[发明专利]基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法

权利要求书

1.一种基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：包含如下步骤：

S1：将使用激光熔覆技术或选区激光熔化技术增材制造出的金属实体表面进行预处理；S1所述预处理方式为对使用激光熔覆技术或选区激光熔化技术增材制造出的金属实体表面进行光洁化处理，然后将金属固定在激光冲击工作台上，铺设约束层和保护层；

S2：使用分束系统将一束脉冲激光分为脉冲1和脉冲2，分别对金属表面进行激光冲击强化，具体步骤为：

脉冲激光器发射脉冲激光通过反射镜1反射，激光到达分束镜，通过分束镜将一束脉冲激光分为脉冲1、脉冲2，其中脉冲1的能量大于脉冲2的激光能量，分束后脉冲1沿原有轨迹前行，脉冲2经过反射镜2反射重新沿与脉冲1方向平行方向前行，最终脉冲1、脉冲2经过聚焦透镜到达金属表面，形成一强一弱前后两束脉冲激光，分别对金属表面进行效果不同的激光冲击强化，随后金属靶材移动一个工位，再次进行激光冲击强化，直至强化加工完成；在进行激光冲击强化之前，能通过改变反射镜2水平方向上的位置来适当调整光斑搭接率，达到不同激光冲击强化效果的目的。

2.根据权利要求1所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述步骤S1中，在进行光洁化处理时对金属样件进行铣削或者使用连续激光进行激光切割以对金属样件进行去飞边处理，使金属形貌规整，并用所需粗糙度砂纸对金属表面进行打磨处理，达到产品所需质量要求的同时也使得金属表面粗糙度降低；

所述步骤S1之前还应确定待加工金属零件的待强化区域，所述待强化区域是指增材制造金属易断裂或易磨损或有应力集中等缺陷的区域，该区域能由超声检测的方法来确定缺陷所在区域。

3.根据权利要求2所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述步骤S1中，所述保护层为黑色胶带或黑漆；所述约束层为去离子水幕或K9玻璃。

4.根据权利要求1至3中任一所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述S2在进行激光冲击强化之前，还应确定脉冲激光能量分配比和搭接率；具体方法为先对激光冲击强化过程进行仿真分析，得到增材制造金属中残余压应力场的分布结果，其中仿真过程中脉冲能量分配参数的初步设置参考以下估算方程，防止经过分束镜后低能量脉冲2的能量不足以达到材料的屈服强度，简化仿真过程；方程为：

其中，P为冲击波峰值压力，α为内能转化为热能的系数，Z为保护层和约束层的合成声阻抗，E₀为激光脉冲能量，d为光斑直径，t_p为脉冲宽度；v为材料泊松比，σ_s为材料的初始屈服应力；

为高速应变情况下激光光束垂直入射时材料发生屈服所需的应力；

然后适当改变脉冲能量分配比和搭接率进行仿真分析得到最佳激光冲击强化效果，从而确定最佳的激光脉冲1和激光脉冲2的能量分配比例，以及激光能量光斑的搭接率，此时既能实现较好的搭接效果，又能充分利用激光脉冲能量，在实现本次显著激光冲击强化的同时，也使得下一次待加工区域的加工硬化程度偏低，综合提升激光冲击强化效果。

5.根据权利要求1至3中任一所述的基于激光冲击强化的增材制造金属表面强化方法，其特征在于：

所述步骤S2中，所述激光冲击的处理方式为逐点加工，即采用金属靶材移动一下，激光冲击一下的处理方式，需注意逐点加工方向，即金属靶材移动方向，须与脉冲1与脉冲2辐照在金属表面的落点中心连线所在直线方向一致；

所述步骤S2中，脉冲激光器发射出的脉冲激光其波长为1064nm，脉冲宽度为10～20ns，初始光斑直径12mm，脉冲功率密度为3～8.5GW/cm²，经过聚焦透镜汇聚，辐照到金属表面的光斑直径为2～8mm。