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1、10申请公布号CN104164554A43申请公布日20141126CN104164554A21申请号201410337747622申请日20140716C21D10/0020060171申请人江苏大学地址212013江苏省镇江市京口区学府路301号72发明人罗开玉林通鲁金忠74专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司32200代理人楼高潮54发明名称一种大面积激光冲击强化金属表面的方法57摘要本发明涉及激光加工领域，特指一种大面积激光冲击强化金属表面的方法。本发明采用激光冲击强化对工件表面按照一定的轨迹进行间隔冲击，多层叠加实现工件大面积搭接冲击。该方法能有效减少激光冲击强化时在冲击区域边界。
2、产生的残余拉应力，同时避免吸收层的破坏以及工件的翘曲，多层叠加能够获得均匀分布的冲击强化效果。51INTCL权利要求书1页说明书4页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书4页附图2页10申请公布号CN104164554ACN104164554A1/1页21一种大面积激光冲击强化金属表面的方法，其特征在于，采用激光冲击强化对工件表面按照一定的轨迹进行间隔冲击，多层叠加实现工件大面积搭接冲击，具体步骤如下（1）根据工件材料特性，确定激光冲击强化的光斑形状与尺寸U，搭接率；分层前确定所有激光冲击的位置，在所有准备冲击的光斑位置中，任意选择一个位于边界拐角的光斑中。
3、心作为基准点；（2）激光冲击强化第一行，将基准点作为第一层冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制XY工作台水平移动令相邻光斑圆心距离，其中为激光冲击总层数，且；同样方式依次激光冲击强化第行，完成第一层冲击，其中依次取1，2，3，同时K的取值不能使超出待加工区域；每完成一层冲击后需更换吸收层；（3）选择第一行中距离基准点水平距离为的位置作为第M1层冲击的起始点，重复步骤2完成第M1层冲击，依次取1，2，3,；（4）选择位于第行，与第组冲击起始点同为一列的光斑作为第层冲击的起始点，其中当不变时，依次取1，2，3（）；当增加到极限时，下一次1,1，依次为2,3,4；控制XY工作台水平移动令相邻光斑圆心。
4、距离,完成该组冲击中第行的冲击强化,同样方式依次激光冲击强化第行，K依次取1，2，3，直至完成第层冲击；当层冲击完成时，整个激光冲击过程结束。2如权利要求1所述的一种大面积激光冲击强化金属表面的方法，其特征在于所述光斑形状为圆形光斑或方形光斑，圆形光斑为直径D、方形光斑为正方形，边长为L；所述搭接率，圆形光斑为/D，方形光斑为/L，其中为光斑相邻搭接光斑中心连线上搭接部分的长度。3如权利要求1所述的一种大面积激光冲击强化金属表面的方法，其特征在于所述激光冲击强化工艺参数为激光脉冲能量为220J、激光脉宽为1040NS、重复频率为0510HZ；对于方形光斑，其能量分布为平顶分布，L38MM，81。
5、5；对于圆形光斑，其能量分布为准高斯分布，D26MM，3050。权利要求书CN104164554A1/4页3一种大面积激光冲击强化金属表面的方法技术领域0001本发明涉及激光加工领域，特指一种在强化大面积金属表面时利用激光分层冲击方式来减少在冲击区域边界产生的残余拉应力，同时避免吸收层被破坏以及工件发生翘曲的方法。技术背景000220世纪60年代初期，ASKARYON等人首次发现了激光诱导等离子体冲击波现象，他们利用调Q激光照射到金属靶材表面，得到了大约01GPA的冲击压力；CLAUER等人采用金属靶面上加黑色涂层和透明约束层的冲击结构，冲击波幅值又进一步提高到GPA量级，从而形成现在常用的含。
6、约束层和吸收层的激光喷丸处理方法；在这之后，CLAUER等人在相当长的一段时间内，先后对7075、2024、6061T6等铝合金材料进行激光喷丸处理工艺研究，发现这些材料的硬度、强度和疲劳性能大大提高，展现了激光喷丸技术在航空工业中的广阔应用前景。0003由于能量密度需要以及激光能量的可用性，即使能产生200J/脉冲的激光系统也将受限于单个脉冲所能覆盖的区域，在对各种金属材料的激光搭接冲击实验的结果表明，重复区域上可以获得更为一致的残余压应力分布；在对大面积或大零件的表面强化中，普遍选择激光搭接冲击，目前在进行激光搭接冲击时，光斑冲击轨迹主要是逐点逐行冲击，即在同一行中，完成一次冲击后，接着冲。
