一种热态激光喷丸装置及使用方法 |
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| 申请号 | CN202211609830.5 | 申请日 | 2022-12-15 | 公开(公告)号 | CN115710630A | 公开(公告)日 | 2023-02-24 |
| 申请人 | 浙江工业大学; | 发明人 | 卢志明; 林上昆; | ||||
| 摘要 | 一种热态激光 喷丸 装置及使用方法，包括用于放置试样的加工座，所述加工座内设有用于对试样加热的加热装置，加工座上设有用于固定试样的夹紧装置；所述加热装置电性连接有用于控制加热装置 温度 的控温箱，所述加工座和控温箱电性连接有计算机，且所述计算机连接有 激光器 ；与 现有技术 相比，在电加热棒和温度 传感器 共同作用下控制试样处于稳定的动态应变时效温度，诱导产生热 稳定性 更高且影响深度更深的残余压应 力 ，且能够减少激光喷丸诱发的形变诱导 马 氏体 相变 ，使试样表层的力学性能、抗疲劳性能及抗 应力 腐蚀 性能得以显著改善。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种热态激光喷丸装置，包括用于放置试样(19)的加工座，其特征在于，所述加工座内设有用于对试样(19)加热的加热装置，加工座上设有用于固定试样(19)的夹紧装置；所述加热装置电性连接有用于控制加热装置温度的控温箱(15)，所述加工座和控温箱(15)电性连接有计算机(16)，且所述计算机(16)连接有激光器(1)，激光器(1)产生有朝向试样(19)的激光束(2)；所述试样(19)上设有用于压紧试样(19)的光学玻璃(17)，光学玻璃(17)与试样(19)之间设有覆盖于试样(19)表面的铝箔(18)，激光束(2)穿过光学玻璃(17)照射在铝箔(18)上产生作用于试样(19)上的激光冲击波；所述加热装置包括电加热棒(7)和电加热棒电源导线(14)，电加热棒电源导线(14)连接于电加热棒(7)两端，电加热棒电源导线(14)与所述温控箱(15)电性连接；所述电加热棒(7)一侧设置有温度传感器(9)，温度传感器(9)与温控箱(15)电性连接。 |
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| 说明书全文 | 一种热态激光喷丸装置及使用方法技术领域[0001] 本发明涉及激光冲击表面强化技术领域，具体涉及一种热态激光喷丸装置及使用方法。 背景技术[0002] 在金属材料使用越来越广泛的今天，对于金属零部件表面性能的要求也越来越严苛。激光喷丸作为一种新型表面处理技术，其利用激光诱导形成的等离子体可产生高强的激光冲击波并向金属板料内部传播强应力波。当应力波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料表层将发生严重的塑性变形，材料的表层位错密度增加、表层晶粒细化，材料表层的强度及硬度得以提升。此外，严重的塑性变形导致金属内部产生高强残余应力，材料的抗应力腐蚀及抗疲劳性能得以提升。相较于其他表面强化工艺，激光喷丸技术的应变率高达107 s‑1量级，激光喷丸形成的残余压应力层深度更深，残余压应力的大小及深度随激光喷丸强化次数的增加而增加。由于激光喷丸会引发形变诱发马氏体相变，从而减低抗应力腐蚀性能，如果能够通过某种手段减少激光喷丸后的形变诱发马氏体相变的含量，对提升激光喷丸的强化效果具有重要意义。在金属材料动态应变时效温度下进行激光喷丸，可以结合激光喷丸技术、动态应变时效及动态析出的优点，使靶材金属获得更高的表面强度及更大的表层位错密度，热稳定性更高且影响深度更深的残余压应力，显著提高材料的机械性能，并且能够减少激光喷丸诱发的形变诱导马氏体相变。因此，热态激光喷丸技术对于提高金属材料的力学性能及抗疲劳性能，特别是提高抗应力腐蚀性能具有较大的优势。 [0003] 对于热态激光喷丸的装置和方法，专利号为CN109811119A的发明专利提出了一种热态激光喷丸装置，但该装置存在着一系列问题。