[发明专利]一种复合冲击材料表面强化方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及大型材料的表面强化以及小型材料的细微结构强化技术领域，可改善材料表面应力大小和分布，提高金属工件使用寿命。特指一种基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击材料表面强化的方法与装置，尤其适应于需要抗疲劳、抗应力腐蚀的零部件。

背景技术

传统的材料改性技术有锻打、冷挤压、激光热处理和机械喷丸等方法，使板料内部产生残余压应力，以达到强化的目的，但存在着生产准备时间长，加工柔性差和制造成本高等不足。目前，激光加工技术和材料激光喷丸强化技术已应用于航空航天、船舶工业和汽车覆盖件等生产行业，但实际激光喷丸强化过程中，残余压应力分布和大小并不均匀，在冲击区域外等部位还会产生拉应力。电磁脉冲是利用电磁感应定律，通过脉冲磁场穿过工件而在工件上产生感应电流，产生的磁场与初始电场、磁场相互间产生了巨大的作用力，从而使工件受力成形，被广泛用到机械、电子、汽车工业、轻化工及仪器仪表、航空航天、兵器工业等诸多领域。

经检索目前国外文献中2007年8月DANE C BRENT[US]；HARRIS FRITZ B[US]；TARANOWSKI JOSEPHT[US]等人的“ACTIVE BEAM DELIVERY SYSTEM FOR LASERPEENING AND LASER PEENING METHOD”，专利号为KR20070086485(A)，介绍了一种可以移动的激光束来进行材料表面激光喷丸强化技术，即在工件固定情况下，通过激光传递系统，使得激光束沿着一定的光学路径对板料进行完整喷丸，其缺陷如下：(1)移动光束的的过程复杂，难以精确控制。(2)虽然能多次按照一定的路径冲击材料表面，但难以解决激光喷丸强化过程残余应力分布不合理的问题。(3)材料表面激光多次喷丸时搭接处难以处理，无法保证搭接处激光喷丸后残余压应力的分布均匀。(4)无法对复杂曲面零件进行强化，且无法保证复杂曲面过渡处在激光喷丸后获得较好的强化效果。

目前还未有采用电磁脉冲装置处理材料表面的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击材料表面强化的方法与装置，用以提高材料表面性能，改善板料表面残余应力场的分布，提高材料的抗应力腐蚀能力和疲劳寿命。

本发明复合冲击材料表面强化方法采用的技术方案是：采用大功率重复频率脉冲激光器和电磁脉冲装置同时作用于试样板料，由计算机中央处理单元控制激光器和电磁脉冲装置。

由计算机中央处理单元同时发出控制指令到激光控制器和电磁脉冲控制，通过激光控制器使激光器发出激光束，再由可调节的外光路系统改变激光束路线，以光斑调节装置调节激光束的光斑大小作用于试样板料；同时通过电磁脉冲控制器启动电磁力发生系统，再经电磁脉冲装置产生涡流形成磁场作用于试样板料。

本发明复合冲击材料表面强化装置采用的技术方案是：包括计算机中央处理单元、激光器和电磁脉冲装置，计算机中央处理单元以激光控制器连接激光器、以电磁脉冲控制串接电磁力发生系统后连接电磁脉冲装置，由激光器发出的激光束和电磁脉冲装置同向靠近试样板料。

本发明提出基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击材料表面强化的技术方案，使金属试样板料受到激光和电磁脉冲双重强化作用。一方面，直接利用强脉冲激光束冲击试样表面的柔性贴膜，使其表层气化电离并形成冲击波冲击材料表面；另一方面，利用电磁脉冲使金属工件内产生涡流形成磁场而使金属工件受力，其有益效果是：：

1、本发明电磁脉冲装置解决了激光冲击波压力分布不均匀的问题，同时激光冲击波力效应的作用弥补了电磁脉冲装置的冲击力的不足，适应沿规划路径轨迹逐点冲击，可对复杂金属工件表面进行充分强化，获得较好的喷丸效果。

2、本发明利用重复频率脉冲激光穿过集磁器中心孔使金属试样工件受力，扩大单独激光冲击喷丸强化区域，通过激光冲击波和电磁脉冲的复合冲击，在板料表面形成一定的分布均匀而合理的残余压应力，扩大残余压应力区域，防止材料表面产生有害的残余拉应力，可应用于小孔疲劳强化，损伤修复再制造，阻止裂纹扩展，消除焊接应力和提高抗应力腐蚀。

3、由于电磁强化是以磁场作介质，并能穿过非电导体材料，为非接触加工过程，无工具与工件变形表面相接触，而激光也是通过冲击波的作用在贴有柔性贴膜的工件上，磁场与柔性贴膜无相互作用，在成形部位表面无机械损伤，成形过程无机械接触，无摩擦，不需润滑，所以，工件材料的物理和化学性能不变，对工作环境或工件均不污染，是一种高效、清洁方便的绿色强化工艺。