7、击与其临近的点；完成一行冲击后，接着冲击与前一行临近的行。0004然而在对薄工件进行激光搭接冲击时，几何效果在对最后产生的残余应力分布有着重要的影响，如果搭接冲击轨迹不合理的话，在对薄工件进行冲击时将会产生边缘效应，即在冲击区域边缘产生残余拉应力，影响冲击效果，严重的甚至会破坏吸收层、使工件发生翘曲。发明内容0005本发明的目的在于提供一种在强化大面积金属表面时利用激光分层冲击方式来避免冲击区域边界产生的残余拉应力的方法；即在对大面积金属，尤其是大面积薄板表面进行搭接冲击时，提供一种激光光斑冲击轨迹，减小冲击时冲击区域边缘产生的残余拉应力，进而增加其抗弯曲疲劳强度具体技术方案为利用激光冲击强化。
8、装置对试样进行大面积搭接冲击，采用激光冲击强化对工件表面按照一定的轨迹进行间隔冲击，多层叠加实现工件大面积搭接冲击具体步骤如下（1）根据工件材料特性，确定激光冲击强化的光斑形状与尺寸U（圆形光斑为直径D、方形光斑为正方形边长L），搭接率（圆形光斑为/D，方形光斑为/L，其中为光斑相邻搭接光斑中心连线上搭接部分的长度）；分层前确定所有激光冲击的位置，在所有准备冲击的说明书CN104164554A2/4页4光斑位置中，任意选择一个位于边界拐角的光斑中心作为基准点。0006（2）激光冲击强化第一行，将基准点作为第一层冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制XY工作台水平移动令相邻光斑圆心距离，其中为激光。
9、冲击总层数，且；同样方式依次激光冲击强化第行，完成第一层冲击，其中依次取1，2，3，同时K的取值不能使超出待加工区域；每完成一层冲击后需更换吸收层。0007（3）选择第一行中距离基准点水平距离为的位置作为第M1层冲击的起始点，重复步骤2完成第M1层冲击，依次取1，2，3,（）。0008（4）选择位于第行，与第组冲击起始点同为一列的光斑作为第层冲击的起始点，其中当不变时，依次取1，2，3（）；当增加到极限时，下一次1,1，依次为2,3,4；控制XY工作台水平移动令相邻光斑圆心距离,完成该组冲击中第行的冲击强化,同样方式依次激光冲击强化第行，K依次取1，2，3，直至完成第层冲击；当层冲击完成时，整。
10、个激光冲击过程结束。0009其中高功率脉冲激光器参数包括激光脉冲能量为220J、激光脉宽为1040NS、重复频率为0510HZ；方形光斑，其能量分布为平顶分布，L38MM，815；圆形光斑，其能量分布为准高斯分布，D26MM，3050。0010本发明的优点1改变冲击轨迹，减小冲击边界产生的残余拉应力，提高材料抗弯曲疲劳强度，同时避免吸收层被破坏以及工件发生翘曲；2结合工作台控制系统，分组冲击，每组冲击内冲击位置规则，方便操作。附图说明0011图1是实施例1、2冲击位置示意图。0012图2是实施例1冲击分层示意图。0013图3是实施例1冲击光斑整体示意图。0014图4是实施例2冲击分层示意图。0。
11、015图5是实施例2冲击分光斑整体意图。具体实施方式0016下面结合附图对本发作明详细说明。0017本发明利用激光冲击强化装置对试样进行大面积搭接冲击，采用激光冲击强化对工件表面按照一定的轨迹进行间隔冲击，多层叠加实现工件大面积搭接冲击。具体步骤如下（1）根据工件材料特性，确定激光冲击强化的光斑形状与尺寸U（圆形光斑为直径D、方形光斑为正方形边长L），搭接率（圆形光斑为/D，方形光斑为/L，其中为光斑相邻搭接光斑中心连线上搭接部分的长度）；分层前确定所有激光冲击的位置，在所有准备冲击的光斑位置中，任意选择一个位于边界拐角的光斑中心作为基准点。0018（2）激光冲击强化第一行，将基准点作为第一层。
12、冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制XY工作台水平移动令相邻光斑圆心距离，其中为激光冲击总层数，且；当激光冲击搭接率为时，相邻两行光斑中心连线间距离为，同样方式依次激光冲击强化第行，完成第一层冲击，其中依次取1，2，3，同时K的取值不能使超出待加工区域；每完成一层冲击后说明书CN104164554A3/4页5需更换吸收层。0019（3）选择第一行中距离基准点水平距离为的位置作为第M1层冲击的起始点，重复步骤2完成第M1层冲击，依次取1，2，3,（）。0020（4）选择位于第行，与第组冲击起始点同为一列的光斑作为第层冲击的起始点，其中当不变时，依次取1，2，3（）；当增加到极限时，下一次1,1，。
