本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，特指對于不同厚度的小孔構(gòu)件激光沖擊強化時采用不同的激光參數(shù)，使不同板厚的小孔孔的強化效果均達到良好的狀態(tài)的一種不同厚度小孔構(gòu)件激光沖擊強化方法。

背景技術(shù)：

小孔構(gòu)件是典型的應(yīng)力集中細節(jié)，易在疲勞載荷下產(chǎn)生疲勞裂紋，影響關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的使用性能和服役壽命。而很多機械零件都需要進行開孔處理，特別是飛機上的零件更是要開上千個孔，這些孔就成了零件的薄弱環(huán)節(jié)，而這些零件又厚度不一。傳統(tǒng)的機械強化方法如機械噴丸、擠壓強化等受到孔徑的限制，對于直徑3mm以下的小孔不容易強化。激光沖擊強化是一種先進的材料強化方法，具有非接觸、無形變、不存在熱影響區(qū)及強化效果顯著等優(yōu)點，但如何控制激光參數(shù)以保證不同材料不同厚度的小孔構(gòu)件在沖擊強化后均能達到良好的強化效果是該領(lǐng)域的一大難點。

專利cn102517413中敘述了一種小孔強化方法，其實施方法是先用大光斑大能量的激光對小孔構(gòu)件待開孔表面進行沖擊強化，使小孔構(gòu)件沿厚度方向較深處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，再用小光斑小能量的激光對小孔構(gòu)件待開孔位置四周的表面進行二次沖擊強化，使小孔構(gòu)件表面產(chǎn)生較好的殘余壓應(yīng)力，最后進行打孔，這種方法避免了先開孔后進行激光沖擊強化而產(chǎn)生的孔端面質(zhì)量不高的問題，但是該種方法并不能使各種板厚的小孔都達到最佳的強化狀態(tài)，且對于設(shè)備要求較高，需要大功率的激光器設(shè)備。

專利cn103014276中敘述了一種用錐壓與激光相結(jié)合的小孔強化方法，一面用激光沖擊，激光沖擊對應(yīng)的背面用特質(zhì)的錐壓頭壓入，最后在壓入的地方開孔。該方法雖然使得4mm-6mm板厚的孔壁為壓應(yīng)力，但錐壓過程容易使板材變形，錐壓面的表面質(zhì)量也不能保證，不同板厚的孔壁殘余壓應(yīng)力不穩(wěn)定，特別是較厚板處理質(zhì)量較難保證。

專利申請?zhí)枮?00610096476.5的發(fā)明專利，發(fā)明名稱為一種基于激光沖擊波技術(shù)孔壁的強化方法和裝置，提出了在已開孔的小孔構(gòu)件孔徑內(nèi)插入反射錐，在反射錐的錐面上涂上能量吸收層和約束層，再對孔壁進行激光沖擊強化。該方法與機械噴丸相比不受孔徑大小的限制，且可使得強化層均勻，但由于是先開孔再強化，激光會對小孔造成一定的損傷，從而影響孔的精度與孔壁的表面質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對以上不足，提供一種不同厚度小孔構(gòu)件激光沖擊強化方法，該方法考慮不同厚度材料的強化效果以及小孔構(gòu)件的變形和沖擊構(gòu)件的表面質(zhì)量要求，針對不同材料不同厚度小孔構(gòu)件激光沖擊強化工藝參數(shù)選擇問題，經(jīng)過大量的試驗和統(tǒng)計分析，提出一個經(jīng)驗公式和工藝參數(shù)確定方法，以保證在95％的置信度下獲得滿意的疲勞增益。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：本發(fā)明的參數(shù)選擇具體步驟是首先根據(jù)材料的性能、厚度、所用的約束層與吸收層性能以及沖擊后對材料變形量和表面質(zhì)量的要求，結(jié)合經(jīng)驗公式確定該材料所用的激光功率密度，其次根據(jù)選用的功率密度與所擁有的激光器設(shè)備，依次確定脈寬，激光能量，光斑大小，最后根據(jù)沖擊區(qū)域與覆蓋率的選用原則確定搭接率與沖擊層數(shù)。具體步驟如下：

