一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法与流程

1.本发明涉及激光冲击强化方法技术领域，尤其涉及一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法。


背景技术：

2.激光冲击强化是一种表面强化技术，利用脉冲激光作用在材料表面诱发形成等离子体，通过约束层的限制使等离子爆炸产生的冲击波向材料方向传播，使金属材料表层区域发生极高速率的塑性变形，形成具有一定深度的残余压应力，从而大幅度提高工件的疲劳寿命，被广泛应用于航空航天领域主要承力结构件的疲劳增寿。
3.金属材料棱边结构变截面的棱边部位往往存在应力集中，服役过程中会引起疲劳开裂，例如孔边、飞机壁板的外圆角/倒角处等。采用激光冲击强化技术进行抗疲劳延寿时，由于棱边处缺乏约束以及激光诱导冲击波的反射，易引起棱边结构的塌陷/挤出，降低激光冲击残余压应力值甚至产生残余拉应力，对抗疲劳性能的提升不利。因此，如何提供一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的在于提出一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，本发明通过调整棱边结构处的冲击斑排布，实现棱边结构的变形控制与残余应力调控，从而满足棱边结构的激光冲击抗疲劳改性的需求。
5.根据本发明实施例的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，包括：
6.s1、确定金属材料棱边结构的种类和尺寸，金属材料棱边结构的种类和尺寸包含金属材料棱边结构的各位置处两面内法线方向和两曲面过渡圆角或倒角的尺寸；
7.s2、根据棱边结构的服役状态将棱边结构相邻两平面划分为主强化面和次强化面，计算两强化面的位向关系；
8.s3、根据s2得出的位向关系，将两平面法线夹角平分线作为棱边面的法线，确定棱边面的位置；
9.s4、根据棱边结构的材料性能确定激光冲击强化功率密度，根据设备激光能量范围、两曲面过渡圆角或两曲面过渡倒角的大小，确定冲击斑半径且需满足冲击斑半径≥3*两曲面过渡圆角或3*两曲面过渡倒角；
10.s5、采用数值仿真方法优化获得棱边结构处两曲面上冲击斑边缘与棱边面的距离；
11.s6、设置激光冲击强化工艺参数，对主强化面强化区域粘贴吸收保护层，完成主强化面的激光冲击强化加工；
12.s7、根据s6确定次强化面的激光冲击强化功率密度和距离，对次强化面强化区域粘贴吸收保护层，完成次强化面的激光冲击强化加工；
13.s8、根据主强化面和次强化面的距离确定棱边位置的强化区域尺寸，在棱边位置
粘贴吸收保护层，根据s6和s7对棱边位置进行激光冲击强化。
14.可选的，所述s1中金属材料棱边结构的种类为圆角或倒角，所述金属材料棱边结构尺寸为圆角半径或倒角宽度。
15.可选的，所述s2中以主强化面为先强化面及次强化面为后强化面，计算先强化面和后强化面的位向关系。
16.可选的，所述s3中棱边面包含棱边圆角切线或倒角平面。
17.可选的，所述s3中将两平面法线n1、n2夹角平分线作为棱边面的法线。
18.可选的，所述s5中冲击斑边缘为棱边结构与两侧平面相交线，其距离≥1mm。
19.可选的，所述s6中激光冲击强化工艺参数包括激光能量、光斑直径、搭接率、约束层和光束入射方向，
20.可选的，所述s6中所述吸收保护层为黑胶带或者铝箔。
21.可选的，所述s8中在棱边位置粘贴吸收保护层并确认吸收保护层完全覆盖棱边位置的强化区域，棱边过渡圆角或倒角区域的激光冲击强化方向为n3，其中，n3＝n1+n2。
22.本发明的有益效果是：
23.(1)本发明通过调整棱边结构处的冲击斑排布，实现棱边结构的变形控制与残余应力调控，从而满足棱边结构的激光冲击抗疲劳改性的需求；
24.(2)本发明通过数值仿真，获得棱边结构处两曲面上冲击斑边缘与棱边的距离的优选距离，降低强化表面冲击波在传播过程中对先强化表面形成的残余压应力水平的不利影响，改善由于棱边处缺乏约束以及激光诱导冲击波的反射引起棱边结构的塌陷和挤出，优化整体结构的激光冲击强化稳定性，提升结构件的服役寿命及服役可靠性。
附图说明
25.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
26.图1为本发明提出的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法的流程图；
27.图2为本发明提出的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法正常状态的现有技术中激光冲击强化原理图；
28.图3为本发明提出的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法调节状态的棱边结构激光冲击强化示意图；
