CN115386687A - 一种转角边缘激光冲击强化方法及辅助装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种转角边缘激光冲击强化方法，包括：根据转角数模，加工与转角外轮廓相同的辅助装置；根据构件的待强化转角区长度，选择吸收层贴覆在待强化转角区表面的贴覆步骤，贴覆步骤包括：在待强化转角表面先贴吸收层，将加工出的辅助装置放置于待强化转角对应的构件，使辅助装置的外轮廓与待强化转角的外轮廓对齐，向辅助装置施加压紧力；或，将加工出的辅助装置放置于构件上，使辅助装置的外轮廓与待强化转角的外轮廓对齐，向辅助装置施加压紧力，在构件的待强化转角表面贴吸收层；在吸收层的外表面喷去离子水，形成去离子水约束层；朝去离子水约束层发射激光脉冲，完成一个待强化转角位置的强化。其目的是解决构件转角边缘的强化问题。
Description
技术领域
本发明属于先进激光加工和激光应用技术领域，尤其涉及一种转角边缘激光冲击强化方法及辅助装置。
背景技术
激光冲击强化(激光喷丸)技术是利用纳秒级强脉冲激光透过对激光透明的约束介质在被金属表面的吸收层吸收后产生高温高压等离子体，诱导强冲击波使金属材料产生塑性变形并获得表层及近表层残余压应力从而提高金属结构的疲劳性能。具体工艺原理为：从激光器发出的高功率密度(GW/cm2量级)、短脉冲(ns量级)的强激光束穿过透明约束层照射到涂(贴)覆在金属材料表面的能量吸收层上，使其气化、电离，形成高温高压的等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸并诱发高压冲击波，在约束层的约束作用下产生向材料内部传播的强冲击波，由于冲击波峰值压力达到109Pa量级，远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生宏观塑性变形，在材料表面诱导残余压应力，从而提高构件的抗疲劳性能。广泛应用于航空航天等领域。
相较于传统强化工艺，激光冲击强化过程为非接触、光束可达即可强化，因此灵活度高，可强化孔、沟、槽、齿、转角等复杂曲面。尤其在强化转角、圆弧面具有独特优势。但在强化敞开面转角曲面边缘棱边时，会面临两个问题：一是强化工艺所需的去离子水约束层在转角边缘由于没有支撑而无法布置，进而影响转角边缘的强化效果；二是强化转角边缘时，由于强冲击波在转角边缘产生的剪切效应，易使棱边的吸收层破损，进而使棱边产生烧蚀，影响棱边强化效果。
发明内容
本发明主要针对以上问题，提出了一种转角边缘激光冲击强化方法及辅助装置，其目的是解决构件转角边缘的强化问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种转角边缘激光冲击强化方法，包括以下步骤：
根据构件的转角数模，加工与所述构件的转角外轮廓相同的辅助装置；
根据所述构件的待强化转角区长度，选择吸收层贴覆在所述待强化转角区表面的贴覆步骤，其中，所述贴覆步骤包括：贴覆方式一，在所述待强化转角表面先贴吸收层，然后将加工出的所述辅助装置放置于所述待强化转角对应的构件上，使所述辅助装置的外轮廓与所述待强化转角的外轮廓对齐，最后向所述辅助装置施加压紧力；或者，贴覆方式二，先将加工出的所述辅助装置放置于所述构件上，使所述辅助装置的外轮廓与所述构件的待强化转角的外轮廓对齐，然后向所述辅助装置施加压紧力，最后在所述构件的待强化转角表面贴吸收层；
在完成上述贴覆步骤后，在所述吸收层的外表面喷去离子水，形成去离子水约束层；
朝所述去离子水约束层发射激光脉冲，完成一个待强化转角位置的强化。
进一步地，在进行所述贴覆步骤前，还包括将所述构件的待强化转角表面和辅助装置用酒精或丙酮擦拭干净。
