CN111321289B - 一种预变形的孔端面激光冲击强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预变形的孔端面激光冲击强化方法，通过将衬套置入构件的孔内，芯棒的过渡段插入衬套中，利用拉拔机将芯棒的约束段拉入衬套中，约束段向四周挤压衬套和孔内壁，使孔在径向上发生弹性甚至塑性变形，尤其对孔端面形成强约束和支撑作用，待约束段的端面、衬套的端面和待强化孔端面齐平后，再利用激光冲击强化系统对孔端面进行强化处理。整个强化过程简单易操作、通用性强，具有防止孔边强化塑性变形塌陷、优化孔边残余应力分布、便于孔边工艺实施等特点。
Description
技术领域
本发明涉激光技术应用领域，具体涉及一种预变形的孔端面激光冲击强化方法。
背景技术
激光冲击强化(Laser Shock Processing,LSP)是一种新型表面强化技术，是利用激光诱导等离子体冲击波力学效应使金属材料表层产生高应变率塑性变形(106/s量级)，改变材料微观组织、形成残余应力，从而显著提高金属材料抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能。相比传统机械喷丸、滚压等表面强化技术，激光冲击强化具有精确可控、残余应力层深、表面状态好、抗疲劳效果好等优势，已成功应用于航空航天、能源动力和轨道交通等领域。激光冲击强化具体技术原理是采用高功率(GW级)、短脉宽(ns级)强激光束辐照金属材料表面，材料表面贴覆有用于吸收激光能量的吸收保护层，吸收保护层吸收激光能量后发生爆炸性气化蒸发形成高温高压等离子体并剧烈膨胀，在约束层作用下形成向材料内部传播的高压冲击波，当冲击波压力高于材料动态屈服极限即会造成塑性变形，形成残余应力。
飞机、发动机、地面燃气轮机和高铁等高端装备上具有很多含孔结构件，在应力集中和螺栓接触的因素作用下孔边容易形成疲劳裂纹而发生断裂，因此需要对这些孔强化处理。利用激光冲击强化技术对孔结构进行强化处理时，由于孔周的孔端面、孔边属于自由表面，很容易因约束不足导致强化后孔边发生挤压塌陷变形、改变孔径大小，使处理后孔周及孔端面的残余压应力分布不理想，导致强化效果不好、甚至会降低其疲劳性能。
目前，针对带孔结构端面强化，主要采用将橡皮泥等软体填充物将通孔填平，再利用冲击波处理孔端面的方式对孔端面进行强化，但冲击波压力太大，软体填充物对孔周及端面的约束支撑作用太弱，孔边仍会发生塑性变形，对强化效果改善作用甚微。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种孔端面激光冲击强化方法，以提高孔端面激光冲击强化的抗疲劳效果。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明技术方案如下：
一种孔端面激光冲击强化方法，包括：
将衬套装入待强化的孔端面对应的孔内，使所述衬套的一端面与所述孔端面保持齐平，其中，所述衬套与所述孔之间间隙配合；
将芯棒的过渡段装入衬套内，其中，所述芯棒包括用于与所述衬套之间间隙配合的所述过渡段和用于与所述衬套之间过盈配合的约束段，所述衬套与所述约束段之间的过盈量大于所述衬套与所述孔之间的间隙量；
拉拔所述芯棒，使所述芯棒的所述约束段进入所述衬套中挤压所述衬套，直至所述约束段的端面与所述孔端面齐平；
向所述孔端面发射脉冲激光束。
可选的，所述孔端面激光冲击强化方法还包括：
在约束段的端面、所述衬套上对应的端面及所述孔端面保持齐平状态下，在待强化的孔端面上贴吸收保护层，并施加约束层后，再向所述孔端面发射脉冲激光束。
可选的，强化完成后，去除所述吸收保护层和约束层，继续拉拔抽出所述芯棒，取出所述衬套。
可选的，所述吸收保护层为黑胶带或铝箔。
可选的，所述约束层为水流层。
可选的，向所述孔端面发射脉冲激光束过程中，激光束以环形光斑路径对所述孔端面进行激光冲击强化处理。
可选的，强化时，所述环形光斑的超出孔端面的位置，并辐照在所述芯棒的约束段的端面上。
本发明中，芯棒和衬套齐平刚性的填充入在孔内，使得吸收保护层和约束层更容易施加且质量更好，孔端面形成刚性平面更加便于强化工艺实施，有利于使孔端面在强化后的残余应力分布更均匀；芯棒和衬套之间通过过盈配合，使孔内壁及孔周边形成强约束和强支撑，能够避免强化后孔边发生挤压弹性变形，有利于各处孔径尺寸保持不变；且芯棒约束段挤压衬套使其变形，孔内壁四周在衬套的力用下发生弹性甚至塑性的预变形，激光冲击孔端面发生横向塑性变形时会形成更大的残余压应力，且在芯棒和衬套支撑作用下残余压应力分布更加均匀可控，孔的抗疲劳效果更好。
附图说明
图1显示为发射脉冲激光束前，衬套、芯棒和构件之间的位置关系图；
图2显示为发射脉冲激光束时，衬套、芯棒和构件之间的位置关系图；；
图3显示为本发明的孔端面激光冲击强化工艺示意图(激光束光斑路径示意图)；
零件标号说明：
构件1、孔端面101、孔102、衬套2、芯棒3、过渡段301、约束段302、吸收保护层4、水喷头501、约束层502、脉冲激光束6、光斑7。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
