CN103276159A - 一种环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法和装置，首先在紧固孔内壁涂上能量吸收层材料，将反射锥同轴置于紧固孔内部，将待加工工件的紧固孔置于水下；环形激光通过反射锥反射在涂有能量吸收层材料的紧固孔孔壁上，诱导等离子体爆炸产生冲击波作用在紧固孔内壁，从而对紧固孔当前圆周进行强化；通过移动反射锥完成对整个孔壁的强化。本发明适用于强化小直径圆柱状紧固孔，能量吸收涂层直接涂在孔壁，能量利用率高，通过环形激光一次加工一个圆周，方便连续作业，强化效果良好，可应用于紧固孔孔壁强化和改性。

Description

一种环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法和装置

技术领域

本发明涉及紧固孔孔壁强化和改性领域，特指一种用于环形激光水下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圆柱状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Darrl 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 6189356B1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，丸粒在紧固孔的另一端喷入，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。姜银方，钱小明等人申报的专利号为201010510712.X的中国专利，该装置将一根头部为斜面的能量吸收杆塞入紧固孔，然后通过激光冲击诱导斜面上的等离子体爆炸作用到孔的内壁，由于能量吸收杆是由高激光吸收率的材料制成，所以对孔壁的冲击力较小，强化效果不理想，而且对能量吸收杆长时间的照射也容易使能量吸收杆损坏，不利于连续作业。

发明内容

本发明的目的是要提供一种环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法和装置，在紧固孔内壁形成高幅残余压应力层，大幅延长紧固孔使用寿命。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法，其特征在于，将反射锥(8)同轴置于紧固孔内部，将工件置于水中；高功率环形激光(5)通过圆锥形的反射锥(8)反射在涂有能量吸收层材料的紧固孔孔壁上，诱导等离子体(13)爆炸产生冲击波作用在紧固孔内壁，具体步骤如下：

（1）根据需要强化的紧固孔的直径D制作相应尺寸的头部为圆锥面的反射锥8，使其与紧固孔同轴并沿紧固孔轴向运动不影响能量吸收涂层；

（2）将反射锥8安装在进给机构A9上，工件安装在夹具10上，反射锥8置于待加工孔底部，并使反射锥8与待加工孔同轴；整个工作台11、进给机构A9、进给机构B14、夹具10、反射锥8、工件7置于放有水12的水槽15中；

（3）调节高功率脉冲激光器2参数，环形激光5参数，使参数满足实验要求；其中高功率脉冲激光器2参数包括：激光脉冲能量为5-20 J、激光脉宽为10-30 ns、发射频率为10-50Hz；

（4）高功率脉冲激光器2输出的激光通过光斑调节装置4输出环形激光5，经过反射锥8反射在紧固孔孔壁，反射激光脉冲6在紧固孔孔壁上诱导的等离子体13爆炸产生的冲击波使反射激光脉冲6所在位置的孔壁得到强化；

（5）将反射锥8向上运动到一个新位置，重复步骤(1)-(4)，直到反射锥中心与紧固孔上沿在同一水平面上为止，实现整个紧固孔孔壁的强化。

所述的环形激光5参数包括：环形光斑内径D1、环形光斑外径D2，其中D1=25%*(D-1)，D2=75%*(D-1)。

包括控制系统1、高功率脉冲激光器2、45°全反镜3，光斑调节装置4、头部为圆锥形的反射锥8、进给机构A9、进给机构B14、夹具10、工作台11；其中高功率脉冲激光器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4，光斑调节装置4正对反射锥8的锥面，反射锥8下端安装在进给机构A9上，反射锥8上端置于工件7的待强化孔内，工件7安装在夹具10上，夹具10安装在经给机构B14上，进给机构A9与进给机构B14安装与工作台11上，整个工作台11，进给机构A9，进给机构B14，夹具10，反射锥8，工件7置于放有水12的水槽15中；所述控制系统1分别与高功率脉冲激光器2、工作台11、光斑调节装置4相连。

