CN102061362A - 一种环形激光冲击强化紧固孔的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形激光冲击强化紧固孔的方法和装置，涉及紧固孔加工制造技术领域；本发明采用能量吸收杆（10）头部为圆锥面；高功率脉冲激光通过光斑调节装置（15）输出环形激光脉冲（8），环形激光脉冲（8）将能量吸收杆（10）头部圆锥面的尖顶部分包容在激光束的中空部分，同时环形激光脉冲（8）作用在能量吸收杆（10）头部圆锥面诱导等离子体（17）爆炸产生冲击波作用于紧固孔内壁，从而对紧固孔进行强化。本发明适合于强化小直径紧固孔，环形激光脉冲（8）的中空部分避开了能量吸收杆（10）圆锥面的尖顶部分，能量吸收杆（10）不易被损坏，有利于连续作业，强化效果好。

Description

一种环形激光冲击强化紧固孔的方法和装置

技术领域

本发明涉及紧固孔加工制造技术领域，特指一种环形激光冲击强化紧固孔的方法和装置，特别适用于应力集中严重的小直径紧固孔的内表面强化。

技术背景

紧固孔是飞机构件上典型的应力集中细节，在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹，从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命都大大降低。因此，在设计、选材和制造中，如何尽可能减小紧固孔应力集中的影响，改善飞机结构的抗疲劳性能，延长使用寿命，确保飞机结构的可靠性和安全性，是设计和材料研究者的重要研究课题。在工程实践中，通常对紧固孔进行表面强化处理来提高飞机的寿命。强化技术（fatigue life enhancement methods, FLEM）是增强飞机疲劳寿命的措施的简称，它是指在不改变结构形式、材料，不增加结构重量的前提下，经过对结构重要部位和关键部位的强化工艺处理而达到提高结构疲劳寿命的目的。如今，紧固孔强化技术主要有冷挤压和机械喷丸。

冷挤压主要是开缝衬套间接冷挤压美国疲劳技术公司的Darryl E. Quincey和Charles M. Copple等人申报了专利号为5305627的美国专利，名称为开缝衬套间接冷挤压（Split Sleeve Cold Expansion）。该专利将一开缝衬套放入紧固孔中，芯棒塞入紧固孔使开缝衬套膨胀来间接挤压紧固孔内壁，其工艺复杂，每次消耗一个衬套，并且大量直径小于Φ3.5mm的小孔无法采用挤压强化（如挤压芯棒直径小于Φ3.5mm，连接螺纹极易折断或疲劳），而铆钉孔属疲劳性能薄弱环节，急需一种新型强化方法。紧固孔的机械喷丸强化方法主要是利用喷丸枪或喷丸分流器实现间接喷丸，另外还有旋片喷丸和斜式喷丸。美国通用公司的Peter A. Simeone和Apostolos P. karafillis等人申报了专利号为US 6189356 B1的美国专利，名称为喷丸方法和装置（Method and Apparatus for Peening），该专利将顶端为锥面的分流杆在紧固孔伸入孔一端，丸粒在紧固孔另一端喷入，经分流杆的锥面反射对紧固孔的内壁进行喷丸，但是其导致材料表面粗糙度的增大，会在一定程度上抵消残余应力对延长疲劳寿命的贡献。张永康，张兴权等人申报的专利号为200610096476.5的中国专利，名称为一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，该专利应用激光冲击波对孔内壁进行强化，其产生冲击波的反射面为圆锥面，并且所采用的激光脉冲的光斑为圆形的一般光斑，由于紧固孔较小，激光脉冲光斑直径便也很小，聚焦的激光脉冲极易作用在锥面尖顶部分，尖顶部分应力集中较严重，容易损坏，不利于连续作业，同时对孔壁的冲击力较小，强化效果不理想。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺点，提供一种有利于连续作业，强化效果良好的紧固孔强化的方法和装置。本发明通过在紧固孔内壁引入合适的残余应力，有效提高紧固孔疲劳寿命。该方法基于激光冲击波理论，将环形激光在孔的内部诱导产生的等离子体爆炸力作用于孔内壁，从而达到强化紧固孔的效果。

