[發明專利]環形激光沖擊強化緊固孔的裝置和方法

有效

• 申請號: 201310397715.0
• 申請日: 2013-09-04
• 公開（公告）號: CN103484653A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 曹子文;鞏水利;毛智勇;車志剛;鄒世坤
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京航空制造工程研究所
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 趙燕力

技術領域

本發明是關于一種用于緊固孔激光沖擊強化的裝置，尤其涉及一種由圓形激光束轉換成環形激光束來實現沖擊強化緊固孔的裝置和方法。

背景技術

激光沖擊強化技術是利用納秒級脈沖激光與材料表面產生等離子體沖擊波效應，通過使材料表面產生微小塑性變形引入殘余壓應力層，從而提高金屬零件的疲勞性能。通常情況下，材料表面應布置吸收層（鋁箔膠帶或黑漆等）和約束層（去離子水等）后才可實施激光沖擊強化。激光沖擊強化屬于通用的表面強化技術，激光沖擊強化可用于關鍵疲勞零件或零件的關鍵疲勞部位，如：緊固孔、葉片、榫頭、焊縫、齒輪等。公開的發明專利“一種孔結構的激光沖擊處理方法”(ZL200710143348.6)，其中涉及了利用圓形激光束對緊固孔端周圍表面實施激光沖擊強化。現有的緊固孔激光沖擊強化技術是采用圓形激光束與緊固孔同軸入射輻照在緊固孔端周圍表面，圓形激光束的輻照直徑應大于緊固孔直徑，圓形激光束超過緊固孔直徑的部分在緊固孔端周圍材料表層產生殘余壓應力場，殘余壓應力場抑制了疲勞裂紋萌生和疲勞裂紋擴展，從而提高緊固孔的疲勞壽命。現有的圓形光斑緊固孔激光沖擊強化技術是通過離焦量來控制圓形光斑的激光功率密度，整個光斑范圍內的激光功率密度只能同時增大或同時減小。

由上所述，現有的緊固孔激光沖擊強化方法的不足之處在于：①.采用圓形激光束同軸入射強化緊固孔，由于緊固孔部位無材料，浪費了作用在緊固孔部位的激光能量，在不改變激光輸出能量的情況下，可強化的緊固孔尺寸嚴重受限；②.當需要較大的殘余壓應力值時，作用在緊固孔端周圍表面的激光功率密度也較大，但激光功率密度越大，緊固孔邊緣的變形越嚴重，不利用疲勞性能，因此激光功率密度和緊固孔邊緣變形相互矛盾。

由此，本發明人憑借多年從事相關行業的經驗與實踐，提出一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置和方法，以克服現有技術的缺陷。

發明內容

本發明的目的在于提供一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置和方法，可將圓形光斑轉換為環形光斑，并可調節該環形光斑的能量分布，通過環形光斑激光沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，從而進一步提高緊固孔的疲勞性能。

本發明的目的是這樣實現的，一種環形激光沖擊強化緊固孔的裝置，該裝置設置在激光沖擊強化的對象上方，該激光沖擊強化的對象設有緊固孔；所述裝置包括有由上至下依次順序同軸設置的帶中心孔的內凹錐透鏡、帶中心孔的聚焦透鏡、外凸錐透鏡和聚焦透鏡；所述各透鏡均設置在一光學鏡片調整架上；所述各透鏡與所述緊固孔同軸設置；直徑大于內凹錐透鏡中心孔孔徑的圓形激光束由帶中心孔的內凹錐透鏡上方軸向射入。

在本發明的一較佳實施方式中，所述光學鏡片調整架上設有調節所述各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離的調整機構。

在本發明的一較佳實施方式中，所述帶中心孔的內凹錐透鏡為上表面呈平面、下表面呈內凹圓錐面的圓形玻璃鏡片，該鏡片中心具有第一圓孔；所述平面與內凹圓錐面母線的夾角為α，0.05弧度<α<0.5弧度。

在本發明的一較佳實施方式中，所述帶中心孔的聚焦透鏡為中心具有第二圓孔的聚焦透鏡；所述第二圓孔直徑大于第一圓孔直徑。

在本發明的一較佳實施方式中，所述外凸錐透鏡為上表面呈平面、下表面呈外凸圓錐面的圓形玻璃鏡片；所述平面與外凸圓錐面母線的夾角為β，0.05弧度<β<0.5弧度。

在本發明的一較佳實施方式中，所述聚焦透鏡為一面呈球面、另一面呈平面或兩面均為球面的圓形玻璃鏡片。

在本發明的一較佳實施方式中，所述緊固孔的直徑為Φ2mm～Φ6mm。

本發明的目的還可以這樣實現，一種環形激光沖擊強化緊固孔的方法，圓形激光束軸向通過所述環形激光沖擊強化緊固孔的裝置中各透鏡后，分解為兩個同軸的圓環形光束并疊加在緊固孔孔端周圍表面上；通過調節各透鏡之間軸向間距以及各透鏡與緊固孔孔端面之間距離，進而調節兩個同軸環形光斑在緊固孔孔端周圍表面的疊加位置和能量分布，由耦合的環形光斑激光沖擊強化調控緊固孔端周圍的殘余應力分布，提高緊固孔的疲勞性能。

在本發明的一較佳實施方式中，該方法至少包括以下步驟：

（1）依序設置各透鏡，并使各透鏡與緊固孔呈同軸位置；

（2）開啟激光發射器，使圓形激光束由帶中心孔的內凹錐透鏡上方軸向射入；