CN102517423A - 一种小孔强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小孔强化方法，先采用大光斑大能量的激光对金属板件待开孔表面进行冲击强化，使金属板件沿厚度方向较深处产生残余压应力，再用小光斑小能量的激光对金属板件待开孔位置四周的表面进行二次冲击强化，使金属板件表面产生较好的残余压应力，最后进行打孔，这样金属板件小孔从表面到内壁较深处都获得较好的残余压应力。本方法解决了采用单一大光斑大能量激光对小孔进行强化可能会在金属板件表面产生残余拉应力的问题，提供了一种新的小孔强化工艺，提高了金属板件上小孔的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能，且操作简单方便、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指用采用大光斑大能量激光冲击与小光斑小能量激光冲击相结合的方法对金属板件进行强化，特别适合于需要进行开孔的金属板件的强化。
背景技术
在机械领域中，孔占有重要的位置，很多机械零件都需要进行开孔处理，特别是飞机上的零件更是要开上千个孔，这些孔就成了零件的薄弱环节，因此需要采用一定的方法进行强化。传统采用机械喷丸的方法对孔壁进行强化，即在孔内设置一带有锥角的反射装置，将高速运动的弹丸喷射到反射装置上，使弹丸在反射锥及孔壁之间进行撞击，从而对孔壁起到强化效果。但该方法受孔径尺寸的限制，进入孔中弹丸的数量及孔壁的强化位置均不易控制，其强化层的分布可能不均匀，特别是当孔径小到一定程度时，就不能进行机械喷丸强化了，所以这种强化方法存在着一定的局限性。
激光冲击强化是一种先进的材料强化方法，可以通过调节激光的光斑、能量等参数来控制强化深度和效果。通过实验发现，先强化后开孔的效果要好于先开孔后强化的效果。
专利申请号为200610096476.5的发明专利，发明名称为：一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，提出了在已开孔的金属板件孔径内插入反射锥，在反射锥的锥面上涂上能量吸收层和约束层，再对孔壁进行激光冲击强化。该方法与机械喷丸相比不受孔径大小的限制，且可使得强化层均匀，但由于是先开孔再强化，激光会对小孔造成一定的变形，从而影响孔的精度。从实验结果来看，若采用大光斑、大能量激光进行强化，则金属板件孔壁较深处会取得较好的残余压应力，但金属板件表面可能会产生有害的残余拉应力；若采用小光斑、小能量的激光进行强化，则金属板件孔壁较深处起不到强化效果，因此该方法不能使金属板件表面到孔壁较深处同时获得较好的残余压应力。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的小孔强化方法，克服了传统机械喷丸强化受孔径大小控制的局限性和强化层位置难以控制的缺点，解决了先开孔后激光冲击强化可能会对小孔造成的变形的问题，由于单一使用大光斑、大能量激光或小光斑、小能量激光进行强化无法实现金属板件从表面到孔壁较深处均产生较好的残余压应力效果，对这一问题提出了一种新的强化方法，即先采用大光斑大能量的激光对金属板件待开孔表面进行强化，使金属板件沿厚度方向较深处产生残余压应力，再用小光斑小能量的激光对金属板件待开孔位置四周的表面进行二次强化，使其表面产生较好的残余压应力，最后进行孔加工，这样金属板件小孔从表面到内壁较深处都获得较好的残余压应力。
本发明的具体步骤是：首先对金属板件进行预处理，在其要开孔部位贴上能量吸收层，在能量吸收层外贴上约束层，用夹具将金属板件固定在数控工作台上；调节激光器的参数至大光斑大能量，并编程控制数控工作台的运行路径，对金属板件待开孔部位进行一次或数次激光冲击强化；强化完成后调节激光器的参数至小光斑小能量，通过编程控制数控工作台的运行路径，使激光的冲击过程绕待开小孔位置一周，且小光斑呈多点搭接分布，对金属板件表面进行二次强化；强化完成后对金属板件进行后处理；最后用钻床对金属板件预定位置进行开孔。
本发明的有益效果是：
（1）采用大光斑大能量的激光对金属板件待开孔表面进行强化，使金金属板件沿厚度方向较深处产生残余压应力，然后进行开孔，再用小光斑小能量的激光对金属板件小孔四周的表面进行二次强化，使金属板件表面产生较好的残余压应力，这样金属板件小孔从表面到内壁较深处都获得了较好的残余压应力；
（2）采用先强化后开孔的方法，避免了先强化后开孔过程中激光可能会对小孔造成的变形；
（3）采用激光冲击强化的方法，激光的参数和强化位置都可以方便进行调节，可以满足不同的强化需要；
（4）解决了采用单一大光斑大能量激光对小孔进行强化可能会在金属板件表面产生残余拉应力的问题，提供了一种新的小孔强化工艺，提高了金属板件上小孔的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能；
（5）操作简单方便、效率高。
附图说明
图1 激光冲击强化示意图。
图2激光冲击强化大光斑、小光斑及小孔位置分布示意图。
