通过激光硬化进行金属的成型 本申请要求1999年7月19日提交的、在此参考引用的名称为“通过激光硬化进行金属的成型”(Contour Forming Of Metals By Means ofLaser Peening)、序列号为60/144,594的临时专利申请的优先权。
根据美国能源部和加利福尼亚大学运作Lawrence Livermore国家实验室的合同号为W-7405-ENG-48的合同，美国政府拥有本发明的专利权。
发明背景 【发明领域】
本发明涉及激光冲击加工，尤其是，涉及通过激光硬化使金属成型的技术。
现有技术的描述 利用高能激光来提高材料的性能是激光最重要的工业应用之一。激光能传送可控的高能辐射束来进行金属加工。主要是，激光能够产生局部化的并且在小区域内可控制的高能量密度。这容许成本的高效运作和能源的高效利用，使周围区域的变形最小，并且简化了材料的处理。由于激光脉冲涉及短时间间隔内的高能应用，此工艺适用于高速制造。光束可被控制的事实允许加工形状复杂的部件。同时，精确性、一致性和重现性是本系统固有的。
毫无疑问，正如古代人锻造出了武器和工具，在文明早期已发明了通过冷加工提高金属的强度。自二十世纪五十年代以来，喷丸硬化一直被用作改善金属疲劳性能的方法。冲击加工的另外一种方法涉及使用高爆炸性的材料与金属表面接触。
自二十世纪七十年代以来，采用高强度的激光输出产生机械冲击波来处理金属表面已被熟知。激光冲击加工可用来在金属表面产生压应力，增加了强度和抗腐蚀破坏。
脉冲输出为10-100J和脉冲持续时间为10-100ns的激光适用于在金属表面产生惯性受限制的等离子体。这些等离子体产生了在10，000-100,000大气压范围内的压力，导致的冲击压力可超过金属的弹性极限，从而在深度为1mm或深于1mm的金属表面层上产生了压应力。现在激光可获得平均能量输出，这对以恰当的速度在工业生产中使用该技术是有意义的。
在激光冲击处理过程中，将被处理的金属表面涂漆或涂黑，即高度吸收激光。黑层既充当激光能的吸收层又保护部件的表面不被激光烧蚀和不会由于等离子体高温而熔化。通常1-2mm厚的薄水层流过该黑色表面。水起到惯性局限(confine)或被叫做填充(tamping)激光能在通常30ns短的脉冲持续时间内被吸收时产生的等离子体。其它可用来填充的合适材料也是可行的。此工艺的有效性受空间上等光束的激光能传送到金属表面的能力的限制。如果不相等，光的最强区域在水中会衰减(breakdown)，这阻止了有意义的能量向被涂覆金属表面的传送。将激光传送到表面的常用技术是使用一个简易的透镜将输出的激光聚集成大约为每平方厘米100J到200J的能量密度。这项聚集技术的局限是不能在表面得到激光近场强度分布的真正“图像”。相反地产生了代表近场和远场之间的某些场强，激光束聚集到表面时的衍射产生了非常强的空间调制和热点。
任何在光束内产生的相差，尤其是那些与用于高平均能量的激光操作有关的相差可传递，从而在光束内产生较高强度区域。这些高峰强度区域在水层中发生了衰减，阻止了激光能向被处理表面的有效传递。在填充材料中衰减的另一个潜在的原因是产生了非线性影响如光衰减和受激散射。通常在激光内产生10ns-100ns脉冲时，输出经过超过几个脉冲宽度的时间周期后逐渐形成。这表明，该缓慢的弱强度有助于需要10ns形成时间的非线性工艺的成熟。在常规技术中，激光的脉冲输出被诸如快速上升的电-光开关的外设装置或爆炸箔所切割，这些技术昂贵且可靠性受限。
