CN103805769A - 一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工，特指一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法以及实现这种方法的装置。采用表面硬度值高于工件的配合销与棱柱异型孔精密配合后再将工件放置在水下对孔边区域进行激光冲击强化；然后利用设置在棱柱异型孔内的全反镜将入射激光束引入到棱柱异型孔内对其内壁进行强化，在非棱角区域采用大尺寸方形光斑激光束，棱角区域采用逐渐过渡的小尺寸方形光斑激光束，并且在棱角区域内垂直于棱边方向上光斑尺寸线性变化，在距离棱边越近的位置，光斑尺寸越小。同时配合采用“跳打方式”以及加厚吸收层，保证激光冲击强化的质量。本发明能有效避免孔边坍塌和“等离子体屏蔽”效应，适用于棱角小于90°的棱柱异型孔内壁和孔边区域的强化。

Description

一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法和装置

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法以及实现这种方法的装置，特别适合于棱角小于90°的棱柱异型孔内壁和孔边区域的强化。

背景技术

异型孔与常规的圆柱孔不同，通常是为了达到某种特定的技术要求而特别设计的，例如为了减轻飞机的重量，在飞机板上就存在多种不同形状的异型孔；为了改善发动机活塞的受力状况，将活塞销孔设计成圆柱带喇叭或者椭圆等形状，与圆柱孔相比，异型孔轮廓上曲率的波动大，因此异型孔上的应力集中更为严重。

棱柱异型孔是一种常见的异型孔，属于典型的应力集中结构，其棱角区域和孔边区域应力集中尤为突出，在承受高载荷作用时极易产生裂纹而最终造成疲劳失效，缩短使用寿命；因此，需要对棱柱异型孔进行表面强化以提高其使用寿命。

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。

在对棱柱异型孔的孔边区域进行激光冲击强化时，容易使孔边坍塌；而在对棱柱异型孔的棱角区域进行激光冲击强化时，由于棱角小于90°，激光束会首先照射在棱角区域外的棱柱异型孔表面产生等离子体，从而形成“等离子体屏蔽”效应，阻碍激光束照射到棱角区域，影响激光冲击强化的效果；另外，目前通常采用圆形光斑激光束进行激光冲击强化，为了实现加工区域全覆盖，通常需要30%以上的搭接率，因此在光斑重叠区域的激光能量浪费较大；并且目前激光冲击强化的加工方式为逐点顺序加工，前一次激光冲击所引起的吸收层翘曲会对后一次激光冲击造成影响，从而使棱柱异型孔强化区域的应力分布不均匀。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，即采用表面硬度值高于工件的配合销与棱柱异型孔精密配合后再将工件放置在水下对孔边区域进行激光冲击强化，从而避免孔边坍塌；然后利用设置在棱柱异型孔内的全反镜将入射激光束引入到棱柱异型孔内对其内壁进行强化，在非棱角区域采用大尺寸方形光斑激光束，棱角区域采用小尺寸方形光斑激光束，并且在棱角区域内垂直于棱边方向上光斑尺寸线性变化，线性变化率为0.5，在距离棱边越近的位置，光斑尺寸越小，从而避免出现“等离子体屏蔽”效应；同时配合采用“跳打方式”以及加厚吸收层，保证激光冲击强化的质量。

本发明提供了棱柱异型孔水下激光冲击强化的装置，包括激光器，激光器控制装置，数控系统，夹具Ⅰ，进给装置Ⅰ，五轴工作台，进给装置Ⅱ，夹具Ⅱ，配合销，水箱和全反镜；激光器位于五轴工作台正上方；激光器控制装置位于激光器右方；数控系统位于激光器控制装置右下方；夹具Ⅰ通过进给装置Ⅰ连接在五轴工作台上；夹具Ⅱ通过进给装置Ⅱ连接在五轴工作台上；配合销或全反镜安装在夹具Ⅱ上；五轴工作台位于水箱内；激光器控制装置控制激光器的光斑直径，脉冲能量和脉冲宽度；数控系统控制进给装置Ⅰ，进给装置Ⅱ以及五轴工作台的运动；进给装置Ⅰ为竖直方向上的进给；进给装置Ⅱ为圆周方向上的旋转。