一種不同厚度小孔構(gòu)件激光沖擊強化方法，包括以下步驟：將小孔構(gòu)件的表面進行預(yù)處理，然后在小孔構(gòu)件待開孔部位的表面設(shè)能量吸收層，在吸收層表面設(shè)約束層，將預(yù)處理后的小孔構(gòu)件固定在數(shù)控工作臺上,使用激光器對小孔構(gòu)件的待開孔區(qū)域進行沖擊強化，對不同厚度小孔構(gòu)件采用不同的激光沖擊強化工藝參數(shù)，其工藝參數(shù)選擇與確定方法如下：

1)依據(jù)小孔構(gòu)件材料強度和材料厚度來選擇功率密度，其功率密度與小孔構(gòu)件厚度的關(guān)系由公式確定，此公式為通過大量試驗后進行統(tǒng)計分析得到的經(jīng)驗公式，式中i0為激光功率密度，σs為材料的屈服強度，t為板厚，2/z＝1/z1+1/z2，z1是小孔構(gòu)件材料的聲阻抗，z2是約束層的聲阻抗，a為綜合作用系數(shù)，且與小孔構(gòu)件的材料、約束層和吸收層相關(guān)，b為厚度影響系數(shù)、且與小孔構(gòu)件的材料和厚度相關(guān)；

2)其下限值應(yīng)該滿足和p>2σs，p為作用在小孔構(gòu)件材料上的激光沖擊載荷的峰值壓力，σs材料的屈服強度，k為常數(shù)與約束層和吸收層相關(guān)；

3)結(jié)合公式確定光斑直徑d和脈沖激光能量e；tp為激光脈寬，與激光器有關(guān)，較厚材料構(gòu)件采用較大激光脈寬tp，選用10ns～30ns；激光器激光能量e與激光器的功率相關(guān)，激光能量e為2j～35j，使用小型化激光器，采用較小光斑直徑d，光斑直徑d的取值范圍在2mm～6mm；高功率激光器，較大光斑直徑d，提高生產(chǎn)效率；在保證激光功率密度i0下，光斑直徑d和脈沖激光能量e進行適當配合調(diào)整；如方形光斑，這里d為光斑的邊長；

4)確定激光能量，激光脈寬tp，光斑直徑d后，選擇搭接率ψ和沖擊層數(shù)n；圓形光斑搭接率ψ為50％左右，方形光斑搭接率ψ為10％左右；沖擊層數(shù)n為1層～6層，n的確定與材料的屈服強度σs、激光功率密度i0、光斑搭接率ψ相關(guān)，σs小、i0大、ψ大，取下限；搭接率ψ＝相鄰光斑重復距離l/光斑直徑d(或光斑邊長)。

光斑搭接率ψ和沖擊層數(shù)n還受平均覆蓋率η的限定，平均覆蓋率η＝n*s1/s，n為沖擊1面沖擊總的光斑數(shù)，s1為一個光斑的面積，s為孔位置沖擊區(qū)域的面積；平均覆蓋率η取200％～800％，如果平均覆蓋率η不在200％～800％范圍內(nèi)，需要重新選擇所述搭接率ψ和沖擊層數(shù)n。

經(jīng)驗公式中a的取值與構(gòu)件材料、約束層、吸收層等工藝參數(shù)相關(guān)，主要相關(guān)因素是構(gòu)件材料與約束層，當材料為鋁合金，經(jīng)驗公式中的厚度影響系數(shù)b的取值與材料有關(guān)，當材料為鋁合金時b＝6，約束層為水、k9光學玻璃、有機玻璃、硅膠或合成樹脂中任意一種時，a的取值范圍在2～5。

經(jīng)驗公式中，當材料為鈦合金時，b＝2.6；當材料為鈦合金時，約束層為水、k9光學玻璃、有機玻璃、硅膠或合成樹脂中任意一種時，a的取值范圍在0.5～1.25左右。

小孔構(gòu)件的剛度大、材料的表面硬度大，a可考慮取偏上限值；考慮用戶對激光沖擊強化后構(gòu)件對變形量和表面粗糙度的要求，a可考慮上下浮動。

激光的沖擊區(qū)域的取值范圍在2.8d～3.8d，d為孔徑大小，小孔構(gòu)件厚度大取下限；激光沖擊區(qū)域距材料邊界，或激光沖擊區(qū)域與另激光沖擊區(qū)域之間的距離應(yīng)不小于3mm，減小邊緣效應(yīng)，以及沖擊區(qū)域與沖擊區(qū)域之間的影響。