29.图4为本发明提出的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法调节状态的激光冲击强化后棱边结构残余应力分布图。
具体实施方式
30.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
31.参考图1，一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，包括：
32.s1、确定金属材料棱边结构的种类和尺寸，金属材料棱边结构的种类和尺寸包含金属材料棱边结构的各位置处两面内法线方向和两曲面过渡圆角或倒角的尺寸；
33.本实施方式中，s1中金属材料棱边结构的种类为圆角或倒角，金属材料棱边结构
尺寸为圆角半径或倒角宽度。
34.s2、根据棱边结构的服役状态将棱边结构相邻两平面划分为主强化面和次强化面，计算两强化面的位向关系；
35.金属材料棱边结构的服役状态是指在长期使用中，金属材料所遭受的各种损耗和磨损现象。其中包括材料本身的化学变化、物理变化和机械变化等多种因素的作用。这些因素导致金属材料的强度、硬度、韧性、抗腐蚀性等性能逐渐降低，最终导致材料失效。
36.本实施方式中，s2中以主强化面为先强化面及次强化面为后强化面，计算先强化面和后强化面的位向关系。
37.s3、根据s2得出的位向关系，将两平面法线夹角平分线作为棱边面的法线，确定棱边面的位置；
38.本实施方式中，s3中棱边面包含棱边圆角切线或倒角平面，将两平面法线n1、n2夹角平分线作为棱边面的法线。
39.s4、根据棱边结构的材料性能确定激光冲击强化功率密度，根据设备激光能量范围、两曲面过渡圆角或两曲面过渡倒角的大小，确定冲击斑半径且需满足冲击斑半径≥3*两曲面过渡圆角或3*两曲面过渡倒角；
40.s5、采用数值仿真方法优化获得棱边结构处两曲面上冲击斑边缘与棱边面的距离；
41.本实施方式中，s5中冲击斑边缘为棱边结构与两侧平面相交线，其距离≥1mm。
42.s6、设置激光冲击强化工艺参数，对主强化面强化区域粘贴吸收保护层，确认吸收保护层完全覆盖至棱边结构的边缘，完成主强化面的激光冲击强化加工；
43.本实施方式中，s6中激光冲击强化工艺参数包括激光能量、光斑直径、搭接率、约束层和光束入射方向，吸收保护层为黑胶带或者铝箔。
44.s7、根据s6确定次强化面的激光冲击强化功率密度和距离，对次强化面强化区域粘贴吸收保护层，确认吸收保护层完全覆盖至棱边结构的边缘，完成次强化面的激光冲击强化加工；
45.s8、根据主强化面和次强化面的距离确定棱边位置的强化区域尺寸，在棱边位置粘贴吸收保护层，确认吸收保护层完全覆盖棱边位置的强化区域，根据s6和s7对棱边位置进行激光冲击强化。
46.本实施方式中，s8中在棱边位置粘贴吸收保护层并确认吸收保护层完全覆盖棱边位置的强化区域，棱边过渡圆角或倒角区域的激光冲击强化方向为n3，其中，n3＝n1+n2。
47.实施例1：
48.参考图2-图3，本实施例中鉴于钛合金是航空航天领域结构件制造的主要材料之一，因此以tc4钛合金材料棱边结构为激光冲击强化对象，棱边结构为r0.5mm圆角结构，以圆角侧表面为先强化面p1，上表面为后强化面p2。
49.p1面和p2面夹角为直角，以两平面的法线夹角平分线作为棱边面p3的法线，p3面与圆角结构的圆柱面相切，并与p1面和p2面夹角均为45度。
50.圆角尺寸为r＝0.5mm，其圆周长度为0.785mm，采用3mm光斑直径可以完全覆盖圆角的圆周长度。利用p3面与p1面的夹角计算出3mm的光斑直径沿着p3面法线方向投影至p1表面的光斑为椭圆，其长轴距离超过圆角结构边缘1.62mm，根据优选距离范围，计算出p1面
强化区域距离棱边圆角边缘的优选距离为1mm，确定激光冲击强化区域位置。
51.根据tc4钛合金的力学性能参数，设计激光冲击强化工艺参数如下：激光能量6j，约束层为水，搭接率50％，冲击1次，激光束入射方向沿着p1面的法线。采用黑胶带为吸收保护层，对p1面强化区域粘贴吸收保护层，确认吸收保护层完全覆盖至圆角结构的边缘，完成p1面的激光冲击强化。
52.p2面激光冲击强化工艺和优选距离与p1面一致，完成p2面激光冲击强化加工。
53.p2面激光冲击强化完成后，在圆角位置的圆柱面粘贴吸收保护层，确认吸收保护层完全覆盖圆角柱面的强化区域，激光冲击强化工艺参数与p1面p2面一致，3mm的光斑直径在p3面对圆角柱面的投影可以完全覆盖r0.5mm的圆角，因此以p3面法线方向为激光束入射方向，对圆角柱面进行激光冲击强化，完成棱边结构的激光冲击强化加工。
54.参考图4，通过abaqus仿真模拟软件计算获得的tc4钛合金激光冲击强化后棱边两侧表面残余应力分布，采用本发明的方式强化后棱边两侧表面残余应力水平基本相同，后强化面的激光冲击强化加工对先强化面的强化效果无显著影响，说明本发明提出的棱边结构激光冲击强化方法是有效的。
