专利名称：合金表面微小裂纹止裂方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光冲击加工应用技术领域，特指一种合金表面微小裂纹止裂方法，其适用 于利用激光冲击波的力学效应对金属材料表面进行止裂闭合处理。
技术背景在人类社会的生产活动中，断裂、腐蚀和磨损是机械零件和工程构件在不同应力环境下 造成结构失效的三种主要失效形式，其中断裂是一种"爆发病"，由于断裂的突然性，不仅 会造成生命财产的重大损失，而且经常导致灾难性事故的发生。国内外使用金属材料的压力 容器、钻井平台、石油管道、原子能反应堆、发动机壳体和飞机起落架等关键构件均发生过 断裂事故，这些灾难性事故大多是由表面裂纹或穿透裂纹扩展引起的。在各类结构件中，往 往由于裂纹的存在而使结构还远没有达到材料的强度极限时就发生破坏。据统计，由于机件、 构件及电子元件的断裂和疲劳破坏，每年造成巨大的经济损失，占美、日、欧盟等国每年国 民生产总值的6% 8%,作为以上破坏之一的由于裂纹引起的材料断裂是不容忽视的问题。正 是因为裂纹扩展导致机械零件失效而给国家和人民财产造成巨大损失，因此寻找合适的裂纹 止裂方法，预防和修复裂纹就显得尤为重要。国内外很多科学工作者在寻找合适的裂纹止裂方法，预防和修复裂纹方面进行了大量的 工作，无论在理论上，还是在实践上都获得了很大的成功，建立了系统的断裂理论，不但能 检测到裂纹的存在，而且还得到了一些制止裂纹扩展的方法。中国专利ZL88100160.0采用点加热无损止裂法，在发现金属件有裂纹后，用无损于原金 属件的方法，通过局部点加热，在裂纹尖端制造人工韧性场，使该区域的金属材料硬度下降， 韧性提高，以阻止裂纹扩展。中国专利CN1737197A描述了激光熔覆金属零件的裂纹控制方法。在试验研究的基础上， 针对生产实际中磨损失效的关键轴类零件，进行激光熔覆修复和表面强化，提高它的耐磨性， 以恢复和提高其使用性能。但这种工艺生产中有不同的修复工件，它们的材料及热处理状态 不同，使用要求不同。需要选择不同的熔覆粉末材料和熔覆工艺的措施来保证熔覆层的性能, 特别是减少熔覆层的裂纹率。然而，这些方法或由于操作上的困难，或由于需要其它复杂的设备来完成，其应用均受 到很大程度的限制。因此有必要寻找新的裂纹止裂方法，采用一种截然不同的止裂原理，得 到大幅值的弹性压应力场，来解决常规扩展速度的裂纹止裂。发明内容本发明的目的是提供一种合金表面微小裂纹止裂方法，其特征在于利用激光冲击波的 力学效应对金属材料表面进行止裂闭合处理，即采用激光冲击方法，在合金表面微小裂纹处， 利用激光冲击的力学效应，在裂纹表面周围形成大幅度压应力场，残余压应力产生局部闭合 效应，使得合金表面微小裂纹闭合，达到止裂的效果，实施方法具体为1. 表面预处理在合金裂纹表面除去影响表面结合力的氧化层、污染物，获得较高的胶 接强度和耐久性；2. 在合金表面贴覆一层柔性贴膜作为止裂补丁，并在止裂补丁上涂一层黑漆涂层；柔性 贴膜可以选用玻璃贴膜、铝箔或有机玻璃；3. 根据裂纹的损坏情况，选择脉冲能量为15 40J，脉冲宽度20 30ns，光斑大小4 10mm,重复频率0.5Hz 10Hz的激光参数进行激光冲击止裂；对于不大于2mm的微小裂纹， 激光冲击参数为脉冲能量为15 25J，脉冲宽度20 22ns，光斑大小4 6mm，重复频率0.5Hz， 而对于大于2mm的小裂纹及长裂纹，激光冲击参数为脉冲能量为26 40J，脉冲宽度20 30ns，光斑大小6 10mm，重复频率1 10Hz;4. 