專(zhuān)利名稱(chēng)：一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，具體地是指一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合方法及裝置。
背景技術(shù)：
激光沖擊強(qiáng)化是一種新型的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，可以在金屬制件表面獲得高幅殘余壓應(yīng)力層，大大提高制件的疲勞壽命，與常規(guī)噴丸技術(shù)相比，其殘余壓應(yīng)力層更深，21世紀(jì)初，美國(guó)將激光沖擊技術(shù)應(yīng)用到F101、F119和F414發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的強(qiáng)化和再制造上。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的疲勞斷裂一般都發(fā)生在葉片邊緣，因此，激光沖擊處理主要對(duì)葉片的邊緣進(jìn)行，如圖1所示，灰色區(qū)域?yàn)榧す鉀_擊處理區(qū)域，一般激光沖擊處理都是對(duì)該區(qū)域采用相同參數(shù)進(jìn)行處理；激光沖擊處理后葉片的疲勞壽命得到大幅度提高，然而，其疲勞斷裂部位由邊緣區(qū)域轉(zhuǎn)移到激光沖擊處理和未經(jīng)激光沖擊處理的過(guò)渡區(qū)域；這是由于激光沖擊處理區(qū)域表層具有較高殘余壓應(yīng)力，與未沖擊處理區(qū)域鄰接的過(guò)渡區(qū)域應(yīng)力變化幅值太大，在該區(qū)域容易引起疲勞斷裂；若對(duì)整個(gè)葉片表面進(jìn)行激光沖擊處理，便能解決應(yīng)力變化幅值大的問(wèn)題，然而，這將大大降低加工效率；而且，整體處理后，由于殘余壓應(yīng)力的釋放，會(huì)引起葉片比較大的變形，影響葉片的使用性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以上技術(shù)的不足，提出了一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝及裝置。使葉片邊緣表層殘 余壓應(yīng)力和未處理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)平緩過(guò)渡，提高葉片的疲勞壽命。本發(fā)明的一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝，葉片邊緣采用高功率密度激光沖擊處理，在高功率密度區(qū)域和未處理區(qū)域鄰接的過(guò)渡區(qū)域采用功率密度逐漸降低的方法進(jìn)行處理，使該過(guò)渡區(qū)域殘余壓應(yīng)力實(shí)現(xiàn)平緩過(guò)渡。本發(fā)明的一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝裝置，由激光發(fā)生器、聚焦透鏡、去離子水、鋁箔、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、六自由度機(jī)械手和機(jī)械手控制裝置組成。所述的激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝裝置中的鋁箔粘貼在待處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面；去離子水覆蓋在鋁箔上；發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裝夾在六自由度機(jī)械手上；控制系統(tǒng)分別與六自由度和激光發(fā)生裝置相連。實(shí)施本發(fā)明的有益效果為:通過(guò)控制六自由度機(jī)械手，可以方便的調(diào)節(jié)聚焦鏡和葉片之間的距離，從而調(diào)節(jié)光斑的大小，實(shí)現(xiàn)功率密度的調(diào)節(jié)；過(guò)渡區(qū)域變功率密度處理，可以形成一個(gè)壓應(yīng)力變化緩沖區(qū)，使殘余壓應(yīng)力以較小幅度變化，避免在過(guò)渡區(qū)域發(fā)生疲勞斷裂，從而提高葉片的疲勞壽命；過(guò)渡區(qū)域采用較大光斑處理，可以大大提高處理效率。


圖1:激光沖擊處理區(qū)域示意 圖2:激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝裝置示意圖；圖3:激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝示意 圖4:采用本發(fā)明工藝與用同一高功率密度方式激光沖擊處理后表面殘余應(yīng)力0 XX的分布對(duì)比 圖2中包括，I激光器、2聚焦透鏡、3去離子水、4鋁箔、5發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、6六自由度機(jī)械手、7控制系統(tǒng)；
圖3中包括，51葉片邊緣、52高功率密度小光斑模式、53中等功率密度中等尺寸光斑模式、54低功率密度大光斑模式、55邊緣區(qū)域、56過(guò)渡區(qū)1、57過(guò)渡區(qū)II。
