本发明涉及激光强化冲击技术领域，具体涉及一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法及装置。
背景技术：
激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，主要通过超高功率、超短脉冲宽度的激光束穿过透明约束层，作用于涂覆在金属靶材表面的吸收层，吸收层在激光能量作用下急剧气化，形成高温、高压的等离子体。由于约束层限制，等离子体对金属表面产生超强冲击波。当冲击波的峰值压力超过材料的hugoniot弹性极限，使材料表层产生塑性变形和微观组织变化。当激光冲击结束后，由于冲击区域材料的反作用，在其内部产生具有一定深度的残余压应力，提高金属材料综合机械性能。
航空发动机在运行过程中，其叶片叶缘容易受到外物损伤和高周疲劳的影响而产生疲劳破坏。激光冲击强化技术是实现航空发动机叶片表面强化，提高叶片的抗疲劳和抗外物损伤性能的有效方法，对于延长叶片的使用寿命和提高航空发动机的运行可靠性具有十分重要的意义。但是航空发动机叶片为典型的变横截面弱刚性薄壁结构件，叶片横截面厚度为0.5~2mm，叶片叶缘的厚度只有0.4~0.6mm，叶片厚度不均，不同位置的厚度有比较大差别。要想达到理想的强化效果，需要根据叶片结构变化调整激光参数。
现有技术中激光冲击强化技术是采用固定脉冲宽度对叶片进行扫描式冲击处理。若采用固定脉冲宽度激光束对叶片不同厚度区域进行冲击强化加工，叶片强化效果达不到理想状态。如果脉冲宽度过小，叶片厚度较大区域处强化效果较差；若脉冲宽度过大，叶片厚度较小区域处又会产生塑性变形和热损伤，导致叶片报废。因此，提出能随叶片结构变化而调整激光参数的激光冲击强化新工艺是目前该技术领域研究人员亟待解决的技术难题。
中国专利107794362a“一种在线实时变脉宽的叶片激光冲击强化控形方法”，针对叶片复杂曲面和壁厚不均匀的结构，通过随着叶片结构变化而在线实时改变脉冲宽度，既能提升强化效果，也避免使叶片塑性变形和热损伤。但该方法需要在线实时变脉宽，而在实际应用中激光冲击强化设备的可操作性限制，并不能满足该要求执行的设备基础。
技术实现要素：
本发明旨在至少解决现有技术中存在的问题之一，本发明提供一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法及装置。
具体的，提出了一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，包括以下：
步骤110：确定损伤叶片的目标修复区域，根据所述目标修复区域的形状参数确定加工路径；
步骤120：对所述目标修复区域进行厚度分析检测，并根据所述厚度分析检测的结果选择相应脉冲宽度的脉冲激光，具体的，包括以下，
步骤1201：根据所述厚度分析检测的结果，得到厚度值范围区间，
步骤1202：将厚度值范围区间划分为多个厚度值范围子区间，
步骤1203：为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光；
步骤130：控制所述脉冲激光沿所述加工路径对所述损伤叶片的所述目标修复区域进行强化操作；
步骤140：重复执行步骤120至步骤130直至所述损伤叶片的所述目标修复区域完成修复。
进一步，上述步骤110中的目标修复区域为，距离所述损伤叶片的叶根30%总叶片高度的以上位置。
进一步，上述步骤1203中为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光，具体通过足够多次的论证以及测试建立对应的厚度值范围子区间与脉冲宽度的映射，并根据建立的所述映射进行脉冲宽度的分配。
进一步，在进行上述步骤130之前，还需要调节所述发射出所述脉冲激光的激光器与所述损伤叶片的相对位置，以使所述脉冲激光与所述损伤叶片强化区域法向重合。
进一步，还包括，在上述步骤130之前，在所述损伤叶片的目标修复区域依次涂覆吸收层和约束层，所述吸收层为黑胶带或黑漆，所述约束层为流动去离子水膜或玻璃。
进一步，所述脉冲激光的激光器参数为：能量为5-10j，脉冲宽度τ为8-16ns，光斑尺寸为1-8mm。
本发明还提出一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化装置，包括，
加工路径确定模块，用于确定损伤叶片的目标修复区域，根据所述目标修复区域的形状参数确定加工路径；
脉冲激光选取模块，用于对所述目标修复区域进行厚度分析检测，并根据所述厚度分析检测的结果选择相应脉冲宽度的脉冲激光，具体的，包括，
厚度值范围确定单元，用于根据所述厚度分析检测的结果，得到厚度值范围区间，
