专利名称：一种中空激光诱导冲击波的小孔构件强化方法
技术领域：
本发明涉及激光冲击强化领域，尤其涉及小孔构件的冲击强化的方法。背景资料
众所周知，以螺栓和铆钉连接为特征的机械连接在机械结构占有重要地位，绝大多数构件是通过在孔中安装紧固件而装配在一起的，而孔是应力集中区，最容易发生疲劳破坏， 造成严重的安全事故。因此，研究孔的强化技术，改善孔的抗疲劳性能，延长其使用寿命已成为现代工业生产中的重要课题。长期的研究与应用表明，强化技术可有效地提高材料和构件的疲劳性能，且具有兼顾材料表面和心部性能的特点，能够使材料的潜力得到充分的发挥。目前，国内外，机械结构件上紧固孔的强化主要采用冷挤压和机械喷丸两种强化工艺方法，但是对于较小尺寸 (如直径6mm以下)的紧固孔，喷丸和冷挤压都很困难，且表面粗糙度较大，并可能造成裂纹起裂源，强化效果并不理想；在成本、节能、质量稳定性以及柔性加工等方面也存在一些缺点和不足。近年来，随着高能粒子束的发展，出现了激光冲击强化和离子注入表面处理等新技术，并且已经发展成为抗疲劳断裂制造技术的一个重要组成部分。其中，激光冲击强化技术逐渐成为一项备受关注的表面改性技术，具有喷丸、挤压、撞击强化等常规方法无法比拟的优势。对构件进行冲击时，可采用单面冲击，双面间隔对冲，双面同时对冲，双面同时对冲产生的残余压应力的范围最大，双面间隔对冲次之，单面冲击最小，换言之，双面同时对冲的强化效果最好，双面间隔对冲次之，单面冲击最差。申请号为200910020997. 6名称是“一种光隔离激光冲击强化双面对冲装置”，此装置是用实心激光对构件进行双面对冲，若先对构件冲击再开孔，所开小孔边缘的在冲击后会产生冲击；若对构件先开孔后冲击，则所开小孔边缘会出现塌陷，引起尺寸精度和疲劳寿命下降；需要按路径多点多次冲击，效率不高；。申请号为200810019757. X名称是“一种基于激光冲击波效应的板材双面精密成形方法及装置”，此装置也可以用于强化，除了会出现以上提到的问题外，由于光束到达构件之前所走过的光程不等，不能做到同时对冲。专利号为US6296448 Bl 的美国专利“Simultaneous offset dual sided laser shock peening，， 所述双光束对冲金属叶片，主要是叙述了两面同时对冲金属叶片，能量小强化效果不明显， 能量大出现应力洞而使强化效果不理想。
发明内容
本发明的提供一种克服上述缺点比现有方法更优越的小孔强化手段，它是在开孔之前对构件进行中空激光强化的方法。其步骤在于
1)把要进行冲击的构件表面进行预处理，使其表面尽量光整；
2)在待冲击构件表面贴上吸收层，并在吸收层之外附上约束层；3)将待冲击构件用夹具固定在数控工作台上；
4)根据构件的材料及其处理状态、厚度和小孔的尺寸来选择高功率脉冲激光器的脉冲宽度、脉冲能量、光斑参数，通过调节光学整形系统中透镜的间距，控制空心光斑形成系统中两轴棱锥的间距，使形成的中空激光的光斑内外径满足
- JrmSi^l < U 5mm, > 3奏其中 -为小孔直径，Θ|为光
斑内杼，H j为空心光斑外径；
5)计算机控制系统控制数控工作台，进而控制连接其上的45度反射镜、聚焦透镜和构件，使中空光斑中心与小孔中心重合；
6)启动冲击程序；
7)冲击完成后，去除附在构件表面上的吸收层和约束层，并对构件表面进行适当的处
理；
8)对构件进行机械打孔。本发明包括高功率脉冲激光器、光学整形系统、中空光束产生系统、导光分光系统、若干个45度全反射镜、聚焦透镜、构件、能量吸收层、约束层、计算机控制系统以及数控工作台。高功率脉冲激光器输出的激光经过光学整形系统，对光斑直径进行调整，经过中空光束产生系统，形成中空激光，然后经过分光导光系统，形成两束光学特征相同的中空激光，再经过若干个45度反射镜，两束空心激光分别经过聚焦透镜后同时到达带有约束层和吸收层的构件的正反两面，诱导产生冲击波使正反两面同时获得强化。计算机控制系统控制高功率脉冲激光器的激光发射，根据构件的材料及其处理状态、厚度和小孔的尺寸来选择高功率脉冲激光器的脉冲宽度、脉冲能量，计算机控制系统控制光学整形系统中透镜的间距，控制空心光斑形成系统中两轴棱锥的间距，使形成的中
