专利摘要

本发明提供了一种激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工方法及装置，涉及超声振动与激光领域，所述装置包括激光组件、超声振动组件、模具组件和加热组件。对处于半固态的金属材料进行激光冲击，同时对半固态金属施加超声振动，既有利于去除材料中的气体和减少氧化物夹杂，也使晶粒细化，组织致密，产生微结构，并改变材料内部的残余应力分布，克服了传统工艺的缺陷，提高材料性能。施加超声振动使激光冲击作用深度更深，作用效果更明显。此方法可推广到材料加工的许多领域，如焊接、表面熔覆等。

权利要求

1.一种激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的方法，其特征在于，包括激光组件、超声振动组件、模具组件和加热组件；所述激光冲击和超声振动同时作用于待加工工件（6）；所述待加工工件（6）置于模具组件内；待加工工件（6）下方设置有超声振动组件；上方设置有激光组件；所述加热组件中的加热棒（16）设置在模具组件内；

所述激光组件包括约束层、激光束（2）和激光器（1）；所述约束层置于待加工工件（6）的上方；激光器（1）发射出的激光束（2）辐照在约束层上；所述约束层包括耐高温玻璃（3）及置于高温玻璃（3）与待加工工件（6）之间的高温透明液体（4）;

还包括对待加工工件（6）进行加热至半固态状，将加热后的待加工工件（6）同时施加超声振动和进行激光冲击；在用激光冲击时，对超声变幅杆（18）施加一定频率、振幅和模态的功率超声振动，具体包括以下步骤：

S1. 将已处于半固态的金属导入预热的装置中或者将预热的金属导入模具组件中，通过加热组件加热至半固态；

S2. 设置激光冲击约束层；

S3. 根据要求调节激光的波长、脉冲宽度、光斑直径及激光能量参数；

S4. 设置超声装置的振动模态和参数；

S5. 打开超声波发生器（22），使超声变幅杆（18）产生一定模态的超声振动，同时开启激光器（1），对材料进行激光冲击塑性加工，同时进行施加超声；

S6. 完成激光冲击后，关闭超声波发生器（22），向模具内通入冷却水，使半固态金属快速冷却；

S7. 冷却结束后分开上模（7）和下模（10），将金属材料取出，完成半固态金属的激光冲击和超声振动复合塑性加工。

2.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的方法，其特征在于，所述超声振动组件包括超声变幅杆（18）、换能器（19）和超声波发生器（22）；所述超声波发生器（22）与换能器（19）连接，换能器（19）上方连接超声变幅杆（18），所述超声变幅杆（18）作用于待加工工件（6）。

3.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的方法，其特征在于，所述模具组件包括上模（7）、下模（10）、导柱（9）、导套（8）、底板（14）、垫块（21）、换能器套筒（17）和端盖（23）；所述垫块（21）和换能器套筒（17）安装在外部数控工作台上，超声变幅杆（18）节点位置处的法兰盘与换能器套筒（17）连接；底板（14）与垫块（21）通过螺纹连接，底板（14）上方安装下模（10），且下模（10）通过螺钉（13）安装在底板（14）上，下模（10）和底板（14）之间有石棉隔热层；下模（10）的上方为上模（7），上模（7）和下模（10）之间通过导柱（9）和导套（8）连接；所述端盖（23）置于上模（7）的上方，通过螺纹与上模（7）连接，端盖（23）与上模（7）接触部分均用密封圈密封。

4.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的方法，其特征在于，所述加热组件包括加热棒（16）和温度控制仪（15），模具上沿轴线方向对称开设有孔，加热棒（16）安装在孔内，加热棒（16）与温度控制仪（15）连接。

5.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的方法，其特征在于，所述加热棒（16）为高温陶瓷加热棒。

6.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的方法，其特征在于，所述步骤S3中的激光冲击，激光脉冲宽度10ns～50ns、激光能量2J～100J。

7.根据权利要求1所述的激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的方法，其特征在于，所述步骤S4中超声振动模态为纵向振动或者纵扭振动；超声振动频率为15～200kHz，振幅为5～100μm；超声振动功率为200-5000W。

说明书

技术领域

本发明属于金属的半固态塑性加工技术领域，是一种基于激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工方法及装置。

背景技术

半固态是介于液态与固态之间的一种状态，既含有液态也含有固态，在液固相线温度之间，保持粘稠状。金属半固态塑性加工一是指利用半固态区间的金属具有良好的流变特性而进行的金属塑性加工。半固态金属可以利用于不同的塑性加工方法而获得优良性能的塑性加工件。