所述反射锥8由对激光波长反射率高的材料制成，头部圆锥面的角度为2                                                

，

=45°，反射锥8外圆直径小于待加工紧固孔的直径1mm为D-1。

本发明的工艺创新在于在水中环形激光辐射到圆锥形反射锥全反到紧固孔内壁，紧固孔内壁吸收激光能量汽化成等离子体，在水约束模式下对紧固孔内壁进行强化，在紧固孔内壁形成均匀的高幅残余压应力层，延长紧固孔的使用寿命。

本发明的优点：（1）能量吸收层涂在孔壁上，激光脉冲能量利用率高；（2）该方法将激光在孔壁诱导等离子体爆炸，使孔内壁产生严重塑性变形，从而引起比一般强化更深的高幅残余压应力，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，绿色环保。

附图说明

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. 控制系统，2. 高功率脉冲激光器，3. 45°全反镜，4. 光斑调节装置，5. 环形激光，6. 经反射锥反射的激光脉冲，7. 工件，8. 反射锥，9. 进给机构A，10. 夹具，11. 工作台，12. 水，13. 等离子体，14. 进给机构B，15. 水槽。

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。

实施例一：

本发明进行紧固孔的激光冲击强化装置包括：控制系统1，高功率脉冲激光器2，45°全反镜3，光斑调节装置4，反射锥8，进给机构A9，夹具10，工作台11，进给机构B14；光斑调节装置4设于工作台11正上方，进给机构A9设于工作台11中间，进给机构B14设于工作台11一侧，进给机构A9和B14上设有夹具，反射锥安装在进给机构A9的夹具上工作台11，进给机构A9，进给机构B14，夹具10，反射锥8，工件7置于放有水12的水槽15中；高功率脉冲激光器2，光斑调节系统4，工作台11分别与控制系统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4输出环形激光5，再经过反射锥8反射在孔壁上诱导等离子体13爆炸产生冲击波强化紧固孔内壁；反射锥8由对激光波长反射率高的材料制成，头部带有角度为2的圆锥面，

=45°，反射锥外圆直径小于待加工紧固孔内径1 mm，保证圆锥形反射锥与紧固孔同轴并沿紧固孔轴向运动并且孔壁上能量吸收层不受影响，约束层为水。

本发明的原理见图2，将头部带有圆锥面的反射锥8置于紧固孔并使反射锥与紧固孔同轴，采用高功率环形激光5将反射锥8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5通过反射锥8反射在紧固孔内壁上，诱导内壁上等离子体13爆炸，爆炸受水12约束，产生的冲击波使紧固孔内壁的材料发生塑性变形，从而引入高幅残余压应力来强化紧固孔。

实施例二：

本发明的具体实施步骤为：根据需要强化的紧固孔的尺寸制作相应尺寸的头部角度为2

的圆锥面的反射锥8，其直径小于紧固孔直径1 mm为D-1 mm，保证反射锥8与紧固孔同轴并沿紧固孔轴向运动且不影响孔壁上的能量吸收涂层；将工件7和反射锥8别安装在两个进给机构上，将反射锥8塞入需要强化的紧固孔中并调节反射锥8至紧固孔底部，然后调节两个进给机构，使反射锥8的头部圆锥面调节到激光焦点光斑的位置，整个紧固孔置于水下；根据加工要求调节高功率脉冲激光器2参数，环形激光5参数和经给机构参数，使参数满足试验要求；所述高功率脉冲激光器2参数包括：激光脉冲能量为5J、激光脉宽为10 ns、发射频率为10 Hz；所述环形脉冲激光5参数包括：环形光斑内径D1=25%*（D-1）、环形光斑外径D2=75%*(D-1)；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；控制系统1控制高功率脉冲激光器2和两个进给机构的配合运行；高功率脉冲激光器2输出的激光通过光斑调节装置4输出环形激光5，通过反射锥8反射在紧固孔内壁上，经反射锥反射的激光脉冲6在孔壁上诱导产生的等离子体13爆炸产生的冲击波使激光照射深度的紧固孔内壁得到强化，控制系统1控制进给机构A8向上运动到一个新的位置，从而使紧固孔和反射锥的相对位置发生改变，使孔壁的另一个深度的位置得到强化。这样通过反射锥运动的方式，实现整个孔壁的强化。

