一种用于构件连接的高强度小孔的制备方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
7.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：
8.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；
9.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。
10.本发明的技术原理如下：
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.本发明的第三个方面，提供了双光束制孔在机械零件制作中的应用，所述双光束制孔包括：脉冲激光表面冲击强化处理、连续激光光束钻孔加工。
16.本发明的有益效果在于：
17.采用本发明所述方法所制造的构件连接小孔的特点主要为：
18.(1)尺寸小，本发明所述小孔的孔径与孔深均较小，其孔径一般不大于6mm、孔深一般不大于3mm；
19.(2)强度高，本发明所制备小孔孔壁的残余压应力层深可达mm量级，较高强度的残余压应力场分布对其服役性能具有积极影响。
20.本发明的独特之处在于：
21.(1)首次提出双激光光束的全激光制孔方法，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；
22.(2)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。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1本发明所述高强度小孔制备原理中涉及的残余应力洞现象以及脉冲激光与连续激光辐照区域的示意：残余应力洞
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脉冲激光光束辐照范围内的残余压应力分布状态表现为“内侧弱、外侧强”的不均匀形式；双光束辐照范围
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脉冲激光光束辐照区域完全覆盖连续激光光束辐照区域，并保持脉冲激光光束诱导待加工材料形成的较大程度残余压应力分布(位于脉冲激光光束辐照范围内的外侧)处于连续激光辐照范围之外，连续激光光束辐照区域与拟成形小孔的尺寸基本相同。
25.图2本发明所述的双激光光束制备高强度小孔的方法示意图：其中，1为待制孔的薄壁构件，2为脉冲激光光束，3为脉冲激光光束诱发材料表面的拟制孔区域发生的宏观塑性变形示意图，4为连续激光光束，5为与连续激光光束尺寸相对应的成形孔结构。
具体实施方式
26.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通
常理解的相同含义。
27.正如背景技术所介绍的，针对孔挤压强化效果的引入难题，本发明提供了一种用于构件连接的高强度小孔的制备方法，具体包括如下步骤：
28.1、确定待加工孔结构的形状尺寸
29.本发明所述高强度小孔的形状为圆形，其直径等尺寸由技术人员根据实际加工需求而确定。
30.2、确定脉冲激光光束的形状尺寸
31.本步骤建立在脉冲激光光束参数已被确定的前提上，即脉冲激光的激光能量、激光波长、激光脉宽等参数已由技术人员结合实际的激光冲击实践经验并根据待加工材料力学性能等信息而确定。
32.在本发明所涉及的双光束高强度小孔制造过程中，脉冲激光光束的作用是在拟加工区域进行残余压应力场的预置加工，为高强度小孔的“高强度”特征奠定基础。
33.基于待加工小孔的圆形形状，脉冲激光光束确定为圆形。脉冲激光光束直径设定为拟制造小孔直径的2～3倍。
34.需要指出的是，脉冲激光光束的辐照区域中心位置为拟制造小孔的圆心。
35.3、确定连续激光光束的形状尺寸
36.本步骤建立在连续激光光束参数已被确定的基础上，即连续激光的激光能量密度、激光波长、激光脉宽等参数已有技术人员结合实际的激光钻孔实践经验并根据待加工材料力学性能等信息而确定。
37.连续激光光束与脉冲激光光束具有相同的圆心，其圆心均为拟制造小孔的圆心。
38.值得一提的是，连续激光光束可具有与拟成形小孔相同的直径尺寸，但根据实际加工需要，也可选择直径略小的连续激光光束。当连续激光光束尺寸略小时，成形小孔存在一定程度的加工余量，技术人员可根据实际需求确定加工余量大小并进行激光钻孔成形后的孔结构表面光整处理，最终使得成形小孔的形状尺寸符合加工需求。
39.4、采用已确定的双激光光束参数以及辐照位置进行孔结构成形加工
40.本步骤要求采用已确定的脉冲激光光束参数以及连续激光光束参数，对待加工材料的拟制孔区域依次进行脉冲激光表面冲击强化处理以及连续激光钻孔处理。
41.需要指出的是，技术人员可根据实际需要选择脉冲激光表面冲击强化处理对拟制孔区域的单面或双面进行处理。也可根据以下原则进行选择：当待加工薄板材料厚度不大于1.5mm时，可仅对待加工材料的单面进行激光冲击处理；当待加工薄板材料厚度处于大于1.5mm且不大于3mm范围内时，可选择对待加工材料的双面均进行激光冲击处理，以使得薄板的拟制孔区域在制孔之前已形成足够高的残余压应力场强度。
42.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
43.实施例1：
44.以在厚度2mm的304型奥氏体不锈钢板上成形直径2mm的圆形小孔为例。确定脉冲激光光束参数为激光能量5j、激光波长1064nm、激光脉宽18ns，根据拟成形小孔直径确定脉冲激光光束直径为5mm；确定连续激光光束参数为激光能量密度106w/cm2、激光波长1064nm、激光脉宽1ms，由于拟成形圆形小孔孔壁的光洁度要求较高，为表面粗糙度低于100μm，确定
连续激光光束直径为1.6mm以保证拟成形小孔的加工余量。采用所述的脉冲激光光束对不锈钢薄板的拟制孔区域进行双面的激光冲击表面强化处理，在加工过程中，保证脉冲激光光束的辐照中心位于拟成形小孔的圆心位置；采用所述的连续激光光束对不锈钢薄板的拟制孔区域进行激光钻孔处理。最后对不锈钢薄板的激光成形小孔进行孔壁内的机械抛光处理，以消除加工余量和满足小孔的光洁度要求。
45.对所述实施例中成形的小孔进行电火花线切割，并露出孔壁，采用x射线衍射方法测量孔壁的表面残余应力为
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300mpa，证明本发明所述方法成形具有较高强度残余压应力分布的高强度小孔。
46.对比例1：
47.以在厚度2mm的304型奥氏体不锈钢板上成形直径2mm的圆形小孔为例。直接采用连续激光光束进行激光钻孔加工，所采用的连续激光光束参数为激光能量密度106w/cm2、激光波长1064nm、激光脉宽1ms，由于拟成形圆形小孔孔壁的光洁度要求较高，为表面粗糙度低于100μm，确定连续激光光束直径为1.6mm以保证拟成形小孔的加工余量。对不锈钢薄板的激光成形小孔孔壁进行同实施例相同的机械抛光处理后，通过电火花线切割以及x射线衍射等方法测量孔壁残余应力。所述测量结果显示所述对比例中的小孔孔壁残余应力为20mpa，证明对比例所述方法制备的小孔孔壁并不具有残余压应力场分布。
48.由此可知，采用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。
49.最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。