金属零件的半固态塑性加工工艺是二十世纪九十年代以来国外迅速发展起来的加工工艺,它是铸造与锻压等先进技术融合而成的新工艺,被认为是世纪最具发展前途的近净塑性加工技术之一。

超声振动法是半固态塑性加工是的重要方法之一。超声振动扰动金属凝固过程，使金属晶粒细化，获得球状初晶的金属浆料。超声半固态塑性加工按作用方式主要有两类：一类是通过作用于金属容器底部或侧部来间接作用于半固态金属，主要存在的问题是超声波在材料中衰减厉害的，能达到的深度和广度有限，离振动源越远，超声处理细化效果越弱，较远地方甚至出现枝晶；另一类是直接作用于半固态金属，该方法声能效率高、对负载情况要求低并易于控制，但缺点是超声在熔体中的传递和粘度有关,随着固相率增加,粘度增大,使得超声传递的衰减变得严重。

专利CN101181736A叙述了一种金属零件的半固态流变塑性加工方法及其装置。将金属液导入盛浆容器中，然后降下超声辐射头，在距液面一定距离处启动超声辐射。停止辐射后，浆料浇入塑性加工设备中塑性加工为零件。使零件组织致密，晶粒细小并均匀分布。仅通过辐射超声波，未与材料直接接触，超声波作用深度浅，晶粒细化效果不明显，效率低下。

专利CN103909267A叙述了一种基于超声振动的半固态金属粉末成形装置及方法。超声变幅杆一端与坩埚上表面紧密接触，将半固态金属粉末放入坩埚中，用电磁感应线圈对坩埚进行加热，并在感应加热过程中对坩埚施加超声振动。当半固态金属粉末达到固液共存状态时使其塑性成形加工。抑制晶粒长大，提高坯料微观结构均匀性和致密性。但该方法通过超声波作用于金属容器底部来间接作用于半固态金属，超声波在材料中衰减厉害的，离振动源越远，超声处理细化效果越弱。

专利CN101708543A叙述了一种混合振动制备半固态金属浆料的方法及装置。通过将过热金属液浇入到紧固于机械振动台上的盛浆容器内，使超声振动头降至金属液面以下，启动低频机械振动和超声振动，获得半固态金属浆料。该方法可用于铝、镁、锡、铜、锌等各种合金零件的半固态浆料制备及零件塑性成形加工。但其缺点是超声在半固态金属中的传递和粘度有关,随着固相率增加,粘度增大,使得超声传递的衰减变得严重。

专利CN1931467A叙述了一种板材成形的方法和装置。该方法用二氧化碳激光为材料预加热，用激光冲击装置对金属材料进行冲击成形。但进行预热时，其温度范围难以控制，温度过高易破坏能量吸收层，对材料造成损害，且不能对材料进行均匀加热，应力分布难以控制，存在残余拉应力，无法同时实现板料的塑性成形加工和强化。此外，其生产过程也难以控制。

专利CN103834769A叙述了一种加热条件下的激光冲击强化方法及恒温器，通过将金属工件放置在恒温器上进行加热，并采用光斑相切的搭接方式进行激光冲击强化处理。但该方法形成的残余应力层作用深度较浅，此外，该方法在空气中对板材进行激光冲击塑性成形加工，易造成板材的破裂和起皱。

专利CN1928127A叙述了一种利用激光连续冲击强化的方法及装置，将约束介质和涂层结合在一起，使激光冲击强化可以连续进行，该发明提供一种利用高能量激光束产生等离子爆炸冲击波连续强化平面或近似于平面的金属材料或零件的方法，但该方法产生的残余压应力不稳定，处理后材料疲劳寿命的提高非常有限。

专利CN107322159A公开了一种金属双激光束冲击锻打低应力焊接装置与方法，激光焊接系统通过高能激光束利用热效应辐射加热金属工件表面进行焊接，与此同时第二束短脉冲激光利用冲击波力学效应对处于锻造温度范围内的焊接区进行冲击锻打，但该种方法仅能消除材料内部残余应力，不能通过改善半固态金属的内部组织结构，提高材料性能；且局限于激光冲击锻打的最佳温度，并不涉及半固态金属塑性加工。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术中存在的缺陷，提出了一种激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工方法及装置。克服了传统工艺的缺陷，解决了单一超声作用下半固态金属塑性加工和激光冲击强化及成形的不足，通过激光冲击和超声振动复合塑性加工工艺，可以改善半固态金属的内部组织结构，提高材料性能。解决了半固态金属塑性加工过程中超声波在材料中衰减厉害的问题，解决了激光冲击强化及塑性加工时残余压应力不稳定和深度有限的缺点，解决了激光冲击强化厚度大的材料强化效果不明显的问题。且该方法可减小材料的内摩擦，提高材料的塑性加工效率。

