CN113502387A - 一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，包括测量零件待强化孔的孔径和孔深，制备出高度和底面直径略大于待强化孔尺寸的软质弹性圆柱芯；将铝箔胶带平铺粘贴覆盖整个待强化孔，排除铝箔胶带与零件之间的空气；切除待强化孔内悬空的铝箔胶带，并保留待强化孔内剩余一定宽度的铝箔胶带；沿铝箔胶带一周切开规则缺口，再对待强化孔边倒角部分铝箔胶带进行压合；将制备的软质弹性圆柱芯旋入待强化孔内，调整并使软质弹性圆柱芯的高度略超出待强化孔边缘高度；将零件装夹在机械手上，机械手随强化点位的周期变化，直至完成零件的激光冲击强化。本发明步骤简单，操作便捷，效果显著，能够有效解决激光冲击强化过程中的孔边质量控制问题。

Description

一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法

技术领域

本发明涉及激光冲击强化技术领域，特别是涉及一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法。

背景技术

激光冲击强化是一种先进的材料表面改性技术，采用一束高能量、短脉冲激光周期性轰击覆盖有吸收层和约束层的金属材料表面，诱导产生高幅值、大深度残余压应力，提高其抗疲劳、耐磨损等综合力学性能，被越来越广泛地应用于框、梁、孔等典型航空构件的疲劳增寿。

激光冲击过程通常采用“激光→去离子水→铝箔胶带→零件”的结构，去离子水主要起约束等激光诱导离子冲击波向外扩散，增大冲击波峰值压力的作用；铝箔胶带则主要起吸收脉冲激光能量，以及防止零件表面烧蚀的作用。然而，铝箔胶带粘贴过程中若与待强化表面存在气泡、褶皱，或者铝箔胶带粘贴于零件的边缘区域，激光冲击过程中则易出现铝箔破损，造成零件表面烧蚀，影响激光冲击强化效果。

当采用激光冲击孔边缘时，若铝箔胶带直接平铺覆盖粘贴，孔边缘吸收层则处于悬空状态；若铝箔胶带弯折90°粘贴于孔内壁，孔边缘则不可避免地留有局部气泡，在后续激光冲击过程中，由于冲击波的峰值压力高达数吉帕级，铝箔胶带极其容易破损。即使铝箔胶带粘贴达到绝对无气泡，由于冲击力的剪切作用，也会导致边缘铝箔胶带剪切撕裂。当铝箔胶带损坏后，激光将直接轰击在零件表面，造成零件表面烧蚀，影响零件最终表面质量，且对其残余应力分布亦会产生不利影响。

通过检索发现，专利CN111235381A公开了一种孔壁强化的防损伤方法及其装置，其针对对象主要为孔壁，且其防护方法室通过遮挡，减少倾斜入射激光的反射，从而防止对称面损伤。

激光强化航空典型孔结构的服役可靠性和安全性与冲击过程的质量控制具有密切的关系。铝箔胶带作为激光强化过程的吸收层，一方面在冲击中吸收激光能量，还发挥着保护零件表面不被烧蚀的重要作用。然而，在实际激光冲击强化过程中，由于铝箔胶带粘贴过程中的弯折、气泡、褶皱，激光冲击强化过程中铝箔胶带极易破损，产生烧蚀，影响强化质量。由于孔边缘几何特性的突变，铝箔胶带粘贴时将不可避免地出现悬空或弯折，强化过程中铝箔胶带极易破损，引起表面烧蚀，破坏表面完整性。然而孔结构具有较高的应力集中系数，在其服役过程中，孔边缘将承受远比外加载荷大的载荷，极易成为裂纹萌生区域，影响服役寿命。

鉴于此，如何提出一种孔边缘激光冲击强化的防铝箔胶带破损方法，进而提高孔边缘的激光冲击强化效果是本领域技术人员亟需解决的技术难题。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，包括：零件孔径测量及软质弹性圆柱芯制备、采用铝箔胶带粘贴及孔边缘处修饰、软质弹性圆柱芯与零件孔机械过盈装配以及含孔边缘区域的孔表面激光冲击强化等步骤。提高孔边缘质量强化的效果。