进一步地，贴覆在所述待强化转角表面的吸收层为具有一定延展性的胶带。
进一步地，所述胶带为铝箔胶带或PVC黑胶带。
进一步地，在所述贴覆方式一的步骤中，所述待强化转角区的长度不超过30mm；在所述贴覆方式二的步骤中，所述待强化转角区的长度超过30mm。
进一步地，在所述贴覆方式一的步骤中，所述吸收层的高度尺寸超过所述待强化转角的棱边3mm～5mm,将超出部分用专用工具沿棱边折过赶平，使赶平后的吸收层表面应无气泡、褶皱及鼓起。
进一步地，在所述贴覆方式一和所述贴覆方式二的步骤中，使用弓形夹将所述辅助装置与所述构件压紧；其中，预先用压力传感器测定所述弓形夹的螺距数与压紧力的等效关系，根据所述等效关系调节弓形夹的螺距数实现压紧力的控制。
进一步地，在所述贴覆方式二的步骤中，还包括用专用工具对贴覆后的所述吸收层进行赶平，使所述吸收层与所述待强化转角的表面和所述辅助装置的表面紧密贴合，且使所述吸收层的表面无明显接合痕迹、无气泡、褶皱及鼓起。
进一步地，在所述贴覆步骤中，向所述辅助装置施加的压紧力F0满足：
其中，所述As为辅助装置的接触面积，σs为构件材料的屈服强度。
进一步地，在完成一个待强化转角位置的强化后，还包括将所述辅助装置拆下、揭掉所述吸收层，用酒精或丙酮清洗已强化的转角面。
为实现上述目的，本发明提供了一种辅助装置，用于一种转角边缘激光冲击强化方法。
本发明的上述技术方案具有如下优点：通过设计加工与待强化转角外轮廓完全一致、具有一定高度的辅助装置，将辅助装置通过压紧力与待强化转角边缘紧密接触，使得去离子水约束层在转角边缘得到支撑；同时有针对性的调整优化吸收层贴覆工序和方法，可实现转角边缘的无损强化。
附图说明
图1为本发明披露的转角为凸圆角体构件的立体结构示意图。
图2为本发明披露的转角为凹圆角体构件的立体结构示意图。
图3为本发明披露的三种圆角体棱边的结构示意图。
图4为本发明披露的一种辅助装置与构件未贴合的结构示意图。
图5为本发明披露的一种辅助装置与构件贴合的结构示意图。
图6为本发明披露的一种转角边缘激光冲击强化结构示意图。
图7为本发明披露的一种吸收层贴覆前的结构示意图。
图中：1、构件；1-1、凸圆角体；1-2、凹圆角体；1-1a、待强化凸圆角面；1-2a、待强化凹圆角面；2、辅助装置；3、吸收层；4、去离子水约束层；5、脉冲激光。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了解决构件转角边缘的强化问题，本发明提供了一种转角边缘激光冲击强化方法。如图1和图2所示，待强化的构件1的转角包括凸圆角体1-1、凹圆角体1-2两种；其中，凸圆角体1-1具有待强化凸圆角面1-1a，凹圆角体1-2具有待强化凹圆角面1-2a。如图3所示，圆角体棱边分为有倒圆角(A)、倒斜角(B)和倒直角(C)三种情形。
下面将根据本实施例提供了一种转角边缘激光冲击强化方法来描述本技术方案，如图4-图7，该方法包括：
步骤S100：根据构件的转角数模，加工与构件的转角外轮廓相同的辅助装置。
S200：根据所述构件的待强化转角区长度，选择吸收层贴覆在所述待强化转角区表面的贴覆步骤，其中，所述贴覆步骤包括：贴覆方式一，如图4，在所述待强化转角表面先贴吸收层，然后将加工出的所述辅助装置放置于所述待强化转角对应的构件上，使所述辅助装置的外轮廓与所述待强化转角的外轮廓对齐，最后向所述辅助装置施加压紧力；或者，贴覆方式二，如图5，先将加工出的所述辅助装置放置于所述构件上，使所述辅助装置的外轮廓与所述构件的待强化转角的外轮廓对齐，然后向所述辅助装置施加压紧力，最后在所述构件的待强化转角表面贴吸收层；