厚度值范围划分单元，用于将厚度值范围区间划分为多个厚度值范围子区间，
脉冲激光分配单元，用于为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光；
强化操作控制模块，用于控制所述脉冲激光沿所述加工路径对所述损伤叶片的所述目标修复区域进行强化操作；
第一运行模块，用于重复执行步骤120至步骤130直至所述损伤叶片的所述目标修复区域完成修复。
相较于现有技术，本发明提供的所述一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法具有以下有益效果：
本发明提出一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，本发明通过以损伤叶片厚度值为依据设置脉冲激光的脉冲宽度，控制所述叶片残余应力生成的分布深度，实现叶片不同区域的残余应力分布深度与厚度值的一致性匹配，消除所述叶片的待加工区域应力集中而无宏观变形，并且不需要在线实时改变脉冲宽度，能够避免因在实际应用中激光冲击强化设备的可操作性限制而无法实现的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实例中的技术方案，下面将对实例描述中所使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明提供的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法的流程图；
图2是本发明提供的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法的脉冲激光的选取的流程图；
图3是本发明提供的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化装置的结构示意图；
图4是本发明提供的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化装置的脉冲激光选取模块的结构示意图；
图5是本发明提供的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法的损伤叶片的结构及其激光冲击强化加工区域示意图；
图6是本发明提供的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法的后视角的叶片激光冲击强化加工区域截面的厚度示意图；
图7是本发明提供的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法的叶片截面的不同厚度处的激光脉宽选取示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅是本发明的一部分实例，而不是全部的实例。
结合图1、图2、图5、图6以及图7，实施例1，是本发明提出的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，包括以下：
步骤110：确定损伤叶片的目标修复区域，根据所述目标修复区域的形状参数确定加工路径；
步骤120：对所述目标修复区域进行厚度分析检测，并根据所述厚度分析检测的结果选择相应脉冲宽度的脉冲激光，具体的，包括以下，
步骤1201：根据所述厚度分析检测的结果，得到厚度值范围区间，
步骤1202：将厚度值范围区间划分为多个厚度值范围子区间，
步骤1203：为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光；
具体的，可以根据厚度值范围子区间来对应划分目标修复区域，将目标修复区域划分成多个目标修复子区域，这样一来计算机就能够在目标修复字区域的边界内按照预设的脉冲宽度的脉冲激光进行作用。
步骤130：控制所述脉冲激光沿所述加工路径对所述损伤叶片的所述目标修复区域进行强化操作；
步骤140：重复执行步骤120至步骤130直至所述损伤叶片的所述目标修复区域完成修复。
在本实施例中，本发明通过以损伤叶片厚度值为依据设置脉冲激光的脉冲宽度，控制所述叶片残余应力生成的分布深度，实现叶片不同区域的残余应力分布深度与厚度值的一致性匹配，消除所述叶片的待加工区域应力集中而无宏观变形，并且不需要在线实时改变脉冲宽度，能够避免因在实际应用中激光冲击强化设备的可操作性限制而无法实现的问题，
另外，加工路径是脉冲激光冲击强化处理时发动机叶片移动的路径，在此过程中脉冲激光的各项参数可能发生改变，但是由于发动机叶片的待加工区域属于固有的参考量，所以加工路径是不会发生改变的。不同型号的发动机叶片的形状构造也不完全相同。故对于同型号的发动机叶片来说，在确定加工路径后可以实现对相同发动机叶片的批量生产。当先后对不同型号的发动机叶片进行冲击强化时,需要预先执行本步骤确定的加工路径。
