CN103468925A - 一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置，根据榫槽底部的几何特征，采用光路变换系统将激光束的圆形光斑变为高功率密度的条形光斑，同时在榫槽底部的两个端面分别设置导流喷射装置和抽水装置以实现均匀稳定的水约束层对榫槽底部平面进行激光冲击强化。本发明能有效避免“等离子体屏蔽”效应和水约束层不均匀、不稳定现象，保证榫槽底部平面强化的质量，可应用于飞机叶片榫槽底部平面强化。

Description

一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化技术，提高飞机叶片与叶盘连接的可靠性，延长其使用寿命。
背景技术
发动机是飞机的动力，也是飞机的心脏。叶片是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，加工难度大，一直以来是各发动机厂的生产的关键，被称为“心脏的心脏”。飞机叶片通过叶片底部的榫头与叶盘上的榫槽连接，因此飞机叶片榫头的榫槽底部是典型的应力集中区域。发动机工作时，疲劳裂纹容易在榫槽底部平面上萌生和扩展，导致叶片松动、振动或失衡，从而影响发动机的安全性、可靠性和使用寿命大大降低，增加维护的成本。因此，对榫槽底部平面进行表面强化处理，降低磨损，抑制疲劳裂纹的萌生和扩展至关重要。
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。
但由于飞机叶片榫头的榫槽底部通常很窄，只有几毫米。在进行激光冲击强化时，激光束会首先照射到榫槽底部侧壁产生等离子体，从而形成“等离子体屏蔽”效应，阻碍激光束照射到榫槽底部平面，影响激光冲击强化的效果。同时，由于水流的附壁效应显著，在榫槽底部内难以形成均匀稳定的水约束层从而也会对激光冲击强化效果造成影响。而榫槽底部是容易产生失效的部位，尤其需要进行表面强化处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法和装置，避免“等离子体屏蔽”现象，且实现均匀稳定的水约束层，提高激光冲击强化效果。
为解决上述技术问题，本发明根据榫槽底部的几何特征，采用光路变换系统将激光束的圆形光斑转换为高功率密度的条形光斑对榫槽底部平面进行激光冲击强化，且在榫槽底部的两个端面分别设置导流喷射装置和抽水装置以实现均匀稳定的水约束层，具体技术方案如下：
一种飞机叶片榫槽底部激光冲击强化方法，其特征在于：根据榫槽底部的几何特征，采用光路变换系统将圆形光斑激光束转换为高功率密度的条形光斑激光束对覆盖有吸收层的榫槽底部平面进行激光冲击强化；同时采用导流喷射装置和抽水装置，分别控制榫槽底部进水端和出水端的水流参数，在榫槽底部内形成稳定1-1.5mm均匀的水约束层；
所述的条形光斑激光束宽度为0.5-1mm，长度为7-14mm，脉冲能量为5-12J，脉冲宽度为10-30ns。
一种实施所述飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法的装置，其特征在于：包括激光器(10)，激光器控制装置(11)，光路变换系统(13)，五轴工作台(19)，夹具Ⅰ(23)，夹具Ⅱ(22)，夹具Ⅲ(21)，水箱(27)，导流喷射装置(26)，输水软管(25)，喷头(24)，抽水管头(16)，抽水软管(20)，水泵(17)和水槽(18)；夹具Ⅰ(23)、夹具Ⅱ(22)和夹具Ⅲ(21)安装在五轴工作台(19)上，夹具Ⅱ(22)位于夹具Ⅰ(23)与Ⅲ(21)之间，喷头(24)安装在夹具Ⅰ(23)顶部，喷头(24)与导流喷射装置(26)通过输水软管(25)相连，导流喷射装置(26)的进水管与水箱(27)相接，抽水管头(16)安装在夹具Ⅲ(21)顶部，抽水管头(16)通过抽水软管(20)与水泵(17)相连，水泵(17)出水口与水槽(18)相连，激光器(10)位于五轴工作台(19)正上方，光路变换系统(13)位于激光器(10)与五轴工作台(19)之间。
导流喷射装置(26)用于控制水流的压力和流量，控制压力值范围在0.1-0.3MPa之间，进口流量范围在0.8×10-5-2.0×10-5m3/s之间。
所述的水泵出口流量范围为0.8×10-5-2.0×10-5m3/s，使榫槽底部内水约束层进出流量相等，确保水膜均匀。
所述的喷头(24)为扁平状，所述喷头(24)的端面出水口宽度为1.5mm，长度为10mm。
所述的抽水管头(16)为扁平状，所述抽水管头(16)的端面出水口宽度为1.5mm，长度为10mm。
使用该装置的具体步骤为：
·在叶片榫槽底部平面涂上黑漆或铝箔吸收层，然后将叶片安装在夹具Ⅱ上，使榫槽底部平面保持水平；
