[发明专利]一种激光冲击和微弧氧化结合的小孔强化方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工和电化学表面处理领域，提供一种激光冲击和微弧氧化相结合对小孔进行强化的方法。在小孔加工前，对需要开孔的金属板件进行激光冲击强化；开孔后，对孔内壁表面进行微弧氧化。

背景技术

在航空制造业中，飞机上的小孔是常见的局部应力集中部位, 在交变载荷作用下极易产生疲劳裂纹, 从而导致整机的安全性、可靠性和使用寿命大大降低。为了提高小孔的疲劳寿命, 通常需对其进行强化处理。但是由于受孔径尺寸的限制, 冷挤压和喷丸强化等技术根本无法实施。因此, 探索小孔强化新技术是一项重要课题。

微弧氧化技术是一种新兴的材料表面处理技术，应用该技术可以在铝、镁、钛等金属或其合金表面原位生长一层陶瓷薄膜。通过对工艺过程进行控制，可以使生成的陶瓷薄膜具有优异的耐磨、耐热和抗腐蚀性能，较高的硬度和绝缘性能，改变材料的表面状态（如应力分布），提高材料的抗疲劳寿命，弥补激光冲击强化的不足。

专利申请号为201110448751.6的发明专利，发明提出了先采用大光斑大能量的激光对金属板件待开孔表面进行强化，再用小光斑小能量的激光对金属板件待开孔位置四周的表面进行二次强化，最后进行孔加工。该方法能使金属板件孔壁较深处取得残余压应力，但残余应力分布和应力性质随工艺因素的影响较大，仍可能会产生有害的残余拉应力的存在，影响材料的抗疲劳寿命。

发明内容

本发明提供一种激光冲击和微弧氧化相结合对小孔进行强化的方法，克服了激光冲击强化方法对小孔构件强化的局限性, 解决了孔壁较深处残余应力分布和应力性质随工艺因素的影响较大和不稳定，甚至产生有害的残余拉应力等问题，大幅度提高材料的抗疲劳寿命。

该方法即先采用激光对需要开孔的金属板料进行激光冲击强化，然后进行孔加工，最后对开好的小孔内壁表面进行微弧氧化处理，使孔获得较高的抗疲劳、抗腐蚀性能。本发明的具体步骤是：

A）对金属板料进行预处理，在其要开孔部位贴上能量吸收层，在能量吸收层外贴上约束层，用夹具将金属板件固定在数控工作台上；

B）调节激光器的参数，并编程控制数控工作台的运动路径，对金属板件单面或双面待开孔部位进行激光冲击强化；

C）对金属板件预定位置进行开孔；

D）对开好的小孔的内壁表面进行预处理；

E）将阴极放入小孔中，调整使阴极与小孔轴线重合，阳极即为开孔的金属板；

F）通入电解液，电解液通过小孔循环流动；

G）接通电源，在电极的作用下，在小孔内壁表面形成均匀的陶瓷层；

H）微弧氧化结束后，对小孔进行后处理。

本发明的优点是：

1) 克服小孔孔径尺寸的限制，特别是φ5mm以下小孔构件的强化。

2）采用两种强化方法相结合，弥补了单一激光冲击强化方法的不足，不仅使金属板料小孔从表面到内壁较深处都获得了较好的残余压应力，而且在小孔内壁表面形成了均匀的各项性能优异的陶瓷层，这样小孔就获得了较高的抗疲劳、抗腐蚀性能。

附图说明

    图1 激光冲击强化示意图。

图2 激光冲击强化大小光斑及小孔位置分布示意图。

图3 微弧氧化示意图。

图中标记：1、金属板料，2、铝箔（吸收层），3水（约束层），4、激光束，5、大光斑，6、小光斑，7、小孔，8、电源，9、阴极，10、电解液。

具体实施方式

   下面对本发明做进一步详细说明。具体步骤如下：

1）对金属板料1的表面进行预处理，在其要开孔部位贴上铝箔2、黑漆等作为能量吸收层，在能量吸收层外贴上合成树脂、有机玻璃等作为约束层，或使用水3作为约束层，使水3匀速流过能量吸收层表面。用夹具将金属板件固定在数控工作台上；

2）调节激光器的参数至半径为5~12mm的大光斑5、10~60J的大能量，并编程控制数控工作台的运动路径，对金属板件待开孔部位进行一次或二次以上激光冲击强化；

3）强化完成后调节激光器的参数至半径为2~5mm的小光斑6、1~15J小能量，通过编程控制数控工作台的运行路径，使激光的冲击过程绕待开小孔位置一周，且小光斑呈多点搭接分布，对金属板件表面进行二次强化；

4）强化完成后对金属板件1进行后处理；

5）用钻床对金属板件预定位置进行开孔；

6）对开好的小孔7的内壁表面进行预处理，主要是先去油，然后水洗；