施加于金属表面一侧的压应力的控制应用将会引起该表面以预定的方式延展，由此以高度可控方式控制金属的弯曲。由于弯曲，凸面剩有残余压应力，该应力是操作过程中部件的疲劳和抗腐蚀性非常需要的。通过喷丸硬化诱导该压应力的技术是公知的并且是通常应用的。但是，在不产生表面层的不可忽略的和不希望的冷加工时，喷丸硬化受所能诱导的强压应力的深度的限制。由于喷丸硬化处理所需要的球形，在每一个单独的喷丸碰撞过程中，该工艺提供金属非均匀的压力与时间的关系图。压力始于球形的第一接触点，然后随着金属的变形沿碰撞区域传递，并且喷丸的整个截面接触金属。压力的非均匀应用导致了金属的局部挤压，金属从中心流向碰撞区的外部区域。结果，当喷丸碰撞产生的压力的楔入致使材料延展时，对金属进行了更多的冷加工。
美国专利第4,694,672号名称为“赋予工件简单轮廓的方法和装置”(Method And Apparatus For Imparting A Simple Contour To AWorkpiece)给出了赋予飞机外壳以简单轮廓的常规方法和装置。处置室工件有连在其上的传送装置，并且包括一个处理工件的喷丸硬化冲击波部件。提供控制系统以确定工件和冲击波部件的方向，以使硬化仅在工件的顺翼展方向的窄条和仅在常用的弦方向百分数上进行。因此该方法和装置产生了弦向的简单弯曲，同时使空间曲率的影响降至最小。也可参见美国专利第3,688,912号。
美国专利第4,329,862号名称为“空间轮廓的喷丸硬化成型”(Shot Peen Forming Of Compound Contours)中，对平板金属部件的两侧进行常规的喷丸硬化。用设计成其改变方式为使部件与弦向弯曲匹配的强度对部件的一侧进行喷丸硬化，该部件呈现出机翼表面的空间曲率。
如果激光加工可以在部件的较深处达到强的应力，希望使较厚的部件产生更大的弯曲。如果激光加工产生微不足道的冷加工，还希望保留一个非常光滑的表面加工。
发明概述 本发明的一个目的是提供一种激光硬化方法，其可以在部件的较深处达到强的应力，从而使较厚金属部件产生更大的弯曲。
本发明是用于通过在金属工件表面产生激光诱导的压应力使金属部件成型的方法和装置。即使是厚的元件，激光加工可产生深度压应力以成型，而不会在金属表面产生不希望的张应力。精确的激光诱导应力能够确保对部件的准确预测和随后的成型。
本发明中，使10-100J/脉冲的光束成像以在涂覆于金属表面的吸收层上产生60-200J/cm
2的辐射能量密度。通常，水流过吸收层。激光的吸收导致了等离子体的形成，结果产生了引起金属里深度残余压应力的冲击波。金属通过弯曲对该残余应力作出反应。
用机械方法使薄金属元件成型的概念是公知的。用激光产生引起金属压应力的冲击波的概念已被广泛的用于改善金属元件的抗疲劳断裂和抗腐蚀。本发明在金属工件的一侧施加激光诱导的冲击波以产生精确的局部弯曲。尤其是在更宽的区域施加冲击波，或在同样的区域施加多倍的冲击波会得到大幅度的弯曲。本发明利用高能、高平均功率激光，设定在特定参数下操作，以达到元件的精确成型。该激光硬化成型方法尤其适用于不易成型的厚(厚于1.9厘米(3/4英寸))材料。
在金属上涂一层吸收激光的材料。薄层水流过吸收材料并且被激光照亮。继续以光栅扫描方式施加激光脉冲，在照亮的表面上产生压应力。压应力将会依次在金属顶层产生应变和产生材料的弯曲。通过选择施加于每一区的激光能、激光脉冲轨迹、激光脉冲超覆(overlap)、脉冲持续时间和脉冲数来控制施加在每个局部区域的压应力的强度和深度。通过在其上系统的施加局部应力的脉冲使部件在较大区域内精确成型。通过在变凸的表面上施加的特定脉冲密度、在变凹的表面上设置补偿脉冲以及通过利用当部件变弯时在部件内产生的增加的惯性机械力矩可以实现二维弯曲的其它控制。