 “跳打”方式如图6所示，首先在冲击完一个点后预留80%的光斑尺寸冲击下一点，这样该行的每两个冲击点之间均有80%光斑尺寸的间隔；接着逐个冲击每一个间隔区域，完成单行的冲击；然后预留80%的光斑尺寸对下一行按照上面单行冲击的步骤进行冲击，这样每两个冲击行直接均有80%光斑尺寸的间隔；最后按照上面单行冲击的步骤逐个冲击每一个间隔行，完成整个冲击过程。

加厚吸收层的结构如图7所示，从上到下分为三层，依次为光吸收介质、弹性介质和粘贴剂，层与层之间用胶水粘结；其中，光吸收介质的成分为80wt%黑漆，15wt%耐高温密封胶和5wt% 添加剂，厚度为0.02-0.05mm；弹性介质的成分为80wt%聚酯橡胶，15wt%高温密封胶和5wt%添加剂，厚度为0.15-0.2mm；粘贴剂厚度为0.03-0.05mm，加厚吸收层的总厚度为0.2-0.3 mm。

光吸收介质和弹性介质中添加剂的成分为热塑性树脂；将80%黑漆与5%的热塑性树脂在350℃温度下均匀混合后加入15% 耐高温密封胶，然后在模具中冷却成形后得到光吸收介质；将80%聚酯橡胶与5%的热塑性树脂在400℃温度下均匀混合后加入15% 耐高温密封胶，然后在模具中冷却成形后得到弹性介质，粘贴剂的成份为聚乙烯醇。

所采用的配合销和棱柱异型孔截面形状一致，配合销插入棱柱异型孔中，配合销上端面与棱柱异型孔上端面平齐，并且配合销表面硬度值高于工件的硬度值，棱柱异型孔孔边区域的加工路径如图2所示，按照图中的逆时针旋转方向先加工沿孔边区域最内层，然后沿径向方向往外逐层加工直至达到孔边区域的外边界。

本发明的工艺创新在于，采用表面硬度值高于工件的配合销与棱柱异型孔精密配合后再对孔边区域进行激光冲击强化和利用小尺寸方形光斑激光束对棱柱异型孔内壁进行激光冲击强化，内壁分为棱角区和非棱角区，其中激光冲击强化的加工方式为“跳打方式”；配合销的高度为10-15 mm；非棱角区域和孔边区域的方形光斑激光束的边长为3 mm，脉冲能量为2 J、脉冲宽度为20 ns；棱角区域的方形光斑激光束的边长为0.2–3 mm，脉冲能量为0.5–2 J，脉冲宽度为10-30 ns；全反镜与水平面的夹角为45°，能使垂直的激光束反射到棱柱异型孔内壁上。

棱柱异型孔的激光冲击强化分为孔边区域的激光冲击强化和内壁的激光冲击强化。

棱柱异型孔孔边区域激光冲击强化的具体步骤为：

1)      将五轴工作台置于水箱内；

2)      将工件安装在夹具Ⅰ上，并在棱柱异型孔孔边区域贴上加厚吸收层，然后将配合销安装在夹具Ⅱ上，通过数控系统调节进给装置Ⅰ和进给装置Ⅱ使配合销与棱柱异型孔精密配合；

3)      通过激光器控制装置设定激光器的脉冲能量为2 J，方形光斑激光束的边长为3 mm，脉冲宽度为20 ns；

4)      通过数控系统调节五轴工作台使棱柱异型孔孔边区域水平，并使入射激光束的焦点位于棱柱异型孔孔边区域所在平面；

5)      往水箱中加入自来水，使水箱内自来水液面高度超出棱柱异型孔孔边区域上表面5-10 mm，然后打开激光器，对棱柱异型孔孔边区域进行强化；

6)      通过数控系统调节五轴工作台的运动，按照加工路径，采用“跳打方式”完成对整个孔边区域的强化。

棱柱异型孔内壁激光冲击强化的具体步骤为：

1)      将五轴工作台置于水箱内；

2)      将工件安装在夹具Ⅰ上，并在棱柱异型孔内壁贴上加厚吸收层，然后将全反镜安装在夹具Ⅱ上，并保证全反镜与水平面的夹角为45°；

3)        通过数控系统调节五轴工作台使入射激光束位于棱柱异型孔中心并且激光束的焦点位于全反镜上；

4)        通过数控系统调节进给装置Ⅰ从而调整全反镜的高度，使全反镜反射的激光束与棱柱异型孔下端面共面；

5)        往水箱中加入自来水，使水箱内自来水液面高度超出棱柱异型孔上表面5-10 mm，然后打开激光器，对棱柱异型孔内壁进行强化，并通过激光器控制装置使在非棱角区域的方形光斑激光束的边长为3 mm，脉冲能量为2 J和脉冲宽度为20 ns；棱角区域的方形光斑激光束的边长为0.2–3 mm，脉冲能量为0.5–2 J，脉冲宽度为10-30 ns，并且在棱角区域内垂直于棱边方向上光斑尺寸线性变化，线性变化率为0.5，在距离棱边越近的位置，光斑尺寸越小；