·将喷头安装在夹具Ⅰ顶部，使喷头出水口端面与榫槽底部的一个端面紧贴，并且喷头出水口底面与榫槽底部平面位于同一平面，两个侧面均位于榫槽底部侧面外；
·用输水软管连接喷头和导流喷射装置，再将导流喷射装置的进水管接水箱；
·将抽水管头安装在夹具Ⅲ顶部，使抽水管头进水口端面与榫槽底部的另一个端面紧贴，并且抽水管头进水口底面与榫槽底部平面位于同一平面，两个侧面均位于榫槽底部侧面外；
·用抽水软管连接抽水管头和水泵，再将水泵的出水管接水槽；
·通过激光器控制装置设定激光器的光斑直径，脉冲能量和脉冲宽度；
·通过光路变换系统将圆形光斑激光束变为高功率密度的条形光斑激光束，并保证条形光斑激光束与水平面垂直，激光束焦点位于榫槽底部平面上；
·调节导流喷射装置和水泵的参数，在榫槽底部内形成一定厚度的均匀稳定的水约束层；
·打开激光器，开始对榫槽底部平面进行激光冲击强化，通过工作台的平移完成整个榫槽底部平面的强化。
本发明专利工艺创新在于根据榫槽底部的几何特征，采用光路变换系统将激光束的圆形光斑转换为高功率密度的条形光斑对榫槽底部平面进行激光冲击强化，避免了“等离子体屏蔽”现象，同时也保证了加工效率；采用导流喷射装置和抽水装置，同时控制榫槽底部进水端和出水端的水流参数，保证榫槽底部内水约束层的均匀稳定。
本发明具有益效果：本发明通过对飞机叶片榫头的榫槽底部平面的激光冲击强化，能抑制榫槽底部上疲劳裂纹的萌生和扩展，避免叶片松动、振动或失衡等现象的出现，提高发动机的安全性和可靠性。
附图说明
图1为飞机叶片示意图；
图2为“等离子体屏蔽”示意图；
图3为飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化示意图；
图4为喷头出水口端面示意图；
图5为抽水管头进水口端面示意图；
图6为激光冲击强化加工路径示意图；
图7为榫槽底部平面残余应力测试采点示意图。
图中：1.叶片，2.榫槽底部平面，3.榫头，4.等离子体，10.激光器，11.激光器控制装置，12.圆形光斑激光束，13.光路变换系统，14.条形光斑激光束，15.叶片，16.抽水管头，17.水泵，18.水槽，19.五轴工作台，20.抽水软管，21.夹具Ⅲ，22.夹具Ⅱ，23.夹具Ⅰ，24.喷头，25.输水软管，26.导流喷射装置，27.水箱，30.喷头出水口端面，31.抽水管头进水口端面，32.加工路径，41.A点，42.B点，43.C点，44.D点，45.E点，46.F点；
出水口高度H1为1.5mm，长度L1为10mm。
出水口高度H2为1.5mm，长度L2为10mm。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明的具体内容。
实施例1
在对图1所示的飞机叶片榫槽底部平面进行强化时，为了避免出现图2所示的“等离子体屏蔽”效应，采用了如图3所示的一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化的装置。该装置包括：激光器10，激光器控制装置11，光路变换系统13，五轴工作台19，夹具Ⅰ23，夹具Ⅱ22，夹具Ⅲ21，水箱27，导流喷射装置26，输水软管25，喷头24，抽水管头16，抽水软管20，水泵17和水槽18。其中，喷头24的出水口端面和抽水管头16的进水口端面分别如图4和图5所示。
夹具Ⅰ23、夹具Ⅱ22和夹具Ⅲ21安装在五轴工作台19上并且夹具Ⅱ22位于夹具Ⅰ23和夹具Ⅲ21之间，喷头24安装在夹具Ⅰ23顶部，喷头24与导流喷射装置26通过输水软管25相连，导流喷射装置26的进水管接水箱27，抽水管头16安装在夹具Ⅲ21顶部，抽水管头16与水泵17通过抽水软管20相连，水泵17出水口与水槽18相连，激光器10位于五轴工作台19正上方，光路变换系统13位于激光器10与五轴工作台19之间。
实施例2
使用该装置的具体步骤为：
在叶片的榫槽底部平面2涂上吸收层黑漆，然后叶片15安装在夹具Ⅱ22上，使榫槽底部平面2保持水平；
·将喷头24安装在夹具Ⅰ23顶部，使喷头出水口端面30与榫槽底部的一个端面紧贴，并且喷头24的出水口底面与榫槽底部平面2位于同一平面，两个侧面均位于榫槽底部的侧面外；
·用输水软管25连接喷头24和导流喷射装置26，再将导流喷射装置26的进水管接水箱27；
·将抽水管头16安装在夹具Ⅲ21顶部，使抽水管头端面31与榫槽底部的另一个端面紧贴，并且抽水管头16的进水口底面与榫槽底部平面2位于同一平面，两个侧面均位于榫槽底部的侧面外；
·用抽水软管20连接抽水管头16和水泵17，再将水泵17的出水管接水槽18；
·通过激光器控制装置设定激光器10的光斑直径为3mm，脉冲能量为5J和脉冲宽度为10ns；
