CN103233105A - 一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法和装置 - Google Patents

一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法和装置，将紧固孔放置在水中，通过设置在紧固孔内的全反镜反射高功率小光斑的激光束，使其照射在紧固孔内壁的吸收层上，最终产生的冲击波能量直接作用于孔壁，产生高温高压的等离子体，等离子体爆炸后产生高压冲击波对紧固孔内壁进行强化。实施该方法的装置包括依次相连的激光器，激光器控制装置，水箱，五轴工作台，夹具Ⅰ，夹具Ⅱ，进给装置，全反镜和数控系统。本发明可形成更深的高幅残余压应力层以适应大交变载荷的恶劣工作环境，可应用于紧固孔水下激光微喷丸强化。

Description

一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法和装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法，以及实现这种方法的装置，特别适合于大交变载荷的工作环境恶劣的紧固孔内壁的强化。
背景技术
紧固孔是机械设备中常见的局部应力集中部位，在交变载荷作用下极易产生疲劳裂纹，从而导致设备的安全性、可靠性和使用寿命大大降低，增加维护的成本。紧固孔孔边应力集中和大量潜在裂纹是导致构件疲劳破坏的主要原因。因此，改善构件的疲劳性能关键就是要对紧固孔内壁强化以提高其的抗疲劳度。孔壁强化的均衡性是紧固孔强化的重要工艺要求。
目前，通常采用机械喷丸或冷挤压的方法对紧固孔进行强化处理。机械喷丸强化是利用高速弹流撞击设置在小孔内部的反射锥反弹后再撞击小孔内壁，使小孔内壁的表层材料发生屈服，产生塑性变形，形成一定厚度的残余应力层，提高小孔的强度和疲劳寿命；冷挤压法是利用钢球或者芯棒在外部压力作用下对小孔实施冷挤压，在挤压过程中，孔粗糙表面的波峰将塑性流动到波谷，在孔壁表层产生残余压应力的强化层，材料表层晶粒更加的细小密实，使得孔壁表面质量和强度大大提高，从而延长孔的疲劳寿命。但这两种方法除了不能处理小直径紧固孔的限制外还存在不能保证强化均衡性以及残余压应力层过浅的缺点。
激光冲击强化(LSP：又叫激光喷丸)是一种新型的材料表面强化技术，利用强激光诱导的冲击波力学效应对材料进行加工，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点。其形成的残余压应力层能有效地消除材料内部的应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力。大量的研究证明激光冲击强化技术是延长裂纹萌生时间降低裂纹扩展速度提高材料寿命的有效手段。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以及姜银方，钱晓明等人申报的专利号为201010510712.X的中国专利，名称为一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置，都提出了应用激光冲击波对小孔内壁进行强化的方法。
但由于采用反射冲击波的方式强化孔壁时，一部分冲击波能量会被反射锥吸收，因此使得作用于孔壁的冲击波能量减小，不能产生足够深度的残余压应力层以适应大交变载荷的恶劣工作环境。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法和装置，在紧固孔孔壁形成更深的高幅残余压应力层以适应大交变载荷的恶劣工作环境。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法，其特征在于将紧固孔放置在水中，通过设置在紧固孔内的全反镜反射高功率小光斑的激光束，使其照射在紧固孔内壁的吸收层上，最终产生的冲击波能量直接作用于孔壁，产生高温高压的等离子体，等离子体爆炸后产生高压冲击波对紧固孔内壁进行强化，具体步骤如下：(1)通过进给装置的进给周期和五轴工作台的运动使每次激光冲击后工件绕紧固孔轴线旋转从而实现整个紧固孔周向的强化；(2)当五轴工作台转过一周后，进给装置上移，然后重复之前的步骤完成下一层的强化；重复步骤(1)、(2)，沿小孔内壁由下至上逐层强化，直到实现紧固孔孔壁全部强化为止。
将高功率、小光斑的激光束作为产生高压冲击波的能量源，其中所述激光束的光斑直径为0.2–1 mm，脉冲能量为0.5–2 J，脉宽为10-30 ns。
径向转动角速度为                                                ，其中
Figure 201310175958X100002DEST_PATH_IMAGE002
为紧固孔半径，
Figure 201310175958X100002DEST_PATH_IMAGE003
为激光束光斑直径，
Figure 201310175958X100002DEST_PATH_IMAGE004