具體實(shí)施例方式為更好的闡述本發(fā)明的實(shí)施細(xì)節(jié)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝及裝置進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明的一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝裝置，由激光發(fā)生器1、聚焦透鏡2、去離子水3、鋁箔4、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5、六自由度機(jī)械手6和控制系統(tǒng)7組成。所述的一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝裝置中的鋁箔4粘貼在待處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5表面；去離子水3覆蓋在鋁箔4上；發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5裝夾在六自由度機(jī)械手6上；控制系統(tǒng)7分別與六自由度機(jī)械手6和激光發(fā)生器I相連。所述的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5材料為T(mén)C17鈦合金，本發(fā)明的激光沖擊處理區(qū)域?yàn)榫嚯x發(fā)動(dòng)機(jī)葉片邊緣(51)10mm的區(qū)域；本發(fā)明的激光光斑為經(jīng)過(guò)整形后的正方形光斑；邊緣區(qū)域55定義為距離葉片邊緣(51) 4mm的地方，過(guò)渡區(qū)156為距離葉片邊緣(51) 4mm至6.5mm的區(qū)域，過(guò)渡區(qū)1157為葉片邊緣51緣6.5mm至IOmm的區(qū)域。實(shí)施本發(fā)明的一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝裝置執(zhí)行以下步驟:
1)在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5上粘貼吸收層鋁箔4；
2)將粘貼有鋁箔的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5裝夾在六自由度機(jī)械手6上，用去離子水3作為約束層覆蓋在粘貼有吸收層鋁箔4的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5上；
3)首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5的邊緣區(qū)域55進(jìn)行激光沖擊處理；邊緣部分采用高功率密度小光斑模式52進(jìn)行激光沖擊處理，其功率密度為3GW/cm2，光斑邊長(zhǎng)為2.5mm ;控制系統(tǒng)7發(fā)指令給激光發(fā)生器I和六自由度機(jī)械手6，激光發(fā)生器I發(fā)出激光，經(jīng)聚焦透鏡2聚焦后透過(guò)去離子水3輻照在鋁箔4上；當(dāng)一個(gè)激光脈沖結(jié)束后，六自由度機(jī)械手6帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5到下一個(gè)工作位置，每?jī)蓚€(gè)光斑之間的搭接量為0.5_ (如圖3所示)，直至該行處理完畢，繼續(xù)進(jìn)行下一行的高功率密度小光斑模式52激光沖擊處理，兩行光斑之間的搭接量同樣為0.5mm ；
4)接著對(duì)過(guò)渡區(qū)域I采用中等功率密度中等尺寸光斑模式53進(jìn)行處理；控制系統(tǒng)7發(fā)出指令，使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5向聚焦透鏡2移動(dòng)，從而使光斑尺寸變?yōu)?.5mm，激光光斑功率密度為2GW/cm2 ;該行光斑和上一行光斑之間的搭接量為1mm，光斑和光斑之間的搭接量也為Imm,其沖擊處理方式如步驟3)；
5)最后，對(duì)過(guò)渡區(qū)域II采用低功率密度大光斑模式進(jìn)行處理；控制系統(tǒng)7發(fā)出指令，繼續(xù)使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片5向聚焦透鏡2移動(dòng)一定距離，從而使光斑尺寸變?yōu)?.5mm,激光光斑功率密度為lGW/cm2 ;該行光斑和上一行光斑之間的搭接量為1mm，光斑和光斑之間的搭接量也為1mm，其處理方式如步驟3)所述；6)重復(fù)步驟3)至5)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的其它邊緣部位采用同樣的處理方式。 采用本發(fā)明的一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合工藝裝置，通過(guò)控制六自由度機(jī)械手，可以方便的調(diào)節(jié)聚焦鏡和葉片之間的距離，從而調(diào)節(jié)光斑的大小，實(shí)現(xiàn)功率密度的調(diào)節(jié)；過(guò)渡區(qū)域變功率密度處理，可以形成一個(gè)壓應(yīng)力變化緩沖區(qū)，使殘余壓應(yīng)力以較小幅度變化；圖4為通過(guò)X射線衍射儀測(cè)得的采用本發(fā)明的組合工藝激光沖擊處理后葉片5表面殘余應(yīng)力oxx的分布和采用同一高功率密度方式激光沖擊處理后表面殘余應(yīng)力0XX的分布；采用本發(fā)明的組合工藝在避免了在過(guò)渡區(qū)域發(fā)生疲勞斷裂，提高葉片的疲勞壽命35% ;其處理效率提高了 24.3%。