在热态激光喷丸冲击试验过程中，当电磁加热线圈作为加热元器件时，加热线圈的大小影响加热面积的大小，无法保证材料表面温度均匀；再者，该加热装置加热阈值低范围小，无法满足大多数材料动态应变时效温度的要求；当高温油作为约束层时，所需辅助元件较多，且在热态激光喷丸过程中吸收层不易固定，加上高温油透光率较低的问题，很难保证热态激光喷丸强化的效果和均匀性。 [0004] 专利号为CN101962710A的发明专利提出了一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法，该方法首先使用激光器对工件表面进行加热，加热完毕后再进行激光冲击强化处理，从而完成了材料性能的强化。该方法没有涉及到冲击强化过程中的动态应变时效，无法大幅提高材料的性能。该装置采用激光器加热，加热面积小，易导致试样表面温度不均匀从而影响强化效果。 [0005] 上述发明专利，在实际使用过程中装置较为复杂，不易操作；同时加热装置的加热面积受限，无法保证试样表面受热情况，另外现有技术无法确保试样始终处于动态应变时效温度下，从而造成激光喷丸效果差。 发明内容[0007] 为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种热态激光喷丸装置，包括用于放置试样的加工座，所述加工座内设有用于对试样加热的加热装置，加工座上设有用于固定试样的夹紧装置；所述加热装置电性连接有用于控制加热装置温度的控温箱，所述加工座和控温箱电性连接有计算机，且所述计算机连接有激光器，激光器产生有朝向试样的激光束；所述试样上设有用于压紧试样的光学玻璃，光学玻璃与试样之间设有覆盖于试样表面的铝箔，激光束穿过光学玻璃照射在铝箔上产生作用于试样上的激光冲击波；所述加热装置包括电加热棒和电加热棒电源导线，电加热棒电源导线连接于电加热棒两端，电加热棒电源导线与所述温控箱电性连接；所述电加热棒一侧设置有温度传感器，温度传感器与温控箱电性连接。 [0009] 作为本发明的一种优选方案，所述加热装置包括设置于铸铜板内部的电加热棒和电加热棒电源导线，电加热棒电源导线连接于电加热棒两端，电加热棒两端设有套接于电加热棒电源导线上的绝缘套。 [0010] 作为本发明的一种优选方案，所述铸铜板一侧形成有测温孔，温度传感器安装于测温孔内，温度传感器与温控箱之间通过温度传感器导线电性连接。 [0011] 作为本发明的一种优选方案，所述电加热棒在铸铜板内呈弓形分布，且所述试样放置在铸铜板的中部。 [0015] 一种热态激光喷丸装置的使用方法，包括以下步骤：S1、放置试样，首先将试样、铝箔和光学玻璃从下到上依次叠放在铸铜板的中间位置； S2、压紧试样，根据试样、铝箔及光学玻璃的叠加厚度选取合适数量的垫片，利用压板将试样、铝箔及光学玻璃压紧于铸铜板上，将垫片放置于压板下方，对压板高度进行支撑，拧紧螺栓，完成试样固定； S3、调整试样位置，根据强化目标区域位置信息，通过计算机控制工作台移动试样至激光束辐照区域； S4、试样加热，通过计算机控制加热装置，加热试样至动态应变时效温度，保温一段时间后，控制激光器发射激光束； S5、喷丸作业，激光束穿过光学玻璃辐照在吸收层铝箔上，诱导产生的高强激光冲击波作用于试样表面，工作台按预定激光喷丸强化路径移动，对试样进行热态激光喷丸强化； S6、作业结束，强化结束后，利用计算机关闭激光器、加热装置及工作台，卸载压紧力，取下光学玻璃及铝箔，待试样空冷至室温后取下试样。 [0016] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、在电加热棒和温度传感器共同作用下控制试样处于稳定的动态应变时效温度，从而产生更好的喷丸效果；在激光器和铝箔的作用下形成高强激光冲击波，在高强激光冲击波及动态应变时效的共同作用下，热态激光喷丸较传统激光喷丸的晶粒细化程度更高，位错密度更大，诱导产生的残余应力数值更大且热稳定性更高，材料表层的强度及硬度得以提升； 2、在激光喷丸的作用下造成对试样的高应变率，并在高应变率作用下的严重塑性变形与动态应变时效形成的柯垂尔气团的共同作用下，试样表层位错受到钉扎作用，位错增殖加速，进而形成高密度及均匀排列的位错，晶粒得以细化，并形成高强的残余压应力层。