为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置，包括激光组件、超声振动组件、模具组件和加热组件；所述激光冲击和超声振动同时作用于待加工工件；所述待加工工件置于模具组件内；待加工工件下方设置有超声振动组件；上方设置有激光组件；所述加热组件中的加热棒设置在模具组件内。

进一步的，所述激光组件包括约束层、激光束和激光器；所述约束层置于待加工工件的上方；激光器发射出的激光束辐照在约束层上；所述约束层包括耐高温玻璃及置于高温玻璃与待加工工件之间的高温透明液体。

进一步的，所述超声振动组件包括超声变幅杆、换能器和超声波发生器；所述超声波发生器与换能器连接，换能器上方连接超声变幅杆，所述超声变幅杆作用于待加工工件。

进一步的，所述模具组件包括上模、下模、导柱、导套、底板、垫块、换能器套筒和端盖；所述垫块和换能器套筒安装在外部数控工作台上，超声变幅杆节点位置处的法兰盘与换能器套筒连接；底板与垫块通过螺纹连接，底板上方安装下模，且下模通过螺钉安装在底板上，下模和底板之间有石棉隔热层；下模的上方为上模，上模和下模之间通过导柱和导套连接；所述端盖置于上模的上方，通过螺纹与上模连接，端盖与上模接触部分均用密封圈密封。

进一步的，所述加热组件包括加热棒和温度控制仪，模具上沿轴线方向对称开设有孔，加热棒安装在孔内，加热棒与温度控制仪连接。

进一步的，所述加热棒为高温陶瓷加热棒。

进一步的，对待加工工件进行加热至半固态状，将加热后的待加工工件同时施加超声振动和进行激光冲击；在进行激光冲击时，对超声变幅杆施加一定频率、振幅和模态的功率超声振动，具体包括以下步骤：

S1.将已处于半固态的金属导入预热的装置中或者将预热的金属导入模具组件中，通过加热组件加热至半固态；

S2.设置激光冲击约束层；

S3.根据要求调节激光的波长、脉冲宽度、光斑直径及激光能量等参数；

S4.设置超声装置的振动模态和参数等；

S5.打开超声波发生器，使超声变幅杆产生一定模态的超声振动。同时开启激光器，对材料进行激光冲击塑性加工，同时进行施加超声；

S6.完成激光冲击后，关闭超声波发生器，向模具内通入冷却水，使半固态金属快速冷却；

S7.冷却结束后分开上模和下模，将金属材料取出，完成半固态金属的激光冲击和超声振动复合塑性加工。

进一步的，所述步骤S3中的激光冲击，激光脉冲宽度10ns～50ns、激光能量2J～100J。

进一步的，所述步骤S4中超声振动模态为纵向振动或纵扭振动；超声振动频率为15～200kHz，振幅为5～100μm；超声振动功率为200-5000W。

本发明所述激光组件主要作用是进行激光冲击，所述超声振动组件的主要作用是在半固态金属材料内部施加超声振动，所述连接组件的主要作用是连接和固定整个装置并盛放半固态金属材料，所述加热组件的主要作用是加热装置和控制温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明对半固态金属材料同时施加超声振动和进行激光冲击，使晶粒细化，去除材料中的气体和减少氧化物夹杂，改善材料内部组织结构，提高材料性能。

2.本发明克服了单一超声作用下半固态金属塑性加工的缺陷，改善了超声波在材料中衰减厉害的问题，能达到的深度更深，解决了离振动源越远，超声处理细化效果越弱，较远地方甚至出现枝晶的问题。