55.本发明通过调整棱边结构处的冲击斑排布，实现棱边结构的变形控制与残余应力调控，从而满足棱边结构的激光冲击抗疲劳改性的需求。
56.本发明通过数值仿真，获得棱边结构处两曲面上冲击斑边缘与棱边的距离的优选距离，降低强化表面冲击波在传播过程中对先强化表面形成的残余压应力水平的不利影响，改善由于棱边处缺乏约束以及激光诱导冲击波的反射引起棱边结构的塌陷和挤出，优化整体结构的激光冲击强化稳定性，提升结构件的服役寿命及服役可靠性。
57.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，包括：s1、确定金属材料棱边结构的种类和尺寸，金属材料棱边结构的种类和尺寸包含金属材料棱边结构的各位置处两面内法线方向和两曲面过渡圆角或倒角的尺寸；s2、根据棱边结构的服役状态将棱边结构相邻两平面划分为主强化面和次强化面，计算两强化面的位向关系；s3、根据s2得出的位向关系，将两平面法线夹角平分线作为棱边面的法线，确定棱边面的位置；s4、根据棱边结构的材料性能确定激光冲击强化功率密度，根据设备激光能量范围、两曲面过渡圆角或两曲面过渡倒角的大小，确定冲击斑半径且需满足冲击斑半径≥3*两曲面过渡圆角或3*两曲面过渡倒角；s5、采用数值仿真方法优化获得棱边结构处两曲面上冲击斑边缘与棱边面的距离；s6、设置激光冲击强化工艺参数，对主强化面强化区域粘贴吸收保护层，完成主强化面的激光冲击强化加工；s7、根据s6确定次强化面的激光冲击强化功率密度和距离，对次强化面强化区域粘贴吸收保护层，完成次强化面的激光冲击强化加工；s8、根据主强化面和次强化面的距离确定棱边位置的强化区域尺寸，在棱边位置粘贴吸收保护层，根据s6和s7对棱边位置进行激光冲击强化。2.根据权利要求1所述的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，所述s1中金属材料棱边结构的种类为圆角或倒角，所述金属材料棱边结构尺寸为圆角半径或倒角宽度。3.根据权利要求1所述的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，所述s2中以主强化面为先强化面及次强化面为后强化面，计算先强化面和后强化面的位向关系。4.根据权利要求1所述的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，所述s3中棱边面包含棱边圆角切线或倒角平面。5.根据权利要求1所述的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，所述s3中将两平面法线n1、n2夹角平分线作为棱边面的法线。6.根据权利要求1所述的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，所述s5中冲击斑边缘为棱边结构与两侧平面相交线，其距离≥1mm。7.根据权利要求1所述的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，所述s6中激光冲击强化工艺参数包括激光能量、光斑直径、搭接率、约束层和光束入射方向。8.根据权利要求1所述的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，所述s6中所述吸收保护层为黑胶带或者铝箔。9.根据权利要求5所述的一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，其特征在于，所述s8中在棱边位置粘贴吸收保护层并确认吸收保护层完全覆盖棱边位置的强化区域，棱边过渡圆角或倒角区域的激光冲击强化方向为n3，其中，n3＝n1+n2。

技术总结
本发明公开了一种金属材料棱边结构的激光冲击强化方法，包括S1、确定棱边结构的种类和尺寸；S2、将棱边结构相邻两平面划分为主强化面和次强化面，计算两强化面的位向关系；S3、将两平面法线夹角平分线作为棱边面的法线确定棱边面的位置；S4、确定激光冲击强化功率密度和冲击斑半径；S5、优化获得棱边结构处两曲面上冲击斑边缘与棱边面的距离；S6、对主强化面强化区域粘贴吸收保护层；S7、对次强化面强化区域粘贴吸收保护层；S8、确定棱边位置的强化区域尺寸，在棱边位置粘贴吸收保护层，对棱边位置进行激光冲击强化。本发明通过调整棱边结构处的冲击斑排布，实现棱边结构的变形控制与残余应力调控，满足棱边结构的激光冲击抗疲劳改性的需求。劳改性的需求。劳改性的需求。


技术研发人员：刘萍 王亚洲 程江勇 李国杰 张梁舒怡 田增 姜楠 毋乃靓
受保护的技术使用者：西安天瑞达光电技术股份有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/28