13、依次为2,3,4；控制XY工作台水平移动令相邻光斑圆心距离,完成该组冲击中第行的冲击强化,同样方式依次激光冲击强化第行，K依次取1，2，3，直至完成第层冲击；当层冲击完成时，整个激光冲击过程结束。0021其中高功率脉冲激光器参数包括激光脉冲能量为220J、激光脉宽为1040NS、重复频率为0510HZ；方形光斑，其能量分布为平顶分布，L38MM，815；圆形光斑，其能量分布为准高斯分布，D26MM，3050。0022实施例1，如图2对60MM10MM2MM的TI6342的中心10MM10MM区域进行激光冲击强化，使用圆形光斑，调节激光参数为激光能量3J，脉宽27NS，光斑直径4MM，能量密度3。
14、5GW/CM2，搭接率选择50，重复频率为05HZ，冲击方式为双面冲击。0023将工件夹持在保持架上，用铝箔作为吸收层，喷嘴对试样碰水形成水幕作为约束层，移动XY工作台以改变冲击位置，具体冲击方式如图2所示，121个光斑分16层进行冲击。以待冲击区拐角作为基准点，将基准点作为第一层冲击的起始点，完成起始点冲击后，控制XY工作台水平移动令相邻光斑圆心距离8MM完成第一层第一行，同样方式依次激光冲击强化第4行、第7行，完成第一层冲击，每完成一层冲击后需更换吸收层；选择第一行中距离基准点水平距离为2MM的位置作为第2层冲击的起始点，重复第一层过程完第2层冲击；选择第一行中距离基准点水平距离为4MM的。
15、位置作为第3层冲击的起始点，重复第一层过程完第3层冲击；选择第一行中距离基准点水平距离为8MM的位置作为第4层冲击的起始点，重复第一层过程完第4层冲击；选择位于第2行，与基准点同为一列的光斑作为第5层冲击的起始点，控制XY工作台水平移动令相邻光斑圆心距离8MM完成第5层第一行，同样方式依次激光冲击强化第5行、第8行完成第5层冲击；选择第2行中距离基准点水平距离分别为2MM、4MM、6MM的位置作为第6层、第7层、第8层冲击的起始点，重复第5层过程完第68层冲击；分别选择第3、4行，重复第14层与58层的过程完成912层与1316层的冲击，当16层冲击完成时，整个冲击过程结束；相比相同参数下，不。
16、分组逐点逐行的冲击方式，分层方式激光冲击强化未产生明显残余拉应力，不分组逐点逐行的冲击方式下，抗弯曲疲劳强度约为330MPA，分层冲击方式下，抗弯曲疲劳强度约为360MPA，提升比较明显。0024实施例2，如图1对60MM10MM2MM的TI6342的中心10MM10MM区域进行激光冲击强化；使用方形光斑，调节激光参数为激光能量13J，脉宽15NS，光斑边长3MM，搭接率选择10，重复频率为05HZ，冲击方式为双面冲击。0025将工件夹持在保持架上，用铝箔作为吸收层，喷嘴对试样碰水形成水幕作为约束层，移动XY工作台以改变冲击位置；具体冲击方式如图3所示，25个光斑分9层进行冲击。以待冲击区拐角。
17、作为基准点，将基准点作为第一层冲击的起始点，将矩形光斑的中心对准起始点，完成起始点冲击后，控制XY工作台水平移动令相邻光斑中心水平距离81MM完成第一层第一行，同样方式依次激光冲击强化第3行、第5行，完成第一层冲击，每完成一层冲击后需更换吸收层；选择第一行中距离基准点水平距离为27MM的位置作为第2层冲击的说明书CN104164554A4/4页6起始点，重复第一层过程完第2层冲击；选择第一行中距离基准点水平距离为54MM的位置作为第3层冲击的起始点，重复第一层过程完第3层冲击；选择位于第2行，与基准点同为一列的光斑作为第4层冲击的起始点，控制XY工作台水平移动令相邻光斑中心距离81MM完成第4。
18、层第一行，同样方式依次激光冲击强化第4行完成第4层冲击；选择第2行中距离基准点水平距离分别为27MM、54MM的位置作为第5层、第6层冲击的起始点，重复第4层过程完第5、6层冲击；选择第3行，重复第13层与26层的过程完成79层冲击；当9层冲击完成时，整个冲击结束。0026相比相同参数下，不分组逐点逐行的冲击方式，分层方式激光冲击强化未产生明显残余拉应力，不分组逐点逐行的冲击方式下，抗弯曲疲劳强度约为350MPA，分层冲击方式下，抗弯曲疲劳强度约为370MPA，提升比较明显。说明书CN104164554A1/2页7图1图2说明书附图CN104164554A2/2页8图3图4图5说明书附图CN104164554A。