[发明专利]激光冲击多次愈合铜薄膜疲劳损伤的方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造与激光加工应用技术领域，特指一种激光冲击多次愈合铜薄膜疲劳损伤的方法。

背景技术

我国各种大型、小型以及微型器械结构在服役工作过程中，其结构的关键部位均存在不同程度的疲劳损伤或裂纹，每年用于维护和更换费用开支巨大。目前对于大尺寸结构带裂纹部件的维修通常是采取磨削去除裂纹或胶接、铆接、连接等补丁方式，或通过激光焊接、通过再分配负荷，降低裂纹周围的应力，阻止其扩展，以提高结构的强度和寿命。但这样的磨削和修补处理方法有其明显的缺点，在磨削修补处理中，由于磨削掉结构材料会对降低整体的结构强度，而在连接等补丁方式中会增加结构的重量，可能使结构动态特性产生不平衡现象。而对微小零构件结构，也经常因承受循环应力作用而发生疲劳失效。由于其结构微小的特点，更是无法采用类似的方法进行处理，因此有必要设计一种有效的方式对微小构件进行愈合，这对于延长微小元器件的使用寿命意义重大。

激光冲击强化是通过高功率密度(GW/cm量级)、短脉冲(10～30ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(>10K)、高压(>1GPa)等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。在材料表层晶粒得到明显细化的同时，使材料表层产生工作硬化，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，提高材料的疲劳强度。

本发明在发明专利“一种多晶轧制铜薄膜疲劳损伤激光冲击愈合方法”（申请公布号：CN103074469A）的基础上，进行了进一步研究，对如何最大化地提高服役中铜薄膜构件的疲劳性能提供了可靠的依据。

发明内容

本发明的目的是解决最大程度提高多晶铜薄膜材料疲劳寿命的问题，提供一种对存在疲劳损的铜薄膜材料进行多次激光冲击愈合的方法。对损伤薄膜材料多次激光冲击愈合后，达到最大程度地延长和提高铜薄膜的疲劳寿命的效果，解决工程实际中微小构件易受循环载荷而失效的难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种激光冲击多次愈合铜薄膜疲劳损伤的方法，其步骤为：

步骤1）：提供金属试件预制疲劳损伤装置1和激光冲击愈合装置2，所述预制疲劳损伤装置1包括微疲劳试验机A1和视频显微镜A2，所述激光冲击愈合装置2包括脉冲激光器B1，光路调节装置B2和培养皿23，所述光路调节装置B2包括反光镜调节装置21、透镜调节装置22；反光镜调节装置21是由反光镜支座、反光镜和滑块机构组成，透镜调节装置22是由透镜支座、凸透镜和滑块组成；

步骤2）：对材料预制疲劳损伤并对其进行时时观测：

应用疲劳损伤的定义，采用微疲劳试验机A1对原始材料预制一定程度的疲劳损伤，其公式表示如下：

Di=niNr(i-1)]]>

其中，D_i表示第i次愈合时的损伤程度；n_i表示第i次愈合前加载的循环数；N_r(i-1)表示i-1次愈合后最优的残余寿命。

铜薄膜材料3固定在微疲劳试验机A1上，将视频显微镜A2的物镜对准铜薄膜材料3缺口位置，对预制损伤过程进行时时观测；

步骤3）：在预制疲劳损伤的薄膜材料表面喷涂不溶于水的黑色涂料以增强材料对脉冲激光能量的吸收，将材料固定在金属基体上，使得激光器发出的激光束垂直发射到多晶轧制铜薄膜材料表面；

步骤4）：将固定多晶轧制铜薄膜材料的金属基体放入培养皿当中，在培养皿中注入水，水层作为多次激光冲击愈合过程中的约束层；根据激光器指示光路调整光路转换装置，并移动培养皿的位置，来控制激光光斑的冲击位置，通过调节凸透镜与多晶轧制铜薄膜材料的之间的距离控制焦距，来控制激光光斑，光斑宽度为1-2毫米；