选择止裂路线来进行激光止裂，采用无损检测技术在止裂过程中实时监控止裂效果。 当裂纹长度为0 2mm时，止裂路线为沿着裂纹扩展的方向顺延下去，如图2的冲击止裂路 线A图；而当裂纹长度超过2 mm时，可以用垂直裂纹扩展方向反复冲击止裂加工，如图2 的冲击止裂路线B图。因为裂纹扩展路径将决定结构在何处发生失效，在本发明方法中可以通过合理选择线路 来达到更好的裂纹闭合效果，需要精确的理论预测技术来制定止裂路线，并辅之以灵敏的无 损检测技术在止裂过程中实时监控止裂效果。实施该方法的装置包括激光器、导光系统、工件夹具系统、控制系统，激光器发出的激 光束的光斑模式可以是基模或多模中的一种，脉冲能量为15 40J，脉冲宽度为20 30ns， 重复频率O. 5Hz 10Hz。激光器由三级组成 一级调Q钕玻璃(4> 16mmX280mm)激光振荡器，谐振腔长80cm， 一级前置钕玻璃(416mmX200mm)激光放大器和一级钕玻璃(ci)20mmX500mm)激光主 放大器，所输出的激光波长为1.054拜。导光系统是连接激光发生器至工件之间的光路传输系统，由导光管、折返镜、光束变换 装置组成；工件夹具系统包括五轴联动数控工作台和工件夹具，表面贴有止裂贴片的含裂纹 金属装夹在工件夹具中，工件夹具安装在数控工作台上，工作台根据控制器的指令实现五轴 联动，满足激光止裂过程所需的运动要求。为了克服原有激光冲击时间长，加工耗时耗能的缺点，本发明中采用间隔激光冲击的方 法，在裂纹周围间隔冲击，激光光斑尽量不重叠，使得每次冲击产生的残余应力能在微小裂 纹周围形成局部应力场，从而有效止裂，使得合金能有效正常使用。这种加工的产生的残余压应力场就已经足够使得微小裂纹产生闭合效应。为了更好的提高合金表面的疲劳寿命，使得微小裂纹能有效闭合，本发明方法可以在裂 纹部位多次冲击产生残余应力，从而减少裂纹的扩展速率；激光冲击后，金属材料表面残余 压应力的存在使得材料表面的疲劳极限应力大大增强，这样微小裂纹就不容易发展成裂纹； 对于已扩展的裂纹表面在具有较高残余压应力的区域停止扩展，成为非扩展裂纹，更为普遍 的影响是在残余压应力场中疲劳裂纹的扩展速率明显降低。这是因为残余压应力降低了交变 载荷作用下的平均应力，使试件表面实际承受的交变拉应力减小。激光冲击金属工件表面能够使得微小裂纹止裂，其根本原因在于激光冲击波使工件材料 表面产生了弹塑性形变，同时使金属材料的位错密度大大增加，从而在金属表层产生了残余 应力。表层残余应力对材料的抗疲劳强度有着显著的影响。本发明的优点如下1. 不需要大面积对整个表面进行完全激光冲击加工，只需要对合金表面有裂纹部位进行 局部激光冲击止裂，简单快捷、效率高。2. 激光冲击不仅能止裂，而且可以提高合金表面疲劳门槛值，激光冲击后，金属材料表 面残余压应力的存在使得材料表面的疲劳极限应力大大增强，起到一举两得的效果。3. 这种止裂方法是利用的激光冲击的力学效应，在表面裂纹部分贴附柔性补丁后周围涂 上黑漆，这样保护柔性补丁材料表面不受到热效应的影响，使得超短脉冲(ns级)激光冲击 作用仅仅是力作用下的形变，确保了裂纹表面无损性，属于无损止裂闭合。4. 本发明方法可以通过激光冲击止裂方法使得废旧合金结构件性能超过无损伤结构件， 能实现合金结构件的再循环利用，大幅度降低了生产成本。
