[发明专利]一种用于构件连接的高强度小孔的制备方法

说明书

本发明属于孔结构加工与强化技术领域，涉及一种用于构件连接的高强度小孔的制备方法，包括：采用脉冲激光光束对待加工材料的拟制孔区域进行表面冲击强化处理，使待加工材料表面的拟制孔区域发生宏观塑性变形；采用连续激光光束对脉冲激光光束辐照区域的中心位置进行钻孔，形成孔结构。本发明的方法在制孔工序之前便已完成孔结构的强化处理，弥补单纯激光钻孔方法成形孔结构强度低且易失效的弊端；同时，将不利的残余应力洞现象进行合理利用，残余应力洞现象越显著的条件下，拟制备孔结构的孔壁残余压应力场分布强度越高。

技术领域

本发明属于孔结构加工与强化技术领域，具体涉及一种用于构件连接的高强度小孔的制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

紧固件是作紧固连接使用的一类机械零件，其连接过程中往往借助通孔完成铆接等连接。在机械装置中，孔结构往往由于应力集中效应的存在而成为疲劳失效的易发区域，在目前的工业应用中，技术人员常通过芯棒挤压等方式对孔结构进行挤压强化，进而改善孔结构的服役性能。

随着工业发展进步，飞机蒙皮等薄板连接的紧固通孔强化受到孔结构形状尺寸的限制而难以进行。例如，薄板中通孔孔深与孔径均较小，常规孔挤压技术所采用的硬质芯棒难以在不对孔结构形成破坏影响的前提下而顺利通过孔结构。如何破解孔挤压强化效果的引入难题，在薄壁构件孔结构孔壁引入高强度残余压应力场分布成为技术人员需要解决的问题。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提出一种利用双光束激光分步加工高强度小孔的方法。该方法可用于构件连接的高强度小尺寸孔结构的制备。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种用于构件连接的高强度小孔的制备方法，包括：

采用脉冲激光光束对待加工材料的拟制孔区域进行表面冲击强化处理，使待加工材料表面的拟制孔区域发生宏观塑性变形；

采用连续激光光束对脉冲激光光束辐照区域的中心位置进行钻孔，形成孔结构。

本发明的技术原理如下：

激光作为绿色能源，在现代工业发展中展示出巨大潜力。脉冲型激光可以实现材料的表面强化与改性处理，在脉冲激光表面加工过程中，脉冲激光诱导形成等离子体冲击波，在冲击波形成的力效应作用下，材料表面产生残余压应力引入、显微组织演变等表面强化效果；连续型激光一般基于其自身与物质相互作用而形成的热效应，实现激光制造、激光焊接、激光打孔等具体应用。本发明高强度小孔的制备方法以脉冲激光表面强化为核心基础，进而实现提高拟制造小孔的强度的目标。在本发明所涉及的具体加工过程中，脉冲激光光束首先作用于待加工材料的拟制孔区域，并在材料表面形成高强度的残余压应力场分布。需要特别指出的是，本发明要求，借助残余应力洞效应，尽量提高残余应力分布不均匀水平，从而形成孔周应力大、孔中应力小的制孔区域。

所述残余应力洞效应是指脉冲激光光束作用于材料表面后，材料表面的激光辐照区域所发生的一种残余应力分布不均匀现象。在激光冲击辐照区域，中心位置往往具有相对辐照区域边缘位置更低的残余压应力分布水平。

在双光束制孔的第二阶段，利用连续激光光束的高能束流对脉冲激光光束辐照区域的中心位置进行热效应堆积的激光打孔效果。在该阶段完成后，脉冲激光光束的具有较低水平残余压应力分布的中心位置形成小尺寸孔结构。采用激光热效应制孔可避免机械加工方式制孔对材料表面已有残余压应力场分布的破坏，因此本发明所制备小孔的孔壁部位具有高强度的残余压应力分布。

本发明的第二个方面，提供了任一上述的方法制备的高强度小孔。