[发明专利]一种不同厚度小孔构件激光冲击强化方法

说明书

本发明提供一种不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，该方法中不同厚度小孔构件激光冲击强化采用不同的工艺参数，并通过大量试验后进行统计分析得到了经验公式，其经验公式为功率密度与小孔构件厚度的关系式根据此关系式确定不同厚度小孔构件激光冲击强化的功率密度，并提出了与此相关的工艺参数的选择与确定方法。根据此方法，不种厚度的小孔构件采用适当的工艺进行激光冲击强化后，可以获得合理的残余压应力分布，达到良好强化效果，并对构件进行有效的冲击质量的控制，在保证小孔构件的疲劳寿命的前提下，控制工件的变形。

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特指对于不同厚度的小孔构件激光冲击强化时采用不同的激光参数，使不同板厚的小孔孔的强化效果均达到良好的状态的一种不同厚度小孔构件激光冲击强化方法。

背景技术

小孔构件是典型的应力集中细节，易在疲劳载荷下产生疲劳裂纹，影响关键结构的使用性能和服役寿命。而很多机械零件都需要进行开孔处理，特别是飞机上的零件更是要开上千个孔，这些孔就成了零件的薄弱环节，而这些零件又厚度不一。传统的机械强化方法如机械喷丸、挤压强化等受到孔径的限制，对于直径3mm以下的小孔不容易强化。激光冲击强化是一种先进的材料强化方法，具有非接触、无形变、不存在热影响区及强化效果显著等优点，但如何控制激光参数以保证不同材料不同厚度的小孔构件在冲击强化后均能达到良好的强化效果是该领域的一大难点。

专利CN102517413中叙述了一种小孔强化方法，其实施方法是先用大光斑大能量的激光对小孔构件待开孔表面进行冲击强化，使小孔构件沿厚度方向较深处产生残余压应力，再用小光斑小能量的激光对小孔构件待开孔位置四周的表面进行二次冲击强化，使小孔构件表面产生较好的残余压应力，最后进行打孔，这种方法避免了先开孔后进行激光冲击强化而产生的孔端面质量不高的问题，但是该种方法并不能使各种板厚的小孔都达到最佳的强化状态，且对于设备要求较高，需要大功率的激光器设备。

专利CN103014276中叙述了一种用锥压与激光相结合的小孔强化方法，一面用激光冲击，激光冲击对应的背面用特质的锥压头压入，最后在压入的地方开孔。该方法虽然使得4mm-6mm板厚的孔壁为压应力，但锥压过程容易使板材变形，锥压面的表面质量也不能保证，不同板厚的孔壁残余压应力不稳定，特别是较厚板处理质量较难保证。

专利申请号为200610096476.5的发明专利，发明名称为一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，提出了在已开孔的小孔构件孔径内插入反射锥，在反射锥的锥面上涂上能量吸收层和约束层，再对孔壁进行激光冲击强化。该方法与机械喷丸相比不受孔径大小的限制，且可使得强化层均匀，但由于是先开孔再强化，激光会对小孔造成一定的损伤，从而影响孔的精度与孔壁的表面质量。

发明内容

本发明针对以上不足，提供一种不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，该方法考虑不同厚度材料的强化效果以及小孔构件的变形和冲击构件的表面质量要求，针对不同材料不同厚度小孔构件激光冲击强化工艺参数选择问题，经过大量的试验和统计分析，提出一个经验公式和工艺参数确定方法，以保证在95％的置信度下获得满意的疲劳增益。

本发明的技术方案是：本发明的参数选择具体步骤是首先根据材料的性能、厚度、所用的约束层与吸收层性能以及冲击后对材料变形量和表面质量的要求，结合经验公式确定该材料所用的激光功率密度，其次根据选用的功率密度与所拥有的激光器设备，依次确定脉宽，激光能量，光斑大小，最后根据冲击区域与覆盖率的选用原则确定搭接率与冲击层数。具体步骤如下：

一种不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，包括以下步骤：将小孔构件的表面进行预处理，然后在小孔构件待开孔部位的表面设能量吸收层，在吸收层表面设约束层，将预处理后的小孔构件固定在数控工作台上,使用激光器对小孔构件的待开孔区域进行冲击强化，对不同厚度小孔构件采用不同的激光冲击强化工艺参数，其工艺参数选择与确定方法如下：