3.本发明解决了常规激光冲击技术中，产生的残余压应力不稳定，通过激光冲击强化处理提高材料的疲劳寿命非常有限的问题，增加残余压应力层的深度和细化晶粒组织。

4.本发明对半固态金属材料同时施加超声振动和进行激光冲击，可减小材料的内摩擦，改善材料内部组织结构，提高材料的塑性加工效率。

5.本发明具有工艺过程简单，结构简单，操作方便等特点。

6.上模具备良好的导热性能，加热棒通过上模将热量传递给金属材料和复合约束层中的液体材料，从而使得金属材料保持半固态以及复合约束层中的液体材料保持液态。

附图说明

图1是本发明一实施方式的激光冲击和超声振动复合半固态金属塑性加工装置结构示意图；

图2是本发明一实施方式的激光冲击光斑分布示意图；

图3-1是本发明图1中涉及到的端盖背面结构示意图；

图3-2是本发明图1中涉及到的端盖正面结构示意图；

图4是本发明一实施方式的铝合金试样的示意图；

图5是本发明一实施方式的晶粒直径对比图。

图中，1.激光器、2.激光束、3.耐高温玻璃、4.高温透明液体、5.耐高温油管、6.待加工工件、7.上模、8.导套、9导柱、10.下模、11.石棉隔热层、12.冷却水孔、13.螺钉、14.底板、15.温度控制仪、16.加热棒、17.换能器套筒、18.超声变幅杆、19.换能器、20.底板螺钉、21.垫块、22.超声波发生器、23.端盖；

曲线501为单一超声处理的晶粒直径；曲线502为激光冲击和超声振动复合塑性加工后的晶粒尺寸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明将激光冲击和超声振动同时施加于半固态金属材料，在激光冲击待加工工件6即半固态金属材料上表面时，插入半固态金属内部的超声变幅杆18产生超声振动，利用一定频率、振幅和模态的功率超声与激光冲击波产生相互作用，形成一定深度的压应力分布，并细化晶粒，改善材料内部组织结构，提高材料性能。

图1所示为本发明所述激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的一种实施方式，所述激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置包括激光组件、超声振动组件、模具组件和加热组件。

本发明的激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工方法，即使超声变幅杆18从半固态金属的底部浸入1-2mm，超声变幅杆18产生一定模态的超声振动，同时用激光冲击半固态金属材料上表面，超声与激光冲击波产生相互作用，完成后使半固态金属冷却并取出。其中超声变幅杆18的超声振动频率优选值为15～70kHz，振幅优选值为10～50μm，超声振动功率为200-2000W，超声变幅杆18浸入半固态金属内部的距离为1-2mm，可根据工程实际需求选取合适参数。激光冲击光斑位置分布如图2所示，即绕金属材料的中心进行，周向光斑搭接率和径向光斑搭接率均大于50％。

经过上述处理后，一方面，在具有一定模态超声变幅杆18的作用下，材料的晶粒细化，内部组织结构得到改善；另一方面，通过激光冲击，材料上部也能得到有效强化。以上两方面共同作用增强了半固态金属材料的性能。在超声与激光冲击波的相互作用下，可解决超声波在材料中能达到的深度有限的问题，可解决激光冲击处理后材料的残余压应力层的深度较浅的问题。此外，对半固态金属材料同时施加超声振动和进行激光冲击，可减小材料的内摩擦，改善材料内部组织结构，提高材料的塑性加工效率。

本发明的激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工装置的超声振动组件包括超声变幅杆18、换能器19和超声波发生器22。超声波发生器22与换能器19连接，换能器19上方连接超声变幅杆18。超声变幅杆18为阶梯形变幅杆，材料为钛合金，其性能好且可在高温下工作。

结合附图1，图3-1，图3-2，所述激光组件包括约束层、激光束2和激光器1。约束层置于半固态金属材料上方，通过将高温透明液体4和耐高温玻璃3结合在一起形成厚度均匀，能够始终贴合材料表面的复合约束层，通过激光器1发出的激光束2进行激光冲击。所述高温透明液体4通过耐高温油管5注入，耐高温油管5的一端与端盖23上的进油口连接，另一端竖立高置，并与外界大气相连，向半固态金属材料与耐高温玻璃3之间的间隙注满液化得氯化锂4，间隙中的液体和耐高温玻璃3形成复合约束层；端盖23为中心开孔的凹槽形结构。

所述加热组件包括加热棒16和温度控制仪15，在模具底部绕其轴线均匀的开孔，并将加热棒16安装在其中。加热棒16采用高温陶瓷加热棒，具有耐高温，耐腐蚀，寿命长，温度均匀，导热性良好等优点，符合本装置的要求。

所述模具组件包括上模7、下模10、导柱9、导套8、底板14、垫块21、底板螺钉20、换能器套筒17、端盖23和螺钉13。所述垫块21和换能器套筒17安装在外部数控工作台上，超声变幅杆18节点位置处的法兰盘与换能器套筒17连接，换能器套筒17的作用为支撑和固定超声振动组件。底板14与垫块21通过螺纹连接，为加热棒16的引线和超声振动组件提供安装的空间。底板14上方安装下模10，且下模10通过底板螺钉20安装在底板14上，下模10和底板14之间有石棉隔热层11。下模10的上方为上模7，上模7和下模10之间通过导柱9导套8连接。端盖23具体结构如图3所示，置于上模7的上方，通过螺纹与上模7连接，端盖23与上模7接触部分均用密封圈密封，有良好的密封性能。