先沖擊處理后開孔，其效果優(yōu)于先開孔后沖擊，沖擊方式為雙面沖擊，使得孔壁出現(xiàn)較好的應(yīng)力分布；當搭接率大于63％時，采用跳沖方式，防止吸收層的損壞。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1.針對不同材料不同厚度的小孔構(gòu)件激光沖擊強化的功率密度選擇提出了經(jīng)驗公式明確了各激光參數(shù)的選用原則與方法，提高了激光沖擊強化的科學性。

2.該方法使各種板厚小孔構(gòu)件的表面與孔壁得到強化，且能很好的控制板料的變形。

3.該方法可以滿足不同孔徑的強化需要，且保證孔壁質(zhì)量。

4.該方法降低了對激光器等設(shè)備的要求，可采用小能量激光，降低了小孔強化的成本。

5.該方法可以在一定范圍內(nèi)滿足客戶的疲勞增益效果要求與表面質(zhì)量要求，特別是保證較厚板處理質(zhì)量穩(wěn)定。

6.該方法突破了直徑3mm以下的小孔不易強化的限制，保證不同材料不同厚度的小孔構(gòu)件在沖擊強化后均能達到良好的強化效果是該領(lǐng)域的一大難點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施方式的激光沖擊強化示意圖；

圖2是本發(fā)明一實施方式的激光沖擊工藝路線圖；

表17050-t7451鋁合金在本方法條件中的各板厚激光沖擊參數(shù)及疲勞增益；

表2tc4-dt鈦合金在本方法條件中的各板厚激光沖擊參數(shù)及疲勞增益；

表32024-t62鋁合金在本方法條件中的各板厚激光沖擊參數(shù)及疲勞增益。

圖中，1、激光束，2、約束層，3、吸收層，4、小孔構(gòu)件，5、光斑，6、激光沖擊路線，7、板料邊界。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。

實施例一：

本實例中采用材料為7050-t7451鋁合金板料，厚度為3mm、4mm、5mm、6mm，需要開孔的孔徑大小為2.6mm。如圖1所示，將小孔構(gòu)件4的表面先進行預(yù)處理，然后在構(gòu)件待開孔部位的表面貼上鋁箔作為能量吸收層3，使用水作為約束層2，使水勻速流過鋁箔表面。用夾具將小孔構(gòu)件4固定在數(shù)控工作臺上，對數(shù)控工作臺的運行路徑進行編程，以使激光器剛好可以對構(gòu)件的待開孔部位進行強化。根據(jù)選用的約束層2為水，吸收層3為鋁箔，根據(jù)p>2σs、可知，k＝1，σs＝441mpa，i0應(yīng)大于下限值0.78gw/cm²。

根據(jù)經(jīng)驗公式b＝6，于是a取2.6左右，可得厚度為3mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在2.85gw/cm²左右，厚度為4mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在3.37gw/cm²左右，厚度為5mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在3.98gw/cm²左右，厚度為6mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在4.71gw/cm²左右。

根據(jù)及激光器設(shè)備確定能量、脈寬、光斑等參數(shù)，其中，光斑直徑d的取值范圍在2mm～6mm，激光能量e的選擇為2j～35j，激光脈寬tp的選擇為10ns～30ns，激光器激光的沖擊區(qū)域的取值范圍在2.8d～3.8d，d為孔徑大小，最終得出的功率密度接近a取2.6所得出的功率密度即可。沖擊方式為雙面沖擊，層數(shù)為2層，雙面沖擊即正面反面依次沖擊，雙面沖擊一次表明沖擊層數(shù)為1層，當采用的搭接率為63％，采用跳沖，跳沖即打完第一個光斑后打第三個光斑，跳開第二個，依次類推，在打完第一行后打第三行，跳過第二行，依次類推，打完后回到第一行第二個，第四個依次類推，再打第三行第二個，第四個，依次類推，這樣打完后打第二行，第四行，方法同上。當激光器設(shè)備能量較小或較大時，可改變光斑大小來控制激光的功率密度；本實例所采用的功率密度、選用參數(shù)及其在95％的置信區(qū)間下的增益見表1。從表中看出平均覆蓋率η在400％-700％之間，疲勞增益效果較好，本實例中4種板厚的小孔構(gòu)件疲勞增益相對穩(wěn)定，大多集中在150％-230％之間，雖然材料的剛度與硬度不高，但選取功率密度較小，所以表面質(zhì)量較好，板料基本不發(fā)生變形。

