專利名稱：一種激光沖擊和微弧氧化結合的小孔強化方法
技術領域：
本發明涉及激光加工和電化學表面處理領域，提供一種激光沖擊和微弧氧化相結合對小孔進行強化的方法。在小孔加工前，對需要開孔的金屬板件進行激光沖擊強化；開孔后，對孔內壁表面進行微弧氧化。
背景技術：
在航空制造業中，飛機上的小孔是常見的局部應力集中部位，在交變載荷作用下極易產生疲勞裂紋，從而導致整機的安全性、可靠性和使用壽命大大降低。為了提高小孔的疲勞壽命，通常需對其進行強化處理。但是由于受孔徑尺寸的限制，冷擠壓和噴丸強化等技術根本無法實施。因此，探索小孔強化新技術是一項重要課題。微弧氧化技術是一種新興的材料表面處理技術，應用該技術可以在鋁、鎂、鈦等金屬或其合金表面原位生長一層陶瓷薄膜。通過對工藝過程進行控制，可以使生成的陶瓷薄膜具有優異的耐磨、耐熱和抗腐蝕性能，較高的硬度和絕緣性能，改變材料的表面狀態(如應力分布)，提高材料的抗疲勞壽命，彌補激光沖擊強化的不足。專利申請號為201110448751.6的發明專利，發明提出了先采用大光斑大能量的激光對金屬板件待開孔表面進行強化，再用小光斑小能量的激光對金屬板件待開孔位置四周的表面進行二次強化，最后進行孔加工。該方法能使金屬板件孔壁較深處取得殘余壓應力，但殘余應力分布和應力性質隨工藝因素的影響較大，仍可能會產生有害的殘余拉應力的存在，影響材料的抗疲勞壽命。
發明內容
本發明提供一種激光沖擊和微弧氧化相結合對小孔進行強化的方法，克服了激光沖擊強化方法對小孔構件強化的局限性，解決了孔壁較深處殘余應力分布和應力性質隨工藝因素的影響較大和不穩定，甚至廣生有害的殘余拉應力等問題，大幅度提聞材料的抗疲勞壽命。該方法即先采用激光對需要開孔的金屬板料進行激光沖擊強化，然后進行孔加工，最后對開好的小孔內壁表面進行微弧氧化處理，使孔獲得較高的抗疲勞、抗腐蝕性能。本發明的具體步驟是
A)對金屬板料進行預處理，在其要開孔部位貼上能量吸收層，在能量吸收層外貼上約束層，用夾具將金屬板件固定在數控工作臺上；
B)調節激光器的參數，并編程控制數控工作臺的運動路徑，對金屬板件單面或雙面待開孔部位進行激光沖擊強化；
C)對金屬板件預定位置進行開孔；
D)對開好的小孔的內壁表面進行預處理；
E)將陰極放入小孔中，調整使陰極與小孔軸線重合，陽極即為開孔的金屬板；
F)通入電解液，電解液通過小孔循環流動；G)接通電源，在電極的作用下，在小孔內壁表面形成均勻的陶瓷層；
H)微弧氧化結束后，對小孔進行后處理。本發明的優點是
I)克服小孔孔徑尺寸的限制，特別是Φ5mm以下小孔構件的強化。2)采用兩種強化方法相結合，彌補了單一激光沖擊強化方法的不足，不僅使金屬板料小孔從表面到內壁較深處都獲得了較好的殘余壓應力，而且在小孔內壁表面形成了均勻的各項性能優異的陶瓷層，這樣小孔就獲得了較高的抗疲勞、抗腐蝕性能。
圖1激光沖擊強化示意圖。圖2激光沖擊強化大小光斑及小孔位置分布示意圖。圖3微弧氧化示意圖。圖中標記1、金屬板料，2、鋁箔(吸收層)，3水(約束層)，4、激光束，5、大光斑，6、小光斑，7、小孔，8、電源，9、陰極，10、電解液。
具體實施例方式下面對本發明做進一步詳細說明。具體步驟如下
1)對金屬板料I的表面進行預處理，在其要開孔部位貼上鋁箔2、黑漆等作為能量吸收層，在能量吸收層外貼上合成樹脂、有機玻璃等作為約束層，或使用水3作為約束層，使水3勻速流過能量吸收層表面。用夾具將金屬板件固定在數控工作臺上；
2)調節激光器的參數至半徑為5 12mm的大光斑5、1(T60J的大能量，并編程控制數控工作臺的運動路徑，對金屬板件待開孔部位進行一次或二次以上激光沖擊強化；
3)強化完成后調節激光器的參數至半徑為2飛mm的小光斑6、f15J小能量，通過編程控制數控工作臺的運行路徑，使激光的沖擊過程繞待開小孔位置一周，且小光斑呈多點搭接分布，對金屬板件表面進行二次強化；
4)強化完成后對金屬板件I進行后處理；
5)用鉆床對金屬板件預定位置進行開孔；
6)對開好的小孔7的內壁表面進行預處理，主要是先去油，然后水洗；
7)將陰極9，即不銹鋼絲放入小孔中，調整使陰極與小孔7軸線重合，而陽極即為開孔的金屬板件I，接入電源8，電源8處于斷開狀態；
8)通入Na2SiO3電解液10,電解液10通過小孔循環流動，電解液10的循環一是為了使反應過程中的氣體容易排出，易于散熱；二是為了回收多次利用。9)接通電源8，電解液工作電壓為400V 750V，液體不同，工件電流密度不同，大約為每平方分米O. OfO. 1A。在電極的作用下，在小孔7內壁表面形成均勻的陶瓷層，時間越長，膜層越致密，但粗糙度也增加；