图3厚度方向激光冲击强化后残余应力分布曲线。
图4上表面激光冲击强化后残余应力分布曲线。
图中标记：1、激光束，2、铝箔，3、水，4、金属板件，5、大光斑，6、小光斑，7、小孔，
11、第一次冲击后厚度方向残余应力曲线分布，12、第二次冲击后厚度方向残余应力曲线分布，13、第一次冲击后上表面残余应力曲线分布，14、第二次冲击后上表面残余应力曲线分布。
具体实施方案
本实例中采用5mm后的金属板件4，需要开孔的孔径大小为2.6mm。如图1所示，将金属板件4的表面进行预处理，然后将金属板件4带开孔部位的表面贴上铝箔2作为能量吸收层，用夹具将金属板件4固定在数控工作台上。对数控工作台的运行路径进行编程，以使激光器刚好可以对金属板件4的待开孔部位进行强化。调节激光器的参数至大光斑大能量，具体参数如下：光斑直径7.8mm，能量为10G，脉冲宽度20.1ns，波长1.054μm。使用水3作为约束层，使水3匀速流过铝箔2表面。控制激光器对金属板件4预定位置进行激光冲击，如图1所示，激光诱导会产生冲击波，冲击波产生后，等离子体迅速膨胀，但其被限制在金属表面和约束层之间，从而产生一个向金属内部传播的冲击压缩波，该冲击压缩波就会对金属表面产生强化作用。第一次强化完成后，会使得金属板件4沿厚度方向较深处获得较好的残余压应力。通过编程控制数控工作台的工作路径，使激光器可以绕小7四周进行，且小光斑呈多点搭接分布。然后调节激光器的参数至小光斑小能量，其具体参数如下：光斑直径1mm，能量为2G，脉冲宽度20.1ns，波长1.054μm。使水3匀速流过铝箔2表面，控制激光器对待开小孔预留位置四周进行二次激光冲击强化，总共冲击23点（如图2所示），本实例中采取搭接率为50%。冲击完成后将金属板件4从数控工作台取下，去除金属板件4表面铝箔，对金属板件4进行后处理。用钻床对金属板件4进行打孔，孔径大小为2.6mm。此时金属板件4上的小孔7从表面到孔壁较深处都获得了较好的残余压应力。
结合图3说明本方法可以实现的强化效果。当光斑及能量较大时，会在金属板件较深处产生较好的残余压应力，但其表面易产生有害的残余拉应力；当光斑及能量较小时，只是在金属板件的表面获得一定的残余压应力，对金属板件较深处则无明显强化效果，甚至产生了有害的残余拉应力。故本发明方法先采用大光斑大能量使金属板件较深处产生残余压应力，随后对孔的四周预开孔位置用小光斑小能量的激光进行二次强化，消除了金属板件表面可能存在的残余拉应力，使其变为有益的残余压应力，此时金属板件深处的残余压应力可能有所减少，但由于是小光斑小能量，所以其使金属板件深处压应力减少的数值有限，故可保证金属板件较深处依旧是残余压应力，再对金属板件进行打孔，这样金属板件从表面到孔壁厚度方向较深处都获得了较好的残余压应力。由图中曲线12可以看出叠加后获得较好的残余压应力综合效果。
结合图4说明本方法可以实现的强化效果。当光斑及能量较大时，会在金属板表面离小孔边缘较近处产生有害的残余拉应力；而当光斑及能量较小时，属板表面离小孔边缘较近处会产生较好的残余压应力。故本发明方法先采用大光斑大能量使金属板件较深处产生残余压应力，此时离预开小孔边缘较近区域表面会产生残余拉应力，随后对预开孔位置四周用小光斑小能量的激光进行二次强化，消除了金属板件表面可能存在的残余拉应力，使其变为有益的残余压应力，这样使得金属板件开完孔后离小孔边缘一定距离范围内的表面都处在残余压应力状态，且小孔壁厚度方向较深处也维持较好的残余压应力。由图中曲线14可以看出叠加后获得较好的残余压应力综合效果。
Claims (4)
1.一种小孔强化方法，其特征在于，采用半径为5mm-12mm的大光斑、10J-60J的大能量激光冲击与2mm-5mm小光斑1J-15J小能量激光冲击相结合的方法对金属板件进行强化,其具体步骤为：
A) 对金属板件进行预处理，在其要开孔部位贴上能量吸收层，在能量吸收层外贴上约束层，用夹具将金属板件固定在数控工作台上；
B) 调节激光器的参数至半径为5mm-12mm的大光斑、10J-60J的大能量，并编程控制数控工作台的运行路径，对金属板件待开孔部位进行一次激光冲击强化；
C) 调节激光器的参数至2mm-5mm小光斑1J-15J小能量，通过编程控制数控工作台的运行路径，冲击路径为绕待开小孔位置一周，且小光斑呈多点搭接分布，对金属板件表面进行二次强化；
D) 强化完成后对金属板件进行后处理；
E) 对金属板件预定位置进行孔加工。
2.根据权利要求1所述的一种小孔强化方法，其特征在于，所述吸收层使用铝箔、黑漆或黑胶带。
3.根据权利要求1所述的一种小孔强化方法,其特征在于，所述约束层使用水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂。
4.根据权利要求1所述的一种小孔强化方法,其特征在于，用小光斑小能量进行强化，冲击路径为绕待开小孔位置一周，其中心预留未冲区域直径大小与待加工小孔直径的大小相当。
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