表1

實例二：

本實例與實施例一的不用之處在于，本實施例中采用材料為tc4-dt鈦合金板料，厚度為3mm、4mm、6mm，需要開孔的孔徑大小為2.6mm。將小孔構(gòu)件4的表面先進行預(yù)處理，然后在構(gòu)件帶開孔部位的表面貼上鋁箔3作為能量吸收層，使用水2作為約束層，使水勻速流過鋁箔表面。用夾具將構(gòu)件固定在數(shù)控工作臺上，對數(shù)控工作臺的運行路徑進行編程，以使激光器剛好可以對構(gòu)件的待開孔部位進行強化。根據(jù)選用的約束層與吸收層，根據(jù)p>2σs、可知，k＝1，σs＝811mpa，i0應(yīng)大于下限值2.63gw/cm²。

根據(jù)經(jīng)驗公式b＝2.6，綜合考慮鈦合金的剛度與表面硬度，a取0.7左右，所以本實例厚度為3mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在4.9gw/cm²左右，厚度為4mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在7.27gw/cm²左右，厚度為6mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在15.69gw/cm²左右；本實例所采用的搭接率為50％，沖擊方式為雙面沖擊，所采用的功率密度、選用參數(shù)及其在95％的置信區(qū)間下的增益見表2。本實例中3種厚度的小孔構(gòu)件疲勞增益大多在200％-270％之間，疲勞增益明顯，且由于材料硬度與剛度較大，沖擊后表面質(zhì)量較好，板料基本無變形。

表2

實例三：

本實例與實施例一的不用之處在于，本實例中采用材料為2024-t62鋁合金板料，厚度為2.5mm和5mm，需要開孔的孔徑大小為2mm。如圖1所示，將小孔構(gòu)件4的表面先進行預(yù)處理，然后在構(gòu)件帶開孔部位的表面貼上鋁箔作為能量吸收層3，使用4.5mm厚k9玻璃作為約束層2，。用夾具將構(gòu)件4固定在數(shù)控工作臺上，對數(shù)控工作臺的運行路徑進行編程，以使激光器剛好可以對材料的待開孔部位進行強化。根據(jù)選用的約束層與吸收層，根據(jù)p>2σs、可知，k＝1.62，σs＝340mpa，i0應(yīng)大于0.18gw/cm²。

根據(jù)經(jīng)驗公式b＝6，a取4.8左右，可得厚度為2.5mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在1.57gw/cm²左右，厚度為5mm的小孔構(gòu)件4激光功率密度在2.36gw/cm²左右，根據(jù)及激光器設(shè)備確定能量、脈寬、光斑等參數(shù)，最終得出的功率密度接近a取4.8所得出的功率密度即可。所采用的功率密度、選用參數(shù)及其在95％的置信區(qū)間下的增益見表3。該組實樣疲勞增益明顯，但由于材料硬度低，a取值較大，材料表面凹坑較深，表面質(zhì)量相對較差。

表3

結(jié)合表1、2、3說明本方法可以實現(xiàn)的強化效果。運用本方法所選用的激光功率密度及所選用的激光參數(shù)所得的疲勞壽命增益明顯且穩(wěn)定，材料變形量接近于零，表面并未出現(xiàn)燒蝕等現(xiàn)象。

所述實施例描述本發(fā)明的基本特征和優(yōu)點。相關(guān)行業(yè)的人員應(yīng)該明白，上述實施列不能限制本發(fā)明，說明書和實施例只是說明了本發(fā)明的核心原理，在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以繼續(xù)優(yōu)化和改進，這些優(yōu)化和改進都在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。