6)        通过数控系统调节进给装置Ⅱ，使每次激光冲击后全反镜绕棱柱异型孔中心旋转从而实现整个棱柱异型孔内壁周向的强化；当全反镜转过一周后，再通过数控系统调节进给装置Ⅰ使工件下移，然后重复之前的步骤完成上一层的强化；以上两步中激光冲击强化的加工方式为“跳打方式”，重复上面两步，可以实现对棱柱异型孔内壁由下至上逐层强化。

本发明的有益效果如下：

1.        能够在保证棱柱异型孔孔边不坍塌的条件下使孔边区域得到强化，有利于提高工件的使用寿命。

2.      采用小尺寸光斑激光束对棱柱异型孔的棱角区域进行激光冲击强化，有效避免了“等离子体屏蔽”效应，保证了棱角区域激光冲击强化的效果，有利于提高工件的使用寿命。

3.      采用方形光斑激光束进行激光冲击强化，可以显著减少搭接率，减少激光冲击的次数，节省能量。

4.      采用“跳打方式”的加工方式进行激光冲击强化，可以避免吸收层翘曲对激光冲击强化质量的影响。

5.      采用加厚吸收层，其中的弹性介质层能够减小激光冲击波载荷的幅值波动，有利于棱柱异型孔强化区域的应力均匀分布。

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为棱柱异型孔孔边区域激光冲击强化装置结构的示意图。

图2为棱柱异型孔孔边区域示意图。

图3为棱柱异型孔内壁激光冲击强化装置结构的示意图。

图4为棱柱异型孔棱柱区域示意图。

图5为“等离子体屏蔽”效应示意图。

图6为“跳打方式”示意图。

图7为加厚吸收层结构示意图。

图中：1. 激光器，2. 激光器控制装置，3. 入射激光束，4. 数控系统，5. 夹具Ⅰ，6. 进给装置Ⅰ，7. 五轴工作台，8. 进给装置Ⅱ，9. 夹具Ⅱ，10. 工件，11. 配合销，12. 水箱，13.孔边区域，14. 棱角区域，15. 等离子体，16. 全反镜，17. 加工路径，18. 光吸收介质，19. 弹性介质，20. 粘贴剂。

孔边区域的宽度 D1 为5-10 mm，棱角区域的宽度 D2 为5-10 mm，棱角 θ 小于90°并且大于0°。

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：

一种棱柱异型孔激光冲击强化的装置，如图1和图3所示分别为棱柱异型孔孔边区域的激光冲击强化和内壁的激光冲击强化；包括：激光器1，激光器控制装置2，数控系统4，夹具Ⅰ5，进给装置Ⅰ6，五轴工作台7，,进给装置Ⅱ8，夹具Ⅱ9，配合销11，水箱12和全反镜16，该装置可避免孔边坍塌和图5所示的“等离子体屏蔽”效应。

激光器1位于五轴工作台7正上方；激光器控制装置2位于激光器1右方；数控系统4位于激光器控制装置2右下方；夹具Ⅰ5通过进给装置Ⅰ6连接在五轴工作台7上；夹具Ⅱ9通过进给装置Ⅱ8连接在五轴工作台7上；配合销11或全反镜16安装在夹具Ⅱ9上；五轴工作台7位于水箱12内，激光器控制装置2控制激光器的输出脉冲能量，光斑直径和脉冲宽度；数控系统4控制进给装置Ⅰ6，进给装置Ⅱ8以及五轴工作台7的运动。

