本發明涉及激光加工領域，特指對于不同厚度的小孔構件激光沖擊強化時采用不同的激光參數，使不同板厚的小孔孔的強化效果均達到良好的狀態的一種不同厚度小孔構件激光沖擊強化方法。

背景技術：

小孔構件是典型的應力集中細節，易在疲勞載荷下產生疲勞裂紋，影響關鍵結構的使用性能和服役壽命。而很多機械零件都需要進行開孔處理，特別是飛機上的零件更是要開上千個孔，這些孔就成了零件的薄弱環節，而這些零件又厚度不一。傳統的機械強化方法如機械噴丸、擠壓強化等受到孔徑的限制，對于直徑3mm以下的小孔不容易強化。激光沖擊強化是一種先進的材料強化方法，具有非接觸、無形變、不存在熱影響區及強化效果顯著等優點，但如何控制激光參數以保證不同材料不同厚度的小孔構件在沖擊強化后均能達到良好的強化效果是該領域的一大難點。

專利cn102517413中敘述了一種小孔強化方法，其實施方法是先用大光斑大能量的激光對小孔構件待開孔表面進行沖擊強化，使小孔構件沿厚度方向較深處產生殘余壓應力，再用小光斑小能量的激光對小孔構件待開孔位置四周的表面進行二次沖擊強化，使小孔構件表面產生較好的殘余壓應力，最后進行打孔，這種方法避免了先開孔后進行激光沖擊強化而產生的孔端面質量不高的問題，但是該種方法并不能使各種板厚的小孔都達到最佳的強化狀態，且對于設備要求較高，需要大功率的激光器設備。

專利cn103014276中敘述了一種用錐壓與激光相結合的小孔強化方法，一面用激光沖擊，激光沖擊對應的背面用特質的錐壓頭壓入，最后在壓入的地方開孔。該方法雖然使得4mm-6mm板厚的孔壁為壓應力，但錐壓過程容易使板材變形，錐壓面的表面質量也不能保證，不同板厚的孔壁殘余壓應力不穩定，特別是較厚板處理質量較難保證。

專利申請號為200610096476.5的發明專利，發明名稱為一種基于激光沖擊波技術孔壁的強化方法和裝置，提出了在已開孔的小孔構件孔徑內插入反射錐，在反射錐的錐面上涂上能量吸收層和約束層，再對孔壁進行激光沖擊強化。該方法與機械噴丸相比不受孔徑大小的限制，且可使得強化層均勻，但由于是先開孔再強化，激光會對小孔造成一定的損傷，從而影響孔的精度與孔壁的表面質量。

技術實現要素：

本發明針對以上不足，提供一種不同厚度小孔構件激光沖擊強化方法，該方法考慮不同厚度材料的強化效果以及小孔構件的變形和沖擊構件的表面質量要求，針對不同材料不同厚度小孔構件激光沖擊強化工藝參數選擇問題，經過大量的試驗和統計分析，提出一個經驗公式和工藝參數確定方法，以保證在95％的置信度下獲得滿意的疲勞增益。

本發明的技術方案是：本發明的參數選擇具體步驟是首先根據材料的性能、厚度、所用的約束層與吸收層性能以及沖擊后對材料變形量和表面質量的要求，結合經驗公式確定該材料所用的激光功率密度，其次根據選用的功率密度與所擁有的激光器設備，依次確定脈寬，激光能量，光斑大小，最后根據沖擊區域與覆蓋率的選用原則確定搭接率與沖擊層數。具體步驟如下：

一種不同厚度小孔構件激光沖擊強化方法，包括以下步驟：將小孔構件的表面進行預處理，然后在小孔構件待開孔部位的表面設能量吸收層，在吸收層表面設約束層，將預處理后的小孔構件固定在數控工作臺上,使用激光器對小孔構件的待開孔區域進行沖擊強化，對不同厚度小孔構件采用不同的激光沖擊強化工藝參數，其工藝參數選擇與確定方法如下：

1)依據小孔構件材料強度和材料厚度來選擇功率密度，其功率密度與小孔構件厚度的關系由公式確定，此公式為通過大量試驗后進行統計分析得到的經驗公式，式中i0為激光功率密度，σs為材料的屈服強度，t為板厚，2/z＝1/z1+1/z2，z1是小孔構件材料的聲阻抗，z2是約束層的聲阻抗，a為綜合作用系數，且與小孔構件的材料、約束層和吸收層相關，b為厚度影響系數、且與小孔構件的材料和厚度相關；