(2)技术方案

本发明的实施例提出了一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，包括如下步骤：

步骤一：测量零件待强化孔的孔径和孔深，并依据此尺寸制备出高度和底面直径略大于待强化孔尺寸的软质弹性圆柱芯；

步骤二：首先，将铝箔胶带平铺粘贴覆盖整个待强化孔，排除铝箔胶带与零件之间的空气；然后，切除待强化孔内悬空的铝箔胶带，并保留待强化孔内剩余一定宽度的铝箔胶带；最后，沿铝箔胶带一周切开规则缺口，按压粘贴在待强化孔的孔壁之上，再对待强化孔边倒角部分铝箔胶带进行压合；

步骤三：将制备的软质弹性圆柱芯旋入待强化孔内，调整并使软质弹性圆柱芯的高度略超出待强化孔边缘高度；

步骤四：将零件装夹在机械手上，调整去离子水喷头位置，设置激光冲击强化参数，启动激光器和机械手联动，激光器出光、机械手随强化点位的周期变化，直至完成零件的激光冲击强化。

进一步地，所述软质弹性圆柱芯的直径d满足：1.00d₀＜d≤1.05d₀，所述软质弹性圆柱芯的高度h满足：h≥h₀+1.0mm，其中d₀为零件待强化孔的孔径，h₀为零件待强化孔的孔深。

进一步地，所述步骤二中待强化孔内剩余的宽度不小于5.0mm。

进一步地，待强化孔边倒角部分采用圆形压头对铝箔胶带进行压合。

进一步地，所述步骤三中软质弹性圆柱芯超出待强化孔边缘的高度在0.5mm至1.5mm之间。

进一步地，所述步骤四中激光冲击强化采用方形光斑或圆形光斑。

进一步地，所述激光冲击强化的路径顺序为：首先顺时针完成最内圈激光冲击，随后向外偏移一定距离逆时针完成第二圈激光冲击，然后依次顺时针、逆时针向外，直至最外圈完成激光冲击。

进一步地，采用圆形光斑激光冲击强化时，相邻光斑之间的搭接率应不超过50％。

进一步地，还包括：步骤五：取下零件，去除软质弹性圆柱芯，检查铝箔胶带是否存在破损以及激光冲击点是否全部覆盖；缓慢揭开铝箔胶带，采用酒精或者丙酮将零件表面清理干净，即可获得激光冲击强化后的零件。

(3)有益效果

本发明实施例所示方法一方面通过设计匹配待强化孔尺寸的软质弹性圆柱芯，使得软质弹性圆柱芯的高度和底面直径略大于待强化孔尺寸的高度和底面直径，进而当软质弹性圆柱芯插入到待强化孔以后，实现强化过程软质弹性圆柱芯对铝箔胶带的压实，并利用软质弹性圆柱芯的弹性实现与待强化孔的可变过盈，进而软质弹性圆柱芯对铝箔胶带压实紧密；另一方面本发明实施例的铝箔胶带布置平整，且在孔边缘处切开规则缺口，在孔倒角部分铝箔胶带进行压合紧实，从而铝箔胶带与孔边缘之间不产生弯折、气泡、褶皱等不利情况，进而孔边缘处的铝箔胶带再通过软质弹性圆柱芯与孔内壁之间过盈配合的压紧，更加不易脱落。

本发明实施例步骤简单，操作便捷，效果显著，能够有效解决激光冲击强化过程中的孔边质量控制问题，为拓宽激光冲击强化技术应用面提供了强有力的技术支持，对拓展激光冲击强化技术的实际应用具有极其重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的孔边缘质量控制方法的流程图。

图2是本发明实施例中测量零件待强化孔的孔径和孔深示意图。

图3是本发明一实施例中在待强化孔覆盖铝箔胶带的示意图。

图4是本发明一实施例中切除待强化孔内悬空的铝箔胶带的示意图。

图5是本发明一实施例中铝箔胶带切开规则缺口的示意图。

图6是本发明一实施例中铝箔胶折弯规则缺口的示意图。

图7是本发明一实施例中软质弹性圆柱芯填充到待强化孔的示意图。

图8是本发明一实施例中激光冲击强化路径的示意图。

图9是本发明另一实施例中激光冲击强化路径的示意图。

图10是未采用本发明实施例激光冲击强化加工出来的零件示意图。

图11是采用本发明实施例激光冲击强化加工出来的零件示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参照附图1-附图11并结合实施例来详细说明本申请。