步骤S300：在完成上述贴覆步骤后，在所述吸收层的外表面喷去离子水，形成去离子水约束层；
步骤S400：朝所述去离子水约束层发射激光脉冲，完成一个待强化转角位置的强化。
下面将结合具体示例来对上述实施例的方法进行详细说明。
根据构件1的转角数模加工20mm～40mm高、外轮廓与圆弧面完全相同的铝合金辅助装置2，辅助装置2的工作轮廓面粗糙度Ra1.6～Ra3.2。如步骤S100中的辅助装置2，其下倒角与待强化转角体棱边倒角相同，示意图如图4和图5所示。
将待强化圆弧面和铝合金辅助装置2用酒精或丙酮擦拭干净；在待强化圆弧面贴覆厚度为80～150μm的铝箔胶带或PVC黑胶带(推荐3M公司427/425型号铝箔胶带)作为吸收层3，吸收层3为具有一定延展性的胶带，对吸收层3所用的材料，本实施例不以此为限。
吸收层3在待强化转角棱边可有两种贴覆方式：即贴覆方式一和贴覆方式二，其中，贴覆方式一为：贴吸收层+辅助装置+压紧力+强化，贴覆方式二为：辅助装置+压紧力+贴吸收层+强化。
贴覆方式一的贴覆步骤：当圆弧面长度不超过30mm时，采用“贴吸收层+辅助装置+压紧力+强化”的步骤：在待强化转角表面先贴吸收层3，使吸收层3紧密贴覆在待强化转角面上，吸收层3高度尺寸超过转角棱边3mm～5mm,将超出部分3-1用专用工具沿棱边折过赶平，赶平后的胶带表面应无气泡、褶皱及鼓起。将上述步骤制作的辅助装置2放置于待强化转角的构件1上，使待强化转角弧面与辅助装置2弧面对齐，如图4所示。并用弓形夹将辅助装置2与构件1压紧，其中，预先用压力传感器测定弓形夹的螺距数与压紧力的等效关系，根据等效关系调节弓形夹的螺距数实现压紧力的控制，进而施加合适的压紧力以提高后续激光冲击的强化质量。
贴覆方式二的贴覆步骤：当圆弧面长度超过30mm时，采用“辅助装置+压紧力+贴吸收层+强化”的步骤：先将上述步骤制作的辅助装置2放置于待强化转角的构件1上，待强化转角弧面与辅助装置2弧面对齐，用弓形夹或压块将辅助装置2与构件1压紧。将吸收层3紧密贴敷于待强化圆弧面和辅助装置2圆弧面，用专用工具将吸收层3赶平，使吸收层3与待强化面(含辅助装置2圆弧面)紧密贴合，且吸收层3表面不应出现待强化圆弧面和辅助装置2圆弧面的明显接合痕迹，吸收层3表面应无气泡、褶皱及鼓起。
值得注意的是，在上述贴覆步骤中，向辅助装置2施加的压紧力F0应满足：
其中，As为辅助装置的接触面积，σs为构件材料的屈服强度。
将完成上述的贴覆步骤后，在待强化圆弧面上喷去离子水，形成1～2mm的去离子水膜作为去离子水约束层4，启动激光冲击强化设备并发射脉冲激光5，本实施例的辅助装置2通过压紧力与待强化转角边缘紧密接触，使得去离子水约束层4在转角边缘得到支撑。强化完毕将辅助装置2拆下、揭掉吸收层3，用酒精清或丙酮洗强化面。
采用上述实施例的转角边缘激光冲击强化方法和辅助装置2可实现转角边缘的无损强化，并且保证了转角边缘强化时吸收层的完整，保证了转角边缘的强化效果。
本实施例实现钛合金凹转角圆弧面的构件1、吸收层3(选用铝箔胶带)非压平式激光冲击强化，如下图所示，其步骤为：
根据转角数模加工20mm～40mm高、外轮廓与圆弧面相同的凹圆弧面的铝合金辅助装置2，辅助装置2工作轮廓面粗糙度Ra3.2；
将待强化圆弧面的构件1和铝合金辅助装置2用酒精或丙酮擦拭干净；
将辅助装置2放置于待强化转角构件1上，待强化转角弧面与辅助装置2弧面对齐，用弓形夹将辅助装置2与构件1压紧。压紧力F0＝100kN(As＝0.1m2)。将铝箔胶带紧密贴敷于待强化圆弧面和辅助装置圆弧面，如下图所示；
对贴覆完毕的待强化圆弧面进行激光冲击强化；
强化完毕将辅助装置2拆下、揭掉铝箔胶带，用酒精或丙酮清洗强化面。