棱柱异型孔孔边区域和棱角区域分别如图2和图4所示。

实施例二：

棱柱异型孔孔边区域激光冲击强化的具体步骤为：

1)      将五轴工作台7置于水箱12内。

2)      将工件2安装在夹具Ⅰ5上，并在棱柱异型孔孔边区域13贴上如图7所示的加厚吸收层，然后将配合销11安装在夹具Ⅱ9上，通过数控系统调节进给装置Ⅰ6和进给装置Ⅱ8使配合销11与棱柱异型孔精密配合，最小过盈量为0.01 mm，最大过盈量为0.025 mm，并且配合销11的上端面与棱柱异型孔上端面重合。

3)      通过激光器控制装置2设定激光器1的方形激光束的边长为3 mm，脉冲能量为2 J和脉冲宽度为20 ns。

4)      通过数控系统4调节五轴工作台7使棱柱异型孔孔边区域13水平，并使入射激光束3的焦点位于棱柱异型孔孔边区域13所在平面。

5)      往水箱12中加入自来水，使水箱12内自来水液面高度超出棱柱异型孔孔边区域13上表面5-10 mm，然后打开激光器1，对棱柱异型孔孔边区域13进行强化。

6)      通过数控系统4调节五轴工作台7的运动，按照图2中的加工路径17，采用如图6所示的“跳打方式”完成对整个孔边区域13的强化。

棱柱异型孔内壁激光冲击强化的具体步骤为：

1)        将五轴工作台7置于水箱12内。

2)      将工件2安装在夹具Ⅰ5上，并在棱柱异型孔内壁贴上如图7所示的加厚吸收层，然后将全反镜16安装在夹具Ⅱ9上，并保证全反镜16与水平面的夹角为45°。

3)        通过数控系统4调节五轴工作台7使入射激光束3位于棱柱异型孔中心并且激光束的焦点位于全反镜16上。

4)        通过数控系统4调节进给装置Ⅰ6，使全反镜16反射的激光束与棱柱异型孔下端面共面。

5)        往水箱12中加入自来水，使水箱12内自来水液面高度超出棱柱异型孔上表面5-10 mm，然后打开激光器1，对棱柱异型孔内壁进行强化，并通过激光器控制装置2使在非棱角区域的方形光斑激光束的边长为3 mm，脉冲能量为2 J和脉冲宽度为20 ns；棱角区域14的方形光斑激光束的边长为0.2-3 mm，脉冲能量为0.5 J，脉宽为10 ns，并且在棱角区域内垂直于棱边方向上光斑尺寸线性变化，在距离棱边越近的位置，光斑尺寸越小。

6)        通过数控系统4调节进给装置Ⅱ8，使每次激光冲击后全反镜16绕棱柱异型孔中心旋转从而实现整个棱柱异型孔内壁周向的强化；当全反镜16转过一周后，再通过数控系统4调节进给装置Ⅰ6使工件2下移，然后重复之前的步骤完成上一层的强化；以上两步中激光冲击强化的加工方式为如图6所示的“跳打方式”；重复上面两步，可以实现对棱柱异型孔内壁由下至上逐层强化。

实施例三：

将实施例二中棱角区域14的方形光斑激光束改为：边长0.5-3 mm，脉冲能量为1 J，脉宽为20 ns，其它方法和步骤不变。

实施例四：

将实施例二中棱角区域14的方形光斑激光束改为：边长1-3 mm，脉冲能量为2 J，脉宽为30 ns，其它方法和步骤不变。

Claims (10)

1.一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，其特征在于：采用表面硬度值高于工件的配合销与棱柱异型孔精密配合后再将工件放置在水下对孔边区域进行激光冲击强化；然后利用设置在棱柱异型孔内的全反镜将入射激光束引入到棱柱异型孔内对其内壁进行强化，在非棱角区域采用大尺寸方形光斑激光束，棱角区域采用小尺寸方形光斑激光束，并且在棱角区域内垂直于棱边方向上光斑尺寸线性变化，在距离棱边越近的位置，光斑尺寸越小，从而避免出现“等离子体屏蔽”效应。

2.如权利要求1所述的一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，其特征在于：所述激光冲击强化的方式采用“跳打”的方式，首先在冲击完一个点后预留80%的光斑尺寸冲击下一点，这样该行的每两个冲击点之间均有80%光斑尺寸的间隔；接着逐个冲击每一个间隔区域，完成单行的冲击；然后预留80%的光斑尺寸对下一行按照上面单行冲击的步骤进行冲击，这样每两个冲击行直接均有80%光斑尺寸的间隔；最后按照上面单行冲击的步骤逐个冲击每一个间隔行，完成整个冲击过程。