本发明装置包括电脑，高功率脉冲激光器，45°全反镜，光斑调节装置，能量吸收杆，进给机构A，夹具，进给机构B，工作台，导轨，步进电机，喷水装置；所述光斑调节装置包括：扩束镜，会聚透镜，圆锥透镜A，圆锥透镜B；高功率脉冲激光器出光处设有经过45°全反镜，45°全反镜下方设有光斑调节装置，光斑调节装置正对能量吸收杆的锥面，能量吸收杆下端安装在进给机构A上，能量吸收杆上端置于工件的待强化孔内，工件安装在夹具上，夹具安装在进给机构B上，进给机构A和进给机构B安装于工作台上，高功率脉冲激光器，步进电机，工作台分别与电脑相连；

所述步进电机调节光斑调节装置中的圆锥透镜A与圆锥透镜B的间距d₁来调节环形激光脉冲的内径；调节圆锥透镜B和能量吸收杆头部圆锥面的间距d₂来调节环形激光脉冲外径。

本发明特征在于，采用环形激光脉冲作用在能量吸收杆上；所述能量吸收杆头部带有角度为2a的圆锥面，0°< a <90°，能量吸收杆头部圆锥面受到环形激光脉冲作用后产生冲击波；高功率脉冲激光器发出的激光脉宽为5ns～50ns可调，能量在0J～50J可调；光斑调节装置调节的环形光斑内径为1mm～10mm，保证环形激光脉冲环形部分包容能量吸收杆锥面尖顶部分，外径为1mm～20mm，保证环形激光脉冲充分聚焦；

本发明的具体步骤如下：

（1）根据需要强化的紧固孔的尺寸和孔轴配合原则，制作相应尺寸的头部带有角度为2a的圆锥面的能量吸收杆，保证能量吸收杆在孔内根据要求上下运动。

（2）将工件和能量吸收杆分别安装在两个进给机构上，将能量吸收杆塞入需要强化的紧固孔中并调节能量吸收杆与孔的相对高度，然后调节两个进给机构，使能量吸收杆的头部圆锥面调节到激光焦点光斑的位置。

（3）调节高功率脉冲激光器参数，环形脉冲激光参数，使参数满足试验要求；所述高功率脉冲激光器参数包括：激光能量，激光脉宽；所述环形脉冲激光参数包括：环形光斑内径，环形光斑外径。

（4）喷射装置向紧固孔喷水，高功率脉冲激光器输出的激光通过光斑调节装置输出环形激光脉冲作用在能量吸收杆的圆锥面上，环形激光脉冲在圆锥面上诱导的等离子体爆炸产生的冲击波使能量吸收杆的圆锥面所在紧固孔深度位置的孔壁得到强化。

（5）将紧固孔和能量吸收杆向上或向下运动到一个新的位置，重复以上步骤，实现整个孔壁的强化。

本发明的优点：

1.环形激光脉冲的中空部分避开了能量吸收杆圆锥面的尖顶部分，能量吸收杆不易被损坏，有利于连续作业，强化效果好。

2.该方法将激光在孔的内部诱导产生的等离子体爆炸力作用于孔内壁，使孔内壁产生一定的塑性变形，从而引入比一般强化更深的残余应力，有效的提高紧固孔的疲劳寿命。

3.这种方法以激光为加工工具，无工具损伤，绿色环保。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是紧固孔激光冲击强化装置示意图。

图2是紧固孔激光冲击强化原理图。

图中，1.电脑，2.高功率脉冲激光器，3.45°全反镜，4.扩束镜，5.会聚透镜，6.圆锥透镜A，7.圆锥透镜B，8.环形激光脉冲，9.工件，10.能量吸收杆，11.进给机构A，12.夹具，13.进给机构B，14.工作台，15.光斑调节装置，16.水，17.等离子体，18.光斑内径调节间距d₁，19.光斑外径调节间距d₂，20.导轨，21.步进电机。