为激光束频率，确保激光冲击径向搭接率为50%，轴向移动步长为D/2，D为激光束光斑直径，确保激光冲击轴向搭接率为50%。
包括依次相连的激光器、激光器控制装置、水箱、五轴工作台、夹具Ⅰ、夹具Ⅱ、进给装置、全反镜和数控系统；其中夹具Ⅱ安装在五轴工作台上；夹具Ⅰ通过进给装置连接在五轴工作台上；全反镜安装在夹具Ⅱ上；激光器位于五轴工作台对面；数控系统控制激光器的输出脉冲，进给装置的进给周期和五轴工作台的运动；全反镜与水平面的夹角为45°，使垂直的激光束反射到紧固孔孔壁上。
本发明专利工艺创新在于将紧固孔放置在水中，通过设置在紧固孔内的全反镜反射高功率、小光斑的激光束，使其照射在紧固孔内壁的吸收层上，最终产生的冲击波能量直接作用于孔壁，水作为约束层，从而形成更深的高幅残余压应力。
本发明所述的小光斑激光冲击效果衰减率为1/r2，r为激光束半径，是球面波效应，其原理创新在于小光斑搭接冲击形成大规模球面冲击波效应，容易形成大面积残余应力一致性分布。
使用该装置的具体步骤为：
(1)   将五轴工作台置于水箱内；
(2)   将工件安装在夹具Ⅰ上，并在紧固孔内壁涂上吸收层（黑漆），然后将全反镜安装在夹具Ⅱ上，保证全反镜与水平面夹角为45°；
(3)   通过激光器控制装置设定激光器的输出脉冲能量(0.5–2 J)，光斑直径(0.2–1 mm)和脉宽(10-30 ns)；
(4)   通过数控系统调节五轴工作台使入射激光束与紧固孔同轴并且激光束的焦点位于全反镜上；
(5)   通过数控系统调节进给装置，使全反镜反射的激光束与紧固孔下端面共面；
(6)   往水箱中加入自来水，使水箱内自来水液面高度超出紧固孔上表面5-10 mm，然后打开激光器，对待强化紧固孔内壁进行强化；
(7)   通过数控系统调节五轴工作台，使每次激光冲击后工件绕紧固孔轴线旋转从而实现整个紧固孔周向的强化；当五轴工作台转过一周后，进给装置上移，然后重复之前的步骤完成下一层的强化；重复上面两步，可以实现对待强化小孔内壁由下至上逐层强化。
本发明的有益效果如下：
(1)     激光微喷丸强化能形成更深的高幅残余压应力层以适应恶劣的工作环境（大交变载荷）；
(2)   通过数控系统协调激光脉冲，五轴工作台和进给装置之间的配合，有利于保证紧固孔强化的均衡性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为小孔内壁高效激光冲击强化装置结构的示意图。
图中：1. 激光器，2. 激光器控制装置，3. 夹具Ⅰ，4. 进给装置，5. 五轴工作台，6. 夹具Ⅱ，7. 工件，8. 全反镜，9. 吸收层，10.水箱，11. 紧固孔，12. 入射激光束，13. 数控系统。
具体实施方式
下面结合附图详细描述一下本发明的具体内容。
实施例一：
一种紧固孔激光微喷丸强化装置，如图1所示，包括：激光器1，激光器控制装置2，水箱10，五轴工作台5，夹具Ⅰ3，夹具Ⅱ6，进给装置4，全反镜8和数控系统13。
夹具Ⅱ6安装在五轴工作台5上；夹具Ⅰ3通过进给装置4连接在五轴工作台5上；全反镜7安装在夹具Ⅱ6上；激光器1位于五轴工作台5对面；水箱10位于五轴工作台5下方；数控系统13控制激光器1的输出脉冲，进给装置4的进给周期和五轴工作台5的运动。
实施例二：
实施一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法的具体步骤为： 
(1) 将五轴工作台5置于水箱10内；
(2) 将工件7安装夹具Ⅰ3上，并在紧固孔11内壁涂上吸收层（黑漆）9，然后将全反镜8安装在夹具Ⅱ6上，保证全反镜8与水平面夹角为45°；
(3) 通过激光器控制装置2设定激光器1的脉冲能量为0.5 J，光斑直径D为0.2 mm和脉宽为10 ns；
(4) 通过数控系统13调节五轴工作台5使入射激光束12与紧固孔11同轴并且激光束12的焦点位于全反镜8上；
(5) 通过数控系13调节进给装置4，使全反镜8反射的激光束与紧固孔11的下端面共面；
(6) 往水箱10内加入自来水，使水箱10内自来水液面高度超出紧固孔11上表面5-10 mm，然后打开激光器1，对紧固孔11进行强化；
(7) 通过数控系统13调节五轴工作台5，使每次激光冲击后工件7绕紧固孔11的轴线旋转从而实现整个紧固孔11周向的强化，旋转角速度为
Figure 530825DEST_PATH_IMAGE001
（其中
Figure 592322DEST_PATH_IMAGE002
为紧固孔半径，
Figure 876672DEST_PATH_IMAGE003
为激光束光斑直径，
Figure 351516DEST_PATH_IMAGE004
为激光束频率）；当五轴工作台5转过一周后，进给装置4上移，上移步长为D/2（D为激光束光斑直径），然后重复之前的步骤完成下一层的强化；重复上面两步，可以实现对紧固孔11内壁由下至上逐层强化。
实施例三：
将实施例二中的高功率脉冲激光器1参数改变为脉冲能量1 J，光斑直径为0.5 mm 和脉宽为20 ns，其他方法和步骤不变。
实施例四：
将实施例二中的高功率脉冲激光器1参数改变为脉冲能量2 J，光斑直径为1 mm 和脉宽为30 ns，其他方法和步骤不变。