3.如权利要求1所述的一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，其特征在于：所述激光冲击强化采用的吸收层为加厚吸收层，加厚吸收层从上到下分为三层，依次为光吸收介质、弹性介质和粘贴剂，层与层之间用胶水粘结；其中，光吸收介质的成分为80wt%黑漆，15wt%耐高温密封胶和5wt%添加剂，厚度为0.02-0.05 mm；弹性介质的成分为80 wt%聚酯橡胶，15wt%耐高温密封胶和5wt %添加剂，厚度为0.15-0.2 mm；粘贴剂厚度为0.03-0.05 mm，加厚吸收层的总厚度为0.2-0.3 mm；所述光吸收介质和弹性介质中添加剂的成分为热塑性树脂；粘贴剂的成份为聚乙烯醇。

4.如权利要求3所述的一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，其特征在于：所述光吸收介质的制备方法为：将80%黑漆与5%的热塑性树脂在350℃温度下均匀混合后加入15%耐高温密封胶，然后在模具中冷却成形后得到光吸收介质；所述弹性介质的制备方法为：将80%聚酯橡胶与5%的热塑性树脂在400℃温度下均匀混合后加入15%耐高温密封胶，然后在模具中冷却成形后得到弹性介质。

5.如权利要求1所述的一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，其特征在于所述的配合销与棱柱异型孔精密配合指：配合销和棱柱异型孔截面形状一致，配合销插入棱柱异型孔中，配合销上端面与棱柱异型孔上端面平齐，配合销的高度为10-15 mm，精密配合的最小过盈量为0.01 mm，最大过盈量为0.025 mm。

6.如权利要求1所述的一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，其特征在于所述激光冲击强化采用的激光工艺参数为：作用于非棱角区域和孔边区域的方形光斑激光束的边长为3 mm，脉冲能量为2 J、脉冲宽度为20 ns；棱角区域的方形光斑激光束的边长为0.2–3 mm，脉冲能量为0.5–2 J，脉冲宽度为10-30 ns，线性变化率为0.5，棱角区域的宽度 D2 为5-10 mm，棱角 θ 小于90°并且大于0°。

7.如权利要求1所述的一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，其特征在于：棱柱异型孔孔边区域的加工路径按照逆时针旋转方向先加工沿孔边区域最内层，然后沿径向方向往外逐层加工直至达到孔边区域的外边界；孔边区域的宽度 D1 为5-10 mm。

8.如权利要求1所述的一种棱柱异型孔水下激光冲击强化的方法，其特征在于：棱柱异型孔内壁进行强化的步骤为：通过数控系统调节进给装置Ⅰ从而调整全反镜的高度，使全反镜反射的激光束与棱柱异型孔下端面共面；通过数控系统调节进给装置Ⅱ，使每次激光冲击后全反镜绕棱柱异型孔中心旋转从而实现整个棱柱异型孔内壁周向的强化；当全反镜转过一周后，再通过数控系统调节进给装置Ⅰ使工件下移，然后重复之前的步骤完成上一层的强化，从而实现对棱柱异型孔内壁由下至上逐层强化。

9.实施如权利要求1所述的一种棱柱异型孔水下激光冲击强化方法的装置，其特征在于：所述装置包括激光器，激光器控制装置，数控系统，夹具Ⅰ，进给装置Ⅰ，五轴工作台，进给装置Ⅱ，夹具Ⅱ，配合销，水箱和全反镜；激光器位于五轴工作台正上方；激光器控制装置位于激光器右方；数控系统位于激光器控制装置右下方；夹具Ⅰ通过进给装置Ⅰ连接在五轴工作台上；夹具Ⅱ通过进给装置Ⅱ连接在五轴工作台上；配合销或全反镜安装在夹具Ⅱ上；五轴工作台位于水箱内；激光器控制装置控制激光器的光斑直径，脉冲能量和脉冲宽度；数控系统控制进给装置Ⅰ，进给装置Ⅱ以及五轴工作台的运动；进给装置Ⅰ为竖直方向上的进给；进给装置Ⅱ为圆周方向上的旋转。

10.如权利要求9所述的实施棱柱异型孔水下激光冲击强化方法的装置，其特征在于：全反镜与水平面的夹角为45°，能使垂直的激光束反射到棱柱异型孔内壁上。

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