[發明專利]一種方形激光光斑沖擊波強化孔結構的方法和裝置

有效

• 申請號: 201310515579.0
• 申請日: 2013-10-28
• 公開（公告）號: CN103526010A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 張永康;戴峰澤;魯金忠;薛偉
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C21D10/00
• 分類號: C21D10/00
• 代理公司: 江蘇縱聯律師事務所 32253
• 代理人: 戴勇

技術領域

本發明涉及特種加工領域，具體地是指一種方形激光光斑沖擊波強化孔結構的方法和裝置。

背景技術

飛機承重結構上有大量的緊固孔，這些緊固孔會產生應力集中，飛機在高速飛行時對這些緊固孔產生交變載荷，極易產生疲勞裂紋，從而使飛機的安全性、可靠性大大降低，產生安全隱患。在工程實踐中，對緊固孔進行表面強化處理是常用的提高孔結構疲勞壽命的方法。強化技術(fatigue?life?enhancementmethods,?FLEM)是指在不改變結構形式、材料，不增加結構重量的前提下，經過對結構重要部位和關鍵部位的強化工藝處理而達到提高結構疲勞壽命的目的。目前對緊固空的強化，主要有冷擠壓和機械噴丸技術，它們都是通過使空邊緣產生高幅殘余壓應力，來提高孔的疲勞壽命。

采用冷擠壓強化孔時，需要使用芯軸或者襯套，其工藝復雜，每次消耗一個襯套，并且大量直徑小于Φ3.5mm?的孔結構無法采用該工藝。機械噴丸強化方法會導致材料表面粗糙度的增大，會在一定程度上抵消殘余應力對延長疲勞壽命的貢獻，而且機械噴丸法同樣存在著工藝復雜的缺點。激光沖擊波強化孔有著獨特的優勢，激光沖擊波可以使金屬表層產生高幅殘余壓應力，有效提高處理部位的疲勞壽命。專利號為200610096476.5，名稱為一種基于激光沖擊波技術孔壁的強化方法和裝置的中國專利，提出了一種利用反射錐面來強化孔壁的技術；專利號為201010510712.X，名稱為一種緊固孔激光沖擊強化的方法和裝置，提出了一種利用可移動的反射斜面來強化孔壁的方法。這兩種方法在強化孔壁的時候，由于激光誘導的等離子體直接作用在孔壁，會引起孔壁表面的破壞，影響強化效果。專利號為201110448751.6，名稱為一種孔結構強化方法，提出了一種先利用激光沖擊波強化孔所在表面，然后再開孔的方式強化孔結構，后續機械加工的熱效應和力效應必然會導致殘余壓應力的釋放，影響強化效果。前述三個專利都采用圓形激光光斑對孔結構進行強化，由于圓形光斑之間需要一定的搭接量，會使被強化表面產生宏觀的規律性凸起和凹陷，從而降低孔結構疲勞壽命。

發明內容

本發明針對以上技術的不足，提出了一種方形激光光斑沖擊波強化孔結構的方法和裝置。利用方形激光光斑產生的激光沖擊波對靠近孔邊緣區域的孔所在表面和孔壁都進行強化，使這些區域產生高幅殘余壓應力，提高孔結構的疲勞壽命。

本發明的一種方形激光光斑沖擊波強化孔結構的方法，利用無余量搭接方式的方形激光光斑首先對靠近孔邊緣區域的孔所在表面進行強化，接著對靠近孔邊緣區域的孔壁進行強化，具體技術方案如下：

一種方形激光光斑沖擊波強化孔結構的方法，其特征在于：利用方形激光光斑首先對靠近孔邊緣區域的孔所在表面進行強化，接著對靠近孔邊緣區域的孔壁進行強化；

對孔所在表面進行強化時，在孔中放置安裝有硬質擋套(7)的芯軸，防止強化孔所在表面時邊緣的塌陷；相鄰光斑的邊緣對齊，并使強化的區域包含孔邊緣；硬質擋套(7)的屈服強度大于工件的屈服強度；硬質擋套(7)的外徑跟待強化孔的直徑相等；硬質擋套(7)和待強化孔之間為過渡配合；

對孔壁進行強化時，在孔和芯軸(8)形成的空隙內放置軟質擋套(11)，用聚焦后的方形激光光斑輻照孔邊緣部位，輻照區域包圍孔和芯軸形成的圓環形間隙，激光輻照引起的沖擊波在擠壓軟質擋套(11)，對孔壁進行強化，軟質擋套(11)的屈服強度低于工件的屈服強度，軟質擋套(11)的外徑跟待強化孔的直徑相等；軟質擋套(11)和待強化孔之間為過盈配合；

對孔壁進行強化時的激光功率密度大于對孔所在表面強化時的激光功率密度。

實施所述的一種方形激光光斑沖擊波強化孔結構的方法的裝置，包括激光發生器(1)、整形鏡(2)、聚焦鏡(3)、噴嘴(4)、去離子水(5)、吸收層(6)、硬質擋套(7)、芯軸(8)、工件(9)、掩模(10)和軟質擋套(11)，其特征在于：激光發生器(1)發射的平行激光束的軸心與整形鏡(2)和聚焦鏡(3)的軸心重合，整形鏡(2)放置于激光器(1)和聚焦鏡(3)之間；硬質擋套(7)安裝在芯棒(8)的臺階面上，芯棒(8)安裝在工件(9)的待強化孔內，硬質擋套(7)、軟質擋套(11)、芯棒(8)和工件(9)的上表面平齊；吸收層(6)覆蓋在芯棒(8)和工件(9)的上表面；噴嘴(4)噴出的去離子水(5)覆蓋在吸收層(6)的上表面；掩模(10)開設有錐形孔(101)，掩模(10)覆蓋在吸收層(6)表面，掩模(10)的錐形孔(101)直徑較小端所在面跟吸收層(6)的上表面貼合，且錐形孔(101)較細端直徑跟待強化孔的直徑相等，掩模(10)的軸心和待強化孔的軸心重合。