CN103526010B - 一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法和装置。首先利用方形激光光斑首先对靠近孔边缘区域的孔所在表面进行强化，激光冲击波作用在靠近孔边缘区域的孔所在表面时，该部分表面得到强化，同时由于硬质芯轴的屈服强度大于工件材料的屈服强度，该部分材料的塑性变形并不会造成孔边缘的塌陷；接着对靠近孔边缘区域的孔壁进行强化，软质挡套受到激光冲击波的作用，产生侧向膨胀，其侧向膨胀挤压待处理孔的孔壁，从而对孔壁实现强化。本发明同时强化靠近孔边缘区域的孔所在表面和孔壁，大大提高孔结构的疲劳寿命。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工领域，具体地是指一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法和装置。
背景技术
飞机承重结构上有大量的紧固孔，这些紧固孔会产生应力集中，飞机在高速飞行时对这些紧固孔产生交变载荷，极易产生疲劳裂纹，从而使飞机的安全性、可靠性大大降低，产生安全隐患。在工程实践中，对紧固孔进行表面强化处理是常用的提高孔结构疲劳寿命的方法。强化技术(fatigue life enhancementmethods,FLEM)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。目前对紧固空的强化，主要有冷挤压和机械喷丸技术，它们都是通过使空边缘产生高幅残余压应力，来提高孔的疲劳寿命。
采用冷挤压强化孔时，需要使用芯轴或者衬套，其工艺复杂，每次消耗一个衬套，并且大量直径小于Φ3.5mm的孔结构无法采用该工艺。机械喷丸强化方法会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，而且机械喷丸法同样存在着工艺复杂的缺点。激光冲击波强化孔有着独特的优势，激光冲击波可以使金属表层产生高幅残余压应力，有效提高处理部位的疲劳寿命。专利号为200610096476.5，名称为一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置的中国专利，提出了一种利用反射锥面来强化孔壁的技术；专利号为201010510712.X，名称为一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置，提出了一种利用可移动的反射斜面来强化孔壁的方法。这两种方法在强化孔壁的时候，由于激光诱导的等离子体直接作用在孔壁，会引起孔壁表面的破坏，影响强化效果。专利号为201110448751.6，名称为一种孔结构强化方法，提出了一种先利用激光冲击波强化孔所在表面，然后再开孔的方式强化孔结构，后续机械加工的热效应和力效应必然会导致残余压应力的释放，影响强化效果。前述三个专利都采用圆形激光光斑对孔结构进行强化，由于圆形光斑之间需要一定的搭接量，会使被强化表面产生宏观的规律性凸起和凹陷，从而降低孔结构疲劳寿命。
发明内容
本发明针对以上技术的不足，提出了一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法和装置。利用方形激光光斑产生的激光冲击波对靠近孔边缘区域的孔所在表面和孔壁都进行强化，使这些区域产生高幅残余压应力，提高孔结构的疲劳寿命。
本发明的一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法，利用无余量搭接方式的方形激光光斑首先对靠近孔边缘区域的孔所在表面进行强化，接着对靠近孔边缘区域的孔壁进行强化，具体技术方案如下：
一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法，其特征在于：利用方形激光光斑首先对靠近孔边缘区域的孔所在表面进行强化，接着对靠近孔边缘区域的孔壁进行强化；
