一種轉角邊緣激光沖擊強化方法及輔助裝置與流程
1.本發明屬于先進激光加工和激光應用技術領域，尤其涉及一種轉角邊緣激光沖擊強化方法及輔助裝置。
背景技術：
2.激光沖擊強化(激光噴丸)技術是利用納秒級強脈沖激光透過對激光透明的約束介質在被金屬表面的吸收層吸收后產生高溫高壓等離子體，誘導強沖擊波使金屬材料產生塑性變形并獲得表層及近表層殘余壓應力從而提高金屬結構的疲勞性能。具體工藝原理為：從激光器發出的高功率密度(gw/cm2量級)、短脈沖(ns量級)的強激光束穿過透明約束層照射到涂(貼)覆在金屬材料表面的能量吸收層上，使其氣化、電離，形成高溫高壓的等離子體，等離子體繼續吸收能量發生爆炸并誘發高壓沖擊波，在約束層的約束作用下產生向材料內部傳播的強沖擊波，由于沖擊波峰值壓力達到109pa量級，遠遠大于材料的動態屈服強度，從而使材料產生宏觀塑性變形，在材料表面誘導殘余壓應力，從而提高構件的抗疲勞性能。廣泛應用于航空航天等領域。
3.相較于傳統強化工藝，激光沖擊強化過程為非接觸、光束可達即可強化，因此靈活度高，可強化孔、溝、槽、齒、轉角等復雜曲面。尤其在強化轉角、圓弧面具有獨特優勢。但在強化敞開面轉角曲面邊緣棱邊時，會面臨兩個問題：一是強化工藝所需的去離子水約束層在轉角邊緣由于沒有支撐而無法布置，進而影響轉角邊緣的強化效果；二是強化轉角邊緣時，由于強沖擊波在轉角邊緣產生的剪切效應，易使棱邊的吸收層破損，進而使棱邊產生燒蝕，影響棱邊強化效果。
技術實現要素：
4.本發明主要針對以上問題，提出了一種轉角邊緣激光沖擊強化方法及輔助裝置，其目的是解決構件轉角邊緣的強化問題。
5.為實現上述目的，本發明提供了一種轉角邊緣激光沖擊強化方法，包括以下步驟：
6.根據構件的轉角數模，加工與所述構件的轉角外輪廓相同的輔助裝置；
7.根據所述構件的待強化轉角區長度，選擇吸收層貼覆在所述待強化轉角區表面的貼覆步驟，其中，所述貼覆步驟包括：貼覆方式一，在所述待強化轉角表面先貼吸收層，然后將加工出的所述輔助裝置放置于所述待強化轉角對應的構件上，使所述輔助裝置的外輪廓與所述待強化轉角的外輪廓對齊，最后向所述輔助裝置施加壓緊力；或者，貼覆方式二，先將加工出的所述輔助裝置放置于所述構件上，使所述輔助裝置的外輪廓與所述構件的待強化轉角的外輪廓對齊，然后向所述輔助裝置施加壓緊力，最后在所述構件的待強化轉角表面貼吸收層；
8.在完成上述貼覆步驟后，在所述吸收層的外表面噴去離子水，形成去離子水約束層；
9.朝所述去離子水約束層發射激光脈沖，完成一個待強化轉角位置的強化。
10.進一步地，在進行所述貼覆步驟前，還包括將所述構件的待強化轉角表面和輔助裝置用酒精或丙酮擦拭干凈。
11.進一步地，貼覆在所述待強化轉角表面的吸收層為具有一定延展性的膠帶。
12.進一步地，所述膠帶為鋁箔膠帶或pvc黑膠帶。
13.進一步地，在所述貼覆方式一的步驟中，所述待強化轉角區的長度不超過30mm；在所述貼覆方式二的步驟中，所述待強化轉角區的長度超過30mm。
14.進一步地，在所述貼覆方式一的步驟中，所述吸收層的高度尺寸超過所述待強化轉角的棱邊3mm～5mm,將超出部分用專用工具沿棱邊折過趕平，使趕平后的吸收層表面應無氣泡、褶皺及鼓起。
15.進一步地，在所述貼覆方式一和所述貼覆方式二的步驟中，使用弓形夾將所述輔助裝置與所述構件壓緊；其中，預先用壓力傳感器測定所述弓形夾的螺距數與壓緊力的等效關系，根據所述等效關系調節弓形夾的螺距數實現壓緊力的控制。
16.進一步地，在所述貼覆方式二的步驟中，還包括用專用工具對貼覆后的所述吸收層進行趕平，使所述吸收層與所述待強化轉角的表面和所述輔助裝置的表面緊密貼合，且使所述吸收層的表面無明顯接合痕跡、無氣泡、褶皺及鼓起。
