[发明专利]一种金属表面的可控形变技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面的可控形变技术。这种金属表面的可控形变技术涉及对金属进行形变处理以改善金属表层应力分布的技术和智能控制技术。

技术背景

金属材料的加工过程中，往往会因为零部件的不同部位温度变化不同步等原因，导致加工后的零部件内部残留内应力，这一应力可能导致多种不良后果。

残留内应力可能导致的第一种不良后果是：过度变形。变形量一旦超过使用或后续加工允许的公差范围，则可能导致零部件报废。

残留内应力可能导致的第二种不良后果是：零件开裂。零件的某些特征部位的残余内应力值如果超过材料的强度，则零件将要发生裂纹扩展、材料开裂。

残留内应力可能导致的第三种不良后果是：零部件在后续长期使用过程中出现问题。可能出现的第一个问题是强度降低，使用过程中零部件会受到外加应力的作用，如果零件的某些特征部位外加应力与残余内应力发生叠加，叠加后的应力如果超过了材料的强度，则零件将会在较低的外加应力作用下即发生裂纹扩展、材料开裂，表现为零部件的强度降低。可能出现的第二个问题是由于长期使用过程中应力状态发生变化，零部件的形状、尺寸发生变化，影响零部件的运转精度，甚至可能导致零部件报废。

金属材料的加工过程中产生的残余内应力种类不同、所处位置不同，对零部件的影响也会差别巨大。处于零部件表面附近的残余拉应力最危险、影响最大，绝大多数的不良后果都是由表面附近的残余拉应力造成。

激光熔覆技术是一种利用激光能量作用于焊丝或焊粉对金属零部件表面进行焊覆的技术，广泛应用于金属零部件表面的强化、功能化和修复处理，在汽车模具修复等领域应用越来越广，目前存在的最主要问题是熔覆后巨大残余拉应力带来的开裂。

由于熔覆时必须将焊丝或焊粉熔化，激光扫描必须将焊丝或焊粉加热到熔点以上，而被熔覆的金属基体温度很低，于是出现了熔覆层与基体的巨大温度差和巨大的温度梯度，激光束扫过之后的降温过程中，熔覆层温度的巨大降幅决定了其将要发生明显的收缩，而基体的厚度远大于熔覆层，这就决定了熔覆层的收缩将会被抑制，于是出现了降温后熔覆层附近巨大的残余拉应力，往往前面在进行激光熔覆处理，后面刚刚熔覆的区域几经开始开裂。

为了解决这一问题，目前主要采取的办法是选择塑性极好的焊料或及时对熔覆层进行降应力处理，例如：选用昂贵的镍基合金作为焊料，或及时对熔覆层进行再加热处理以减小温度梯度从而降应力，或及时手工敲击使熔覆层塑性变形释放应力。

发明内容

镍基合金作为焊料虽然有效地缓解了开裂问题，但金属镍比较昂贵，且性能单一，难以满足模具等要求修复后表面高强度、耐磨等要求；再加热处理虽可以减小温度梯度从而降应力，但时机难掌握，处理不及时还是难以避免开裂的发生；手工敲击使熔覆层塑性变形释放应力的措施过分依赖操作者的经验，且效果有限。

本发明旨在寻找一种智能化的、广泛适用于多种材料、多种组织和性能要求的形变处理技术，不仅能够有效缓解拉应力，甚至可以获得零件表层残留压应力，以及一定的形变强化效果。

本发明的主要特点是：在充分研究待处理件表面温度分布、应力分布和变形规律的基础上，编制智能控制程序，以控制由多个撞针组成的阵列，对待处理件的待处理区域实施特定强度、特定频率的冲击形变处理。

多个撞针组成的阵列，每一个撞针的冲击强度、冲击频率在事先编制好的程序控制下，充分满足所处阵位被加工材料的表面形变需要，而又不至于引起过度形变和开裂。

被加工面的每一点，都会经受多个撞针的多次反复冲击的影响而多次形变。

由于多个撞针组成的阵列中，每一个撞针都单独受到控制系统的控制，撞针之间互不干涉，即使被加工面为三维曲面，也能保证三维曲面的凹陷处获得足够的形变。

如果被加工对象是刚刚形成的熔覆层，对其上一点来说，这种形变将会在一个较大的温度范围内持续，持续期间开始时可能是奥氏体组织，而后可能是珠光体组织或马氏体组织或混合组织，这种持续能够有效地缓解各个温度区间、各种组织形成的应力，直至某一较低的温度形变结束，最终熔覆层与被加工件温度一致时，熔覆层的拉应力得到极大的缓解，甚至可以获得一定的残余压应力而进一步提高零件的表面性能。

附图说明

附图为一种金属表面的可控形变技术实施过程示意图：(1)为可控形变阵列；(2)为撞针(3)为可控形变阵列前进方向；(4)为待加工区域。

具体实施方式