多次冲击的方式来弥补单次处理效果的不足开始展现出突出的实用性和必要性。 [0003] 目前，关于多次激光冲击强化技术的工艺探索以及应用验证等方面，涉及的多次处理方法无一例外的都是指相同工艺条件的单次冲击的机械重复，无法通过改变激光参数来调控表面强化效果。 [0004] 而由于脉冲激光的不同参数对残余应力场的主要表征要素具有不同程度的影响，这种影响规律可以被有效利用，从而使得变化激光参数的多次激光冲击工艺被提出。在不同激光参数具有不同调控作用的研究基础上，可设定不同参数特征的激光冲击条件的复合加工工艺。而不同复合工艺的残余应力场调控效果必然不同，如何更快捷地确定复合处理过程中的强化参数，进而得到更有效的复合激光冲击强化工艺，是技术人员需要解决的问题，亟需一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法及系统。 发明内容[0005] 针对现有技术的不足，本发明基于不同工艺参数对激光冲击残余应力场分布特征的影响规律，提供一种适用于高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法，以解决上述技术问题。 [0006] 本发明的技术方案为： [0007] 一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法,包括: [0008] 获取多次激光冲击的固定参数，所述多次激光冲击的固定参数包括复合单次激光冲击基础工艺的固定参数； [0009] 保持激光能量不变，在残余压应力深度不低于单次激光冲击基础工艺中单次激光冲击诱导的残余压应力深度的条件下提高激光脉冲宽度； [0010] 保持脉冲宽度不变，在保证激光冲击引起的材料表面残余应力不出现残余应力洞的条件下提高激光能量； [0011] 所述激光脉冲宽度和激光能量，即为高强度多次激光冲击的脉冲参数。 [0013] 进一步地，所述吸收层，在单次激光冲击中，作为形成高温高压等离子体的物质基础，所述约束层作为增大和控制激光冲击波压力大小和方向的涂层材料。 [0014] 进一步地，所述单次激光冲击基础工艺，还包括激光能量为0.01～10.00J、脉冲宽度为0.01～100.00ns、光束直径为0.02～4.00mm的工艺条件。 [0015] 进一步地，所述单次激光冲击基础工艺，还包括单次激光冲击基础工艺下，光束辐照材料几何中心位置的表面残余应力与光束辐照区域表面残余应力平均值的差不大于10‑50MPa。 [0016] 进一步地，所述保持激光能量不变，在残余压应力深度不低于基础工艺中单次激光冲击诱导的残余压应力深度的条件下提高激光脉冲宽度，包括通过数值模拟方式，得到当脉冲宽度越大时，材料表面的残余压应力深度越大。 [0017] 进一步地，所述保持脉冲宽度不变，在保证激光冲击引起的材料表面残余应力不出现残余应力洞现象的条件下提高激光能量，包括通过数值模拟方式，得到当激光能量选择更高数值时，材料表面残余压应力呈现增大趋势。 [0018] 一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法的应用,包括: [0019] 控制单次激光冲击基础工艺的固定参数，逐步改变激光参数调控次材料表面强化效果； [0020] 其中，通过提高激光脉冲宽度,增大材料残余压应力深度； [0021] 通过提高激光能量,增大材料表面残余压应力。 [0022] 进一步地，所述通过提高激光脉冲宽度,增大材料残余压应力深度，具体为在残余压应力深度不低于基础工艺中单次激光冲击诱导的残余压应力深度的条件下提高激光脉冲宽度，并通过数值模拟方式，当脉冲宽度越大时，材料表面的残余压应力深度越大。 [0023] 进一步地，所述通过提高激光能量,增大材料表面残余压应力，具体为在保证激光冲击引起的材料表面残余应力不出现残余应力洞现象的条件下提高激光能量，并通过数值模拟方式，当激光能量选择更高数值时，材料表面残余压应力呈现增大趋势。 [0024] 本发明的有益效果为： [0025] 与现有技术相比，本发明基于不同工艺参数对激光冲击残余应力场分布特征的影响规律，提出变激光参数多次处理的工艺参数确定方法。