参阅附图1所示，本发明实施例一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，包括如下步骤：

步骤一：测量零件待强化孔的孔径d₀和孔深h₀，并依据此尺寸制备出高度和底面直径略大于待强化孔尺寸的软质弹性圆柱芯；

步骤二：首先，将铝箔胶带平铺粘贴覆盖整个待强化孔，排除铝箔胶带与零件之间的空气；然后，切除待强化孔内悬空的铝箔胶带，并保留待强化孔内剩余一定宽度的铝箔胶带；最后，沿铝箔胶带一周切开规则缺口，按压粘贴在待强化孔的孔壁之上，再对待强化孔边倒角部分铝箔胶带进行压合；

步骤三：将制备的软质弹性圆柱芯旋入待强化孔内，调整并使软质弹性圆柱芯的高度略超出待强化孔边缘高度；

步骤四：将零件装夹在机械手上，调整去离子水喷头位置，设置激光冲击强化参数，启动激光器和机械手联动，激光器出光、机械手随强化点位的周期变化，直至完成零件的激光冲击强化。

参阅附图2所示，本发明实施例首先测量零件待强化孔的孔径和孔深，并依据待强化孔的孔径和孔深制备出高度和底面直径略大的软质弹性圆柱芯，从而将软质弹性圆柱芯塞入到零件待强化孔中可以稳定可靠地固定在其中。然后，参阅附图3所示，本发明实施例利用铝箔胶带平铺粘贴覆盖整个待强化孔，并排除铝箔胶带与零件之间的空气，例如可以采用刮平器排除铝箔胶带与零件之间的空气；随后，参阅附图4所示，切除待强化孔内悬空的铝箔胶带，保留待强化孔内剩余一定宽度的铝箔胶带；而且参阅附图5和6所示，沿铝箔胶带一周切开规则缺口，将铝箔胶带按压粘贴在待强化孔的孔壁之上，再对待强化孔边倒角部分铝箔胶带进行压合；接着，参阅附图7所示，将制备的软质弹性圆柱芯旋入待强化孔内，调整并使软质弹性圆柱芯的高度略超出待强化孔边缘高度；一切准备就绪以后，将零件装夹在机械手上，调整去离子水喷头位置，设置激光冲击强化参数，启动激光器和机械手联动，参阅附图8或9所示，激光器出光、机械手随强化点位的周期变化，直至完成零件的激光冲击强化。

本发明实施例所示方法一方面通过设计匹配待强化孔尺寸的软质弹性圆柱芯，使得软质弹性圆柱芯的高度和底面直径略大于待强化孔尺寸的高度和底面直径，进而当软质弹性圆柱芯插入到待强化孔以后，实现强化过程软质弹性圆柱芯对铝箔胶带的压实，并利用软质弹性圆柱芯的弹性实现与待强化孔的可变过盈，进而软质弹性圆柱芯对铝箔胶带压实紧密；另一方面本发明实施例的铝箔胶带布置平整，且在孔边缘处切开规则缺口，在孔倒角部分铝箔胶带进行压合紧实，从而铝箔胶带与孔边缘之间不产生弯折、气泡、褶皱等不利情况，进而孔边缘处的铝箔胶带再通过软质弹性圆柱芯与孔内壁之间过盈配合的压紧，更加不易脱落。本发明实施例获得一种可有效防止孔边铝箔胶带破损的强化方法，解决孔边强化质量控制的问题，减少因铝箔胶带破损造成的零件表面烧蚀，提高激光冲击强化效果。本发明实施例所示方法步骤简单，操作便捷，效果显著，能够有效解决激光冲击强化过程中的孔边质量控制问题，为拓宽激光冲击强化技术应用面提供了强有力的技术支持，对拓展激光冲击强化技术的实际应用具有极其重要的意义。

具体地，根据本发明的一个实施例中，参阅附图2所示，所述软质弹性圆柱芯的直径d满足：1.00d₀＜d≤1.05d₀，所述软质弹性圆柱芯的高度h满足：h≥h₀+1.0mm，其中d₀为零件待强化孔的孔径，h₀为零件待强化孔的孔深。当软质弹性圆柱芯的直径d和高度h略大于对应待强化孔的孔径和孔深时，若将软质弹性圆柱芯放置在待强化孔内，可以起到过盈配合的效果，软质弹性圆柱芯在自身弹性力作用下会向外膨胀进而将步骤二中记载的铝箔胶带一周切开规则缺口紧紧压实在待强化孔的内壁上，如附图7所示，这样铝箔胶带在激光强化过程中不易滑动而影响激光强化效果。而且由于软质弹性圆柱芯的软质特性，及时其直径d和高度h略大于对应待强化孔的孔径和孔深，其也很容易塞入到待强化孔内。