2)其下限值應該滿足和p>2σs，p為作用在小孔構件材料上的激光沖擊載荷的峰值壓力，σs材料的屈服強度，k為常數與約束層和吸收層相關；

3)結合公式確定光斑直徑d和脈沖激光能量e；tp為激光脈寬，與激光器有關，較厚材料構件采用較大激光脈寬tp，選用10ns～30ns；激光器激光能量e與激光器的功率相關，激光能量e為2j～35j，使用小型化激光器，采用較小光斑直徑d，光斑直徑d的取值范圍在2mm～6mm；高功率激光器，較大光斑直徑d，提高生產效率；在保證激光功率密度i0下，光斑直徑d和脈沖激光能量e進行適當配合調整；如方形光斑，這里d為光斑的邊長；

4)確定激光能量，激光脈寬tp，光斑直徑d后，選擇搭接率ψ和沖擊層數n；圓形光斑搭接率ψ為50％左右，方形光斑搭接率ψ為10％左右；沖擊層數n為1層～6層，n的確定與材料的屈服強度σs、激光功率密度i0、光斑搭接率ψ相關，σs小、i0大、ψ大，取下限；搭接率ψ＝相鄰光斑重復距離l/光斑直徑d(或光斑邊長)。

光斑搭接率ψ和沖擊層數n還受平均覆蓋率η的限定，平均覆蓋率η＝n*s1/s，n為沖擊1面沖擊總的光斑數，s1為一個光斑的面積，s為孔位置沖擊區域的面積；平均覆蓋率η取200％～800％，如果平均覆蓋率η不在200％～800％范圍內，需要重新選擇所述搭接率ψ和沖擊層數n。

經驗公式中a的取值與構件材料、約束層、吸收層等工藝參數相關，主要相關因素是構件材料與約束層，當材料為鋁合金，經驗公式中的厚度影響系數b的取值與材料有關，當材料為鋁合金時b＝6，約束層為水、k9光學玻璃、有機玻璃、硅膠或合成樹脂中任意一種時，a的取值范圍在2～5。

經驗公式中，當材料為鈦合金時，b＝2.6；當材料為鈦合金時，約束層為水、k9光學玻璃、有機玻璃、硅膠或合成樹脂中任意一種時，a的取值范圍在0.5～1.25左右。

小孔構件的剛度大、材料的表面硬度大，a可考慮取偏上限值；考慮用戶對激光沖擊強化后構件對變形量和表面粗糙度的要求，a可考慮上下浮動。

激光的沖擊區域的取值范圍在2.8d～3.8d，d為孔徑大小，小孔構件厚度大取下限；激光沖擊區域距材料邊界，或激光沖擊區域與另激光沖擊區域之間的距離應不小于3mm，減小邊緣效應，以及沖擊區域與沖擊區域之間的影響。

先沖擊處理后開孔，其效果優于先開孔后沖擊，沖擊方式為雙面沖擊，使得孔壁出現較好的應力分布；當搭接率大于63％時，采用跳沖方式，防止吸收層的損壞。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1.針對不同材料不同厚度的小孔構件激光沖擊強化的功率密度選擇提出了經驗公式明確了各激光參數的選用原則與方法，提高了激光沖擊強化的科學性。

2.該方法使各種板厚小孔構件的表面與孔壁得到強化，且能很好的控制板料的變形。

3.該方法可以滿足不同孔徑的強化需要，且保證孔壁質量。

4.該方法降低了對激光器等設備的要求，可采用小能量激光，降低了小孔強化的成本。

5.該方法可以在一定范圍內滿足客戶的疲勞增益效果要求與表面質量要求，特別是保證較厚板處理質量穩定。

6.該方法突破了直徑3mm以下的小孔不易強化的限制，保證不同材料不同厚度的小孔構件在沖擊強化后均能達到良好的強化效果是該領域的一大難點。

附圖說明

圖1是本發明一實施方式的激光沖擊強化示意圖；

圖2是本發明一實施方式的激光沖擊工藝路線圖；

表17050-t7451鋁合金在本方法條件中的各板厚激光沖擊參數及疲勞增益；

表2tc4-dt鈦合金在本方法條件中的各板厚激光沖擊參數及疲勞增益；

表32024-t62鋁合金在本方法條件中的各板厚激光沖擊參數及疲勞增益。

圖中，1、激光束，2、約束層，3、吸收層，4、小孔構件，5、光斑，6、激光沖擊路線，7、板料邊界。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護范圍并不限于此。

實施例一：

本實例中采用材料為7050-t7451鋁合金板料，厚度為3mm、4mm、5mm、6mm，需要開孔的孔徑大小為2.6mm。如圖1所示，將小孔構件4的表面先進行預處理，然后在構件待開孔部位的表面貼上鋁箔作為能量吸收層3，使用水作為約束層2，使水勻速流過鋁箔表面。用夾具將小孔構件4固定在數控工作臺上，對數控工作臺的運行路徑進行編程，以使激光器剛好可以對構件的待開孔部位進行強化。根據選用的約束層2為水，吸收層3為鋁箔，根據p>2σs、可知，k＝1，σs＝441mpa，i0應大于下限值0.78gw/cm²。

