一种不同厚度小孔构件激光冲击强化方法

摘要

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。

权利要求

1.一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(4)的表面进行预处理，然后在小孔构件(4)待开孔部位的表面设能量吸收层(3)，在吸收层(3)表面设约束层(2)，将预处理后的小孔构件(4)固定在数控工作台上,使用激光器对小孔构件(4)的待开孔区域进行冲击强化，对不同厚度小孔构件(4)采用不同的激光冲击强化工艺参数，其特征在于，其工艺参数选择与确定方法如下：

1)依据小孔构件(4)屈服强度和材料厚度来选择功率密度，功率密度与小孔构件(4)厚度的关系由公式 确定，式中I0为激光功率密度，σs为材料的屈服强度，t为板厚，2/Z＝1/Z1+1/Z2，Z1是小孔构件(4)材料的声阻抗，Z2是约束层(2)的声阻抗，A为综合作用系数，且与小孔构件(4)的材料、约束层(2)和吸收层(3)相关，B为厚度影响系数，且与小孔构件(4)的材料和厚度相关；

2)以上确定的I0值，其下限值应该满足 和P>2*σs，P为作用在小孔构件(4)材料上的激光冲击载荷的峰值压力，σs材料的屈服强度，k为常数、与约束层(2)和吸收层(3)相关；

3)依据公式 确定光斑直径D和脉冲激光能量E，tp为激光脉宽；光斑直径D的取值范围在2mm～6mm，激光能量E为2J～35J，激光脉宽tp为10ns～30ns；

4)确定激光能量E、激光脉宽tp、光斑直径D后，选择搭接率ψ和冲击层数n；冲击层数n为1层～6层；搭接率ψ＝相邻光斑重复距离l/光斑直径D。

2.根据权利要求1所述的不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，其特征在于，所述搭接率ψ和冲击层数n与平均覆盖率η相关；

所述平均覆盖率η＝N*s1/S，N为一面冲击总光斑数，s1为一个光斑的面积，S为孔位置冲击区域的面积；平均覆盖率η取200％～800％，如果平均覆盖率η不在200％～800％范围内，需要重新选择所述搭接率ψ和冲击层数n。

3.根据权利要求1所述的不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，其特征在于，所述公式中当小孔构件(4)为7050-T7451铝合金，厚度影响系数B＝6；

当约束层(2)为水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂中的任意一种，吸收层(3)为铝箔时，综合作用系数A的取值范围在2～5。

4.根据权利要求1所述的不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，其特征在于，所述公式中，当小孔构件(4)为TC4-DT钛合金时，厚度影响系数B＝2.6；

当约束层(2)为水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂中的任意一种，吸收层(3)为铝箔时，综合作用系数A的取值范围在0.5～1.25。

5.根据权利要求1所述的不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，其特征在于，所述激光器激光的冲击区域的取值范围在2.8d～3.8d，d为孔径大小。

6.根据权利要求5所述的不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，其特征在于，所述激光器激光冲击区域距材料边界，或激光冲击区域与另激光冲击区域之间的距离应不小于3mm。

7.根据权利要求1所述的不同厚度小孔构件激光冲击强化方法，其特征在于，所述激光器冲击方式为双面冲击。

说明书

一种不同厚度小孔构件激光冲击强化方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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

[0006] 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。

[0007] 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：

[0008] 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：

[0009] 1)依据小孔构件材料强度和材料厚度来选择功率密度，其功率密度与小孔构件厚度的关系由公式 确定，此公式为通过大量试验后进行统计分析得到的经验公式，式中I0为激光功率密度，σs为材料的屈服强度，t为板厚，2/Z＝1/Z1+1/Z2，Z1是小孔构件材料的声阻抗，Z2是约束层的声阻抗，A为综合作用系数，且与小孔构件的材料、约束层和吸收层相关，B为厚度影响系数、且与小孔构件的材料和厚度相关；

[0010] 2)其下限值应该满足 和P>2σs，P为作用在小孔构件材料上的激光冲击载荷的峰值压力，σs材料的屈服强度，k为常数与约束层和吸收层相关；

[0011] 3)结合公式 确定光斑直径D和脉冲激光能量E；tp为激光脉宽，与激光器有关，较厚材料构件采用较大激光脉宽tp，选用10ns～30ns；激光器激光能量E与激光器的功率相关，激光能量E为2J～35J，使用小型化激光器，采用较小光斑直径D，光斑直径D的取值范围在2mm～6mm；高功率激光器，较大光斑直径D，提高生产效率；在保证激光功率密度I0下，光斑直径D和脉冲激光能量E进行适当配合调整；如方形光斑， 这里D为
光斑的边长；