除此之外，在本发明实施例中，待强化孔的孔径和孔深可以利用游标卡尺进行测量，具有测量准确、方便的优点。而软质弹性圆柱芯可以利用金相热镶样机进行压制，其材质可以为聚氨基酸酯。

具体地，根据本发明的又一个实施例中，参阅附图4-附图7所示，所述步骤二中待强化孔内剩余的宽度w不小于5.0mm，例如可以为5.0mm，也可以为4.5mm。当待强化孔内剩余的宽度w不小于5.0mm时，可以确保软质弹性圆柱芯在自身弹性力作用下将铝箔胶带一周切开规则缺口紧紧压实在待强化孔的内壁上。

具体地，根据本发明的另一个实施例中，待强化孔边倒角部分可以采用圆形压头对铝箔胶带进行压合，进而提高倒角部分铝箔胶带与孔边缘的贴实紧密度，从而有利于提高激光强化效果。

具体地，所述步骤三中软质弹性圆柱芯超出待强化孔边缘的高度在0.5mm至1.5mm之间，例如可以为1.5mm，也可以为0.5mm。

具体地，根据本发明的一个实施例中，参阅附图8或9所示，所述步骤四中激光冲击强化采用方形光斑或圆形光斑。

具体地，根据本发明的另一个实施例中，参阅附图8或9所示，所述激光冲击强化的路径顺序为：首先顺时针完成最内圈激光冲击，随后向外偏移一定距离逆时针完成第二圈激光冲击，然后依次顺时针、逆时针向外，直至最外圈完成激光冲击，这样可以确保对所有孔边缘处完成激光强化操作。

具体地，采用圆形光斑激光冲击强化时，相邻光斑之间的搭接率应不超过50％，例如可以为50％，也可以为30％等，搭接率控制在50％以下可以提高操作效率。当然，对于方形光斑激光强化冲击时，搭接率上限可根据实际需求适当增加，例如可以为65％等。

具体地，根据本发明的另一个实施例中，还包括：步骤五：取下零件，去除软质弹性圆柱芯，检查铝箔胶带是否存在破损以及激光冲击点是否全部覆盖；缓慢揭开铝箔胶带，采用酒精或者丙酮将零件表面清理干净，即可获得激光冲击强化后的零件。通过检查可以进一步确保孔边缘处的激光强化的质量。

下面以另一个具体的实例来说明本发明实施例所示方法。

本实施例中零件为耳片结构模拟件，材料为TA15钛合金，外轮廓尺寸为210mm×60mm×15mm,具体实施过程如下：

①参阅附图2所示，采用游标卡尺测量耳片结构模拟件的内孔直径为Φ24.0mm、内孔深度为15.0mm,根据以上尺寸选用7050铝合金铣削加工制备模具，随后将其放入橡胶热压设备中，加入聚氨基酸酯，设置温度及保载时间，挤压制得聚氨基酸酯软质弹性橡胶圆柱，测得其尺寸为24.5mm,高度为16.2mm。

②参阅附图3所示，采用厚度约为100μm的3M专用铝箔胶带覆盖粘贴在耳片结构模拟件孔表面，采用刮平器排除铝箔胶带与耳片结构模拟件之间的空气，确保铝箔胶带与孔平面无褶皱紧密贴合，铝箔胶带超出零件外边缘10.0mm。参阅附图4所示，再采用剪膜工具切除孔内悬空的铝箔胶带，使孔内剩余的铝箔胶带宽度w约为5.0mm。参阅附图5和6所示，采用剪模工具沿铝箔胶带一周切开规则缺口，手工按压粘贴在孔壁之上，随后使用圆形压头，对孔边倒角部分铝箔胶带进行压合，得到粘贴好铝箔胶带的待强化零件。

