[01746200]一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置

1、课题来源与背景 金属薄板由于其重量较轻、易于成形为复杂形状的构件等优点被广泛地用在航空、汽车等领域。当构件出现微裂纹后,在疲劳载荷作用下,裂纹将会沿着截面强度较小和拉应力较大的路径扩展,从而导致构件过早失效,致使设备提前报废。裂纹扩展路径的长短对应着构件的剩余疲劳寿命的长短,因此在构件裂纹萌生后,采取有效的方法改变裂纹的扩展路径,对延长构件的剩余疲劳寿命和使用寿命有着很大的工程应用价值。 2、技术原理和性能指标 基于激光冲击波技术的改变裂纹扩展路径的方法具体步骤如下： （1）微裂纹在金属材料的构件24上形成以后,在循环疲劳载荷的作用下,裂纹总是向着构件24上疲劳强度较低、应力较大的区域扩展,通过观测和分析,确定裂纹扩展的方向; （2）根据观测到裂纹扩展方向,在裂纹的前端和应力较大的一侧,并结合构件24的几何形状,确定激光冲击强化的位置,并对含裂的构件24上两侧待强化处理区域进行脱脂、去污、打磨、清洗并干燥; （3）在构件24上经过清洁处理的待强化区域涂覆上黑漆12和21作为激光的能量吸收层,并将带有能量吸收层12和21的构件24装夹在夹具25上,夹具25固定在工作台26上; （4）通过控制器2调整工作台26的位置,使构件24两侧待强化的区域对着对着两个冲击头8和18;打开喷水头22和23,流水在构件24的两侧以形成约束层11和20; （5）激光发生器3发出脉宽为ns量级、单脉冲的能量为2-100J、功率密度为GW/cm2量级的主激光脉冲束4,所述主激光脉冲束4被全反镜7反射和经过分光镜13后被分成两束光学特征完全相同的分激光脉冲束：第一分激光脉冲束6和第二分激光脉冲束14,所述第一分激光脉冲束6依次被第二全反镜7、第三全反镜8反射后到达第一激光冲击头9,经过第一聚焦透镜10会聚后,透过右侧约束层11的流水辐照在构件24左侧面的能量吸收层12上;所述第二激光脉冲束14依次被第四全反镜15、第五全反镜16和第六全反镜17反射后到达第二激光冲击头18,经过第二聚焦透镜19聚焦后,透过左侧约束层20的流水辐照在构件24左侧面的能量吸收层21上;由于两分激光脉冲束6和14到达构件24两侧表面的路程相等,所以它们同时辐照于构件24两侧表面的能量吸收层12和21上;所述能量吸收层12和21分别吸收激光能量形成GPa量级的高压冲击波,高压冲击波高速作用在构件24两侧表面,使构件24两侧表层都产生塑性的强化层; （6）强化后,控制器2控制工作台26上下或前后移动位置,改变构件24的位置,以控制下一个相邻光斑的强化位置,位置确定后,激光发生器3再发出主激光脉冲束4进行下次的冲击强化,主激光脉冲4的频率受控制器2控制;依次完成多个位置的冲击强化,以实现构件24待冲击处理表面的强化; （7）冲击强化完毕后,先关闭激光发生器3,随后关闭控制器2,关闭喷水头22和23,将构件24从夹具25上取下来,洁净和干燥后检验入库。 3、技术的创造性与先进性 本发明提供的一种基于激光冲击波技术改变裂纹扩展路径的方法及装置具有以下技术特点： （1）采用激光冲击波作为改变裂纹扩展路径的能量源,属于非接触式强化处理方式,不需要改变构件的几何形状,不受构件大小的限制,不需要增加材料,具有较大的加工柔性。 （2）激光束输出的能量、频率、光斑等参数具有高度的可调性,可以根据构件材料的不同机械性能进行调节,采用分光镜等可实现工件两侧强化的参数完全一样,保证了薄板类的工件在强化后不变形,保持了工件原有的精度。 （3）激光束诱导冲击波的压力高达GPa量级,远高于任何金属材料的屈服极限,形成的残余压应力层的深度是传统的喷丸、滚压形成等传统的强化方法形成的残余应力层的深度的2-5倍,而且形成的残余压应力的幅值还较大。 （4）激光束在表层诱导的残余压应力的同时,表层材料的硬度得到了提高,晶粒得到了细化,材料的屈服极限和抗疲劳极限得到了提高,构件材料的机械性能得到了改善,大大延长了工件剩余疲劳寿命。 （5）采用脉宽为ns量级的激光进行冲击加工,激光的时间极短,具有很高的加工效率,而且装置结构简单,使用成本低,能耗少,无污染,节能环保,易于推广使用。 4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 本发明属于金属构件表面处理技术领域,具体涉及一种利用激光诱导冲击波技术强化处理含裂金属构件表面以改变裂纹扩展路径的方法及装置,从而延长构件的剩余疲劳寿命,特别适合于改变变截面薄板类构件上裂纹扩展路径。 5、应用情况及存在的问题 （1） 本发明技术尚未发现任何问题;（2） 正在寻找相关企业合作,积极推广应用。