图1、本发明的原理示意图l-激光器；2-透镜；3-透镜窗口； 4-黑漆涂层；5-柔性贴膜；6-微小裂纹；7-合金试样； 8-工件夹具系统图2、实施例一的激光冲击路线6-裂纹；9-光斑；IO-止裂路线A; 11-止裂路线B 图3、实施例二中激光冲击止裂材料性能对比13-微小裂纹表面一次激光冲击；14-微小裂纹表面三次激光冲击；15-裂纹表面原始硬度 图4、实施例二中不同止裂方法止裂效果对比16-激光熔覆止裂处理；17-激光冲击止裂一次；18-激光冲击止裂三次具体实施方式
[实施例一]被修补铝合金2024试样在激光止裂之前，通过表面抛光等机械方法先除去合金裂纹表面 影响结合力的氧化层、污染物，从而增加机械结合面，从而获得较高的胶接强度和耐久性。 然后在合金表面贴覆一层玻璃贴膜作为止裂补丁，并在玻璃贴膜片上涂一层黑漆涂层，根据 裂纹的损坏的长度为5mm，在图1所示的合金板表面出现表面裂纹时，选择脉冲能量为30J， 脉冲宽度为20ns，光斑大小为6mm，重复频率1Hz的激光参数进行激光冲击止裂。图1表示 了激光冲击止裂的原理图，钕玻璃激光器通过透镜发出脉冲激光束透过透镜窗口止裂；选择 止裂路线A和止裂路线B (当裂纹长度为0 2mm时，止裂路线为沿着裂纹扩展的方向顺延 下去，如图2的冲击止裂路线A图；而当裂纹长度超过2mm时，可以用垂直裂纹扩展方向 反复冲击止裂加工，如图2的冲击止裂路线B图。)来进行实验(如图2所示)，并采用灵敏 的无损检测技术在止裂过程中实时监控止裂效果，发现采用同样的激光冲击参数，在止裂路 线A冲击过程中，裂纹长度基本没有变化，而采用止裂路线B进行冲击，裂纹在冲击初期过 程中有扩展的过程，继续冲击，由于残余压应力的作用，使得扩展的裂纹又产生闭合，从而 实现止裂，因此在激光冲击止裂过程中应合理选择冲击止裂路线，彻底解决裂纹止裂问题。[实施例二]试样为TC4合金叶片，表面裂纹长度为1.7mm，先对其表面预处理，并贴覆玻璃贴膜， 对TC4合金叶片表面进行激光冲击止裂。选择脉冲能量为20J，脉冲宽度为22.5ns，重复频 率0. 5Hz进行激光冲击止裂。TC4合金叶片表面经过激光冲击止裂实验后，釆用河北爱斯特应力技术有限公司的 X-350A型X射线应力分析仪对表面裂纹进行残余应力测定，其残余应力的分布情况如图4 所示。从图中可知叶片表层的残余应力表现为压应力。而且应力水平高，应力分布明显，应 力的变化趋势为从表面开始，随着表面距离的增加线性减小，相对于激光熔覆修复处理，其 表面残余压应力大大提高。从该曲线中可以看出，第一次冲击止裂后，其最大残余应力为 -300MPa多，第三次冲击止裂后，最大残余应力为-400MPa多，残余应力越大，其表面止裂效 果越好。由图3可见，经过激光冲击后，叶片裂纹表面的表层硬度得到了明显的提高，表面 7硬化层的显微硬度最高达470HV，硬化层深度约为l.Omm。分别沖击一次和三次，经过激 光冲击处理后硬度相对于原始叶片分别提高了 49%和62%。导致叶片裂纹表面激光冲击硬度 提高的主要原因在于激光束能量高而集中，作用时间短而冲击区域瞬间有较大的过热、过冷 度，使涂层中的超细硬质碳粉颗粒弥散强化、细晶强化及高致密、高结合强度综合作用的结 果。叶片表面经过激光冲击处理出现了位错列或位错墙，由于位错列或位错墙的存在，形成 了亚晶界，从而使得变形过程中的位错移动阻力增加，表现为拉伸强度和屈服强度存在一定 程度的升高，这样裂纹不仅止裂而且表面疲劳强度大大提高。