17.進一步地，在所述貼覆步驟中，向所述輔助裝置施加的壓緊力f0滿足：
[0018][0019]
其中，所述as為輔助裝置的接觸面積，σs為構件材料的屈服強度。
[0020]
進一步地，在完成一個待強化轉角位置的強化后，還包括將所述輔助裝置拆下、揭掉所述吸收層，用酒精或丙酮清洗已強化的轉角面。
[0021]
為實現上述目的，本發明提供了一種輔助裝置，用于一種轉角邊緣激光沖擊強化方法。
[0022]
本發明的上述技術方案具有如下優點：通過設計加工與待強化轉角外輪廓完全一致、具有一定高度的輔助裝置，將輔助裝置通過壓緊力與待強化轉角邊緣緊密接觸，使得去離子水約束層在轉角邊緣得到支撐；同時有針對性的調整優化吸收層貼覆工序和方法，可實現轉角邊緣的無損強化。
附圖說明
[0023]
圖1為本發明披露的轉角為凸圓角體構件的立體結構示意圖。
[0024]
圖2為本發明披露的轉角為凹圓角體構件的立體結構示意圖。
[0025]
圖3為本發明披露的三種圓角體棱邊的結構示意圖。
[0026]
圖4為本發明披露的一種輔助裝置與構件未貼合的結構示意圖。
[0027]
圖5為本發明披露的一種輔助裝置與構件貼合的結構示意圖。
[0028]
圖6為本發明披露的一種轉角邊緣激光沖擊強化結構示意圖。
[0029]
圖7為本發明披露的一種吸收層貼覆前的結構示意圖。
[0030]
圖中：1、構件；1-1、凸圓角體；1-2、凹圓角體；1-1a、待強化凸圓角面；1-2a、待強化凹圓角面；2、輔助裝置；3、吸收層；4、去離子水約束層；5、脈沖激光。
具體實施方式
[0031]
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0032]
本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0033]
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0034]
為了解決構件轉角邊緣的強化問題，本發明提供了一種轉角邊緣激光沖擊強化方法。如圖1和圖2所示，待強化的構件1的轉角包括凸圓角體1-1、凹圓角體1-2兩種；其中，凸圓角體1-1具有待強化凸圓角面1-1a，凹圓角體1-2具有待強化凹圓角面1-2a。如圖3所示，圓角體棱邊分為有倒圓角(a)、倒斜角(b)和倒直角(c)三種情形。
[0035]
下面將根據本實施例提供了一種轉角邊緣激光沖擊強化方法來描述本技術方案，如圖4-圖7，該方法包括：
[0036]
步驟s100：根據構件的轉角數模，加工與構件的轉角外輪廓相同的輔助裝置。
[0037]
s200：根據所述構件的待強化轉角區長度，選擇吸收層貼覆在所述待強化轉角區表面的貼覆步驟，其中，所述貼覆步驟包括：貼覆方式一，如圖4，在所述待強化轉角表面先貼吸收層，然后將加工出的所述輔助裝置放置于所述待強化轉角對應的構件上，使所述輔助裝置的外輪廓與所述待強化轉角的外輪廓對齊，最后向所述輔助裝置施加壓緊力；或者，貼覆方式二，如圖5，先將加工出的所述輔助裝置放置于所述構件上，使所述輔助裝置的外輪廓與所述構件的待強化轉角的外輪廓對齊，然后向所述輔助裝置施加壓緊力，最后在所述構件的待強化轉角表面貼吸收層；
[0038]
步驟s300：在完成上述貼覆步驟后，在所述吸收層的外表面噴去離子水，形成去離子水約束層；
[0039]
步驟s400：朝所述去離子水約束層發射激光脈沖，完成一個待強化轉角位置的強化。
[0040]
下面將結合具體示例來對上述實施例的方法進行詳細說明。
[0041]
根據構件1的轉角數模加工20mm～40mm高、外輪廓與圓弧面完全相同的鋁合金輔助裝置2，輔助裝置2的工作輪廓面粗糙度ra1.6～ra3.2。如步驟s100中的輔助裝置2，其下倒角與待強化轉角體棱邊倒角相同，示意圖如圖4和圖5所示。
