[发明专利]一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法

说明书

本发明涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法。采用压电陶瓷作为振动部件，经过极化后连接超声波发生器，根据超声波原理，沿压电陶瓷柱产生低频振动位移波，利用其产生的径向振动撞击细管件内壁，使细管件内壁产生一定的塑形变形，在细管件内壁引入残余应力，使细管件内壁得到强化并降低表面粗糙度，同时对细管件外壁进行激光温喷丸强化，最终使细管件内外壁均产生强化效果。

技术领域

本发明涉及表面工程技术与激光加工技术领域，具体涉及一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法。

背景技术

在工业应用中有大量金属管件的内外表面需要改性处理，例如油田上的输油管道、化工管道、航空、汽车发动机在高温、腐蚀等恶劣环境下工作的内外壁亟待强化处理的管状零部件，普通处理方法无法满足其表面强化要求。这些工件常因内外表面磨损、腐蚀、氧化而发生早期失效，因此开发具有抗磨损、抗腐蚀、抗氧化的内外表面改性技术及工艺，是目前表面改性领域亟需解决的难题。

激光冲击强化(Laser shock peening,LSP)是一种新型的表面强化技术，可以提高材料的强度、硬度、耐磨性和耐应力腐蚀性能，尤其能有效改善材料的抗疲劳断裂性能。但是，研究表明，LSP诱导的残余压应力在高温服役条件下会发生释放，严重降低疲劳寿命。温度辅助下的激光冲击强化(Warm laser shock peening,WLSP)较传统LSP工艺而言，可通过在位错周围诱导高致密的纳米级析出物，对其进行钉扎，阻碍位错滑动，从而获得更稳定的位错组织、更优的机械性能。

同时激光冲击强化技术只能对管件外表面进行冲击，相比于工件的外表面而言，管状工件内壁改性处理主要存在以下几个技术难题。一是受到内腔形状和尺寸的限制，一些处理方法很难实施，或者是即使能实施也很难得到良好的改性效果，尤其是对于一些细长的管件更是如此。二是受到内腔形状和尺寸的限制，一些处理介质很难进入管腔内部，或者是即使进入也难以保证改性层的均匀性。

本方法利用极化后的压电陶瓷柱激励超声波产生径向位移撞击细管件内壁。控制频率实现激励出径向振动的波，旋转振动过程中，对细管件内壁进行光整加工，降低表面粗糙度。将压电陶瓷柱紧贴细管件内壁不仅可以实现对细管件内壁的强化，同时也避免了对外壁进行激光温喷丸强化时引起的管件尺寸变形。

发明内容

本发明提出了一种超声波辅助激光温喷丸强化细管件的组合方法。本方法主要是采用压电陶瓷作为振动部件，经过极化后连接超声波发生器，沿压电陶瓷柱产生低频振动位移波，利用其产生的径向振动撞击细管件内壁，同时转动需强化的细管件，保证细管件内壁得到均匀的珩磨和强化，降低内壁的表面粗糙度和引入残余应力，同时对管道外壁进行激光温喷丸强化，对细管件内外壁均产生强化效果。

所述内壁强化处理过程中：先对PZT系压电陶瓷柱进行极化，极化电场为1.5-5kv/mm，极化温度为100-180℃，极化时间为10-60min，采用空气极化法。

所述内壁强化处理过程中：保护套由具有振动能力强，高硬度和耐反复冲击性强等优点的POM材料并且添加碳钎维制成，保护套可以防止在振动时压电陶瓷柱的脆裂，同时根据管件内径尺寸大小调节保护套厚度，保证强化效果。

所述内壁强化处理过程中：压电陶瓷柱极化后激励超声波，激励的信号为窄带半正弦脉冲信号，幅值为20V，激励频率为20kHz-60kHz。

所述内壁强化处理过程中：压电陶瓷柱产生径向振动对管件内壁进行撞击，同时以每次旋转2/D rad的方式不连续转动样件，使小孔内壁产生一定的塑性变形从而引入残余应力，使管件内壁得到均匀强化。

所述激光温喷丸强化处理过程中：实验前，采用1200#的SiC砂纸对试样外表面进行打磨，直至表面光亮，并用去离子水对细管件进行超声清洗，清洗后，将铝箔吸收层紧密覆盖于试样表面，以水作为约束层。