[0012] 4)确定激光能量，激光脉宽tp，光斑直径D后，选择搭接率ψ和冲击层数n；圆形光斑搭接率ψ为50％左右，方形光斑搭接率ψ为10％左右；冲击层数n为1层～6层，n的确定与材料的屈服强度σs、激光功率密度I0、光斑搭接率ψ相关，σs小、I0大、ψ大，取下限；搭接率ψ＝相邻光斑重复距离l/光斑直径D(或光斑边长)。

[0013] 光斑搭接率ψ和冲击层数n还受平均覆盖率η的限定，平均覆盖率η＝N*s1/S，N为冲击1面冲击总的光斑数，s1为一个光斑的面积，S为孔位置冲击区域的面积；平均覆盖率η取200％～800％，如果平均覆盖率η不在200％～800％范围内，需要重新选择所述搭接率ψ和冲击层数n。

[0014] 经验公式 中A的取值与构件材料、约束层、吸收层等工艺参数相关，主要相关因素是构件材料与约束层，当材料为铝合金，经验公式中的厚度影响系数B的取值与材料有关，当材料为铝合金时B＝6，约束层为水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂中任意一种时，A的取值范围在2～5。

[0015] 经验公式 中，当材料为钛合金时，B＝2.6；当材料为钛合金时，约束层为水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂中任意一种时，A的取值范围在0.5～1.25左右。

[0016] 小孔构件的刚度大、材料的表面硬度大，A可考虑取偏上限值；考虑用户对激光冲击强化后构件对变形量和表面粗糙度的要求，A可考虑上下浮动。

[0017] 激光的冲击区域的取值范围在2.8d～3.8d，d为孔径大小，小孔构件厚度大取下限；激光冲击区域距材料边界，或激光冲击区域与另激光冲击区域之间的距离应不小于3mm，减小边缘效应，以及冲击区域与冲击区域之间的影响。

[0018] 先冲击处理后开孔，其效果优于先开孔后冲击，冲击方式为双面冲击，使得孔壁出现较好的应力分布；当搭接率大于63％时，采用跳冲方式，防止吸收层的损坏。

[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0020] 1.针对不同材料不同厚度的小孔构件激光冲击强化的功率密度选择提出了经验公式 明确了各激光参数的选用原则与方法，提高了激光冲击强化的科学性。

[0021] 2.该方法使各种板厚小孔构件的表面与孔壁得到强化，且能很好的控制板料的变形。

[0022] 3.该方法可以满足不同孔径的强化需要，且保证孔壁质量。

[0023] 4.该方法降低了对激光器等设备的要求，可采用小能量激光，降低了小孔强化的成本。

[0024] 5.该方法可以在一定范围内满足客户的疲劳增益效果要求与表面质量要求，特别是保证较厚板处理质量稳定。

[0025] 6.该方法突破了直径3mm以下的小孔不易强化的限制，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。

附图说明

[0026] 图1是本发明一实施方式的激光冲击强化示意图；

[0027] 图2是本发明一实施方式的激光冲击工艺路线图；

[0028] 表1 7050-T7451铝合金在本方法条件中的各板厚激光冲击参数及疲劳增益；

[0029] 表2 TC4-DT钛合金在本方法条件中的各板厚激光冲击参数及疲劳增益；

[0030] 表3 2024-T62铝合金在本方法条件中的各板厚激光冲击参数及疲劳增益。

[0031] 图中，1、激光束，2、约束层，3、吸收层，4、小孔构件，5、光斑，6、激光冲击路线，7、板料边界。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

[0033] 实施例一：

[0034] 本实例中采用材料为7050-T7451铝合金板料，厚度为3mm、4mm、5mm、6mm，需要开孔的孔径大小为2.6mm。如图1所示，将小孔构件4的表面先进行预处理，然后在构件待开孔部位的表面贴上铝箔作为能量吸收层3，使用水作为约束层2，使水匀速流过铝箔表面。用夹具将小孔构件4固定在数控工作台上，对数控工作台的运行路径进行编程，以使激光器刚好可以对构件的待开孔部位进行强化。根据选用的约束层2为水，吸收层3为铝箔，根据P>2σs、可知，k＝1，σs＝441Mpa，I0应大于下限值0.78GW/cm2。

[0035] 根据经验公式 B＝6，于是A取2.6左右，可得厚度为3mm的小孔构件4激光功率密度在2.85GW/cm2左右，厚度为4mm的小孔构件4激光功率密度在3.37GW/cm2左右，厚度为5mm的小孔构件4激光功率密度在3.98GW/cm2左右，厚度为6mm的小孔构件4激光功率密度在4.71GW/cm2左右。

