CN102127626A

CN102127626A - 含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的激光喷丸延寿的方法

Info

Publication number: CN102127626A
Application number: CN 201010597515
Authority: CN
Inventors: 周建忠; 王呈栋; 黄舒; 杨小东; 徐增闯; 杨晶
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102127626B

Abstract

本发明公开了一种含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的激光喷丸延寿方法，涉及缺陷航空件再制造技术领域。首先把受损航空薄壁件置于冷加工工作台上，在贯穿疲劳裂纹尖端钻止裂孔，然后用过盈挤压棒挤压止裂孔孔壁，使止裂孔孔壁和裂纹尖端区域沿深度方向上产生冷作硬化层和残余压应力场。接着将其安装在激光喷丸延寿系统的工作台上，由脉冲激光器发射的激光经聚焦透镜聚焦后作用于其上，进行多点连续双面激光喷丸强化，使止裂孔端面周围区域产生较深残余压应力。减小了航空薄壁件裂纹尖端的应力集中，有效地降低了疲劳裂纹扩展速率，并出现裂纹闭合效应。本发明延长了航空薄壁件的使用寿命，成本降低50%-80%。

Description

含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的激光喷丸延寿的方法

技术领域

本发明涉及缺陷航空件再制造技术领域，特指一种含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的激光喷丸延寿方法。

技术背景

疲劳断裂是工程结构最重要、最常见失效形式之一，据统计，各类机件破坏总数的80%-90%都是由疲劳断裂引起的，航空薄壁件的抗疲劳设计制造及其再制造已经成为当今国际研究的热点课题。航空结构航空薄壁件在高速，重载，腐蚀等恶劣环境下工作不可避免的产生疲劳裂纹，疲劳裂纹最终将引起断裂破坏，这使得结构还远没有达到材料的抗拉极限时就发生了破坏，大大缩短了使用寿命。目前，若发现航空薄壁件出现贯穿裂纹，大都只能按报废处理。裂纹引起的断裂破坏给国民经济带来巨大损失。

近年来，国内外学者对裂纹进行了广泛研究，深化了认识，逐步形成完整的断裂力学理论，许多科学工作者正在积极探索，美国专利5306360提出了一种提高α-β钛合金疲劳裂纹扩展性能的方法，该方法利用激光热效应抑制疲劳裂纹扩展，美国专利5290368提出了一种利用激光束在钛合金表面产生无裂纹氮化物硬化层的方法，中国专利CN1227875A 提出了一种消除磨削裂纹的新技术，其将需要磨削的渗碳合金钢零件在进行磨削前，通过简单的热处理工艺，消除或减少淬火马氏体组织，提高其强度并弥合显微裂纹，磨削裂纹得以消除，这种方法只适用于显微裂纹。中国专利CN1951623A提出了一种修理金属表面裂纹的方法，采用具有与裂纹表面弧度相同的弧形镶嵌件，通过依据裂纹制作模具，在弧形模具上标出裂纹走向，在裂纹走向线的两端部分上分别设置特殊螺栓，以防止裂纹继续扩展，延长了疲劳寿命，此方法需要制作特殊的螺栓和模具，操作复杂，制作成本高。目前较常用的裂纹修复方法是焊接，焊接采用的焊料破坏了基体组织性能的一致性，并且由于高温作业会使材料表面产生较大的残余拉应力，当结构件受到外力作用时，拉应力极易产生焊缝裂纹，断裂通常起源于焊缝裂纹。中国专利CN1288797A提出了一种黑色金属件的裂纹焊补方法，首先进行焊前处理，在裂纹区内先分段后分次的熔填金属，然后对每次熔填的金属实施机械锤击，通过变形消除其冷却收缩形成的拉应力，直至完成裂纹的焊补过程。该方法有效地防止了焊接后应力变形和二次裂纹的产生，但对焊料和待焊件的材料有着特殊的要求，未能广泛应用。中国专利CN101239432A提出了一种合金表面微小裂纹的止裂方法，其方法是在合金表面贴覆一层柔性贴膜作为止裂补丁，然后采用激光冲击喷丸技术进行止裂处理，但其光斑间距大，表面塑性变形不均匀，对于裂纹大于2mm的情况，此方法效果不明显。

上述方法大多只适用于微小表面裂纹的修复。事实上，微小表面裂纹在实际使用过程中很难发现，只有当裂纹超过5-10mm后才易被察觉，且裂纹一旦产生便很难完全修复，只能降低其继续扩展的速度，延长其安全使用寿命。因此急需一种安全，经济，环保的适用于含贯穿裂纹的薄壁件，降低其失效率的疲劳裂纹扩展控制和延寿的再制造方法。

