[发明专利]一种用于硬脆材料激光喷丸强化的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及硬脆材料加工的机械制造和激光应用领域，特指一种用于硬脆材料激光喷丸强化的方法及专用装置。

技术背景

为提高机械零件的使用性能和服役寿命，常常需要对加工表面进行后续的强化处理。随着高功率高性能激光器技术的不断成熟，激光喷丸强化技术作为一种新型表面强化方法，利用激光诱导冲击波进行冲击强化处理，已在一些重要零部件的表面改性方面得以应用。美国专利NO.4401477，发明名称为“激光冲击工艺”，介绍了一种用于金属零件表面改性的激光喷丸强化方法。中国发明专利申请号00112122.7，授权公告号CN113131325C，专利名为“钕玻璃激光冲击处理机”。这些常规激光喷丸强化方法及装置，可以满足一般金属零件的表面强化处理；但对一些硬脆材料(如单晶硅、陶瓷、硬质合金及淬火钢)而言，常规激光喷丸强化已经很难满足要求，一方面高硬度材料很难产生冲击塑性变形；另一方面高脆性材料在激光冲击波作用下会产生微观脆性裂纹和冲击层裂。

利用辅助加热手段可以有效改善硬脆材料的力学性能，随着温度的上升，脆性材料的屈服应力会明显下降，从而可以有效避免脆性裂纹和冲击层裂现象的产生。因此，我们可以将辅助加热手段引入激光喷丸强化领域，并以此来解决硬脆材料激光喷丸时的难强化和效果差等缺陷。经对国内外现有文献的检索结果发现，目前国内外还没有与本发明方法类似的研究报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对激光喷丸强化硬脆材料所存在的一些不足，提供了一种通过激光辅助加热手段来对硬脆材料实施激光喷丸强化的方法及装置。

本发明方法包括激光辅助加热阶段和激光喷丸强化阶段。先采用高功率连续激光对待强化区域进行辅助加热处理，对于大多数金属材料而言，其塑性性能会随温度的上升而改善；在加热区域温度到达预定加热温度后，然后采用高功率脉冲激光实施激光喷丸强化处理。

本发明的方法，要求加工试样需进行预处理。为了防止残留油垢对强化效果的影响，采用加热法或清洗法进行去油处理；工件表面涂覆上能量吸收层，并在其外固定上透明约束层。能量吸收层优先选择石墨涂层，其熔点高达3850℃，而且石墨对激光的吸收率高达77.3％；透明约束层优先选择耐高温强化玻璃，可以抵抗350℃的高温，其约束效果是普通玻璃的4～5倍。

本发明方法，要求在对工件进行加热处理之前，需先开启保护气体循环系统。按顺序依次打开排风扇、排气回路流量阀、氩气瓶开关、进气回路流量阀。保护气体循环系统主要用于保护加工表面，以及排出加工过程中的有害气体和粉尘。

本发明方法，要求在进行激光辅助加热阶段之前，必须根据实际强化区域大小和工作环境，选择好本次强化过程所用的工艺方案。强化方案分为点强化方案、线强化方案和面强化方案三大类。当强化区域较小时，可以选择单点覆盖强化方案；当强化区域呈明显的线状分布时，可以选择线强化方案，要求光斑完全覆盖待强化区域；当强化区域较大时，则需要选择面强化方案，该方案适合工作环境存在明显的接触和腐蚀等外部条件。

所述激光辅助加热阶段，就是采用高功率连续激光对待强化区域进行辅助加热处理。本发明方法，要求控制激光输出功率P_H为0～1000W，光斑直径D_H为8～10mm。利用在线温度测量仪实施检测加热区域的加热温度T_H，控制加热温度T_H在20～300℃之间，并将测得的温度信息及时反馈给中央计算机，对加热温度T_H进行精确闭环控制。

所述激光喷丸强化处理阶段，就是采用高功率脉冲激光器对工件进行激光喷丸强化处理。本发明方法，要求控制脉冲激光器输出单脉冲能量E_P为15～35J，光斑直径D_P为4～6mm。吸收层材料吸收激光能量并迅速汽化电离，形成高温高压等离子体，等离子快速膨胀并受到约束层的限制而产生脉冲冲击波，冲击波压缩工件表层材料，并最终在工件表面形成一定深度的有益的残余压应力影响层。

本发明方法，要求脉冲激光束垂直于工件加工面，连续激光与脉冲激光成一定夹角α(一般取α＝10～30°)，连续激光光斑必须覆盖脉冲激光光斑，通常D_H＝1.2～1.5D_P，其中D_H为连续激光光斑直径，D_P为脉冲激光光斑直径。

本发明方法所用的专用装置，主要包括激光辅助加热系统、激光喷丸强化系统、工件夹具系统、计算机数控系统、测量反馈系统和保护气体循环系统。