作为本发明的优选实施方式，上述步骤110中的目标修复区域为，距离所述损伤叶片的叶根30%总叶片高度的以上位置。
具体的，根据航空发动机叶片外物损伤统计资料可知：损伤位置分布密度沿叶高呈明显递增趋势；距叶根80%叶高以上的区域，损伤分布相对集中，该区域内的损伤总量占统计损伤总量的50%以上；距叶根30-80%叶高的区域，损伤分布相对均匀，各区间内的损伤数量分别占统计损伤总量的约10%；距叶根30%叶高以内的区域，损伤数量相对稀少，该区域内的累积损伤总量占统计损伤总量的约10%。叶片边缘损伤的宽度尺寸的区间为0.5-34.5mm，且损伤宽度分布在0.5-6.0mm区间的缺口损伤数量约占统计的缺口损伤总量的80%。
值得注意的是，本发明的实施例中所述叶片待加工区域为距叶根30%叶高以上的、叶片边缘宽度为6mm的范围，本步骤设置的所述叶片待加工区域范围，涵盖了叶片外物损伤位置统计的80%以上的区域，满足所述叶片表面强化要求。
作为本发明的优选实施方式，上述步骤1203中为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光，具体通过足够多次的论证以及测试建立对应的厚度值范围子区间与脉冲宽度的映射，并根据建立的所述映射进行脉冲宽度的分配。
在本优选实施方式中，其中，本步骤的目的在于根据待加工区域的厚度值选择相应的脉冲宽度，由于航空发动机叶片为典型的变横截面弱刚性薄壁结构件，叶片横截面厚度为0.5~2mm，叶片叶缘的厚度只有0.4~0.6mm，叶片厚度不均，不同位置的厚度有比较大差别。要想达到理想的强化效果，需要根据叶片结构变化调整激光参数。若采用固定脉冲宽度激光束对叶片不同厚度区域进行冲击强化加工，叶片强化效果达不到理想状态。如果脉冲宽度过小，叶片厚度较大区域处强化效果较差；若脉冲宽度过大，叶片厚度较小区域处又会产生塑性变形和热损伤，导致叶片报废。本步骤基于厚度值选择相应的脉冲宽度，能够保证在进行脉冲激光冲击强化处理后得到的发动机叶片不同区域的残余应力分布与叶片厚度特征的一致性匹配，达到强化和保形的双重目的。
值得注意的是，每个厚度值都有一个最优选的脉冲宽度，但是考虑到在实际应用中的可操作性，可以为每一个厚度值范围设置一个相对优选的脉冲宽度。当然，本步骤是默认存在有厚度值关于脉冲宽度的对应关系，可以根据该对应关系确定叶片各个部位厚度值对应的脉冲宽度。一般来说，叶片厚度较大部位采用大脉冲宽度，叶片厚度较小部位采用小脉冲宽度。该关于厚度值与脉冲宽度的对应关系可以是在进行脉冲激光强化操作之前，由本领域技术人员进行大量论证、测试或根据实践经验得到的，当然可以存在多种得到该对应关系的方法，技术人员可以根据本方案实际应用的条件进行灵活选择，此处不进行具体的限定。
作为本发明的优选实施方式，在对所述叶片待加工区域进行激光冲击强化处理前，还存在激光冲击强化工艺的编程设置，即所述脉冲激光参数、夹持所述损伤叶片的机械臂的运动轨迹等编程设定，最后激光冲击强化系统自动依照设定程序完成冲击过程。
对于所述叶片待加工区域，脉冲激光光斑尺寸选择由技术人员根据脉冲激光冲击强化的经验参照一般可选范围确定即可。由于只有当激光诱导冲击波可导致待加工材料表面的塑性变形时，激光冲击表面强化效果才会出现，因此可以根据待加工材料的力学性质确定所需激光诱导冲击波范围，进而确定激光功率密度范围。根据公式激光功率密度i=e/(s×τ)，其中e为脉冲激光能量，s为光斑面积,τ为脉冲激光脉冲宽度。本发明使用光斑形状为圆形，s=πd2/4，d为圆形光斑直径。结合初步选择脉冲激光光斑尺寸，确定不同脉冲宽度所需选取的对应脉冲激光能量，当脉冲激光能量范围不在脉冲激光器的技术指标之内时，由技术人员根据脉冲激光冲击强化的经验调整初步选择的脉冲激光光斑尺寸，确保脉冲激光能量范围在脉冲激光器的技术指标之内。脉冲激光冲击强化的激光器参数为：能量为5-10j，脉冲宽度τ为8-16ns，光斑尺寸为1-8mm。
所述夹持所述损伤叶片的机械臂的运动轨迹等编程设定过程中要保证所述脉冲激光与所述损伤叶片强化区域法向重合，通过调节所述发射出所述脉冲激光的激光器与所述损伤叶片的相对位置确定。
此外，在加工过程中保持搭接率一致。在本发明中脉冲激光的搭接率可以由技术人员在测试零件上进行测试后得到，本方法不对搭接率的具体数值和计算途径进行具体的限定。
本步骤使用机械臂夹持损伤叶片移动进行待强化区域不同位置的激光冲击强化处理时，采用逐点加工方式进行，即机械臂移动一下激光冲击一下。
