[发明专利]一种激光冲击-超声滚压复合强化方法

说明书

一种激光冲击‑超声滚压复合表面强化处理方法，用于对金属材料表面进行强化，通过在完成工件加工后对工件依次进行激光冲击和超声滚压，从而将激光冲击和超声滚压两种表面强化手段先后作用在工件表面，一方面在工件表面形成了幅值更大、影响层更深的残余压应力，另一方面使工件的表面粗糙度大幅减小，能够显著提升金属结构件的疲劳寿命。本发明方法操作简单，可以大幅度提高金属材料表面强化效果，在传动轴、齿轮和飞机起落架等高承载结构件上具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于金属材料表面强化技术领域，特别涉及一种金属材料表面激光冲击-超声滚压复合强化方法。

背景技术

变形、磨损、裂纹及断裂是传动轴、齿轮和飞机起落架等高承载结构件服役期间失效的主要形式，加工表面完整性是影响结构件失效的关键因素。喷丸、滚压及激光冲击是对结构件表面进行强化处理的常用方法。通过对结构件进行表面改性处理，能够有效改善表面形貌，在表层引入残余压应力，诱导表层组织晶粒细化，形成硬化层等强化效应，提升耐磨损、抗应力腐蚀和抗疲劳等性能，延长结构件使用寿命。

超声滚压是在普通滚压的基础上，增加超声冲击，利用超声冲击的高应变率作用，使材料表层更容易产生塑性变形，超声冲击产生的应力波传递可以进一步改善表层材料组织结构，实现材料结构件表面性能的进一步提升。激光冲击强化技术是利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的表面性能的一种新技术，其具有非接触、无热影响及可控性强等优点。

已有的研究结果表明，单一的强化技术在材料表面整体改性强化中仍存在不足。激光冲击强化在形成大层深的残余压应力影响层方面具有明显优势，但在表面光整、晶粒细化等方面没有明显效果；超声滚压虽能在较小的滚压力下实现表面光整、提升组织变形效果，但对大层深残余应力的形成不具备明显优势。针对现有单一的强化工艺的强化效果片面的问题，提出激光冲击-超声滚压复合强化方法，实现材料表面的综合强化处理，增强材料表面强化效果，提升结构件的服役性能。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光冲击-超声滚压表面复合强化方法，先通过激光冲击设备对零件表面进行激光冲击强化，再通过超声滚压装置对激光冲击强化后的零件表面进行超声滚压强化，从而实现激光冲击-超声滚压表面复合强化。

一种激光冲击-超声滚压复合强化方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)表面预处理，待复合强化表面为完成精密机加工的表面；

2)在激光冲击强化设备上装夹工件，固定激光器，将吸收激光能量并产生高压等离子体的涂层材料涂敷(粘贴)在待加工工件表面，调整激光约束层使其在加工区域内厚度均匀，调整激光与工件待加工区域位置，保证激光与待加工表面垂直；

3)设定激光冲击强化参数，控制搭接率，实现对工件表面的激光冲击强化；

4)加工结束激光器停止出光，关闭激光器，取出工件；

5)在机床上加装超声滚压强化装置，调整滚压刀具与工件待加工表面的相对位置，保证滚压刀与工件待加工表面垂直；

6)设定超声滚压强化的工艺参数；

7)启动机床，通过工件的旋转运动及超声滚压装置的进给运动，实现超声滚压强化；

8)关闭机床、超声滚压装置等设备，取出工件。

进一步地，所述的激光冲击强化相关参数有：激光冲击强化采用Nd：YAG激光器作为激光发射源；用流水作约束层，厚度为1mm～2mm；铝箔作为吸收层，厚度为0.12mm。激光脉冲能量20～80J，优选30J；脉宽5～100ns，优选15ns；激光冲击光斑边长范围为1mm～10mm，优选为4mm×4mm的方形光斑；搭接率控制在5％～90％，优选20％左右。