激光硬化技术也可用于矫直有不希望的弯曲的元件。一个重要的例子包括机械驱动轴，该轴由于机加工、热处理、硬化或其它制造工艺带来了不希望的弯曲。通过在不希望的弯曲的凹侧选择性的施加压应力，可将部件全面的矫直。
与喷丸硬化相反，高度均匀的激光分布(当利用平顶分布的适合的光束和使该分布在部件上成像时)在整个的碰撞区域与金属均匀碰撞产生了“钝(blunt)”力，该力产生了金属的弱挤压和弱冷加工。因此激光硬化成型方法可用弱冷加工产生较大量的受应力金属。相对大的弯曲可施加在厚金属区而不会有金属表面的严重变形。
图1A表示金属平板。
图1B表示在金属板的顶面进行激光硬化后板内产生的弯曲。
图2表示与金属基体和吸收层有关的激光束和填充层的建立。
图3A表示引导至金属表面的每个脉冲的“顶帽”(top hat)状强度分布和应变以及硬化后金属中产生的相关应力图。
图3B表示产生均匀硬化应变的精确设置的多个光栅脉冲的“顶帽”(top hat)状强度分布和均匀的应变以及用光栅束硬化后金属的相关应力图。
图4表示将激光近场成像至金属表面的吸收层上的装置。
图5表明了通过激光硬化除去驱动轴的不希望的弯曲。
图6A表示通过在表面上设置具有大的间隔的双硬化区域的密集行生产出的主要是一维弯曲。
图6B表示通过对沿板例如是图6A所示的板的背部或弯曲部分的凹侧垂直的y-方向进行密集的硬化，对该板进行进一步的矫直。
激光硬化技术在本申请参考引用的共同待决的美国专利申请第09/133,590号名称为“适用于激光硬化加工的激光束的时间与空间”(Laser Beam Temporal And Spatial Tailoring For Laser ShockProcessing)中已公开。可用于本发明的激光技术在本申请参考引用的美国专利第5,285,310号名称为“高能再生激光放大器”(High PowerRegenerative Laser Amplifer)和美国专利第5,239,408号名称为“高能、高光束质量的再生放大器”(High Power，High Beam QualityRegenerative Laser Amplifer)中描述。可用于本发明的激光体系的实施方式在本申请参考引用的美国专利第5,689,363号名称为“长脉冲宽度、窄-带宽固体激光”(Long Pulse Width，Narrow-Bandwidth SolidState Laser)中有描述。
金属部件成型的方法涉及利用金属表面上产生的激光诱导的压应力。激光加工可产生非常有助于厚的器件成型的深度压应力，而不会在金属表面引起不需要的张应力。精确的激光诱导应力能对部件进行准确的预测和随后的成型。不会引起不需要的张应力的金属元件的精确成型在DOD中有重要的应用和工业应用，尤其在飞机和航空元件中。使厚(3/4″-1″或更厚)金属元件成型的能力将会使飞机元件例如机翼外壳这些厚的元件是如何成型产生巨大的变化。该技术将使不能成型的部件的成型成为可能。
按需要在此公开了本发明的详细的实施方式。但是，应理解为公开的实施方式仅仅是可包含于各种体系中的本发明的例子。因此，在此公开的具体细节不能理解为限制，应是权利要求的基础和教导本领域技术人员以各种方式实施本发明的代表性基础。
利用机加工方法，例如锤锻或最近的喷丸硬化技术使薄的金属元件成型是公知的概念。压应力被“锻打”在金属里并且结果金属在一侧延展来缓解该应力。有差别的延展使金属表面产生弯曲。用激光产生冲击波将压应力诱导至金属内的概念是熟知的，并且相当广泛地用于改善金属元件的抗疲劳断裂和抗腐蚀。