实施例三：

将实施例二中的高功率脉冲激光器2参数改变为激光脉冲能量为10J、激光脉宽为20 ns、发射频率为25 Hz，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2参数改变为激光脉冲能量为20J、激光脉宽为30 ns、发射频率为50 Hz，其他方法和步骤不变。

Claims (4)

1. 一种环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法，其特征在于，将反射锥(8)同轴置于紧固孔内部，将工件置于水中；高功率环形激光(5)通过圆锥形的反射锥(8)反射在涂有能量吸收层材料的紧固孔孔壁上，诱导等离子体(13)爆炸产生冲击波作用在紧固孔内壁，具体步骤如下：

（1）根据需要强化的紧固孔的直径D制作相应尺寸的头部为圆锥面的反射锥（8），使其与紧固孔同轴并沿紧固孔轴向运动不影响能量吸收涂层；

（2）将反射锥(8)安装在进给机构A(9)上，工件安装在夹具(10)上，反射锥(8)置于待加工孔底部，并使反射锥(8)与待加工孔同轴；整个工作台(11)、进给机构A(9)、进给机构B(14)、夹具(10)、反射锥(8)、工件(7)置于放有水(12)的水槽(15)中；

（3）调节高功率脉冲激光器(2)参数，环形激光(5)参数，使参数满足实验要求；其中高功率脉冲激光器(2)参数包括：激光脉冲能量为5-20 J、激光脉宽为10-30 ns、发射频率为10-50Hz；

（4）高功率脉冲激光器(2)输出的激光通过光斑调节装置(4)输出环形激光(5)，经过反射锥(8)反射在紧固孔孔壁，反射激光脉冲(6)在紧固孔孔壁上诱导的等离子体(13)爆炸产生的冲击波使反射激光脉冲(6)所在位置的孔壁得到强化；

（5）将反射锥(8)向上运动到一个新位置，重复步骤(1)-(4)，直到反射锥中心与紧固孔上沿在同一水平面上为止，实现整个紧固孔孔壁的强化。

2. 一种如权利要求1所述的环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法，其特征在于：所述的环形激光(5)参数包括：环形光斑内径D1、环形光斑外径D2，其中D1=25%*(D-1)，D2=75%*(D-1)。

3. 一种实施权利要求1所述的环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法的装置，其特征在于：包括控制系统(1)、高功率脉冲激光器(2)、45°全反镜(3)，光斑调节装置(4)、头部为圆锥形的反射锥(8)、进给机构A(9)、进给机构B(14)、夹具(10)、工作台(11)；其中高功率脉冲激光器(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(4)，光斑调节装置(4)正对反射锥(8)的锥面，反射锥(8)下端安装在进给机构A(9)上，反射锥(8)上端置于工件(7)的待强化孔内，工件(7)安装在夹具(10)上，夹具(10)安装在经给机构B(14)上，进给机构A(9)与进给机构B(14)安装与工作台(11)上，整个工作台(11)，进给机构A(9)，进给机构B(14)，夹具(10)，反射锥(8)，工件(7)置于放有水(12)的水槽(15)中；所述控制系统(1)分别与高功率脉冲激光器(2)、工作台(11)、光斑调节装置(4)相连。

4. 一种如权利要求3所述的环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的装置，其特征在于，所述反射锥(8)由对激光波长反射率高的材料制成，头部圆锥面的角度为2                                               

，

=45°，反射锥(8)外圆直径小于待加工紧固孔的直径1mm为D-1。

Images