[发明专利]一种表面离散强化材料热疲劳性能的激光测试方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于材料热疲劳性能检测的技术领域，具体地涉及一种表面离散强化材料热疲劳性能的激光测试方法，以及采用该方法的装置。

背景技术

双辊式铸轧工艺能够将熔融金属连续加工成不同宽度、厚度的板带坯，其在铝加工行业中得到了广泛的应用。在铝铸轧辊使用过程中，辊套内部使用冷却水循环，辊套表面周期性地与熔融的铝液接触，承受着周向和径向的热冲击。辊套表面在热应力、接触应力和装配应力的共同作用下，发生疲劳开裂。为了保证正常生产，辊套使用一段时间后需要下机修磨。辊套的热疲劳性能直接影响到了使用寿命和铝板带坯的质量。由于裂纹是从辊套表面萌生和扩展，因此表面强化是一种有吸引力的方法，尤其是离散强化方法，有望抑制裂纹萌生、阻滞裂纹扩展，提高辊套的使用寿命，改善铝板坯质量。针对表面离散强化的辊套材料以及相似用途的材料，需要使用合适的方法和装置对其热疲劳性能进行评价。

目前，常规的材料热疲劳方法是整体加热、整体冷却。例如文献1，李福海，佟鑫等.32Cr3Mo1V表面激光合金化层热疲劳性能的研究.材料研究与应用，2011，5(2):97-104，该文献中针对带状表面强化材料，使用加热炉加热、水冷的方式进行温度循环。激光加热的材料热疲劳实验也有文献进行了研究。例如文献2，贾力，孙智刚.激光热疲劳实验系统在预测轧辊热疲劳性能上的研究.工业加热，2009，38(5):63-64，该文献中使用千瓦级CO₂激光加热、N₂气体冷却的方式，研究了裂纹的萌生和扩展过程。以上文献中，由于疲劳裂纹扩展方向是随机的，因此难以精确研究离散强化区域对裂纹的阻滞作用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种表面离散强化材料热疲劳性能的激光测试方法,其能够定向诱导裂纹扩展、原位观察裂纹、对强化点本身的热疲劳性能和强化点对裂纹扩展的阻滞作用进行评价。

本发明的技术解决方案是：一种表面离散强化材料热疲劳性能的激光测试方法，其包括以下步骤：

(1)使用匀束器件将激光光斑的光强分布从高斯分布转变成均匀分布；

(2)使用光束整形器件将激光光斑的形状从圆形变换成矩形；

(3)改变光束整形器件参数调节矩形光斑的长宽比；

(4)激光光斑沿指定路径扫描过强化区，对表面离散强化材料的正面加热，使之达到表面离散强化材料的实际使用温度；

(5)在表面离散强化材料的背面使用水冷铜块来冷却；

(6)激光停止，材料冷却到原始温度后，再次循环，一直加热到裂纹形成；

(7)通过记录材料表面氧化膜的变化、裂纹萌生位置和强化区域对裂纹扩展的阻滞作用，以及对比原始材料和强化区域的裂纹密度，对表面离散强化的效果进行评价。

本发明通过使用激光束对表面离散强化材料的正面进行扫描加热，能够定向诱导裂纹扩展，原位观察裂纹；而激光束的扫描路线同时覆盖强化区和原始材料，能够对强化点本身的热疲劳性能和强化点对裂纹扩展的阻滞作用进行评价。

还提供了一种采用这种表面离散强化材料热疲劳性能的激光测试方法的装置，该装置包括：控制装置、激光器、移动机构、光束变换器件、冷却装置，控制装置令激光器发出水平出射的激光并令移动机构的滑台移动，冷却装置固定在滑台上，表面离散强化材料放在冷却装置上，激光通过光束变换器件后垂直照射到表面离散强化材料的正面。

附图说明

图1是采用根据本发明的表面离散强化材料的热疲劳性能的激光测试方法的装置的结构示意图。

图2是光束整形器件的工作示意图。

图3是表面离散强化材料的装卡示意图。

图4是针对圆形的强化区域的激光扫描路径示意图。

图5是针对第一种矩形的强化区域的激光扫描路径示意图。

图6是针对第二种矩形的强化区域的激光扫描路径示意图。

图7是激光扫描方向上的计算温度分布的示意图。

具体实施方式

这种表面离散强化材料的热疲劳性能的激光测试方法，其包括以下步骤：

(1)使用匀束器件将激光光斑的光强分布从高斯分布转变成均匀分布；

(2)使用光束整形器件将激光光斑的形状从圆形变换成矩形；

(3)改变光束整形器件参数调节矩形光斑的长宽比(例如长宽比：3—10)；

(4)激光光斑沿指定路径扫描过强化区，对表面离散强化材料的正面加热，使之达到表面离散强化材料的实际使用温度；