空激光的光斑内外径满足Φ- lJ ymn < W. < Φ+ πy .、1 1，其中
ιi
为小孔直径，Θ^为光斑内径，Θ2为空心光斑外径。计算机控制系统控制数控工
作台，进而控制连接其上的45度反射镜、聚焦透镜和构件，使中空光斑的位置与小孔的位置在合适的范围内；计算机控制系统控制遮光板的开合，可实现对板构件的单面冲击，双面不同时冲击，双面同时冲击。激光冲击的参数可以根据需要进行调节，激光波长的调节范围为200-1100nm、激光脉冲宽度的调节范围为0. OOl-lOOns、激光光斑半径的调节范围为0. 01_30mm、激光脉冲能量大小的调节范围为0-100J。附在构件表面的能量吸收层可以用铝箔、黑漆、黑胶带；约束层可以用水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶、合成树脂。本发明的技术效果在于
(1)用中空激光进行冲击，可有效避免冲击缺陷；
(2)先冲击后开孔可避免先开孔后冲击时孔边缘塌陷而引起的尺寸精度和疲劳寿命的下降；
(3)效率高，不需要按路径多点多次冲击，只需在同一位置用中空激光连续冲击几次即可；也可有效避免大光斑大能量引起的应力洞问题；
(4)成本低，解决了传统芯棒挤压强化费用高，芯棒断裂率高，以及由此带来的难清理的难题；
(5)双面同时对冲与间隔对冲相比，应力分布更合理，小孔内壁可形成有效的残余压应力，对小孔构件具有显著的强化效果；有效地避免了传统激光冲击工艺带来的孔内壁拉应力和拉应力叠加现象；
(6)大大地提高带小孔板构件的疲劳寿命，抗应力腐蚀性能力。
图1本发明所述装置的结构示意图。图中1高功率脉冲激光器，2光学整形系统，3中空光束产生系统，
4导光分光系统，5，6，7，9，10多个45度全反射镜，8挡光板，11，12聚焦透镜，13构件，14能量吸收层，15约束层，16计算机控制系统，17数控工作台。图2本发明方法与传统方法的残余应力对比示意图。
具体实施方案下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置细节和工作情况。图1所示，所述的一种中空激光诱导冲击波的小孔构件强化方法与装置，包括功率脉冲激光器1，光学整形系统2，中空光束产生系统3，导光分光系统4，若干个45度全反射镜5、6、7、9、10，挡光板8， 聚焦透镜11、12，构件13，能量吸收层14以及约束层15，计算机控制系统16，17数控工作台。按照如图依次摆放好各个元件的位置，高功率脉冲激光器1输出的激光经过光学整形系统2，对光斑直径进行调整，经过中空光束产生系统3，形成中空激光，然后经过分光导光系统4，形成两束光学特征相同的中空激光，再经过若干个45度反射镜5、6、7、9、10，两束空心激光分别经过聚焦透镜11、12后同时到达带有约束层15 (玻璃)和吸收层14 (铝箔)的构件13的正反两面。计算机控制系统16控制高功率脉冲激光器1的激光发射，根据构件的材料及其处理状态、厚度和小孔的尺寸来选择高功率脉冲激光器的脉冲宽度10ns、脉冲能量10J，光斑直径为5mm，计算机控制系统控制光学整形系统2中透镜的间距，控制空心光斑形成系统3
中两轴棱锥的间距，使形成的中空激光的光斑内外径满足Θ『2. 4mm, Θ 3 =9mm,
其中小孔直径 -=2. 6mm，光斑内径，^ j为空心光斑外径。计算机控制系