[0036] 根据 及激光器设备确定能量、脉宽、光斑等参数，其中，光斑直径D的取值范围在2mm～6mm，激光能量E的选择为2J～35J，激光脉宽tp的选择为10ns～30ns，激光器激光的冲击区域的取值范围在2.8d～3.8d，d为孔径大小，最终得出的功率密度接近A取2.6所得出的功率密度即可。冲击方式为双面冲击，层数为2层，双面冲击即正面反面依次冲击，双面冲击一次表明冲击层数为1层，当采用的搭接率为63％，采用跳冲，跳冲即打完第一个光斑后打第三个光斑，跳开第二个，依次类推，在打完第一行后打第三行，跳过第二行，依次类推，打完后回到第一行第二个，第四个依次类推，再打第三行第二个，第四个，依次类推，这样打完后打第二行，第四行，方法同上。当激光器设备能量较小或较大时，可改变光斑大小来控制激光的功率密度；本实例所采用的功率密度、选用参数及其在95％的置信区间下的增益见表1。从表中看出平均覆盖率η在400％-700％之间，疲劳增益效果较好，本实例中4种板厚的小孔构件疲劳增益相对稳定，大多集中在150％-230％之间，虽然材料的刚度与硬度不高，但选取功率密度较小，所以表面质量较好，板料基本不发生变形。

[0037] 表1

[0038]

[0039] 实例二：

[0040] 本实例与实施例一的不用之处在于，本实施例中采用材料为TC4-DT钛合金板料，厚度为3mm、4mm、6mm，需要开孔的孔径大小为2.6mm。将小孔构件4的表面先进行预处理，然后在构件带开孔部位的表面贴上铝箔3作为能量吸收层，使用水2作为约束层，使水匀速流过铝箔表面。用夹具将构件固定在数控工作台上，对数控工作台的运行路径进行编程，以使激光器刚好可以对构件的待开孔部位进行强化。根据选用的约束层与吸收层，根据P>2σs、可知，k＝1，σs＝811Mpa，I0应大于下限值2.63GW/cm2。

[0041] 根据经验公式 B＝2.6，综合考虑钛合金的刚度与表面硬度，A取0.7左右，所以本实例厚度为3mm的小孔构件4激光功率密度在4.9GW/cm2左右，厚度为4mm的小孔
2
构件4激光功率密度在7.27GW/cm左右，厚度为6mm的小孔构件4激光功率密度在15.69GW/cm2左右；本实例所采用的搭接率为50％，冲击方式为双面冲击，所采用的功率密度、选用参数及其在95％的置信区间下的增益见表2。本实例中3种厚度的小孔构件疲劳增益大多在
200％-270％之间，疲劳增益明显，且由于材料硬度与刚度较大，冲击后表面质量较好，板料基本无变形。

[0042] 表2

[0043]

[0044] 实例三：

[0045] 本实例与实施例一的不用之处在于，本实例中采用材料为2024-T62铝合金板料，厚度为2.5mm和5mm，需要开孔的孔径大小为2mm。如图1所示，将小孔构件4的表面先进行预处理，然后在构件带开孔部位的表面贴上铝箔作为能量吸收层3，使用4.5mm厚K9玻璃作为约束层2，。用夹具将构件4固定在数控工作台上，对数控工作台的运行路径进行编程，以使激光器刚好可以对材料的待开孔部位进行强化。根据选用的约束层与吸收层，根据P>2σs、2
可知，k＝1.62，σs＝340Mpa，I0应大于0.18GW/cm。

[0046] 根据经验公式 B＝6，A取4.8左右，可得厚度为2.5mm的小孔构件4激光功率密度在1.57GW/cm2左右，厚度为5mm的小孔构件4激光功率密度在2.36GW/cm2左右，根据及激光器设备确定能量、脉宽、光斑等参数，最终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、选用参数及其在95％的置信区间下的增益见表
3。该组实样疲劳增益明显，但由于材料硬度低，A取值较大，材料表面凹坑较深，表面质量相对较差。

[0047] 表3

[0048]

[0049] 结合表1、2、3说明本方法可以实现的强化效果。运用本方法所选用的激光功率密度及所选用的激光参数所得的疲劳寿命增益明显且稳定，材料变形量接近于零，表面并未出现烧蚀等现象。

[0050] 所述实施例描述本发明的基本特征和优点。相关行业的人员应该明白，上述实施列不能限制本发明，说明书和实施例只是说明了本发明的核心原理，在此基础上，本发明还可以继续优化和改进，这些优化和改进都在本发明的保护范围内。