③采用100目以下砂纸将①制备的聚氨基酸酯软质弹性橡胶圆柱表面打磨粗糙，以增大其与孔内壁的摩擦力。参阅附图7所示，将聚氨基酸酯软质弹性橡胶圆柱缓慢旋入孔内，调整圆柱与孔边缘的相对高度，确保其高度略超出孔平面，本实施例中聚氨基酸酯软质弹性橡胶圆柱比孔平面高出0.6mm。

④将③中装配好的耳片零件装夹在六轴机械手上，通过机械手的运动，实现激光冲击强化点位的周期变化。本实施例中激光冲击采用4mm×4mm方光斑，周向和径向搭接率均为15％，即两相连光斑中心的距离为3.4mm,其路径如图8所示。激光冲击强化顺序为首先顺时针完成最内圈激光冲击，随后径向向外平移ΔL为3.4mm，逆时针完成第二圈激光冲击，然后依次顺时针、逆时针向外，直至最外圈完成激光冲击。

⑤调整去离子水喷射位置，采用典型激光强化工艺参数(激光能量E＝25J、脉冲宽度τ＝15ns、冲击次数n＝1次、频率f＝1Hz)，按照④中设计的激光冲击路径，完成耳片零件的激光冲击强化。

⑥取下零件，去除孔内聚氨基酸酯软质弹性橡胶圆柱，目视检查铝箔胶带是否存在破损，以及激光冲击点是否100％覆盖，揭开铝箔胶带，采用酒精或者丙酮将零件表面清理干净，即完成了耳片结构模拟件的孔边缘激光冲击强化。

图10为未采用本发明实施例所示激光冲击强化后的试样照片；图11则为采用本发明实施例所示激光冲击强化后的试样照片。对图10和图11所得样品分别采用X射线衍射仪测量孔边缘残余应力发现，图11所示样品铝箔胶带完好的零件其残余应力数值为-562MPa，图10所示样品铝箔胶带破损的零件其孔边残余应力数值为-218MPa。可见，激光冲击强化过程中铝箔胶带对残余应力的影响很显著。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：测量零件待强化孔的孔径和孔深，并依据此尺寸制备出高度和底面直径略大于待强化孔尺寸的软质弹性圆柱芯；

步骤二：首先，将铝箔胶带平铺粘贴覆盖整个待强化孔，排除铝箔胶带与零件之间的空气；然后，切除待强化孔内悬空的铝箔胶带，并保留待强化孔内剩余一定宽度的铝箔胶带；最后，沿铝箔胶带一周切开规则缺口，按压粘贴在待强化孔的孔壁之上，再对待强化孔边倒角部分铝箔胶带进行压合；

步骤三：将制备的软质弹性圆柱芯旋入待强化孔内，调整并使软质弹性圆柱芯的高度略超出待强化孔边缘高度；

步骤四：将零件装夹在机械手上，调整去离子水喷头位置，设置激光冲击强化参数，启动激光器和机械手联动，激光器出光、机械手随强化点位的周期变化，直至完成零件的激光冲击强化。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，所述软质弹性圆柱芯的直径d满足：1.00d₀＜d≤1.05d₀，所述软质弹性圆柱芯的高度h满足：h≥h₀+1.0mm，其中d₀为零件待强化孔的孔径，h₀为零件待强化孔的孔深。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，所述步骤二中待强化孔内剩余的宽度不小于5.0mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，待强化孔边倒角部分采用圆形压头对铝箔胶带进行压合。

5.根据权利要求1所述的一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，所述步骤三中软质弹性圆柱芯超出待强化孔边缘的高度在0.5mm至1.5mm之间。

6.根据权利要求1所述的一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，所述步骤四中激光冲击强化采用方形光斑或圆形光斑。

7.根据权利要求6所述的一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，所述激光冲击强化的路径顺序为：首先顺时针完成最内圈激光冲击，随后向外偏移一定距离逆时针完成第二圈激光冲击，然后依次顺时针、逆时针向外，直至最外圈完成激光冲击。

8.根据权利要求6或7所述的一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，采用圆形光斑激光冲击强化时，相邻光斑之间的搭接率应不超过50％。

9.根据权利要求1所述的一种用于激光冲击孔结构的边缘质量控制方法，其特征在于，还包括：

步骤五：取下零件，去除软质弹性圆柱芯，检查铝箔胶带是否存在破损以及激光冲击点是否全部覆盖；缓慢揭开铝箔胶带，采用酒精或者丙酮将零件表面清理干净，即可获得激光冲击强化后的零件。

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