[发明专利]一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法

说明书

本发明公开了一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，基于能量守恒原理构建激光斜冲击能量衰减模型，用以表征斜冲击时倾斜角度θ与靶材辐照区域吸收有效能量E_e之间的变化关系；并根据靶材吸收能量产生等离子体所需要的最低阈值E_t确定激光入射能量E_input最小值及激光光斑搭接率ε_p最小值。为激光斜冲击工艺参数设计提供理论指导，极大提高了加工效率，降低能耗，改善表面强化效果，有效解决了激光斜冲击深孔结构实现孔内表面强化时存在的工艺参数和加工效果无法规律控制的难题。

技术领域

本发明涉及激光冲击强化工艺领域，特别涉及一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法。

背景技术

深孔类结构是零件中常见结构，主要起到支撑、定位和导向等作用。在实际工作受载时，孔类零件局部受力集中，极易产生应力断裂现象。此外，孔细长结构特征使得沿着径向容易剪切断裂。部分零部件孔与轴相对运动时，频繁的摩擦造成内控壁的磨损，从而降低定位精度，甚至破坏零件密封性和稳定性。因此提高深孔根部及孔内壁表面强度成为改善含孔类结构零部件强度的关键。

目前关于深孔类零件表面性能的提升主要采用的是表面涂层技术、热处理工艺、激光冲击强化等方法。但是表面涂层技术成本高，环境污染大，热处理工艺对零件整体进行无差别作用，能效比低。而激光冲击强化虽然能够对金属表面进行强韧化处理，诱导生成微纳尺度的细化晶粒，从而提高材料的力学性能，但是受限于深孔类零件结构孔内空间的限制，激光头无法深入孔内开展作业。而激光斜冲击时对激光冲击入射光角度进行偏转，从而满足入射光线作用于靶材的目标表面。但由于激光斜冲击，光线折射作用对入射光能量损耗效果与垂直表面辐照存在着一定的差异。此外，激光斜冲击时，孔壁上光斑形状发生了改变。因此，传统的激光垂直靶材表面冲击强化工艺无法满足深孔类激光斜冲击的需求。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺陷，本发明的主要目的在于克服现有技术的不足之处，公开了一种适用于深孔类结构激光斜冲击工艺参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将激光入射光源等效成无数平行直线光源，根据激光斜冲击能量传递特点构建能量衰减模型；

步骤2，根据靶材产生等离子体所需能量最低阈值E_t及能量衰减模型确定激光入射能量E_input设置下限值；

步骤3，根据激光斜冲击靶材表面辐照光斑形状及能量衰减规律确定光斑搭接率ε_p最小值。

进一步地，所述靶材表面设置铝箔或者黑色油漆作为吸收层，水作为约束层。

进一步地，步骤1中，将激光沿着光斑椭圆长轴方向等效成n条单位平行光源，根据能量守恒定律满足关系式：

E_input＝E_e+E_output

其中，E_input为入射能量，E_output为反射能量，E_e为有效能量；材料反射比吸收比当激光斜冲击辐照在空内壁时，所形成的空间包络面平面展开后为长轴为的椭圆，θ为光源与水平方向夹角；

第x条光源产生的反射能量为

第x条光线辐照的靶材表面吸收的有效能量为

进一步地，所述步骤2中所述靶材表面吸收能量发生电子的阶跃现象，并产生等离子体，而激光诱导材料产生等离子体所需能量最小阈值为E_t。根据能量衰减模型可知激光斜冲击时靶材表面吸收有效能量E_e最小值为要想实现激光斜冲击强化效果，则必须满足E_emin≥E_t，即