发明内容

本发明目的是提供一种含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的激光喷丸延寿方法，受损航空薄壁件的初始裂纹长度为5mm-10mm，最长不得超过沿裂纹方向上航空薄壁件总长的一半；采用冷钻、挤压止裂孔与激光喷丸相结合的复合强化方式，即：同时在止裂孔孔壁和端面周围产生较深的残余压应力场，并且孔壁表层出现冷作硬化现象，本发明消除了受损航空薄壁件激光喷丸后沿厚度方向中心区域产生的拉应力场和裂纹尖端的应力集中，减轻拉应力加速裂纹扩展和引起新裂纹的负面影响，降低含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的裂纹扩展速率，并使裂纹产生闭合效应，大幅延长受损件的疲劳寿命。

一种含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的激光喷丸延寿的方法：首先，采用25%的浓氨水将受损件表面进行去氧化处理，用超声波清洗以获得清洁表面；然后，把受损航空薄壁件放置于冷却箱中的冷加工工作台上，工作温度为室温，选择润滑性较好的冷却液，将其注入冷却箱内，使液面高出工作台30mm-50mm，在裂纹尖端处钻Φ5-7mm的止裂孔；接着，采用与止裂孔H7/r6或H7/n6配合的挤压棒缓慢拉拔挤压止裂孔，使得止裂孔孔壁和裂纹尖端沿深度方向产生不可完全回复的塑性变形，使其出现冷作硬化层和残余压应力场；最后，将受损航空薄壁件装夹在五轴联动激光喷丸延寿系统的工作台上，选择能量5-20J，波长1064nm，光斑大小3-5mm，脉冲宽度6-10ns、功率密度2.55×10⁹GW/cm²-2.83×10¹⁰GW/cm²，重复频率1-10Hz的参数进行激光喷丸表面强化延寿处理；其工艺流程为：首先,采用光斑相切连续喷丸一次，工作台停止，更换绝缘黑胶带，转动丝杠使其沿两轴分别反向进给一个光斑半径；然后，启动工作台，工作台反向移动再连续喷丸一次；接着，试样反转180度，用相同的参数对试样背面进行处理，最终获得50%搭接率的双面连续激光喷丸延寿效果。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1. 通过冷钻、挤压止裂孔与多点双面连续激光喷丸技术相结合的复合强化方式，在止裂孔孔壁和端面周围同时产生较深残余压应力场，并且孔壁表层出现冷作硬化现象，消除了受损航空薄壁件激光喷丸后沿厚度方向中心区域产生的拉应力场和裂纹尖端的应力集中，减轻拉应力加速裂纹扩展和引起新裂纹的负面影响，降低含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的裂纹扩展速率，并使裂纹产生闭合效应，大幅延长受损件的疲劳寿命。

2. 本发明适用于各种钢材，铝合金，钛合金等航空材料，成本低，易于实现。

3. 本发明只需处理含裂纹区域，不需要对整个薄壁件进行处理，方便，高效。

4. 本发明在激光器和聚焦透镜中间放入数控光闸，避免激光器时断时开而造成脉冲激光束不稳定的现象。

5. 本发明采用了不易汽化且极易祛除的绝缘黑胶带作为涂层，有效的防治涂层汽化挥发粘接在约束层上从而影响下一点的喷丸效果。

6. 本发明整个处理过程中，无有害物产生，绿色，低碳，环保。

附图说明

图1、冷钻、挤压裂孔装置示意图。

图2、激光喷丸强化装置示意图。

图3、工序流程图。

图中，1，钻头；2，旋转刀架；3，挤压棒；4，受损航空薄壁件；5，冷却液；6，冷却箱；7，冷加工工作台；8，中央计算机；9，激光器控制器；10，脉冲激光器；11，激光束；12，数控光闸；13，聚焦透镜；14，约束层； 15，五轴联动激光喷丸延寿系统工作台；16，涂层；17，工作台、数控光闸联动控制器；18，初始裂纹；19，止裂孔；20，喷丸路径；21，激光光斑。

具体实施方式

结合附图，实现本发明的装置包括冷加工系统和激光喷丸延寿系统，其特征在于：所述的冷加工系统由钻头1，旋转刀架2，挤压棒3，冷却液5，冷却箱6，冷加工工作台7组成；受损航空薄壁件4装夹在冷加工工作台7上，冷加工工作台放置在冷却箱6中，冷却箱内注入冷却液5，使液面高出工作台30-50mm，旋转刀架放置在工作台正上方，钻头1和挤压棒3装在旋转刀架上2，并能转动90度换刀；所述的激光喷丸延寿系统由中央计算机8，激光器控制器9，脉冲激光器10，数控光闸12，聚焦透镜13，水约束层14，五轴联动激光喷丸延寿系统工作台15，涂层(绝缘黑胶带）16，工作台、数控光闸联动控制器17组成；中央计算机8发出指令控制激光控制器9和工作台、数控光闸联动控制器17；激光控制器9控制脉冲激光器10发出高功率密度，短脉冲激光束11，经聚焦透镜13聚焦后作用于受损航空薄壁件4，受损航空薄壁件装夹在五轴联动激光喷丸延寿系统工作台15上，工作台、数控光闸联动控制器17同时控制五轴联动激光喷丸延寿系统工作台和数控光闸12，数控光闸开启，激光束放行；数控光闸关闭，激光束阻断，五轴联动激光喷丸延寿系统工作台与数控光闸启停同步。