权利要求
1、合金表面微小裂纹止裂方法，具体为(1)表面预处理在合金裂纹表面除去影响表面结合力的氧化层、污染物，获得较高的胶接强度和耐久性；(2)在合金表面贴覆一层柔性贴膜作为止裂补丁，并在止裂补丁上涂一层黑漆涂层；(3)根据裂纹的损坏情况，选择脉冲能量为15～40J，脉冲宽度20～30ns，光斑大小4～10mm，重复频率0.5Hz～10Hz的激光参数进行激光冲击止裂；(4)选择止裂路线来进行激光止裂，采用无损检测技术在止裂过程中实时监控止裂效果。
2、 根据权利要求1所述的合金表面微小裂纹止裂方法，其特征在于柔性 贴膜可以选用玻璃贴膜、铝箔或有机玻璃。
3、 根据权利要求1所述的合金表面微小裂纹止裂方法，其特征在于对于不大于2mm的裂纹，激光冲击参数为脉冲能量为15 25J，脉冲宽度20 22ns， 光斑大小4 6mm，重复频率0.5Hz，而对于大于2mm的裂纹，激光冲击参数为 脉冲能量为26 40J，脉冲宽度20 30ns，光斑大小6 10mm，重复频率l lOHz.。
4、 根据权利要求1所述的合金表面微小裂纹止裂方法，其特征在于当裂纹长度不大于2mm时，止裂路线为沿着裂纹扩展的方向顺延下去；当裂纹长度 超过2 mm时，用垂直裂纹扩展方向反复冲击止裂加工。
5、 实现权利要求l所述的合金表面微小裂纹止裂方法的装置，包括激光器、 导光系统、工件夹具系统、控制系统，其特征在于导光系统连接激光发生器至 工件，由导光管、折返镜、光束变换装置组成；工件夹具系统包括五轴联动数 控工作台和工件夹具，表面贴有止裂贴片的含裂纹金属装夹在工件夹具中，工件 夹具安装在数控工作台上，工作台根据控制器的指令实现五轴联动，满足激光止 裂过程所需的运动要求。
6、 根据权利要求5所述的实现权利要求1所述的合金表面微小裂纹止裂方 法的装置，其特征在于激光器发出的激光束的光斑模式为基模或多模，脉冲能 量为15 40J,脉冲宽度为20 30ns，重复频率0. 5Hz 10Hz。
7、 根据权利要求5所述的实现权利要求1所述的合金表面微小裂纹止裂方法的装置，其特征在于激光器由三级组成 一级调Q钕玻璃(6 16mmX280mm) 激光振荡器，谐振腔长80cm， 一级前置钕玻璃(4)16mmX200mm)激光放大器和一级钕玻璃((J)20mmX500mm)激光主放大器，输出的激光波长为1.054，。
全文摘要
合金表面微小裂纹止裂方法及其装置，涉及激光冲击加工应用技术领域，在合金裂纹表面除去影响表面结合力的氧化层、污染物，获得较高的胶接强度和耐久性；在合金表面贴覆一层柔性贴膜作为止裂补丁，并在止裂补丁上涂一层黑漆涂层；根据裂纹的损坏情况，选择脉冲能量为15～40J，脉冲宽度20～30ns，光斑大小4～10mm，重复频率0.5Hz～10Hz的激光参数进行激光冲击止裂；选择止裂路线来进行激光止裂，采用无损检测技术在止裂过程中实时监控止裂效果。本发明可以提高合金表面疲劳门槛值，激光冲击后，金属材料表面残余压应力的存在使得材料表面的疲劳极限应力大大增强。
文档编号B23P6/04GK101239432SQ20071019007
公开日2008年8月13日 申请日期2007年11月16日 优先权日2007年11月16日
发明者任旭东, 冯爱新, 周建忠, 周立春, 张永康, 鲁金忠 申请人:江苏大学