具体实施方式

下面结合图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

用本发明进行紧固孔的激光冲击强化装置包括：电脑1，高功率脉冲激光器2，45°全反镜3，光斑调节装置15，能量吸收杆10，进给机构A11，夹具12，进给机构B13，工作台14，导轨20，步进电机21，喷水装置；所述光斑调节装置15包括：扩束镜4，会聚透镜5，圆锥透镜A6，圆锥透镜B7；光斑调节装置15设于工作台14正上方，进给机构A11设于工作台14中间、进给机构B13设于工作台14的一侧，进给机构A11和进给机构B13上设夹具，能量吸收杆10安装在进给机构A11的夹具上；高功率脉冲激光器2，步进电机21，工作台14分别与电脑1相连；高功率脉冲激光器2输出的激光通过45°全反镜3进入光斑调节装置15输出环形激光脉冲8作用在能量吸收杆10上诱导等离子体17爆炸产生冲击波强化紧固孔内壁；能量吸收杆10由对激光波长吸收率高的材料制作而成，头部带有角度为2a的圆锥面，0°< a <90°，其作用是受到激光脉冲辐射后产生冲击波，能量吸收杆10外圆是与待加工紧固孔配合的圆柱面，约束层为水。

本发明的原理见图2，将头部带有圆锥面的能量吸收杆10置于紧固孔内部适当位置，采用高功率环形激光脉冲8将能量吸收杆10头部圆锥面的尖顶部分包容在激光束的中空部分，环形激光脉冲8作用在能量吸收杆10头部圆锥面诱导等离子体17爆炸，爆炸的等离子体17在紧固孔内受到水16的约束，产生的冲击波向底部和圆孔四周传播，向圆孔四周传播的冲击波使紧固孔内壁的材料发生塑性变形，从而引入残余应力来强化紧固孔。

本发明的具体实施步骤为：根据需要强化的紧固孔的尺寸和孔轴配合原则，制作相应尺寸的头部带有角度为2a的圆锥面的能量吸收杆10，保证能量吸收杆10在孔内根据要求上下运动；将工件9和能量吸收杆10分别安装在两个进给机构上，将能量吸收杆10塞入需要强化的紧固孔中并调节能量吸收杆10与孔的相对高度，然后调节两个进给机构，使能量吸收杆10的头部圆锥面调节到激光焦点光斑的位置；调节高功率脉冲激光器2参数，环形脉冲激光8参数和进给机构参数，使参数满足试验要求；所述高功率脉冲激光器2参数包括：激光能量，激光脉宽；所述环形脉冲激光8参数包括：环形光斑内径，环形光斑外径；所述进给机构参数包括：两个进给机构的运动速度和运动方向；电脑1控制高功率脉冲激光器2和两个进给机构的配合运行，喷射装置向紧固孔喷水，高功率脉冲激光器2输出的激光通过光斑调节装置15输出环形激光脉冲8作用在能量吸收杆10的圆锥面上，环形激光脉冲8在圆锥面上诱导产生的等离子体17爆炸产生的冲击波使能量吸收杆10的圆锥面所在紧固孔深度位置的孔壁得到强化，电脑1控制进给机构B13向上或向下运动到一个新的位置，从而使紧固孔和能量吸收杆10的相对位置发生改变，使孔壁的另一深度的位置得到强化。这样通过工件9上下运动的方式，实现整个孔壁的强化。

Claims (8)

1.一种环形激光冲击强化紧固孔的方法，其特征在于，将头部带有圆锥面的能量吸收杆（10）置于紧固孔内部适当位置，采用高功率环形激光脉冲（8）环绕能量吸收杆（10）头部圆锥面的尖顶部分，使能量吸收杆（10）头部圆锥面的尖顶部分激光束的中空部分，环形激光脉冲（8）作用在能量吸收杆（10）圆锥面诱导等离子体（17）爆炸产生冲击波，使其作用于紧固孔内壁。

