一種獲得最佳表面質量激光噴丸參數的建模和計算方法與流程

本發明涉及激光加工領域，尤其是對表面質量要求高的領域，如醫療機械，航空航天等。

背景技術：

激光沖擊強化(lasershockpeening/processing,lsp)，也叫激光噴丸，是一種新型的表面強化技術，主要是采用短脈沖(幾十納秒)、高峰值功率密度(>10⁹w/cm²)的激光輻照在金屬表面，激光束通過約束層之后被吸收層吸收，吸收層從而獲得能量形成爆炸性氣化蒸發，產生高溫高壓的等離子體，由于外層約束層的約束，等離子體形成高壓沖擊波從而向材料內部傳播，利用沖擊波的力效應在材料表層發生塑性變形，使得表層材料微觀組織發生變化，并在較深的厚度上形成殘余壓應力，而殘余壓應力層能有效地消除材料內部的應力集中和抑制裂紋的萌生和擴展，顯著提高關鍵零件構件的疲勞壽命以及抗腐蝕和抗磨損能力。

激光沖擊強化主要是通過激光束在表面進行沖擊從而提升表面性能，但是在其提升抗疲勞以及抗腐蝕和抗磨損等性能的同時在處理表面發生了明顯的宏觀變形，在金屬合金表面留下了明顯的缺陷，使得其表面質量明顯下降。任旭東教授等人在研究az91d鎂合金時發現，利用3j,5j,和7j三種不同的激光能量進行激光沖擊時，其表面粗糙度不同，且ra(5j)>ra(7j)>ra(3j)，即不同激光能量沖擊時，其表面形貌也不同[materialsanddesign86(2015)421–426]。我們課題組在研究aisi304不銹鋼時發現利用不同激光能量進行激光沖擊，其表面的粗糙度以及表面形貌也會發生不同，如圖3所示[materialscharacterization125(2017)99–107]。

目前，在激光沖擊強化技術的推廣過程中，其表面質量的下降是其缺陷之一，因此在提升其其他表面性能的同時，降低表面質量帶來的影響是亟待解決的一個關鍵問題。研究表明，激光沖擊強化能夠引入計算得到最佳表面質量的工藝參數的方法，可以獲得提升其他表面性能的同時也獲得最佳的表面質量，實現雙贏，從而降低表面質量差帶來的不良影響，實現經濟效益的提升。

技術實現要素：

本發明提供了一種獲得最佳表面質量激光噴丸參數的建模和計算方法，為激光沖擊強化獲得最佳表面質量提供了可行性，使得激光沖擊強化的得到了進一步地推廣與應用。

為解決以上問題，本發明采用的具體方案如下：

(1)計算激光沖擊強化過程中沖擊波壓力p關于空間分布x以及功率密度i0公式(a):其中，p0為沖擊波的最大峰值壓力；i0為激光沖擊強化的功率密度，gw/cm²；表示沖擊波壓力與最大峰值壓力在x處上的比例；x為激光沖擊強化過程中某一位置離激光沖擊強化中心的距離，cm；p的分布可根據激光沖擊強化沖擊波壓力的形式進行選擇，可選取高斯分布或三角波分布。

(2)根據公式(a)，得出x＝0及x＝nd處的沖擊波壓力px＝0(i0)和px＝nd(i0)，其中，d為激光沖擊強化圓形光斑的直徑，x＝nd為相連兩個光斑在處理表面產生塑性變形的交界處，n為一個與搭接率有關的一個參數，n＝0.5*(1-m)，m為光斑搭接率。

(3)計算經過激光沖擊強化之后凹坑深度關于沖擊波壓力p的公式(b):