此外，在动态应变时效温度下，使试样金属获得更高的表面强度及更大的表层位错密度，热稳定性更高且影响深度更深的残余压应力，显著提高材料的机械性能，并且能够减少激光喷丸诱发的形变诱导马氏体相变，马氏体相变驱动力减弱，相变形核位置减少，马氏体长大受阻，马氏体相变行为因此被抑制，由上，试样表层的力学性能、抗疲劳性能及抗应力腐蚀性能得以改善； 3、铸铜板的熔点高、导热性好、加热区间广，适用各种材料，工作时表面温度均匀。 隔热板可提高加热装置的温度阈值及升温速度，避免高温状态下铸铜板对热态激光喷丸载物台造成热损伤。垫片设置于压板与铸铜板之间，调整垫片的数量，可满足不同厚度的光学玻璃和试样的固定需求； 4、光学玻璃作为激光喷丸工艺约束层，同时也作为压紧试样和铝箔的压块，可使试样与加热装置之间紧密接触，减少热阻。夹紧装置通过光学玻璃压紧铝箔，可防止铝箔在激光束的冲击下从试样的表面脱落。通过计算机可精确控制激光喷丸强化路径，操作简单，可实现试样目标区域精准强化。 附图说明 [0017] 图1是本发明的热态激光喷丸装置的结构示意图；图2是图1中处工作表面俯视图； 图3是图2中的剖视图。 [0018] 附图标记：激光器1，激光束2，铸铜板3，隔热板4，螺纹孔5，测温孔6，电加热棒7，绝缘套8，温度传感器9，压板10，螺栓11，垫片12，温度传感器导线13，电加热棒电源导线14，温控箱15，计算机16，光学玻璃17，铝箔18，试样19，工作台20。 具体实施方式[0019] 下面结合附图对本发明实施例作详细说明。 [0020] 如图1‑图3所示，一种热态激光喷丸装置，包括用于放置试样19的加工座，加工座内设有用于对试样19加热的加热装置，加工座上设有用于固定试样19的夹紧装置；加热装置电性连接有用于控制加热装置温度的控温箱15，加工座和控温箱15电性连接有计算机16，且计算机16连接有激光器1，激光器1产生有朝向试样19的激光束2；试样19上设有用于压紧试样19的光学玻璃17，光学玻璃17与试样19之间设有覆盖于试样19表面的铝箔18，激光束2穿过光学玻璃17照射在铝箔18上产生作用于试样19上的激光冲击波；加热装置包括电加热棒7和电加热棒电源导线14，电加热棒电源导线14连接于电加热棒7两端，电加热棒电源导线14与温控箱15电性连接；电加热棒7一侧设置有温度传感器9，温度传感器9与温控箱15电性连接。 [0021] 试样19由夹紧装置固定于加工座上，不同的试样具有不同的动态应变时效温度，在加热装置的作用下，试样被加热至动态应变时效温度，激光器1发出的激光束2诱导产生的冲击波作用于试样19表面，提高试样19表层力学性能、抗疲劳性能及抗应力腐蚀性能。 [0022] 加工座包括自下而上依次堆叠设置的工作台20、隔热板4和铸铜板3，试样19放置于铸铜板3上，加热装置设置于铸铜板3内，夹紧装置锁紧式设置于铸铜板3上，计算机16控制工作台20移动。 [0023] 通过计算机16控制工作台20的三维移动，另外工作台20是通过X、Y、Z轴分布的丝杆来实现工作台20的三维移动，且工作台20的尺寸大于或者等于隔热板4的尺寸，同时隔热板4的尺寸大于或者等于铸铜板3的尺寸；铸铜板3的熔点高、导热性好、加热区间广，适用于各种材料；隔热板4安装于铸铜板3底部，防止高温状态下热量传递到工作台上，还可以提高加热装置的加热速度和工作温度阈值。 [0024] 加热装置包括设置于铸铜板3内部的电加热棒7和电加热棒电源导线14，电加热棒电源导线14连接于电加热棒7的两端，电加热棒7的两端设有套接于电加热棒电源导线14上的绝缘套8。 [0025] 当试样19温度低于目标温度时，计算机16控制温控箱15接通电加热棒7电源开始加热；当试样19温度高于目标温度时，计算机16控制温控箱15断开电加热棒7电源停止加热。 [0026] 铸铜板3一侧形成有测温孔6，温度传感器9安装于测温孔6内，温度传感器9与温控箱15之间通过温度传感器导线13电性连接。 [0027] 铸铜板3导热，电加热棒7的温度通过铸铜板3传到试样19，电加热棒7、铸铜板3和试样19的温度一致。温度传感器9安装在测温孔6内，保证温度传感器9能够准确的测量温度，另外加热装置升温速度快，工作表面温度均匀，可加热温度区间广，可以适配不同类型的温度传感器，以保证温度测量精确。 [0028] 电加热棒7在铸铜板3内呈弓形分布，且试样19放置在铸铜板3的中部。通过将电加热棒7布置成弓形结构，保证铸铜板3能够受热均匀，同时保证试样19受热均匀。 [0029] 夹紧装置压紧式设置于光学玻璃17上，夹紧装置包括对应试样19设置的两块压板10，两块压板10分别压紧式设置于光学玻璃17的相对两端。 [0030] 光学玻璃17即作为激光喷丸工艺约束层，同时也作为压紧试样的压块，另外通过光学玻璃17压紧试样19，使试样19与加热装置之间紧密接触，减少热阻。 [0031] 压板10下方设有支撑压板10的垫片12。根据试样19、铝箔18和光学玻璃17的高度选取合适数量的垫片12，保证试样19能够固定住。 [0032] 铸铜板3上形成有与压板10相对应的两行螺纹孔组，螺纹孔组包括若干沿铸铜板3横向排列的螺纹孔5。设置两行多个螺纹孔5，保证铸铜板3上能够安装多种不同规格的试样19。 [0033] 压板10并列放置在铸铜板3上方，压板10上设有与螺纹孔5相连接的螺栓11。 [0034] 一种热态激光喷丸装置的使用方法，包括以下步骤：S1、放置试样19，首先将试样19、铝箔18和光学玻璃17从下到上依次叠放在铸铜板 3的中间位置； S2、压紧试样19，根据试样19、铝箔18及光学玻璃17的叠加厚度选取合适数量的垫片12，利用压板10将试样19、铝箔18及光学玻璃17压紧于铸铜板3上，将垫片12放置于压板 10下方，对压板10高度进行支撑，拧紧螺栓11，完成试样19固定； S3、调整试样19位置，根据强化目标区域位置信息，通过计算机16控制工作台20移动试样19至激光束2辐照区域； S4、试样19加热，通过计算机16控制加热装置，加热试样19至动态应变时效温度，保温一段时间后，控制激光器1发射激光束2； S5、喷丸作业，激光束2穿过光学玻璃17辐照在吸收层铝箔18上，诱导产生的高强激光冲击波作用于试样19表面，工作台20按预定激光喷丸强化路径移动，对试样19进行热态激光喷丸强化； S6、作业结束，强化结束后，利用计算机16关闭激光器1、加热装置及工作台20，卸载压紧力，取下光学玻璃17及铝箔18，待试样19空冷至室温后取下试样19。 [0035] 在上述的热态激光喷丸方法中，加热装置工作表面上热态激光喷丸的温度通过温度传感器9和控温箱15能够控制在常温～650 ℃之间的任意温度，可满足大多数金属材料的动态应变时效目标温度。保温一段时间可以使得试样19的温度处于一个稳定状态。激光发生器1发出的激光能量为0 2 J，光斑直径为0.5 3 mm，频率为10 Hz，脉宽为8 ns，搭接率~ ~为50 %或75 %。 [0036] 在实际使用过程中：以304奥氏体不锈钢进行300 ℃热态激光喷丸强化处理为例，采用厚度2 mm的钢板加工板状试样，光学玻璃17采用K9光学玻璃。首先将试样19、铝箔18、K9光学玻璃17从下到上依次叠放在铸铜板3中间位置。选取2块3 mm厚的垫片12，再将两块压板10平行放置在K9光学玻璃17两端，拧紧螺栓11，将试样19固定在铸铜板3上。通过加热装置将试样19加热到300 ℃并保温五分钟后，开启激光器1，利用计算机16控制工作台20按预定路径移动，对试样19进行热态激光喷丸强化处理，其中激光能量为1.8J，光斑直径为2 mm，脉冲宽度8 ns，频率：10 Hz，搭接率为75 %，吸收层为铝箔18，约束层光学玻璃17为K9光学玻璃。经过试样19的表征试验和慢应变速率拉伸腐蚀试验，结果表明：300 ℃热态激光喷丸304奥氏体不锈钢试样19较常温激光喷丸处理过的试样，残余压应力由564.9 MPa增加到932.2 MPa，马氏体含量体积百分比由3.5 %降至2.171 %，应力腐蚀敏感性指数由13.7 %降至6.7 %。 [0037] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 [0038] 尽管本文较多地使用了图中附图标记：激光器1，激光束2，铸铜板3，隔热板4，螺纹孔5，测温孔6，电加热棒7，绝缘套8，温度传感器9，压板10，螺栓11，垫片12，温度传感器导线13，电加热棒电源导线14，温控箱15，计算机16，光学玻璃17，铝箔18，试样19，工作台20等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。 |
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