【实例】

试样为5mm厚的铝合金6061-T6航空薄板，贯穿裂纹长度为5.6mm。各工序如图3所示，采用25%的浓氨水将受损件表面进行去氧化处理并用超声波清洗以获得清洁表面。如图3a所示，把受损航空薄壁件4装夹在冷加工系统的工作台7上，选用Φ5mm的钻头1，在裂纹尖端钻止裂孔，得到如图3b所示的止裂孔19，刀架顺时针转动90度，使H7/r6或H7/n6配合的挤压棒3正对受损航空薄壁件，缓慢的拉拔，以保证足够的塑性应变，完成冷加工工序。然后把受损航空薄壁件4贴上100微米的绝缘黑胶带16作为涂层，约束层为水帘14，装夹在五轴联动激光喷丸延寿系统工作台15，激光控制器9控制脉冲激光器10发出高功率密度，短脉冲激光束11，经聚焦透镜13聚焦后作用在受损航空薄壁件4。具体参数为：能量10J，波长1064nm，光斑大小5mm，脉冲宽度8ns、功率密度5.1×10⁹GW/cm²，重复频率10Hz。首先启动激光器，待激光器达到稳定时，通过工作台、数控光闸联动控制器开启光闸，激光束11放行，工作台启动，然后按图3c所示的喷丸路径20以及激光光斑21相切的方式进行连续激光喷丸，完成后工作台停止，同时数控光闸阻断激光束，更换绝缘黑胶带，转动丝杠使其沿两轴分别反向进给一个光斑半径，再次启动工作台，按图3d所示的喷丸路径进行反向喷丸处理，接着试样反转180度，用相同的参数对试样背面进行处理，最终获得50%搭接率的双面连续激光喷丸延寿效果。

铝合金6061-T6薄板经上述延寿处理后，经X射线衍射仪测得受损区域裂纹尖端和止裂孔孔壁的平均残余压应力达到-219MPa，止裂孔周围表面的平均残余应力达到-196MPa，止裂孔孔壁产生约1.2mm厚冷作硬化层，其显微硬度从基体106HV达到了147HV，提高了38%。为了便于检测，把受损航空薄壁件制备成标准CT，采用最大载荷为10KN，应力比0.1的正弦拉拉载荷，经MTS疲劳试验机测试，裂纹扩展速率降低了32%，疲劳裂纹扩展寿命从73057次提高到130898次。结果表明该方法能有效地降低疲劳裂纹扩展速率，大幅延长疲劳寿命。

Claims

1.一种含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的激光喷丸延寿的方法，其特征在于：首先把受损航空薄壁件置于冷加工工作台上，在贯穿疲劳裂纹尖端钻止裂孔，然后用与止裂孔过盈配合的挤压棒挤压止裂孔孔壁，最后把受损航空薄壁件放置在五轴联动激光喷丸延寿工作台上，对裂纹尖端表面和止裂孔端面区域进行多点连续双面激光喷丸强化的复合强化方式对航空薄壁件裂纹尖端进行再制造加工，降低疲劳裂纹扩展速率，延长航空薄壁件的使用寿命。

2. 权利要求1所述的含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件的激光喷丸延寿的方法，其特征在于：止裂孔孔壁和裂纹尖端沿深度方向的冷作硬化层和残余压应力场由冷加工系统产生，裂纹尖端表面残余压应力场由激光喷丸延寿系统产生，具体为：

（A）采用25%的浓氨水对受损航空薄壁件表面进行去氧化处理，用超声波清洗以获得清洁表面；

（B）把受损航空薄壁件置于冷却箱中的冷加工工作台上，将冷却液注入冷却箱内，使液面高出工作台30mm-50mm，在裂纹尖端处钻Φ5-7mm的止裂孔，工作温度为室温；

（C）采用与止裂孔H7/r6或H7/n6配合的挤压棒拉拔挤压止裂孔，使止裂孔孔壁和裂纹尖端沿深度方向产生塑性变形，使其出现冷作硬化层和残余压应力场；

（D）将受损航空薄壁件装夹在激光喷丸延寿系统的工作台上，选择能量5-20J，波长1064nm，光斑大小3-5mm，脉冲宽度6-10ns、功率密度2.55×10⁹GW/cm²-2.83×10¹⁰GW/cm²，重复频率1-10Hz的参数进行激光喷丸表面强化延寿处理；首先,采用光斑相切连续喷丸一次，工作台停止，更换绝缘黑胶带，转动丝杠使其沿两轴分别反向进给一个光斑半径；然后，启动工作台，工作台反向移动再连续喷丸一次；接着，试样反转180度，用相同的参数对试样背面进行处理，最终获得50%搭接率的双面连续激光喷丸延寿效果。

3. 权利要求1或2所述的含贯穿疲劳裂纹航空薄壁件，其特征在于：初始裂纹长度为5mm-10mm，最长不得超过沿裂纹方向上航空薄壁件总长的一半。