式中，

其中，

y為合金靶材距沖擊表面的深度；

ym由σ(x,τm)＝σy確定；

τm為應力最大值的臨界的時間；

t0為合金靶材開始屈服的時間；

c0為彈性波速；

σy為合金材料的動態屈服強度；

e為合金材料的彈性模量；

η為合金材料的粘性系數；

λ為激光沖擊強化的波長。

(4)在公式(a)中，令x＝0及x＝nd，將公式(a)帶入公式(b)，得出x＝0和x＝nd處的凹坑深度hx＝0(i0)和hx＝nd(i0)，計算和推導激光沖擊合金表面形成的塑性變形深度；

(5)將步驟(4)中得出的結果進行h(i0)＝hx＝0(i0)-hx＝nd(i0)的計算，求解h(i0)取最小值時的i0’，此時的i0’為最佳表面質量時的激光沖擊強化的功率密度。

本發明作為一種獲得最佳表面質量激光噴丸參數的建模和計算方法，并不僅僅適用于激光沖擊強化，還適合在表面形成強烈的表面處理技術，如機械噴丸等。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1為本發明所述模型解釋圖。

圖2為本發明所述的獲得最佳表面質量激光沖擊強化工藝參數的建模和計算方法操作步驟流程圖。

圖3為本發明不同能量沖擊沖擊之后的表面宏觀形貌圖：(a)激光沖擊能量為3j；(b)激光沖擊能量為6j。

圖4為本發明具體實施案例試樣的尺寸圖。

圖5為本發明具體實施案例不同試樣二維形貌圖。

表1為本發明具體實施案例不同試樣的粗糙度數值列表。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明，但本發明不應僅限于實施例。

本實施案例所采用的靶材為tc4鈦合金，形狀為30×20×3mm³的板狀試樣，具體尺寸如圖4所示，其基本參數為e＝112.5gpa，c0＝5.09km/s，ρ0＝4.5×10³kg/m³，粘性系數η＝3×10⁵kgs/m，波長λ＝1064nm，合金材料的動態屈服強度σy＝1.34gpa，光斑選取直徑d＝3mm的圓形光斑，搭接率m＝50％，沖擊次數為1次。

(1)計算激光沖擊強化過程中沖擊波壓力p關于空間分布x以及功率密度i0公式(a):p采用高斯分布，

(2)根據公式(a)，得出x＝0及x＝nd＝0.5*(1-m)＝0.75mm處的沖擊波壓力和

(3)把步驟(1)里的p＝p(x,i0)帶入，計算經過激光沖擊強化之后凹坑深度關于沖擊波壓力p的公式(b):h＝h(p)；

(4)根據公式(b)，得出x＝0和x＝0.75mm處的凹坑深度hx＝0(i0)＝和hx＝0.75mm(i0)，；

(5)h(i0)＝hx＝0(i0)-hx＝0.75mm(i0)，求解h(i0)取最小值時的i0’＝7.92gw/cm²，得出此時的i0’＝7.92gw/cm²為最佳表面質量時的激光沖擊強化的功率密度。

為驗證此計算方法的正確性，我們選取7.07gw/cm²和8.96gw/cm²的激光沖擊強化的功率密度和7.92gw/cm²的功率密度進行激光沖擊強化試驗，按功率密度從小到大分別標注試樣為s1，s2和s3，測量試樣表面的粗糙度，并進行對比，其結果如圖5和表1所示。從圖5可以看出，s2的二維形貌明顯比s1和s2的二維形貌要平緩的多，其最高值都不急s1，s2大。從表1中也可以看出s2的粗糙度0.58μm比s1和s3的粗糙度(0.98μm和1.3μm)要小。

因此，可得出結論：激光沖擊強化能夠在結構金屬合金表面形成塑性變形，提升表面性能的同時，也在表面留下了微米量級的塑性變形，表面質量有一定程度的的下降，本發明的方法可以兼顧性能與表面質量兩者，作為激光沖擊強化過程得出最佳表面質量的激光沖擊強化工藝參數的有效依據，上述實驗已經做了驗證，與理論模型基本一致，驗證了此模型的正確性。

表1

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