一種表面離散強化材料熱疲勞性能的激光測試方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料熱疲勞性能檢測的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種表面離散強化材料熱疲勞性能的激光測試方法，以及采用該方法的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]雙輥式鑄軋工藝能夠?qū)⑷廴诮饘龠B續(xù)加工成不同寬度、厚度的板帶坯，其在鋁加工行業(yè)中得到了廣泛的應用。在鋁鑄軋輥使用過程中，輥套內(nèi)部使用冷卻水循環(huán)，輥套表面周期性地與熔融的鋁液接觸，承受著周向和徑向的熱沖擊。輥套表面在熱應力、接觸應力和裝配應力的共同作用下，發(fā)生疲勞開裂。為了保證正常生產(chǎn)，輥套使用一段時間后需要下機修磨。輥套的熱疲勞性能直接影響到了使用壽命和鋁板帶坯的質(zhì)量。由于裂紋是從輥套表面萌生和擴展，因此表面強化是一種有吸引力的方法，尤其是離散強化方法，有望抑制裂紋萌生、阻滯裂紋擴展，提高輥套的使用壽命，改善鋁板坯質(zhì)量。針對表面離散強化的輥套材料以及相似用途的材料，需要使用合適的方法和裝置對其熱疲勞性能進行評價。
[0003]目前，常規(guī)的材料熱疲勞方法是整體加熱、整體冷卻。例如文獻1，李福海，佟鑫等.32Cr3MolV表面激光合金化層熱疲勞性能的研宄.材料研宄與應用，2011，5(2):97-104，該文獻中針對帶狀表面強化材料，使用加熱爐加熱、水冷的方式進行溫度循環(huán)。激光加熱的材料熱疲勞實驗也有文獻進行了研宄。例如文獻2，賈力，孫智剛.激光熱疲勞實驗系統(tǒng)在預測軋輥熱疲勞性能上的研宄.工業(yè)加熱，2009，38 (5):63-64，該文獻中使用千瓦級CO2激光加熱、\氣體冷卻的方式，研宄了裂紋的萌生和擴展過程。以上文獻中，由于疲勞裂紋擴展方向是隨機的，因此難以精確研宄離散強化區(qū)域?qū)α鸭y的阻滯作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種表面離散強化材料熱疲勞性能的激光測試方法，其能夠定向誘導裂紋擴展、原位觀察裂紋、對強化點本身的熱疲勞性能和強化點對裂紋擴展的阻滯作用進行評價。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種表面離散強化材料熱疲勞性能的激光測試方法，其包括以下步驟:
[0006](I)使用勾束器件將激光光斑的光強分布從高斯分布轉(zhuǎn)變成均勾分布；
[0007](2)使用光束整形器件將激光光斑的形狀從圓形變換成矩形；
[0008](3)改變光束整形器件參數(shù)調(diào)節(jié)矩形光斑的長寬比；
[0009](4)激光光斑沿指定路徑掃描過強化區(qū)，對表面離散強化材料的正面加熱，使之達到表面離散強化材料的實際使用溫度；
[0010](5)在表面離散強化材料的背面使用水冷銅塊來冷卻；
[0011](6)激光停止，材料冷卻到原始溫度后，再次循環(huán)，一直加熱到裂紋形成；
[0012](7)通過記錄材料表面氧化膜的變化、裂紋萌生位置和強化區(qū)域?qū)α鸭y擴展的阻滯作用，以及對比原始材料和強化區(qū)域的裂紋密度，對表面離散強化的效果進行評價。
[0013]本發(fā)明通過使用激光束對表面離散強化材料的正面進行掃描加熱，能夠定向誘導裂紋擴展，原位觀察裂紋；而激光束的掃描路線同時覆蓋強化區(qū)和原始材料，能夠?qū)娀c本身的熱疲勞性能和強化點對裂紋擴展的阻滯作用進行評價。
[0014]還提供了一種采用這種表面離散強化材料熱疲勞性能的激光測試方法的裝置，該裝置包括:控制裝置、激光器、移動機構(gòu)、光束變換器件、冷卻裝置，控制裝置令激光器發(fā)出水平出射的激光并令移動機構(gòu)的滑臺移動，冷卻裝置固定在滑臺上，表面離散強化材料放在冷卻裝置上，激光通過光束變換器件后垂直照射到表面離散強化材料的正面。
【附圖說明】
[0015]圖1是采用根據(jù)本發(fā)明的表面離散強化材料的熱疲勞性能的激光測試方法的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是光束整形器件的工作示意圖。
[0017]圖3是表面離散強化材料的裝卡示意圖。
[0018]圖4是針對圓形的強化區(qū)域的激光掃描路徑示意圖。
[0019]圖5是針對第一種矩形的強化區(qū)域的激光掃描路徑示意圖。
[0020]圖6是針對第二種矩形的強化區(qū)域的激光掃描路徑示意圖。
[0021]圖7是激光掃描方向上的計算溫度分布的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]這種表面離散強化材料的熱疲勞性能的激光測試方法，其包括以下步驟:
[0023](I)使用勾束器件將激光光斑的光強分布從高斯分布轉(zhuǎn)變成均勾分布；
[0024](2)使用光束整形器件將激光光斑的形狀從圓形變換成矩形；