值得注意的是，在对所述损伤叶片强化区域进行冲击强化前，还存在对损伤叶片强化区域上依次涂覆吸收层和约束层，所述吸收层为黑胶带或黑漆，所述约束层为流动去离子水膜或玻璃。
参照图3以及图4，本发明还提出一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化装置，包括，
加工路径确定模块300，用于确定损伤叶片的目标修复区域，根据所述目标修复区域的形状参数确定加工路径；
脉冲激光选取模块400，用于对所述目标修复区域进行厚度分析检测，并根据所述厚度分析检测的结果选择相应脉冲宽度的脉冲激光，具体的，包括，
厚度值范围确定单元410，用于根据所述厚度分析检测的结果，得到厚度值范围区间，
厚度值范围划分单元420，用于将厚度值范围区间划分为多个厚度值范围子区间，
脉冲激光分配单元430，用于为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光；
强化操作控制模块500，用于控制所述脉冲激光沿所述加工路径对所述损伤叶片的所述目标修复区域进行强化操作；
第一运行模块600，用于重复执行步骤120至步骤130直至所述损伤叶片的所述目标修复区域完成修复。
在应用该装置后也能够实现上述方法所带来的有益效果。
以上所述仅为本发明的实例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
1.一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，其特征在于，所述方法包括以下：
步骤110：确定损伤叶片的目标修复区域，根据所述目标修复区域的形状参数确定加工路径；
步骤120：对所述目标修复区域进行厚度分析检测，并根据所述厚度分析检测的结果选择相应脉冲宽度的脉冲激光，具体的，包括以下，
步骤1201：根据所述厚度分析检测的结果，得到厚度值范围区间，
步骤1202：将厚度值范围区间划分为多个厚度值范围子区间，
步骤1203：为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光；
步骤130：控制所述脉冲激光沿所述加工路径对所述损伤叶片的所述目标修复区域进行强化操作；
步骤140：重复执行步骤120至步骤130直至所述损伤叶片的所述目标修复区域完成修复。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，其特征在于：上述步骤110中的目标修复区域为，距离所述损伤叶片的叶根30%总叶片高度的以上位置。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，其特征在于，上述步骤1203中为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光，具体通过足够多次的论证以及测试建立对应的厚度值范围子区间与脉冲宽度的映射，并根据建立的所述映射进行脉冲宽度的分配。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，其特征在于，
在进行上述步骤130之前，还需要调节发射出所述脉冲激光的激光器与所述损伤叶片的相对位置，以使所述脉冲激光与所述损伤叶片强化区域法向重合。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，其特征在于，还包括，在上述步骤130之前，在所述损伤叶片的目标修复区域依次涂覆吸收层和约束层，所述吸收层为黑胶带或黑漆，所述约束层为流动去离子水膜或玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化方法，其特征在于，所述脉冲激光的激光器参数为：能量为5-10j，脉冲宽度τ为8-16ns，光斑尺寸为1-8mm。
7.一种脉冲宽度调整的叶片激光冲击强化装置，其特征在于，包括，
加工路径确定模块，用于确定损伤叶片的目标修复区域，根据所述目标修复区域的形状参数确定加工路径；
脉冲激光选取模块，用于对所述目标修复区域进行厚度分析检测，并根据所述厚度分析检测的结果选择相应脉冲宽度的脉冲激光，具体的，包括，
厚度值范围确定单元，用于根据所述厚度分析检测的结果，得到厚度值范围区间，
厚度值范围划分单元，用于将厚度值范围区间划分为多个厚度值范围子区间，
脉冲激光分配单元，用于为每一个厚度值范围子区间分别分配一个对应的脉冲宽度的脉冲激光；
强化操作控制模块，用于控制所述脉冲激光沿所述加工路径对所述损伤叶片的所述目标修复区域进行强化操作；
第一运行模块，用于重复执行步骤120至步骤130直至所述损伤叶片的所述目标修复区域完成修复。
技术总结