对孔所在表面进行强化时，在孔中放置安装有硬质挡套(7)的芯轴，防止强化孔所在表面时边缘的塌陷；相邻光斑的边缘对齐，并使强化的区域包含孔边缘；硬质挡套(7)的屈服强度大于工件的屈服强度；硬质挡套(7)的外径跟待强化孔的直径相等；硬质挡套(7)和待强化孔之间为过渡配合；
对孔壁进行强化时，在孔和芯轴(8)形成的空隙内放置软质挡套(11)，用聚焦后的方形激光光斑辐照孔边缘部位，辐照区域包围孔和芯轴形成的圆环形间隙，激光辐照引起的冲击波在挤压软质挡套(11)，对孔壁进行强化，软质挡套(11)的屈服强度低于工件的屈服强度，软质挡套(11)的外径跟待强化孔的直径相等；软质挡套(11)和待强化孔之间为过盈配合；
对孔壁进行强化时的激光功率密度大于对孔所在表面强化时的激光功率密度。
实施所述的一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法的装置，包括激光器(1)、整形镜(2)、聚焦镜(3)、喷嘴(4)、去离子水(5)、吸收层(6)、硬质挡套(7)、芯轴(8)、工件(9)、掩模(10)和软质挡套(11)，其特征在于：激光器(1)发射的平行激光束的轴心与整形镜(2)和聚焦镜(3)的轴心重合，整形镜(2)放置于激光器(1)和聚焦镜(3)之间；硬质挡套(7)安装在芯棒(8)的台阶面上，芯棒(8)安装在工件(9)的待强化孔内，硬质挡套(7)、软质挡套(11)、芯棒(8)和工件(9)的上表面平齐；吸收层(6)覆盖在芯棒(8)和工件(9)的上表面；喷嘴(4)喷出的去离子水(5)覆盖在吸收层(6)的上表面；掩模(10)开设有锥形孔(101)，掩模(10)覆盖在吸收层(6)表面，掩模(10)的锥形孔(101)直径较小端所在面跟吸收层(6)的上表面贴合，且锥形孔(101)较细端直径跟待强化孔的直径相等，掩模(10)的轴心和待强化孔的轴心重合。
所述整形镜(2)为方形光斑整形镜，其作用是将激光器(1)发出的圆形光斑整形成方形光斑。
所述的锥形孔(101)的锥度大于1：10。
所述芯轴(8)为台阶轴，以放置硬质挡套(7)和软质挡套(11)。
所述激光器(1)为高能脉冲激光，发出的激光的脉宽为10～30ns，脉冲能量为1～100J的脉冲激光。
本发明的工作原理是：在激光冲击强化孔壁时，激光冲击波作用在靠近孔边缘区域的孔所在表面时，该部分表面得到强化，同时由于硬质芯轴的屈服强度大于工件材料的屈服强度，该部分材料的塑性变形并不会造成孔边缘的塌陷；软质挡套受到激光冲击波的作用，产生侧向膨胀，其侧向膨胀挤压待处理孔的孔壁，从而实现对孔壁强化。
本发明具有有益效果。本发明对孔所在表面进行强化时，采用方形光斑无余量搭接方式进行强化，可以最大程度的降低激光冲击强化后的表面粗糙度，提高该区域的疲劳寿命；采用硬质挡套和掩模，可以有效防止由于孔边缘塌陷；同时强化靠近孔边缘区域的孔所在表面和孔壁，大大提高孔结构的疲劳寿命。
附图说明
图1为激光冲击波强化孔所在表面装置的示意图；
图2为激光冲击波强化孔壁装置的示意图；
图3为本发明的掩模示意图；
图4：实施实例一单光斑激光冲击强化孔所在表面的示意图；
图5：实施实例二激光冲击强化孔所在表面的示意图；
图6：实施实例三激光冲击强化孔所在表面的示意图。
图1中：1激光器、2整形镜、3聚焦透镜、4喷嘴、5去离子水、6吸收层、7硬质挡套、8芯轴、9带孔工件、10掩模、11软质挡套、101圆锥面、91待处理孔、12激光光斑。
具体实施方式
为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图对本发明的一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法和装置进行详细说明。
实施本发明的一种方形激光光斑冲击波强化孔结构方法的装置，包括激光器1、整形镜2、聚焦镜3、喷嘴4、去离子水5、吸收层6、硬质挡套7、芯轴8、工件9、掩模10和软质挡套11，其特征在于：激光器1发射的平行激光束的轴心与整形镜2和聚焦镜3的轴心重合，整形镜2放置于激光器1和聚焦镜3之间；硬质挡套7安装在芯轴8的台阶面上，芯轴8安装在工件9的待强化孔内，硬质挡套7、软质挡套11、芯轴8和工件9的上表面平齐；吸收层6覆盖在芯轴8和工件9的上表面；喷嘴4喷出的去离子水5覆盖在吸收层6的上表面；掩模10开设有锥形孔101，如图3所示，掩模10安装在吸收层6表面，掩模10的锥形孔101直径较小端所在面跟吸收层6的上表面贴合，掩模10的轴心和待强化孔的轴心重合。