·通过光路变换系统13将圆形光斑激光束12变为高功率密度的条形光斑激光束14，其宽度为0.5mm，长度为14mm，并保证条形光斑激光束14与水平面垂直，条形光斑激光束14焦点位于榫槽底部平面2上；
·调节导流喷射装置26和水泵17的参数，使其压力值为0.1MPa，流量均为0.8×10-5m3/s，在榫槽底部内形成厚度1-2mm的均匀稳定的水约束层；
·打开激光器10，开始对榫槽底部平面2进行激光冲击强化，通过控制五轴工作台19的平移按照图6所示的加工路径32完成整个榫槽底部平面2的强化。
·加工结束后根据图7中所标记的点进行残余应力测试以评估飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化的效果。
实施例3
将实施例二中的脉冲能量改为6J，脉冲宽度改为20ns，条形光斑的宽度改为1mm，长度改为7mm,导流喷射装置和水泵的压力值改为0.2MPa，流量改为1.5×10-5m3/s，其它方法和步骤不变。
实施例4
将实施例二中的脉冲能量改为12J，脉冲宽度改为30ns，条形光斑的宽度改为2mm，长度改为3.5mm,导流喷射装置和水泵的压力值改为0.3MPa，流量改为2.0×10-5m3/s，其它方法和步骤不变。从表1中可以看出采用本方法能有效地将200多兆帕以上的残余压应力引入飞机叶片榫槽底部平面，从而有利于提高飞机叶片的使用寿命。
表1 实施例中飞机叶片榫槽底部平面残余应力测试的结果
Figure BDA00003740753500061
表1中：正值表示拉应力，负值表示压应力。

Claims (6)

1. 一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法，其特征在于：根据榫槽底部的几何特征，采用光路变换系统将圆形光斑激光束转换为高功率密度的条形光斑激光束对覆盖有吸收层的榫槽底部平面进行激光冲击强化；同时采用导流喷射装置和抽水装置，分别控制榫槽底部进水端和出水端的水流参数，在榫槽底部内形成稳定1-1.5 mm均匀的水约束层；
所述的条形光斑激光束宽度为0.5-1 mm，长度为7-14 mm，脉冲能量为5-12 J，脉冲宽度为10-30 ns。
2. 一种实施如权利要求1所述的飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法的装置，其特征在于：包括激光器(10)，激光器控制装置(11)，光路变换系统(13)，五轴工作台(19)，夹具Ⅰ(23)，夹具Ⅱ(22)，夹具Ⅲ(21)，水箱(27)，导流喷射装置(26)，输水软管(25)，喷头(24)，抽水管头(16)，抽水软管(20)，水泵(17)和水槽(18)；夹具Ⅰ(23)、夹具Ⅱ(22)和夹具Ⅲ(21)安装在五轴工作台(19)上，夹具Ⅱ(22)位于夹具Ⅰ(23)与Ⅲ(21)之间，喷头(24)安装在夹具Ⅰ(23)顶部，喷头(24)与导流喷射装置(26)通过输水软管(25)相连，导流喷射装置(26)的进水管与水箱(27)相接，抽水管头(16)安装在夹具Ⅲ(21)顶部，抽水管头(16)通过抽水软管(20) 与水泵(17)相连，水泵(17)出水口与水槽(18)相连，激光器(10)位于五轴工作台(19)正上方，光路变换系统(13)位于激光器(10)与五轴工作台(19)之间。
3. 一种如权利要求2所述的实施飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法的装置，其特征在于：导流喷射装置(26)用于控制水流的压力和流量，控制压力值范围在0.1-0.3 MPa之间，进口流量范围在0.8×10-5-2.0×10-5 m3/s之间。
4. 一种如权利要求2所述的实施飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化方法的装置，其特征在于：所述的水泵(17)出口流量范围为0.8×10-5-2.0×10-5 m3/s，使榫槽底部内水约束层进出流量相等，确保水膜均匀。
5. 一种实施权利要求2所述的一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化的装置，其特征在于：所述的喷头(24)为扁平状，所述喷头(24)的端面出水口宽度为1.5mm，长度为10 mm。
6. 一种实施权利要求2所述的一种飞机叶片榫槽底部平面激光冲击强化的装置，其特征在于：所述的抽水管头(16)为扁平状，所述抽水管头(16)的端面出水口宽度为1.5 mm，长度为10 mm。
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