[发明专利]一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法及其改性装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆焊角表面强化技术，具体为一种利用纳米修复颗粒和强激光冲击波对激光熔覆焊角进行表面改性方法及其改性装置。

背景技术

目前，激光熔覆因具有对材料表面改性和修复作用而应用广泛，但激光熔覆层之间的热应力、组织应力的传播叠加导致熔覆层内部存在高幅残余拉应力，从而降低熔覆层的机械性能、疲劳性能，其中激光熔覆层与激光熔覆基体结合部位即焊角处为典型的应力集中区域。工作时，疲劳裂纹最易在焊角处萌生和扩展，从而影响工件的安全性、可靠性和服役寿命大大降低，增加维护成本，因此对激光熔覆焊角进行表面处理，提高其机械性能和抑制疲劳裂纹萌生和扩展至关重要。

激光冲击强化或激光喷瓦强化作为一种新型的材料表面强化技术，通过与材料发生冲击波力学效应诱导材料表层高幅残余压应力和细化晶粒，有效消除材料内部的残余拉应力和抑制局部疲劳裂纹的萌生和扩展，显著提高激光熔覆层的疲劳寿命、抗腐蚀和耐磨损性能。江苏大学周建忠等人在专利CN101392382A“一种激光熔覆结合激光喷瓦强化表面改性的方法和装置”中提出利用纳秒脉冲激光器对激光熔覆层表面进行强化从而获得高表面粗糙度和高幅残余压应力的高质量激光熔覆层，但并未考虑对激光熔覆层焊角处进行激光冲击强化，如图1所示，激光冲击强化熔覆层焊角处时，激光束(3)首先照射到激光熔覆层(13)和激光熔覆基体(12)上产生等离子体(15)，从而形成“等离子体屏蔽”效应(光本质上也是电磁波，只不过是频率较高的电磁波，激光激发产生等离子体，当等离子体的密度达到一定程度时，电子的运动就能跟上激光的角频率频率，等离子体中的电子就把激光的能量给吸收掉，激光不能直接把能量传递给靶材了，这就是等离子体屏蔽)，阻碍激光束照射到焊角处，影响激光冲击强化焊角效果。东南大学张永康等人在专利CN103468925A“一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置”中提出将圆形光斑改为高功率密度的条形光斑能有效避免“等离子体屏蔽”效应，但该方法并不适用于激光熔覆层焊角。

发明内容

根据上述提出的现有技术不能解决激光熔覆层焊角的“等离子体屏蔽”效应的技术问题，而提供一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法及其改性装置。

本发明采用的技术手段如下：

一种纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法，所述焊角处通过冷挤压填充有SiC颗粒，采用方形光斑激光束对填充有SiC颗粒的焊角进行激光冲击强化，激光冲击强化光斑一般采用圆形光斑和方形光斑，但是圆形光斑的利用率比较低，而且获得的表面轮廓存在不均匀等问题，为提高激光冲击处理光斑利用率和获得更平整的表面，我们采用了光束整形技术，实现圆形光斑向方形光斑的转化，从而使方形光斑激光冲击强化试样表面获得更光滑的冲击区和更均匀的残余压应力，所述焊角为激光熔覆层与激光熔覆基体之间的夹角，所述激光熔覆基体为与所述激光熔覆层接触的所述焊件的表面，激光束诱导强激光冲击波一方面穿过SiC颗粒到达焊角，诱导焊角表面形成高幅残余压应力和细化晶粒，另一方面强激光冲击波将纳米修复颗粒SiC渗入到激光熔覆层，纳米修复颗粒SiC填充和修复熔覆层缺陷(孔隙和微裂纹)，抑制激光熔覆层的裂纹萌生和扩展，避免瞬间疲劳断裂等现象发生，提高了激光熔覆层的安全性和可靠性。

进一步地，所述SiC颗粒在所述焊角处形成一过渡圆弧面，所述过渡圆弧面的半径为r，所述方形光斑激光束的边长小于所述SiC颗粒在所述焊角处形成一个半径为r的过渡圆弧面，使激光束直接打在过渡圆弧面的表面而非焊角处，避免发生等离子体屏蔽效应,半径为r的过渡圆弧面的最大弦长为(1.414r)，为避免发生等离子体屏蔽效应，必须保证激光冲击方形光斑边长小于圆弧面最大弦长,即所述方形光斑激光束的边长小于

进一步地，所述过渡圆弧面的半径为4mm，所述方形光斑激光束的边长为3-5mm，激光能量为30-40J，脉冲宽度为30ns。

本发明还提供了一种上述所述的纳米修复颗粒和激光冲击强化共同作用下焊角表面改性方法采用的改性装置，包括激光器控制装置、激光器、焊件夹紧装置、工作台、六自由度机械手和计算机控制系统；

所述激光器固定连接在所述激光器控制装置上；

所述工作台固定连接在所述六自由度机械手上；

工作状态下，焊件通过所述焊件夹紧装置固定在所述工作台上；所述计算机控制系统控制所述六自由度机械手调整所述工作台的位置，同时所述计算机控制系统控制所述激光器控制装置控制所述激光器实现对整个焊角表面的激光冲击强化。