所述超声振动组件的主要作用是在半固态金属材料内部施加超声振动，所述连接组件的主要作用是连接和固定整个装置并盛放半固态金属材料，所述加热组件的主要作用是加热模具和控制温度。

本发明提供一种激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工方法具体实施过程如下：

S1.将已处于半固态的金属导入预热的装置中；或者将预热的金属导入模具中，通过装置加热至半固态。加热通过高温陶瓷加热棒16进行，接通外部加热控制电路，通过高温陶瓷加热棒16给整个装置均匀加热，通过温度控制仪15设定所需温度。

S2.设置激光冲击约束层。安装端盖23，并将耐高温玻璃3放置于端盖23内，通过耐高温油管5向半固态金属材料与耐高温玻璃3之间的间隙注满高温透明液体4，间隙中的液体和耐高温玻璃3形成复合约束层。

S3.根据塑性加工要求调节激光的波长、脉冲宽度、光斑直径及激光能量等参数。主要激光参数根据半固态金属材料性能和其厚度进行选择，激光冲击位置为绕金属材料的中心进行，周向光斑搭接率和径向光斑搭接率均大于50％，完成周向和径向冲击为一遍，可重复2～3遍。

S4.设置超声装置的振动模态和参数等。超声振动采用纵扭振动，也可以根据需要改变振动模态；超声振动频率为15～70kHz，振幅为10～50μm；超声振动功率为200-2000W。

S5.打开超声波发生器22，使超声变幅杆18产生一定模态的超声振动；同时开启激光器1，对材料进行激光冲击塑性加工，使其在激光冲击的同时进行超声半固态塑性加工。

S6.完成激光冲击后，关闭超声波发生器22，断开加热电路，高温透明液体4通过耐高温油管5排出；由下模10的冷却水孔12向模具内通入冷却水，通过冷却水的循环带走热量使半固态金属快速冷却。

S7.冷却结束后旋开端盖23，分开上模7和下模10，将金属材料取出，完成半固态金属的激光冲击和超声振动复合塑性加工。

实施例：

本实施例对直径30mm，厚度10mm的铝合金进行复合塑性加工。将预热的待加工工件6即铝合金试样导入模具中，接通外部加热控制电路，通过高温陶瓷加热棒16给整个装置均匀加热，使铝合金试样升温熔化，并通过温度控制仪15使其温度保持在635℃。安装端盖23，并将耐高温玻璃3放置于端盖23内，通过耐高温油管5向半固态铝合金与耐高温玻璃3之间的间隙注满高温透明液体4，间隙中的液体和耐高温玻璃3形成复合约束层。调节激光参数，光斑直径为3mm，能量为2G，脉冲宽度20.1ns，波长1.054μm。激光冲击位置为绕铝合金试样6的中心进行，周向光斑搭接率和径向光斑搭接率均为60％，完成周向和径向冲击为一遍，重复2遍。设置超声装置的振动模态和参数等，超声振动采用纵扭振动，超声振动频率为20kHz，振幅为10μm。打开超声波发生器22，使超声变幅杆18产生纵扭振动。同时开启激光器1，对半固态铝合金进行激光冲击，使其在激光冲击的同时进行超声半固态塑性加工。完成激光冲击后，关闭超声波发生器22，断开加热电路，高温透明液体4通过耐高温油管5排出，由下模10的冷却水孔12向模具内通入冷却水，通过冷却水的循环带走热量使半固态金属快速冷却。冷却结束后旋开端盖23，分开上模7和下模10，将铝合金试样取出，完成半固态金属的激光冲击和超声振动复合塑性加工。

半固态金属进行激光冲击和超声振动复合塑性加工后，材料性能得到改善。如图5所示为金属材料的晶粒直径对比图，横坐标为从A面到B面的厚向距离，纵坐标为晶粒直径，如图4所示铝合金试样A面和铝合金试样B面。曲线501为单一超声处理的晶粒直径，曲线502为激光冲击和超声振动复合塑性加工后的晶粒尺寸。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

一种基于激光冲击和超声振动复合的半固态金属塑性加工方法及装置专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。