[发明专利]一种环形激光带冲击强化孔壁的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及孔壁强化和改性领域，特指一种利用环形激光带冲击强化孔壁的方法和装置，尤其适用于应力集中严重的通孔和盲孔内壁的强化。

技术背景

激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，利用激光束与涂覆在工件表面的吸收层相互作用产生的高压冲击波作为力源，使工件表面材料发生塑性变形，从而使表面材料的组织致密化，并形成具有一定深度的残余应力层，残余应力层能有效地消除材料内部应力集中和抑制裂纹的萌生和扩展，能显著提高金属零件的疲劳寿命和耐腐蚀性能。

小孔通常是应力集中的主要位置，在交变载荷的作用下极易产生疲劳裂纹，降低零件的寿命。因此，对小孔的孔壁的强化处理成为了一项研究重点。激光冲击强化技术具有冲击力大和被冲击面粗糙度小等优点正逐步取代传统的冷挤压和机械喷丸技术。

申请号为200610096476.5的中国发明专利申请公开了一种基于激光冲击波技术孔壁的强化方法和装置，利用从小孔下方插入空中的反射锥表面的吸收层材料吸收激光能量，产生等离子体爆炸形成冲击波作用于孔壁表面，从而实现对孔壁的强化。申请号为201010510712.X，名称为一种紧固孔激光冲击强化的方法和装置，以及申请号为201010603791.9，名称为一种环形激光冲击强化紧固孔的方法和装置，这两个均采用了类似的方法对孔壁进行强化。申请号为201310175958.X，名称为一种紧固孔水下激光微喷丸的方法和装置，以及申请号为201310175959.4，名称为一种环形激光水下冲击强化紧固孔孔壁的方法和装置，这两种方法改进了反射锥的特性，反射锥表面能将激光束全反射到孔壁表面的吸收层上，等离子体爆炸发生在孔壁表面的吸收层上，从而不会对反射锥带来破坏。但是，上述五个发明都是将反射锥从孔的一端插入，激光从孔的另一端入射进行强化，即只能对通孔进行冲击强化。

申请号为201310245984.5，名称为一种隐藏面激光冲击强化方法和装置，利用全反镜分段逐步扫描内壁进行激光冲击强化处理，可对盲孔进行冲击强化，但是由于需要往结构中置入大量的装置，如夹具、工作台和进给装置等，限制了该方法只能用于强化处理较大尺寸的盲孔，无法处理尺寸小的盲孔。申请号为200910213599.6，名称为一种基于激光冲击波技术的复杂表面强化的方法和装置，提出了以悬浊液作为激光的吸收材料，取代吸收层和约束层，该方法可对盲孔进行冲击强化，但是高温高压的等离子体爆炸会烧蚀孔壁，产生会降低表面疲劳强度的热裂纹等不利结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环形激光带冲击强化孔壁的方法和装置，以不仅可以对通孔的孔壁进行激光冲击强化，而且可以对盲孔的孔壁进行激光冲击强化。

为了解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种环形激光带冲击强化孔壁的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，将需冲击强化的孔壁涂覆一层吸收层（15），并对吸收层（15）进行风干处理；

步骤二，将工件（16）装夹在工作台（17）上，如果待强化的孔为盲孔，保证孔口朝上，如果待强化的孔为通孔，保证任意一个孔口朝上，环形激光带调节单元（5）从上孔口伸入待加工的孔内部，并与孔同轴，保证环形激光带调节单元（5）置于冲击强化的起始位置；所述环形激光带调节单元（5）的直径小于待加工孔的内径；

步骤三，调节脉冲激光器参数，环形激光带参数，使参数满足加工要求；所述脉冲激光器参数包括激光脉冲能量和激光脉宽；所述环形激光带参数为环形激光带宽度；

步骤四，利用喷水装置（19）向孔表面喷水，使水覆盖孔壁的待冲击强化位置，利用脉冲激光器（1）输出的激光束（2）通过环形激光带调节单元（5）调制成环形激光带（18），环形激光带（18）辐照在涂有吸收层（15）的孔壁上，诱导等离子体爆炸产生高压冲击波，从而使环形激光带（18）所在位置的孔壁得到强化；

步骤五，工作台（17）带动工件（16）沿着孔的轴向运动，使环形激光带（18）移动到新的孔壁位置，重复所述步骤三至步骤五，直至整个孔壁得到强化；

步骤六，工作台（17）带动工件（16）作远离环形激光带调节单元（18）的移动，使环形激光带调节单元（18）离开孔内部，取下工件（16），清理孔壁上的吸收层（15）。

所述脉冲激光器（1）输出的激光脉冲能量为2J~60J，激光脉宽为4ns~60ns；所述环形激光带调节单元（5）调制的环形激光带宽度为1mm~30mm。