实施实例一：
本实例中，所述激光器1为高能脉冲激光，脉宽为10ns，最高脉冲能量为12J；吸收层6为厚度为100μm的铝箔；工件9材质为LY2铝合金，待处理孔直径为2mm；聚焦后方形激光光斑边长为3mm；硬质挡套7材质为45号钢，外径为2mm，内径为1.5mm；软质挡套11材质为纯铝，外径为2mm，内径为1.5mm；芯轴的直径为2mm，小端直径为1.5mm；掩模10为不锈钢薄片，厚度为1mm，锥度为1：10。
步骤一，首先对靠近孔边缘区域的孔所在表面进行激光冲击波强化，如图1所示：
1、将安装有挡套7的芯轴8安装在工件9的待处理孔内，并使挡套7，芯轴8和工件9的上表面平齐；
2、在工件9上表面设置吸收层6和去离子水5；
3、用聚焦后的方形激光光斑对孔所在表面进行激光冲击处理，采用单光斑激光冲击强化处理，如图4所示。
步骤二，对靠近孔边缘区域的孔壁进行激光冲击波强化，如图2所示：
4、清理吸收层6，将装有挡套7的芯轴8从被处理孔中取出；将挡套7从芯轴8的台阶上取下；将软质挡套11安装在芯轴8台阶面上并重新安装到工件9的孔内，并使芯轴8和工件9的上表面平齐；
5、在工件9上表面设置吸收层6；
6、在吸收层6上表面安装掩模10；
7、在吸收层6上表面设置去离子水5；
8、用聚焦后的方形激光光斑辐照孔边缘部分，辐照区域包围孔和芯轴形成的圆环形间隙。
9、清理吸收层6，从被处理孔中取出芯棒。
实施实例二：
本实例中，所述激光器1为高能脉冲激光，脉宽为20ns，最高脉冲能量为20J；吸收层6为厚度为100μm的铝箔；工件9材质为2024铝合金，待处理孔直径为4mm；硬质挡套7材质为45号钢，外径为4mm，内径为3mm；软质挡套11材质为纯铝，外径为4mm，内径为3mm；芯轴的直径为4mm，小端直径为3mm；掩模10为不锈钢薄片，厚度为1mm，锥度为1：9。
步骤一，首先对靠近孔边缘区域的孔所在表面进行激光冲击波强化，如图1所示：
1、将安装有挡套7的芯轴8安装在工件9的待处理孔内，并使挡套7，芯轴8和工件9的上表面平齐；
2、在工件9上表面设置吸收层6和去离子水5；
3、用聚焦后的方形激光光斑对孔所在表面进行激光冲击处理，相邻光斑的边缘对齐，并使强化的区域包含孔边缘，如图5所示。
步骤二，对靠近孔边缘区域的孔壁进行激光冲击波强化，如图2所示：
4、清理吸收层6，将装有挡套7的芯轴8从被处理孔中取出；将挡套7从芯轴8的台阶上取下；将软质挡套11安装在芯轴8台阶面上并重新安装到工件9的孔内，并使芯轴8和工件9的上表面平齐；
5、在工件9上表面设置吸收层6；
6、在吸收层6上表面安装掩模10；
7、在吸收层6上表面设置去离子水5；
8、用聚焦后的方形激光光斑辐照孔边缘部分，辐照区域包围孔和芯轴形成的圆环形间隙。
9、清理吸收层6，从被处理孔中取出芯棒。
实施实例三：
本实例中，所述激光器1为高能脉冲激光，脉宽为30ns，最高脉冲能量为50J；吸收层6为厚度为150μm的铝箔；工件9材质为TC4钛合金，待处理孔直径为20mm；硬质挡套7材质为20Cr，外径为20mm，内径为17mm；软质挡套11材质为纯铝，外径为20mm，内径为17mm；芯轴的直径为20mm，小端直径为17mm；掩模10为不锈钢薄片，厚度为1mm，锥度为1：10。
步骤一，首先对靠近孔边缘区域的孔所在表面进行激光冲击波强化，如图1所示：
1、将安装有挡套7的芯轴8安装在工件9的待处理孔内，并使挡套7，芯轴8和工件9的上表面平齐；
2、在工件9上表面设置吸收层6和去离子水5；
3、用聚焦后的方形激光光斑对孔所在表面进行激光冲击处理，相邻光斑的边缘对齐，并使强化的区域包含孔边缘，孔中间部分不处理，如图6所示。
步骤二，对靠近孔边缘区域的孔壁进行激光冲击波强化，如图2所示：
