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培训专栏


第 8 卷- 2020 年 9 月刊
沟通和数据是激光冲击强化应用开发的关键


我们这些从事金属表面改性行业人士努力了解各种合金、表面技术和制造工艺,以解决金属疲劳问题。在专业性很强的激光冲击强化领域,我们仍然需要保持这种广泛的认识。

使用激光对铝、钢或钛施加残余压应力,可使各种工业部件的使用寿命倍增。该过程提供深层的残余压应力,在无论是外来物体的损坏,还是振动、应力腐蚀、高温或旋转应力等更内在的操作风险的情况下,防止和阻止产生金属疲劳破环。

激光冲击强化涉及复杂的设备、物理学和光学,因此需要一定程度的合作、沟通、信息共享和专业知识,以产生可预测的结果和效益。在大多数情况下,开发激光冲击强化应用的过程包括三个阶段的活动:
部件设计分析
激光冲击强化工程和设计
应用程序验证和确认

在部件设计分析阶段,有两项关键的探索任务。首先,需要将重点放在最终结果上;也就是了解客户提出的具有挑战性的金属疲劳问题。这涉及到大量的倾听和对客户数据的关注。

设计分析中的第二项任务涉及到传达激光冲击强化到底能如何有效地达到最终目标。重要的是,要敏锐地观察激光冲击强化在零件制造序列中的最佳位置。例如,如果制造商想在激光冲击强化工艺之后在零件上添加等离子体喷涂沉积涂层,那么高温等离子体工艺可能会消除激光冲击强化所带来的有益的残余压应力。如果整体工艺允许,客户有可能考虑修改制造顺序。

设计分析阶段的终点应该是一个约定俗成的示范计划,以提供一组初始数据,为下一步工作奠定基础。

合理的第二阶段是激光冲击强化工程和设计,开发一种激光冲击强化处理方法,给部件施加所需的残余压应力。

这可能需要进行有限元建模(FEM),以预测有益的压缩应力和补偿拉伸应力的位置,这些应力一般因表面加强而产生。确保补偿拉伸应力不会偶然加强部件上的操作载荷是至关重要的。例如,喷气发动机内的工作条件会在机翼上产生动态载荷应力,在不同的工作速度下,会有不同的振动模式作用在零件上。通过观摩其他例子,汽车凸轮轴和连杆需要自己的精细加工领域。

FEM分析可以说明激光冲击强化对复杂的关键任务零件的好处,但该过程可能会从较小和较简单的试样开始,以提供概念验证。孤立地看,试样显示了残余应力分布的状态,以及怎样的激光冲击强化条件可以用来延长部件的寿命。

这些条件被称为激光冲击强化参数,它们构成了解决金属疲劳问题的处方公式。其中一个参数是功率密度—一般来说,功率密度越高,残余压应力穿透金属的程度越深。功率密度可以随着能量的大小、脉冲宽度(或激光束流动的时间长度)和光斑大小而变化。激光光斑的模式和间距,以及它们如何重叠或重复,也会影响残余应力的优势。

第三阶段是应用程序验证和确认。这可能涉及到用几种成熟的方法,如线切割或X射线衍射法,测量金属试样或小型部件的残余压应力水平。这两种方法都可以测量金属部件表面以下残余应力分布的深度和特征,即使是复杂的几何形状。测量残余应力水平是确认解决疲劳问题潜在优势的次要指标。进行疲劳测试是确认激光冲击强化优势的主要方法。

在许多情况下,客户会自己进行部件疲劳测试,模拟特定的操作载荷,以确认特定的激光冲击强化将在其部件中产生预期的解决疲劳问题的优势。

在这三个阶段的应用开发之后,就可以开始制定详细的生产计划,并始终着眼于实现稳定的加工质量。在实际运行中,监测激光冲击强化部件的生命周期改进也很重要。

David Lahrman是激光冲击强化服务和设备供应商LSP Technologies, Inc.的商务拓展副总裁。他是一名MFN培训师,专门从事激光冲击强化技术和金属表面改性工作。

如有更多问题,请发送电子邮件至: david@mfn.li



培训专栏
作者:David Lahrman,MFN官方培训师
更多信息,请参见 www.mfn.li/cn/trainers