[0025](3)改變光束整形器件參數(shù)調(diào)節(jié)矩形光斑的長寬比(例如長寬比:3 —10);
[0026](4)激光光斑沿指定路徑掃描過強化區(qū)，對表面離散強化材料的正面加熱，使之達到表面離散強化材料的實際使用溫度；
[0027](5)在表面離散強化材料的背面使用水冷銅塊來冷卻；
[0028](6)激光停止，材料冷卻到原始溫度后，再次循環(huán)，一直加熱到裂紋形成；
[0029](7)通過記錄材料表面氧化膜的變化、裂紋萌生位置和強化區(qū)域?qū)α鸭y擴展的阻滯作用，以及對比原始材料和強化區(qū)域的裂紋密度，對表面離散強化的效果進行評價。
[0030]本發(fā)明通過使用激光束對表面離散強化材料的正面進行掃描加熱，能夠定向誘導裂紋擴展，原位觀察裂紋；而激光束的掃描路線同時覆蓋強化區(qū)和原始材料，能夠?qū)娀c本身的熱疲勞性能和強化點對裂紋擴展的阻滯作用進行評價。
[0031 ] 另外，測試在空氣中進行。這樣可以考察表面氧化對熱疲勞過程的影響。
[0032]另外，表面離散強化材料的正面拋光或磨削成具有一定粗糙度，背面涂抹硅脂貼到水冷銅塊上，水冷銅塊通恒溫冷卻水。這樣能夠加快加熱和冷卻的速度。
[0033]另外，使用勾束器件將激光光斑的光強分布從高斯分布轉(zhuǎn)變成均勾分布，避免加熱過程中材料正面的局部熔化。
[0034]另外，使用光束整形器件將激光光斑的形狀從圓形變換成長寬比大于I的矩形，例如長寬比為3。如圖2所示，改變凸面球透鏡的焦距fl、凹面柱透鏡的聚焦f2、兩透鏡的距離d可以調(diào)節(jié)矩形光斑的長寬比。
[0035]另外，如圖1所示，激光束垂直聚焦在表面離散強化材料的正面，這樣調(diào)整最為方便。圖1中激光器的出射光為水平方向，經(jīng)過45度反射鏡后變?yōu)榇怪狈较颉．斎?，也可以采用其它角度的激光束聚焦在表面離散強化材料的正面，例如聚焦光束與法線成30度角。
[0036]另外，激光沿直線在材料正面掃描一定距離后停止，返回原點。這樣反復多次，使材料正面的特定區(qū)域萌生裂紋。
[0037]另外，激光的掃描范圍覆蓋原始材料和強化區(qū)。
[0038]另外，激光光斑在垂直掃描方向上的尺寸大于強化區(qū)的尺寸，例如2倍。這樣能夠避免強化區(qū)在垂直掃描方向上出現(xiàn)裂紋。
[0039]另外，如圖1所示，還提供了一種采用這種表面離散強化材料的熱疲勞性能的激光測試方法的裝置，該裝置包括:控制裝置1、激光器2、移動機構(gòu)3、光束變換器件4，冷卻裝置6，其中光束變換器件包括勻束器件41、光闌42、45度反射鏡43、凸面球透鏡44、凹面柱透鏡45，控制裝置I令激光器2發(fā)出水平出射的激光并令移動機構(gòu)3的滑臺移動，冷卻裝置6固定在滑臺上，表面離散強化材料5放在冷卻裝置上，激光通過光束變換器件4后垂直照射到表面離散強化材料5的正面。
[0040]另外，所述冷卻裝置包括導熱硅脂層61、水冷銅塊62，導熱硅脂層61涂抹在表面離散強化材料5的背面和水冷銅塊62之間。這樣能夠把材料上的熱傳導給導熱硅脂層，加快冷卻速度。
[0041]以下給出幾個具體實施例。
[0042]實施例1
[0043]如圖1、2、3、4中所示，激光器2發(fā)出水平激光束，通過光束變換器件4將高斯分布光強的圓形光斑變換成均勻分布光強的矩形光斑46。其中，勻束器件41改變光束的光強分布，光闌42用于濾除雜散光，45度反射鏡43將激光束反射成垂直，凸面球透鏡44和凹面柱透鏡45對圓形光斑光束整形成矩形光斑后將光束聚焦在材料5表面。表面拋光的材料5放置在水冷銅塊62上，二者之間涂抹導熱硅脂層61，保證導熱良好。材料5和冷卻裝置6固定在移動機構(gòu)3的滑臺上?？刂蒲b置I用于控制激光器2和移動機構(gòu)3。首先控制裝置I令激光器2發(fā)出激光，同時令移動機構(gòu)3的滑臺按照箭頭方向移動，激光束以掃描的方式加熱材料5的正面。將圓形的強化區(qū)7放置在激光掃描路徑上，例如激光掃描長度為10毫米時，將強化區(qū)放置在7毫米處。移動機構(gòu)3的滑臺移動10毫米后，控制裝置I令激光器2停止發(fā)出激光，同時令移動機構(gòu)3的滑臺停止運動，并返回原點。待材料5冷卻到原始溫度后，再開始下一次循環(huán)。圖3中表示了材料5在水冷銅塊表面的安裝方式。通過使用三個定位銷63，可以對材料5的位置進行定位，然后使用螺釘64將材料5與水冷銅塊62壓緊，避免移動過程中產(chǎn)生相對滑動。每循環(huán)一定周次后，例如200周次，將材料5取下進行觀察、拍照，然后再將材料5背面涂抹導熱硅脂層61，使用定位銷63定位，螺釘64壓緊，進行下一次循環(huán)，直到表面氧化膜脫落，開始出現(xiàn)裂紋。通過分析裂紋出現(xiàn)的位置，可以評價表面強化的效果。例如當裂紋出現(xiàn)在強化區(qū)及其與原始材料過渡區(qū)時，說明強化區(qū)的總體疲勞抗力小于基體材料。當裂紋出現(xiàn)在原始材料區(qū)時，縮短循環(huán)周次進行觀察，例如20周次，研宄裂紋擴展到強化區(qū)時裂紋的擴展速度，評價強化區(qū)對裂紋的擴展阻力。圖7示意了