10)微弧氧化結束后，停止工作電源8，對小孔7進行的后處理，主要是純水洗。實施例對5_厚金屬板件，孔徑大小為2. 6mm的小孔進行強化。將金屬板料的表面進行預處理，在其待開孔部位貼上鋁箔作為能量吸收層，使用水作為約束層，使水勻速流過鋁箔表面。用夾具將金屬板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金屬板件的待開孔部位進行強化。調節激光器的參數至大光斑大能量，具體參數如下光斑直徑7. 8mm，能量為10G，脈沖寬度20. 1ns，波長1. 054 μ m。控制激光器對金屬板件預定位置進行激光沖擊。通過編程控制數控工作臺的工作路徑，使激光器可以繞小孔四周進行，且小光斑呈多點搭接分布。然后調節激光器的參數至小光斑小能量，其具體參數如下光斑直徑1mm，能量為2G，脈沖寬度20. 1ns，波長1. 054 μ m。使水勻速流過鋁箔表面，控制激光器對待開小孔預留位置四周進行二次激光沖擊強化，總共沖擊23點，本不例中米取彳合接率為50 %。沖擊完成后將金屬板件進彳了打孔，孔徑大小為2. 6mm。然后對小孔的內壁表面進行預處理，主要是去油和水洗。將陰極，即不銹鋼細棒放入小孔中，調整微弧氧化裝置使陰極與小孔軸 線重合，而陽極即為開孔的金屬板，接入電源，此時電源處于斷開狀態；對小孔通入電解液，電解液通過小孔循環流動。接通電源，在電極的作用下，在小孔內壁表面形成均勻的陶瓷層；微弧氧化結束后，停止工作電源，對小孔進行的后處理，主要是純水洗。
權利要求
1.一種激光沖擊和微弧氧化結合的小孔強化方法，其特征在于，采用激光沖擊和微弧氧化相結合的方法于小孔加工前后對金屬板件和孔壁表面進行強化；其具體步驟為 A)對金屬板料進行預處理，在金屬板料要開孔部位貼上能量吸收層，在能量吸收層外貼上約束層，用夾具將金屬板件固定在數控工作臺上； B)調節激光器的參數，并編程控制數控工作臺的運動路徑，對金屬板件單面或雙面待開孔部位進行激光沖擊強化； C)對金屬板件預定位置進行開孔； D)對開好的小孔的內壁表面進行預處理； E)將陰極放入小孔中，調整使陰極與小孔軸線重合，陽極即為開孔的金屬板； F)通入電解液，電解液通過小孔循環流動； G)接通電源，在電極的作用下，在小孔內壁表面形成均勻的陶瓷層； H)微弧氧化結束后，對小孔進行后處理。
2.根據權利要求1所述的一種激光沖擊和微弧氧化結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟B)中，所述對金屬板件單面或雙面待開孔部位進行激光沖擊強化過程為，先用大光斑激光對金屬板件待開孔部位進行一次或二次以上激光沖擊強化，再用小光斑激光繞待開小孔位置一周，且小光斑呈多點搭接分布，對金屬板件表面進行二次強化。
3.根據權利要求1或2所述的一種激光沖擊和微弧氧化結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟A)中，吸收層使用鋁箔、黑漆或黑膠帶。
4.根據權利要求1或2所述的一種激光沖擊和微弧氧化結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟A)中，約束層使用水、K9光學玻璃、有機玻璃、硅膠或合成樹脂。
5.根據權利要求1或2所述的一種激光沖擊和微弧氧化結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟F)中，電解液為Na2SiO3電解液。
6.根據權利要求1或2所述的一種激光沖擊和微弧氧化結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟D)中，預處理為先去油，然后水洗。
7.根據權利要求1或2所述的一種激光沖擊和微弧氧化結合的小孔強化方法，其特征在于，所述步驟H)中，后處理為水洗。
全文摘要
本發明涉及激光加工和電化學表面處理領域，提供一種采用激光沖擊和微弧氧化相結合對小孔進行強化的方法。本發明即先對需要開孔的金屬板料進行激光沖擊強化，然后進行孔加工，最后對開好的小孔內壁表面進行微弧氧化處理。本發明克服了傳統強化方法受孔徑尺寸限制的缺點，特別是針對直徑5mm以下的小孔。對小孔內壁表面所進行的微弧氧化處理，彌補了金屬板料進行激光沖擊強化中的不足，顯著提高了小孔構件的抗疲勞等性能。
文檔編號C25D11/02GK103014803SQ20121058197
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者姜銀方, 趙龑, 汪建敏, 姜文帆 申請人:江蘇大學