2.根据权利要求1所述的环形激光冲击强化紧固孔装置的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（A）根据需要强化的紧固孔的尺寸和孔轴配合原则，制作相应尺寸的头部为圆锥面的能量吸收杆（10），能量吸收杆（10）在孔内能够上下运动；

（B）将工件（9）和能量吸收杆（10）分别安装在两个进给机构上，将能量吸收杆（10）塞入需要强化的紧固孔中并调节能量吸收杆（10）与紧固孔的相对高度，然后调节两个进给机构，使能量吸收杆（10）的头部圆锥面调节到激光焦点光斑的位置；

（C）调节高功率脉冲激光器（2）参数，环形激光脉冲（8）参数，使参数满足试验要求；所述高功率脉冲激光器（2）参数包括：激光能量，激光脉宽；所述环形激光脉冲（8）参数包括：环形光斑内径，环形光斑外径； 

（D）喷射装置向紧固孔喷水，高功率脉冲激光器（2）输出的激光通过光斑调节装置（15）输出环形激光脉冲（8）作用在能量吸收杆（10）的圆锥面上，环形激光脉冲（8）在圆锥面上诱导的等离子体（17）爆炸产生的冲击波使能量吸收杆（10）的圆锥面所在紧固孔深度位置的孔壁得到强化；

（E）将紧固孔和能量吸收杆（10）向上或向下运动到一个新的位置，重复以上步骤，实现整个孔壁的强化。

3.根据权利要求1所述的环形激光冲击强化紧固孔装置的方法，其特征在于，所述高功率脉冲激光器（2）发出的激光脉宽为5ns～50ns，能量在0J～50J；光斑调节装置（15）调节的环形光斑内径为1mm～10mm，环形激光脉冲（8）环形部分外径为1mm～20mm。

4.一种实施权利要求1所述的环形激光冲击强化紧固孔方法的装置，其特征在于，包括高功率脉冲激光器（2），45°全反镜（3），光斑调节装置（15），能量吸收杆（10），进给机构A（11），夹具（12），进给机构B（13），工作台（14），导轨（20），步进电机（21），喷水装置；高功率脉冲激光器（2）出光处设有经过45°全反镜（3），45°全反镜（3）下方设有光斑调节装置（15），光斑调节装置（15）正对能量吸收杆（10）的锥面，能量吸收杆（10）下端安装在进给机构A（11）上，能量吸收杆（10）上端置于工件（9）的待强化孔内，工件（9）安装在夹具（12）上，夹具（12）安装在进给机构B（13）上，进给机构A（11）和进给机构B（13）安装于工作台（14）上。

5.根据权利要求4所述环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于，所述光斑调节装置（15）包括扩束镜（4）、会聚透镜（5）、圆锥透镜A（6）和圆锥透镜B（7），所述扩束镜（4）、会聚透镜（5）、圆锥透镜A（6）和圆锥透镜B（7）由上至下依次布置。

6.根据权利要求5所述环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于，还包括步进电机（21），所述步进电机（21）调节光斑调节装置（15）中的圆锥透镜A（6）与圆锥透镜B（7）的间距d₁（18），来调节环形激光脉冲（8）的内径；步进电机（21）调节圆锥透镜B（7）和能量吸收杆（10）头部圆锥面的间距d₂（19）来调节环形激光脉冲（8）外径。

7.根据权利要求4所述环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于还包括电脑（1），所述电脑（1）连接高功率脉冲激光器（2），所述工作台（14）与电脑（1）连接，所述步进电机（21）与电脑（1）连接。

8.根据权利要求4所述环形激光冲击强化紧固孔的装置，其特征在于，所述能量吸收杆（10）由对激光波长吸收率高的材料制作而成，头部圆锥面的角度为2a，0°< a <90°，能量吸收杆（10）外圆是与待加工紧固孔配合的圆柱面。

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