下述各实施例中，构件1中，孔端面101对应的孔102均为通孔，也就是本发明的孔端面激光冲击强化设备和强化方法所适用的孔均为通孔，图1中箭头所示方向为拉拔方向。
参见图1至图3，本发明提供一种孔端面激光冲击强化方法，包括：
将衬套2装入待强化的孔端面101对应的孔102内，使衬套2的一端面与孔端面101保持齐平，其中，衬套2的外径略小于孔102的内径，使衬套2与所述孔102之间间隙配合；
将芯棒3的过渡段301装入衬套2内，其中，芯棒3包括过渡段301和约束段302，过渡段301的直径略小于衬套2的内径，使过渡段301与衬套102之间间隙配合，约束段302的则直径稍大于衬套2的内径，使约束段302装入孔102后能够与衬套102之间过盈配合，衬套2与约束段302之间的过盈量大于衬套2与孔102之间的间隙量；
拉拔芯棒3，使芯棒3的约束段302进入衬套2中并挤压衬套2，直至约束段302的端面与孔端面101齐平，此时，在芯棒3与孔102的干涉挤压作用下，约束段302向四周挤压衬套2和孔102内壁，使孔102在径向上发生弹性甚至塑性变形，尤其对孔端面101形成强约束和支撑作用；
向孔端面101发射脉冲激光束6。
例如，若孔102的内径为10mm，衬套2的外径配合设置为9.99mm，衬套2的厚度为0.25mm，衬套的内径对应为9.49mm，此时，孔102与衬套2之间的间隙量为0.01mm，而芯棒3中，过渡段301的直径为9mm，约束段302的直径为9.6mm，则衬套2与约束段302之间的过盈量为0.11mm；
在实际实施过程中，孔端面101、约束段302的端面和衬套2的端面只要在发射脉冲激光束6过程中保持齐平即可，能够使得吸收保护层4和约束层502更容易施加且质量更好，孔端面101形成刚性平面更便于强化工艺实施。
在实际实施过程中，可以采用拉拔机拉拔芯棒3，在拉拔机上设置定位结构或单独设置定位结构来定位衬套2的轴向位置。
本发明的孔端面激光冲击强化方法中，由于约束段302在拉拔力的作用下进入衬套2，衬套2在约束段302的力作用下变形并向四周挤压孔102的内壁，使孔102在径向上发生弹性甚至塑性的变形，对孔端面101形成强约束和支撑，能够避免孔102边在强化过程中塌陷变形，且激光冲击端面发生横向塑性变形时会形成更大的残余压应力，在芯棒3和衬套2的支撑作用下，残余应力分布更加可控，强化后的孔端面101的强度高，且抗疲劳效果更好。
在一些实施例中，孔端面激光冲击强化方法，还包括：
在约束段302的端面、衬套2上对应的端面及孔端面101保持齐平状态下，在待强化的孔端面101上贴吸收保护层4，并施加约束层502后，再向孔端面101发射脉冲激光束6。具体的，该吸收保护层4可以为黑胶带或铝箔，该约束层502可以为水流层。在实际实施过程中，可以通过水喷头501施加约束层502。
在一些实施例中，孔端面激光冲击强化方法，还包括：
强化完成后，去除吸收保护层4和约束层502，继续拉拔抽出芯棒3，取出所述衬套2。
在一些实施例中，参见图3，向孔端面101发射脉冲激光束6过程中，激光束以环形光斑7路径对所述孔端面101进行激光冲击强化处理，有利于使孔端面101在周向上各处的残余应力更加均匀，强化后的孔端面101抗疲劳效果更好。
在实际实施过程中，强化时，环形光斑7可以超出孔端面101的位置，并辐照在所述芯棒3的约束段302的端面上，降低了对光斑操控的精准度要求。
任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种预变形的孔端面激光冲击强化方法，其特征在于，包括：
将衬套装入待强化的孔端面对应的孔内，使所述衬套的一端面与所述孔端面保持齐平，其中，所述衬套与所述孔之间间隙配合；
将芯棒的过渡段装入衬套内，其中，所述芯棒包括用于与所述衬套之间间隙配合的所述过渡段和用于与所述衬套之间过盈配合的约束段，所述衬套与所述约束段之间的过盈量大于所述衬套与所述孔之间的间隙量；
拉拔所述芯棒，使所述芯棒的所述约束段进入所述衬套中挤压所述衬套，直至所述约束段的端面与所述孔端面齐平；
向所述孔端面发射脉冲激光束。
2.根据权利要求1所述的预变形的孔端面激光冲击强化方法，其特征在于，还包括：
在约束段的端面、所述衬套上对应的端面及所述孔端面保持齐平状态下，在待强化的孔端面上贴吸收保护层，并施加约束层后，再向所述孔端面发射脉冲激光束。
3.根据权利要求2所述的预变形的孔端面激光冲击强化方法，其特征在于，还包括：
强化完成后，去除所述吸收保护层和约束层，继续拉拔抽出所述芯棒，取出所述衬套。
4.根据权利要求2所述的预变形的孔端面激光强化冲击方法，其特征在于：所述吸收保护层为黑胶带或铝箔。
5.根据权利要求2所述的预变形的孔端面激光强化冲击方法，其特征在于：所述约束层为水流层。
6.根据权利要求1所述的预变形的孔端面激光冲击强化方法，其特征在于：向所述孔端面发射脉冲激光束过程中，激光束以环形光斑路径对所述孔端面进行激光冲击强化处理。
7.根据权利要求6所述的预变形的孔端面激光冲击强化方法，其特征在于：
强化时，所述环形光斑的超出孔端面的位置，并辐照在所述芯棒的约束段的端面上。
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