根據經驗公式b＝6，于是a取2.6左右，可得厚度為3mm的小孔構件4激光功率密度在2.85gw/cm²左右，厚度為4mm的小孔構件4激光功率密度在3.37gw/cm²左右，厚度為5mm的小孔構件4激光功率密度在3.98gw/cm²左右，厚度為6mm的小孔構件4激光功率密度在4.71gw/cm²左右。

根據及激光器設備確定能量、脈寬、光斑等參數，其中，光斑直徑d的取值范圍在2mm～6mm，激光能量e的選擇為2j～35j，激光脈寬tp的選擇為10ns～30ns，激光器激光的沖擊區域的取值范圍在2.8d～3.8d，d為孔徑大小，最終得出的功率密度接近a取2.6所得出的功率密度即可。沖擊方式為雙面沖擊，層數為2層，雙面沖擊即正面反面依次沖擊，雙面沖擊一次表明沖擊層數為1層，當采用的搭接率為63％，采用跳沖，跳沖即打完第一個光斑后打第三個光斑，跳開第二個，依次類推，在打完第一行后打第三行，跳過第二行，依次類推，打完后回到第一行第二個，第四個依次類推，再打第三行第二個，第四個，依次類推，這樣打完后打第二行，第四行，方法同上。當激光器設備能量較小或較大時，可改變光斑大小來控制激光的功率密度；本實例所采用的功率密度、選用參數及其在95％的置信區間下的增益見表1。從表中看出平均覆蓋率η在400％-700％之間，疲勞增益效果較好，本實例中4種板厚的小孔構件疲勞增益相對穩定，大多集中在150％-230％之間，雖然材料的剛度與硬度不高，但選取功率密度較小，所以表面質量較好，板料基本不發生變形。

表1

實例二：

本實例與實施例一的不用之處在于，本實施例中采用材料為tc4-dt鈦合金板料，厚度為3mm、4mm、6mm，需要開孔的孔徑大小為2.6mm。將小孔構件4的表面先進行預處理，然后在構件帶開孔部位的表面貼上鋁箔3作為能量吸收層，使用水2作為約束層，使水勻速流過鋁箔表面。用夾具將構件固定在數控工作臺上，對數控工作臺的運行路徑進行編程，以使激光器剛好可以對構件的待開孔部位進行強化。根據選用的約束層與吸收層，根據p>2σs、可知，k＝1，σs＝811mpa，i0應大于下限值2.63gw/cm²。

根據經驗公式b＝2.6，綜合考慮鈦合金的剛度與表面硬度，a取0.7左右，所以本實例厚度為3mm的小孔構件4激光功率密度在4.9gw/cm²左右，厚度為4mm的小孔構件4激光功率密度在7.27gw/cm²左右，厚度為6mm的小孔構件4激光功率密度在15.69gw/cm²左右；本實例所采用的搭接率為50％，沖擊方式為雙面沖擊，所采用的功率密度、選用參數及其在95％的置信區間下的增益見表2。本實例中3種厚度的小孔構件疲勞增益大多在200％-270％之間，疲勞增益明顯，且由于材料硬度與剛度較大，沖擊后表面質量較好，板料基本無變形。

表2

實例三：

本實例與實施例一的不用之處在于，本實例中采用材料為2024-t62鋁合金板料，厚度為2.5mm和5mm，需要開孔的孔徑大小為2mm。如圖1所示，將小孔構件4的表面先進行預處理，然后在構件帶開孔部位的表面貼上鋁箔作為能量吸收層3，使用4.5mm厚k9玻璃作為約束層2，。用夾具將構件4固定在數控工作臺上，對數控工作臺的運行路徑進行編程，以使激光器剛好可以對材料的待開孔部位進行強化。根據選用的約束層與吸收層，根據p>2σs、可知，k＝1.62，σs＝340mpa，i0應大于0.18gw/cm²。

根據經驗公式b＝6，a取4.8左右，可得厚度為2.5mm的小孔構件4激光功率密度在1.57gw/cm²左右，厚度為5mm的小孔構件4激光功率密度在2.36gw/cm²左右，根據及激光器設備確定能量、脈寬、光斑等參數，最終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、選用參數及其在95％的置信區間下的增益見表3。該組實樣疲勞增益明顯，但由于材料硬度低，a取值較大，材料表面凹坑較深，表面質量相對較差。

表3

結合表1、2、3說明本方法可以實現的強化效果。運用本方法所選用的激光功率密度及所選用的激光參數所得的疲勞壽命增益明顯且穩定，材料變形量接近于零，表面并未出現燒蝕等現象。

所述實施例描述本發明的基本特征和優點。相關行業的人員應該明白，上述實施列不能限制本發明，說明書和實施例只是說明了本發明的核心原理，在此基礎上，本發明還可以繼續優化和改進，這些優化和改進都在本發明的保護范圍內。