Claims (4)

1. 一种紧固孔水下激光微喷丸强化的方法，其特征在于将紧固孔放置在水中，通过设置在紧固孔内的全反镜反射高功率小光斑的激光束，使其照射在紧固孔内壁的吸收层上，最终产生的冲击波能量直接作用于孔壁，产生高温高压的等离子体，等离子体爆炸后产生高压冲击波对紧固孔内壁进行强化，具体步骤如下：(1)通过进给装置的进给周期和五轴工作台的运动使每次激光冲击后工件绕紧固孔轴线旋转从而实现整个紧固孔周向的强化；(2)当五轴工作台转过一周后，进给装置上移，然后重复之前的步骤完成下一层的强化；重复步骤(1)、(2)，沿小孔内壁由下至上逐层强化，直到实现紧固孔孔壁全部强化为止。
2. 一种如权利要求1所述的紧固孔水下激光微喷丸强化的方法，其特征在于：将高功率、小光斑的激光束作为产生高压冲击波的能量源，其中所述激光束的光斑直径为0.2–1 mm，脉冲能量为0.5–2 J，脉宽为10-30 ns。
3. 一种如权利要求1所述的紧固孔水下激光微喷丸强化的方法，其特征在于：径向转动角速度为                                               ，其中为紧固孔半径，
Figure 201310175958X100001DEST_PATH_IMAGE006
为激光束光斑直径，
Figure 201310175958X100001DEST_PATH_IMAGE008
为激光束频率，确保激光冲击径向搭接率为50%，轴向移动步长为D/2，D为激光束光斑直径，确保激光冲击轴向搭接率为50%。
4. 一种实施权利要求1所述的紧固孔水下激光微喷丸强化的方法的装置，其特征在于：包括依次相连的激光器、激光器控制装置、水箱、五轴工作台、夹具Ⅰ、夹具Ⅱ、进给装置、全反镜和数控系统；其中夹具Ⅱ安装在五轴工作台上；夹具Ⅰ通过进给装置连接在五轴工作台上；全反镜安装在夹具Ⅱ上；激光器位于五轴工作台对面；数控系统控制激光器的输出脉冲，进给装置的进给周期和五轴工作台的运动；全反镜与水平面的夹角为45°，使垂直的激光束反射到紧固孔孔壁上。
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