本发明将为高强度激光冲击技术的研究和发展提供一种新的思路，通过逐步改变激光参数来调控表面强化效果的方式具有很强的经济性。 [0026] 本发明针对变参数多次激光冲击的工艺调整与优化所需的试验量大且物理依据缺乏的技术难题，给出变参数多次强化技术的工艺参数确定准则，提出具体的参数设定方法，将对多次激光冲击复合技术的强化效果挖掘以及提高其应用可行性起到重要推动作用。附图说明 [0028] 图1‑图3是根据本发明实施例的基础工艺中单次激光冲击工艺条件诱导的分布特征曲线图； [0029] 其中，图1为材料表层残余应力场的分布特征曲线图、图2为表面残余应力的分布特征曲线图，图3为表面塑性变形程度的分布特征曲线图； [0030] 图4‑图6是根据本发明实施例的不同脉冲宽度的一组激光冲击工艺条件所诱导的靶材表面完整性变化规律图； [0031] 其中，图4代表残余应力场在材料内部的分布趋势；图5代表残余应力在材料表面的分布趋势；图6代表纵向位移量在材料表面的分布趋势； [0032] 图7‑图9是根据本发明实施例的不同激光能量的一组激光冲击工艺条件所诱导的靶材表面完整性变化规律； [0033] 其中，图7代表残余应力场在材料内部的分布趋势；图8代表残余应力在材料表面的分布趋势；图9代表纵向位移量在材料表面的分布趋势； [0034] 图10‑图12是根据本发明实施例的具有更高激光能量的工艺条件所诱导的材料变化规律图； [0035] 其中，图10为材料表面图，图11为材料内部材料残余应力分布图，图12为材料表面的纵向塑性变形图。 具体实施方式[0036] 下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。 [0037] 实施例1 [0038] 如图1所示，一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法,包括: [0039] 获取多次激光冲击的固定参数，所述多次激光冲击的固定参数包括复合单次激光冲击基础工艺的固定参数； [0040] 保持激光能量不变，在残余压应力深度不低于基础工艺中单次激光冲击诱导的残余压应力深度的条件下提高激光脉冲宽度； [0041] 具体地，以圆形激光光束为例，以η＝E/πr2·τ为依据，其中，η：激光能量密度；r：2 2 激光光束半径；τ：激光脉冲宽度；若激光光束为方形，则式中的πr 应修改为d ，d：激光光束边长，在控制其他所有工艺变量不变的条件下，在激光冲击所采用激光光束参数中增大τ的数值。 [0042] 保持脉冲宽度不变，在保证激光冲击引起的材料表面残余应力不出现残余应力洞现象的条件下提高激光能量； [0043] 具体地，仍以圆形激光光束为例，以η＝E/πr2·τ为依据，其中，η：激光能量密度；2 2 r：激光光束半径；τ：激光脉冲宽度；若激光光束为方形，则式中的πr应修改为d ，d：激光光束边长，在控制其他所有工艺变量的条件下，在激光冲击所采用激光光束参数中增大E的数值。 [0044] 作为进一步地实施方式， [0045] 本发明一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法, [0046] (1)确定适用基础，要求基础激光冲击工艺所处理的材料表面不出现明显的残余应力分布不平衡，即残余应力洞现象。 [0047] 残余压应力的引入是激光冲击作为有效表面强化技术的主要物理机制，而“残余应力洞”是指激光冲击等表面处理导致材料表面残余压应力分布呈现“中间低，边缘高”的数值分布特征，“残余应力洞”甚至出现表面处理中心区域为残余拉应力的现象。由于残余应力分布特征直接影响材料表层一定深度内残余压应力场强度的变化，故将“残余应力洞”的避免作为高强度多次复合处理的物理基础。 [0048] 变参数多次激光冲击工艺需以固定参数的多次激光冲击工艺为调整基础。固定参数的多次激光冲击工艺代表多次激光冲击的复合处理过程中所采用的单次激光冲击工艺是相同的，而本发明变参数多次激光冲击工艺的参数调整是在所述的相同的单次激光冲击工艺的工艺参数基础上进行，并将所述相同的单次激光冲击工艺定义为基础工艺。 [0049] 本发明所面向的变参数多次激光冲击的物理原理是不同激光参数对材料表层及内部残余应力场分布的不同影响，即较长脉冲宽度引发较大的残余压应力深度，较高的激光能量引发较大的表面残余压应力。本发明所述方案的目的之一是确保脉冲宽度、激光能量对残余压应力场的影响作用不受其他因素干扰。 [0050] 本步骤要求在确定基础工艺的过程中，对光束能量分布方式、激光能量、光斑大小等参量进行定量限定，而所述定量限定的基本依据是激光冲击基础工艺不能导致“残余应力洞”等残余应力分布不均匀现象的发生。 [0051] 变参数多次激光冲击工艺所使用的单次激光冲击工艺是在基础工艺的基础上获得的，为降低参数调整后的单次激光冲击引起残余应力不均匀分布的现象，要求基础工艺所诱导的材料表面残余压应力在激光光束辐照范围内具有极低的不均匀程度； [0052] 具体要求为：光束辐照几何中心位置的表面残余应力与光束辐照区域表面残余应力平均值的差不大于10～50MPa。 [0053] 作为进一步地实施方式，所述“10～50MPa”的残余应力范围根据实际工况以及待加工材料机械性能进行具体选择，选择原则为：当待加工材料机械强度较低或材料表面残余应力水平较低时，需在“10～50MPa”区间选择相对较小的残余应力差。 [0054] 本步骤完成后，所确定的基础工艺主要指标为：所述多次激光冲击复合处理中所采用的单次激光冲击工艺相同，并确定单次激光冲击工艺的吸收层与约束层，激光波长、频率、光束形状与大小以及作为本发明后续步骤的调整基础的脉冲宽度τ0、激光能量E0。 [0055] (2)“长脉宽”工艺的调整，需要平衡脉冲时间延长导致的冲击波强度下降所引发的强化效果削弱影响。 [0056] 在步骤(1)所确定的基础工艺的脉冲宽度和激光能量的基础上，保持激光能量不变，而对脉冲宽度进行一定幅度提高。 [0057] 本步骤规定脉冲宽度的提高幅度需在一定要求内，脉冲宽度的提高幅度应保证激光冲击引入材料内部的残余压应力的深度不低于所述基础工艺中单次激光冲击工艺所引入的残余压应力深度。 [0058] 在激光能量不变的情况下，对脉冲宽度的调整可引起两方面的表面强化效果变化。过大的脉冲宽度数值，使得激光功率密度降低，此时脉冲激光光束诱导的冲击压力过低，冲击波的能量使其不能够向材料内部更深处传播；过小的脉冲宽度数值，使得激光功率密度增加，此时脉冲激光光束诱导的冲击压力过高，材料表面塑性变形程度极易饱和，从而对冲击波向材料内部的传播产生阻碍，最终使得冲击波作用深度不够。 [0059] 基于以上，脉冲宽度的提高有可能提高材料残余压应力引入深度，也有可能在激光功率密度降低的情形下降低残余压应力引入深度。本步骤的主要作用是在残余压应力深度不低于所述基础工艺中单次激光冲击工艺诱导残余压应力深度的条件下对激光脉冲宽度进行有条件地提高。 [0060] 具体地，本步骤将脉冲宽度提高至步骤1所述基础工艺中单次激光冲击工艺中的脉冲宽度的120％～360％，并通过数值模拟或实际试验等手段在该区间选择可诱发最大残余压应力引入深度的脉冲宽度数值(τ1)。 [0061] 需要指出的是，本步骤完成后，所确定的变参数多次激光冲击复合工艺中的第一次激光冲击处理所采用的工艺条件中的脉冲宽度为τ1、激光能量为E0，其他工艺参数与步骤1所述基础工艺中的单次激光冲击工艺相同。图4‑图6是根据本发明实施例的不同脉冲宽度的一组激光冲击工艺条件所诱导的靶材表面完整性变化规律图。 [0062] (3)“高能量”工艺的调整，需要避免残余应力洞现象的出现或抑制残余应力不平衡分布的程度。 [0063] 本步骤在步骤1所确定的基础工艺的脉冲宽度和激光能量的基础上，保持脉冲宽度不变，而对激光能量进行一定幅度提高。本步骤规定激光能量的提高幅度需在一定要求内，所述激光能量的提高幅度应保证激光冲击引入材料表面残余应力分布不出现明显的“残余应力洞”现象。 [0064] 在脉冲宽度不变的情况下，对激光能量的提高可显著增强材料表面残余压应力水平，但过高的激光能量导致激光功率密度提高，进而可导致材料表面出现明显的“残余应力洞”等残余应力分布不均匀现象。