为了解决构件转角边缘的强化问题，本发明还提供了一种辅助装置，用于一种转角边缘激光冲击强化方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据构件的转角数模，加工与所述构件的转角外轮廓相同的辅助装置；
根据所述构件的待强化转角区长度，选择吸收层贴覆在所述待强化转角区表面的贴覆步骤，其中，所述贴覆步骤包括：贴覆方式一，在所述待强化转角表面先贴吸收层，然后将加工出的所述辅助装置放置于所述待强化转角对应的构件上，使所述辅助装置的外轮廓与所述待强化转角的外轮廓对齐，最后向所述辅助装置施加压紧力；或者，贴覆方式二，先将加工出的所述辅助装置放置于所述构件上，使所述辅助装置的外轮廓与所述构件的待强化转角的外轮廓对齐，然后向所述辅助装置施加压紧力，最后在所述构件的待强化转角表面贴吸收层；
在完成上述贴覆步骤后，在所述吸收层的外表面喷去离子水，形成去离子水约束层；
朝所述去离子水约束层发射激光脉冲，完成一个待强化转角位置的强化。
2.如权利要求1所述的一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，在进行所述贴覆步骤前，还包括将所述构件的待强化转角表面和辅助装置用酒精或丙酮擦拭干净。
3.如权利要求1所述的一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，贴覆在所述待强化转角表面的吸收层为具有一定延展性的胶带。
4.如权利要求1所述的一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，在所述贴覆方式一的步骤中，所述待强化转角区的长度不超过30mm；在所述贴覆方式二的步骤中，所述待强化转角区的长度超过30mm。
5.如权利要求1所述的一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，在所述贴覆方式一的步骤中，所述吸收层的高度尺寸超过所述待强化转角的棱边3mm～5mm,将超出部分用专用工具沿棱边折过赶平，使赶平后的吸收层表面应无气泡、褶皱及鼓起。
6.如权利要求1所述的一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，在所述贴覆方式一和所述贴覆方式二的步骤中，使用弓形夹将所述辅助装置与所述构件压紧；其中，预先用压力传感器测定所述弓形夹的螺距数与压紧力的等效关系，根据所述等效关系调节弓形夹的螺距数实现压紧力的控制。
7.如权利要求1所述的一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，在所述贴覆方式二的步骤中，还包括用专用工具对贴覆后的所述吸收层进行赶平，使所述吸收层与所述待强化转角的表面和所述辅助装置的表面紧密贴合，且使所述吸收层的表面无明显接合痕迹、无气泡、褶皱及鼓起。
8.如权利要求1所述的一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，在所述贴覆步骤中，向所述辅助装置施加的压紧力F0满足：
其中，所述As为辅助装置的接触面积，σs为构件材料的屈服强度。
9.如权利要求1所述的一种转角边缘激光冲击强化方法，其特征在于，在完成一个待强化转角位置的强化后，还包括将所述辅助装置拆下、揭掉所述吸收层，用酒精或丙酮清洗已强化的转角面。
10.一种辅助装置，其特征在于，所述辅助装置用于权利要求1-9任一项所述的一种转角边缘激光冲击强化方法。
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