4、清理吸收层6，将装有挡套7的芯轴8从被处理孔中取出；将挡套7从芯轴8的台阶上取下；将软质挡套11安装在芯轴8台阶面上并重新安装到工件9的孔内，并使芯轴8和工件9的上表面平齐；
5、在工件9上表面设置吸收层6；
6、在吸收层6上表面安装掩模10；
7、在吸收层6上表面设置去离子水5；
8、用聚焦后的方形激光光斑辐照孔边缘部分，辐照区域包围孔和芯轴形成的圆环形间隙。
9、清理吸收层6，从被处理孔中取出芯棒。
对通过以上三个实施实例进行激光冲击强化的孔结构进行疲劳寿命测试，强化后的疲劳寿命提高如下：实施实例一疲劳寿命提高了320％，实施实例二疲劳寿命提高了295％，实施实例三疲劳寿命提高了270％。
Claims (6)
1.一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法，其特征在于：利用方形激光光斑首先对靠近孔边缘区域的孔所在表面进行强化，接着对靠近孔边缘区域的孔壁进行强化；
对孔所在表面进行强化时，在孔中放置安装有硬质挡套(7)的芯轴，防止强化孔所在表面时边缘的塌陷；相邻光斑的边缘对齐，并使强化的区域包含孔边缘；硬质挡套(7)的屈服强度大于工件的屈服强度；硬质挡套(7)的外径跟待强化孔的直径相等；硬质挡套(7)和待强化孔之间为过渡配合；
对孔壁进行强化时，在孔和芯轴(8)形成的空隙内放置软质挡套(11)，用聚焦后的方形激光光斑辐照孔边缘部位，辐照区域包围孔和芯轴形成的圆环形间隙，激光辐照引起的冲击波在挤压软质挡套(11)，对孔壁进行强化，软质挡套(11)的屈服强度低于工件的屈服强度，软质挡套(11)的外径跟待强化孔的直径相等；软质挡套(11)和待强化孔之间为过盈配合；
对孔壁进行强化时的激光功率密度大于对孔所在表面强化时的激光功率密度。
2.实施如权利要求1所述的一种方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法的装置，包括激光器(1)、整形镜(2)、聚焦镜(3)、喷嘴(4)、去离子水(5)、吸收层(6)、硬质挡套(7)、芯轴(8)、工件(9)、掩模(10)和软质挡套(11)，其特征在于：激光器(1)发射的平行激光束的轴心与整形镜(2)和聚焦镜(3)的轴心重合，整形镜(2)放置于激光器(1)和聚焦镜(3)之间；硬质挡套(7)安装在芯轴(8)的台阶面上，芯轴(8)安装在工件(9)的待强化孔内，硬质挡套(7)、软质挡套(11)、芯轴(8)和工件(9)的上表面平齐；吸收层(6)覆盖在芯轴(8)和工件(9)的上表面；喷嘴(4)喷出的去离子水(5)覆盖在吸收层(6)的上表面；掩模(10)开设有锥形孔(101)，掩模(10)覆盖在吸收层(6)表面，掩模(10)的锥形孔(101)直径较小端所在面跟吸收层(6)的上表面贴合，且锥形孔(101)较细端直径跟待强化孔的直径相等，掩模(10)的轴心和待强化孔的轴心重合。
3.如权利要求2所述的一种实施方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法的装置，其特征在于：所述整形镜(2)为方形光斑整形镜，其作用是将激光器(1)发出的圆形光斑整形成方形光斑。
4.如权利要求2所述的一种实施方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法的装置，其特征在于：所述的锥形孔(101)的锥度大于1：10。
5.如权利要求2所述的一种实施方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法的装置，其特征在于：所述芯轴(8)为台阶轴，以放置硬质挡套(7)和软质挡套(11)。
6.如权利要求2所述的一种实施方形激光光斑冲击波强化孔结构的方法的装置，其特征在于：所述激光器(1)为高能脉冲激光，发出的激光的脉宽为10～30ns，脉冲能量为1～100J的脉冲激光。
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