[0042]
將待強化圓弧面和鋁合金輔助裝置2用酒精或丙酮擦拭干凈；在待強化圓弧面貼覆厚度為80～150μm的鋁箔膠帶或pvc黑膠帶(推薦3m公司427/425型號鋁箔膠帶)作為吸收層3，吸收層3為具有一定延展性的膠帶，對吸收層3所用的材料，本實施例不以此為限。
[0043]
吸收層3在待強化轉角棱邊可有兩種貼覆方式：即貼覆方式一和貼覆方式二，其
中，貼覆方式一為：貼吸收層+輔助裝置+壓緊力+強化，貼覆方式二為：輔助裝置+壓緊力+貼吸收層+強化。
[0044]
貼覆方式一的貼覆步驟：當圓弧面長度不超過30mm時，采用“貼吸收層+輔助裝置+壓緊力+強化”的步驟：在待強化轉角表面先貼吸收層3，使吸收層3緊密貼覆在待強化轉角面上，吸收層3高度尺寸超過轉角棱邊3mm～5mm,將超出部分3-1用專用工具沿棱邊折過趕平，趕平后的膠帶表面應無氣泡、褶皺及鼓起。將上述步驟制作的輔助裝置2放置于待強化轉角的構件1上，使待強化轉角弧面與輔助裝置2弧面對齊，如圖4所示。并用弓形夾將輔助裝置2與構件1壓緊，其中，預先用壓力傳感器測定弓形夾的螺距數與壓緊力的等效關系，根據等效關系調節弓形夾的螺距數實現壓緊力的控制，進而施加合適的壓緊力以提高后續激光沖擊的強化質量。
[0045]
貼覆方式二的貼覆步驟：當圓弧面長度超過30mm時，采用“輔助裝置+壓緊力+貼吸收層+強化”的步驟：先將上述步驟制作的輔助裝置2放置于待強化轉角的構件1上，待強化轉角弧面與輔助裝置2弧面對齊，用弓形夾或壓塊將輔助裝置2與構件1壓緊。將吸收層3緊密貼敷于待強化圓弧面和輔助裝置2圓弧面，用專用工具將吸收層3趕平，使吸收層3與待強化面(含輔助裝置2圓弧面)緊密貼合，且吸收層3表面不應出現待強化圓弧面和輔助裝置2圓弧面的明顯接合痕跡，吸收層3表面應無氣泡、褶皺及鼓起。
[0046]
值得注意的是，在上述貼覆步驟中，向輔助裝置2施加的壓緊力f0應滿足：其中，as為輔助裝置的接觸面積，σs為構件材料的屈服強度。
[0047]
將完成上述的貼覆步驟后，在待強化圓弧面上噴去離子水，形成1～2mm的去離子水膜作為去離子水約束層4，啟動激光沖擊強化設備并發射脈沖激光5，本實施例的輔助裝置2通過壓緊力與待強化轉角邊緣緊密接觸，使得去離子水約束層4在轉角邊緣得到支撐。強化完畢將輔助裝置2拆下、揭掉吸收層3，用酒精清或丙酮洗強化面。
[0048]
采用上述實施例的轉角邊緣激光沖擊強化方法和輔助裝置2可實現轉角邊緣的無損強化，并且保證了轉角邊緣強化時吸收層的完整，保證了轉角邊緣的強化效果。
[0049]
本實施例實現鈦合金凹轉角圓弧面的構件1、吸收層3(選用鋁箔膠帶)非壓平式激光沖擊強化，如下圖所示，其步驟為：
[0050]
根據轉角數模加工20mm～40mm高、外輪廓與圓弧面相同的凹圓弧面的鋁合金輔助裝置2，輔助裝置2工作輪廓面粗糙度ra3.2；
[0051]
將待強化圓弧面的構件1和鋁合金輔助裝置2用酒精或丙酮擦拭干凈；
[0052]
將輔助裝置2放置于待強化轉角構件1上，待強化轉角弧面與輔助裝置2弧面對齊，用弓形夾將輔助裝置2與構件1壓緊。壓緊力f0＝100kn(as＝0.1m2)。將鋁箔膠帶緊密貼敷于待強化圓弧面和輔助裝置圓弧面，如下圖所示；
[0053]
對貼覆完畢的待強化圓弧面進行激光沖擊強化；
[0054]
強化完畢將輔助裝置2拆下、揭掉鋁箔膠帶，用酒精或丙酮清洗強化面。
[0055]
為了解決構件轉角邊緣的強化問題，本發明還提供了一種輔助裝置，用于一種轉角邊緣激光沖擊強化方法。
[0056]
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型
也應視為本發明的保護范圍。