变参数多次激光冲击中的第二次冲击处理应选择较高数值的激光能量，但这需要建立在不发生“残余应力洞”效应或这种应力不均匀分布现象不显著的情况下。另外，变参数激光冲击所采用的单次激光冲击工艺的激光功率密度若相差过大，也易导致第一次激光冲击的作用效果被第二次激光冲击完全覆盖。 [0065] 因此，本步骤在设定激光能量(E1)时，需保证变参数多次激光冲击中第二次激光冲击所采用的激光功率密度不高于步骤2所确定的第一次次激光冲击的激光功率密度的1000％。 [0066] 需要指出的是，若设定后激光能量满足激光功率密度不高于步骤(2)所确定的第一次次激光冲击的激光功率密度的1000％的情况下，仍使得材料表面出现残余应力分布不均匀现象，则需要进一步降低激光能量，直至通过数值模或实际试验等方法所测定的材料表面残余应力不出现明显的分布不均匀现象。具体分析方法根据实际情况选择，选择方法可以参照步骤(1)所述的“光束辐照几何中心位置的表面残余应力与光束辐照区域表面残余应力平均值的差不大于10～50MPa”的具体要求执行。 [0067] 需要指出的是，本步骤完成后，所确定的变参数多次激光冲击复合工艺中的第一次激光冲击处理所采用的工艺条件中的脉冲宽度为τ0、激光能量为E1，其他工艺参数与步骤(1)所述基础工艺中的单次激光冲击工艺相同。 [0068] 需要指出的是，本步骤完成后，变参数多次激光冲击的主要工艺指标得到确定，即不同于固定参数工艺的“脉冲宽度为τ0、激光能量为E0的第一次冲击+脉冲宽度为τ0、激光能量为E0的第二次冲击”，变参数工艺的处理工序更改为：脉冲宽度为τ1、激光能量为E0的第一次冲击+脉冲宽度为τ0、激光能量为E1的第二次冲击。图7‑图9图是根据本发明实施例的不同激光能量的一组激光冲击工艺条件所诱导的靶材表面完整性变化规律。 [0069] 实施例2 [0070] 一种高强度多次激光冲击的脉冲参数确定方法的应用,包括: [0071] 控制单次激光冲击基础工艺的固定参数，逐步改变激光参数调控次材料表面强化效果； [0072] 其中，通过提高激光脉冲宽度,增大材料残余压应力深度； [0073] 通过提高激光能量,增大材料表面残余压应力。 [0074] 进一步地,所述通过提高激光脉冲宽度,增大材料残余压应力深度，具体为在残余压应力深度不低于基础工艺中单次激光冲击诱导的残余压应力深度的条件下提高激光脉冲宽度，并通过数值模拟方式，当脉冲宽度越大时，材料表面的残余压应力深度越大。 [0075] 进一步地,所述通过提高激光能量,增大材料表面残余压应力，具体为在保证激光冲击引起的材料表面残余应力不出现残余应力洞现象的条件下提高激光能量，并通过数值模拟方式，当激光能量选择更高数值时，材料表面残余压应力呈现增大趋势。 [0076] 实施例3 [0078] (1)确定适用基础：吸收层与约束层分别为黑色3M胶带与1mm去离子水幕以及激光能量、脉冲宽度、光束直径分别为0.10J、18ns、2mm的工艺条件被定义为基础工艺中单次激光冲击工艺条件，作为最原始的参考工艺。多次激光冲击工艺条件的调整将在这个基准条件的基础上进行。 [0079] 其中,约束层将脉冲激光诱导的等离子体限制在局部空间内，高温高压等离子体在有限空间内瞬间爆炸，便形成超高强度的冲击波；另外，约束层的存在还使得激光等离子体冲击方向被约束在约束层朝向材料内部的方向。 [0080] 通过数值模拟方法确定上述工艺条件所诱导的残余应力分布特征，结果显示材料表面残余应力水平20～40MPa的较低水平，因此将材料表面表面光束辐照几何中心位置的表面残余应力与光束辐照区域表面残余应力平均值的差不大于10MPa作为判定材料表面残余应力分布均匀性的具体要求。进一步地，通过分析材料表面残余应力数据可知，材料表面残余应力满足光束辐照几何中心位置的表面残余应力与光束辐照区域表面残余应力平均值的差不大于10MPa的要求，故认为所述工艺条件的激光冲击可使得材料表面不发生残余应力不均匀分布现象，所述工艺条件满足变参数多次激光冲击的适用基础。