统16控制数控工作台17，进而控制连接其上的45度反射镜9、10，聚焦透11、12和构件13， 使中空光斑中心与小孔中心重合；计算机控制系统16控制遮光板11的开合，分别对构件进行单面冲击，双面同时冲击。冲击完成后，去除附在构件13表面上的吸收层14和约束层15，并对构件表面进行适当的处理，对构件进行机械打孔。图2即为冲击结果，在厚度方向上本发明方法所产生的应力的都是压应力，而传统的先打孔后冲击的方法的结果是在厚度方向上出现一部分拉应力，故本发明方法的强化效果优于传统方法。
权利要求
1.一种中空激光诱导冲击波的小孔构件强化方法，其特征在于，采用中空激光进行正反两面同时冲击，然后机械打孔，具体步骤为A)把要进行冲击的构件(13)表面进行预处理，使其表面尽量光整；B)在待冲击构件(13)表面贴上吸收层(14)，并在吸收层(14)之外附上约束层(15)；C)将待冲击构件(13)用夹具固定在数控工作台(17)上；D)根据构件的材料及其处理状态、厚度和小孔的尺寸来选择高功率脉冲激光器 (1)的脉冲宽度、脉冲能量、光斑参数；通过调节光学整形系统(2)中透镜的间距，控制空心光斑形成系统(3)中两轴棱锥的间距，使形成的中空激光的光斑内外径满足Ψ一O ji>m < iSl1 <Φ -θ^ 3表其中 ^为小孔直径，w j为光斑内径，Θ2为空心光斑外径；Ε)计算机控制系统(16)控制数控工作台(17)，进而控制连接其上的45度反射镜 (9，10)、聚焦透镜(11，12)和构件(13)，使中空光斑中心与小孔中心重合；F)启动冲击程序；G)冲击完成后，去除附在构件(13)表面上的吸收层(14)和约束层(15)，并对构件(13) 表面进行适当的处理；H)对构件(13)进行机械打孔。
2.根据权利要求1所述的一种中空激光诱导冲击波的小孔构件强化方法，其特征在于，所述高功率脉冲激光器(1)输出的激光经过光学整形系统(2)，对光斑直径进行调整， 经过中空光束产生系统(3)，形成中空激光，然后经过分光导光系统(4)，形成两束光学特征相同的中空激光，再经过多个45度反射镜(5，6，7，9，10)，两束空心激光分别经过聚焦透镜(11，12)后同时到达带有约束层(15)和吸收层(14)的构件(13)的正反表面，诱导产生冲击波使正反两面同时获得强化。
3.根据权利要求1所述的一种中空激光诱导冲击波的小孔构件强化方法，其特征在于，通过计算机控制系统(2)控制遮光板(8)的开合，实现对板构件的单面冲击，双面不同时冲击，双面同时冲击。
4.根据权利要求1所述的一种中空激光诱导冲击波的小孔构件强化方法，其特征在于，所述激光波长的调节范围为200-1 lOOnm、激光脉冲宽度的调节范围为0. 001-IOOns、激光光斑半径的调节范围为0. 01-30mm、激光脉冲能量大小的调节范围为0-100J。
5.根据权利要求1所述的一种中空激光诱导冲击波的小孔构件强化方法，其特征在于，所述能量吸收层(14)未铝箔、黑漆或黑胶带；所述约束层(15)为包括水、K9光学玻璃、 有机玻璃、硅胶或合成树脂。
全文摘要
本发明是一种中空激光诱导冲击波的小孔构件强化方法与装置，主要包括高功率脉冲激光器、计算机控制系统、光学整形系统、中空光束产生系统、导光分光系统。高功率脉冲激光器发出的激光经过一系列光学元件形成中空光束，到达待加工小孔的构件正反两面，对附有能量吸收层和约束层的待加工小孔的构件正反两面或单面进行冲击强化，然后对构件进行机械打孔。其优点是效率高，应力分布合理，可有效避免在冲击后产生缺陷，其强化效果优于冷挤压、机械喷丸、传统激光冲击工艺，且结构简单，易于实现自动化生产。
文档编号C21D10/00GK102409156SQ20111036437
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者井然, 姜银方, 张建文, 张永康, 黄利伟, 黄宇 申请人:江苏大学