通过在金属一侧适当的施加激光诱导冲击波可实现精确的局部成型，尤其是在更宽的区域施加冲击波可得到较大幅度的弯曲。本发明利用高能、高平均功率激光，设定在特定参数下操作以实现元件的精确成型。该激光硬化成型方法尤其适用于不易成型的厚(超过1.9厘米(3/4英寸厚))材料。图1A表示金属平板10。如图1B所示，在其顶面进行激光硬化工艺后，金属板得到了理想弯曲。
如图2所示，本发明的一个实施方式利用了持续时间是10-20ns、上升脉冲沿小于1ns的25J每脉冲的激光(25J-100J每脉冲是合适的范围)。近场成像为斑点大小(6mm×6mm-3mm×3mm)，金属工件表面20上得到60-200J/cm
2的辐射能量密度。在金属上涂一层吸收激光的材料22(所述材料包括塑料，通常是厚度大约为200μm的聚乙烯醋酸酯塑料和聚氯乙烯塑料)。填充层，通常是从喷水嘴26流出的厚度大约为1mm的薄层水24流过吸收材料22，并且被激光束28照亮。以光栅扫描方式顺序施加激光脉冲，在照亮的表面上产生压应力。可移动激光束28或金属元件30以得到光栅图像。应力将会依次在金属30的顶层产生应变和材料的弯曲。通过选择施加在每个区域的激光能、激光脉冲轨迹和超覆、脉冲持续时间和脉冲数可控制施加在每个局部区域的压应力的强度和深度。通过选择性的控制硬化区域和坐标轴方向所用的脉冲强度和脉冲数可实现二维弯曲。另外，在施加激光硬化成型脉冲过程中，通过在该方向机械引入弯曲力矩(尽管低于金属的屈服极限)可提高在所需要的任何方向上的变形。
由于局部施加应力将直接影响局部的弯曲，通过在大区域系统地施加局部应力的脉冲可使部件在大的区域精确成型。图3A表示金属表面40，引导至金属表面40的每个脉冲的“顶帽”(top hat)状强度分布42和应变以及硬化后金属中产生的相关应力图形44。图3B表示金属表面50和产生均匀硬化应变的精确设置的多个光栅脉冲52、54、56的“顶帽”(top hat)状强度分布。该图显示了均匀的应变以及用光栅束硬化后金属的相关应力图形58。多脉冲分布的精确超覆与激光束的矩形分布和顶帽均匀强度分布的结合在硬化成型后产生了光滑的表面整饰。
图4表示可用于将近场成像至烧蚀层的光学装置。近场60在负透镜62中被放大，被第一正透镜64校准并且被正透镜66成像至金属件70上的烧蚀层68上。激光束的近场在吸收层的成像产生了均匀的强度分布并且防止了相位失真产生强度热点。
与使名义上是平的金属达到所需要的形状的方法相似，激光硬化技术也可用于精确矫直有不希望的弯曲的元件。一个重要的例子包括机械驱动轴，该轴由于机加工、热处理、硬化或其它制造工艺带来了不希望的弯曲。通过在不希望的弯曲的凹侧选择性的施加压应力，可将部件全面的矫直。图5中，通过在驱动轴的短侧上的硬化成型除去驱动轴80的不希望的弯曲。驱动轴80具有一个吸收/烧蚀层82和填充层84。激光束86施加在轴的短侧，当施加多脉冲时，矫直了该轴。
图6A中，通过在表面上设置具有大的间隔的双硬化区域的密集行生得到的主要是一维弯曲。硬化的一维特征导致了一维弯曲。图6B中，通过对沿板例如是图6A所示的板的背部(back)或弯曲部分的凹侧垂直的y-方向进行密集的硬化，对该板进行y方向的进一步矫直。最后认为随着部件的弯曲，包括弯曲(本发明的实施例中是X-轴)在内的轴的惯性机械力矩或刚度增加了。利用上述的两种技术，增加的惯性力矩有助于优先产生一维弯曲。将初始的硬化方式对称且均匀的施加在部件上，以使弯曲和惯性力矩以对称的方式产生。
本发明的上述描述的目的是解释和描述，并非是穷举或将本发明限制在公开的具体方式内。在上述内容的指导下可作出各种修正和改变。选择和描述实施方式以最好的解释本发明的原理和实际应用，从而可使本领域的技术人员能最好地将本发明应用于各种实施方式并根据特定应用作出各种改进。本发明的范围由下面的权利要求书限定。