需要说明的是，若发生不符合该适用基础的情况，技术人员需调整上述的激光能量与脉冲宽度等激光参数，直至得到符合该适用基础的基础工艺中的单次激光冲击工艺条件(定义为“R1‑B”)。 [0081] 本步骤确定的基础工艺中的单次激光冲击工艺条件中的激光能量与脉冲宽度分别为0.10J和18ns，得到如图所示的基础工艺中单次激光冲击工艺条件诱导的材料表层残余应力场(图1)、表面残余应力(图2)以及表面塑性变形程度(图3)的分布特征曲线。 [0082] (2)“长脉宽”工艺的调整：保持激光能量为0.10J，在18ns的120％～360％范围内提高脉冲宽度分别至25ns、32ns、40ns、50ns，并将对应的不同工艺条件定义为“R2‑1”、“R2‑2”、“R2‑3”、“R2‑4”。通过数值模拟方式对比分析不同工艺条件所导致的材料表面以及内部残余应力分布特征可知，当脉冲宽度选择更高数值时，残余压应力引入深度越大。但是，脉冲宽度为50ns时的材料表面残余应力却发生明显降低。脉冲宽度为40ns时的材料表层残余应力引入深度以及表面残余应力均相对较高。 [0083] 本步骤确定的变参数多次复合强化工艺中的第一次激光冲击工艺条件中的激光能量与脉冲宽度分别为0.10J和40ns(“R2‑3”工艺条件)。得到不同脉冲宽度的一组激光冲击工艺条件所诱导的靶材表面完整性变化规律。其中，图4代表残余应力场在材料内部的分布趋势；图5代表残余应力在材料表面的分布趋势；图6代表纵向位移量在材料表面的分布趋势。 [0084] (3)“高能量”工艺的调整：保持脉冲宽度为18ns，在激光功率密度不高于第一次激光冲击激光功率密度1000％的范围内提高激光能量分别至0.16J、0.34J、0.40J、0.44J，并将对应的不同工艺条件定义为“R3‑1”、“R3‑2”、“R3‑3”、“R3‑4”。通过数值模拟方式对比分析不同工艺条件所导致的材料表面以及内部残余应力分布特征可知，当激光能量选择更高数值时，材料表面残余应力呈现增大趋势。但是，激光能量超过0.34J时，材料表面残余应力并未持续增大，而是趋于稳定。因此，在降低能源消耗等方面考量，0.34J的激光能量是使材料获得最高残余压应力场强度的最优选择。 [0085] 需要说明的是，当超过第一次激光冲击激光功率密度1000％范围，将激光能量提高至0.70J、1.00J，并将对应的不同工艺条件定义为“R3‑5”、“R3‑6”，数值模拟结果显示此时的材料表面残余应力呈现明显的分布不均匀状态，这导致材料外表面残余应力数值出现下降趋势，对激光冲击表面强化效果形成削弱影响。在参数确定过程中，不应设定所述的过高激光能量。 [0086] 本步骤确定的变参数多次复合强化工艺中的第一次激光冲击工艺条件中的激光能量与脉冲宽度分别为0.34J和18ns(“R3‑2”工艺条件)。 [0087] 至此，基于基础工艺中的单次激光冲击工艺条件“R1‑B”，待强化处理的304不锈钢材料的变参数多次激光冲击复合处理的工艺条件得以确定，即“R2‑3”+“R3‑2”。得到不同激光能量的一组激光冲击工艺条件所诱导的靶材表面完整性变化规律。其中，图7代表残余应力场在材料内部的分布趋势；图8代表残余应力在材料表面的分布趋势；图9代表纵向位移量在材料表面的分布趋势。同时如图10‑图12所示具有更高激光能量的“R3‑5”和“R3‑6”工艺条件所诱导的材料表面(图10)及内部(图11)的残余应力分布，以及材料表面的纵向塑性变形(图12)。 [0088] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。 [0089] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。 [0090] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。 [0091] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。 |
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