權(quán)利要求
1.一種激光沖擊處理飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合方法，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片分為葉片沖擊強(qiáng)化區(qū)域和未處理區(qū)域，其特征在于:將葉片沖擊強(qiáng)化區(qū)域分為按照距離葉片邊緣的由近到遠(yuǎn)，分為邊緣區(qū)域、過(guò)渡區(qū)I和過(guò)渡區(qū)II，邊緣區(qū)域、過(guò)渡區(qū)I和過(guò)渡區(qū)II和過(guò)渡區(qū)II的采用的激光的功率密度逐步降低，光斑逐漸增大，使葉片邊緣表層殘余壓應(yīng)力和未處理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)平緩過(guò)渡，提高葉片的疲勞壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊處理飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合方法，其特征在于:由控制系統(tǒng)控制六自由度機(jī)械手，調(diào)節(jié)聚焦鏡和葉片之間的距離，從而調(diào)節(jié)光斑的大小，實(shí)現(xiàn)功率密度的調(diào)節(jié)；葉片沖擊強(qiáng)化區(qū)域采用變功率密度處理，形成一個(gè)壓應(yīng)力變化緩沖區(qū)，使殘余壓應(yīng)力以小幅度變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊處理飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合方法，其特征在于:所述的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片材料為T(mén)C17鈦合金，葉片沖擊強(qiáng)化區(qū)域?yàn)榫嚯x發(fā)動(dòng)機(jī)葉片邊緣IOmm的區(qū)域；所述激光光斑為經(jīng)過(guò)整形后的正方形光斑；邊緣區(qū)域定義為距離葉片邊緣4mm的地方，過(guò)渡區(qū)I為距離葉片邊緣4mm至6.5mm的區(qū)域，過(guò)渡區(qū)II為葉片邊緣6.5mm至IOmm的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊處理飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合方法，其特征在于包括以下步驟: 1)在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上粘貼吸收層招猜； 2)將粘貼有鋁箔的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片裝夾在六自由度機(jī)械手上，用去離子水作為約束層覆蓋在粘貼有吸收層招猜的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上； 3)首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的邊緣區(qū)域進(jìn)行激光沖擊處理；邊緣部分采用高功率密度小光斑模式進(jìn)行激光沖擊處理，其功率密度為3GW/cm2，光斑邊長(zhǎng)為2.5mm ;控制系統(tǒng)發(fā)指令給激光發(fā)生器和六自由度機(jī)械手，激光發(fā)生器發(fā)出激光，經(jīng)聚焦透鏡聚焦后透過(guò)去離子水輻照在鋁箔上；當(dāng)一個(gè)激光脈沖結(jié)束后，六自由度機(jī)械手帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片到下一個(gè)工作位置，每?jī)蓚€(gè)光斑之間的搭接量為0.5_，直至該行處理完畢，繼續(xù)進(jìn)行下一行的高功率密度小光斑模式激光沖擊處理，兩行光斑之間的搭接量同樣為0.5mm ； 4)接著對(duì)過(guò)渡區(qū)I采用中等功率密度中等尺寸光斑模式進(jìn)行處理；控制系統(tǒng)發(fā)出指令，使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片向聚焦透鏡移 動(dòng)，從而使光斑尺寸變?yōu)?.5mm，激光光斑功率密度為2GW/cm2 ;該行光斑和上一行光斑之間的搭接量為1mm，光斑和光斑之間的搭接量也為1mm，其沖擊處理方式如步驟3)； 5)最后，對(duì)過(guò)渡區(qū)II采用低功率密度大光斑模式進(jìn)行處理；控制系統(tǒng)發(fā)出指令，繼續(xù)使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片向聚焦透鏡移動(dòng)，從而使光斑尺寸變?yōu)?.5mm,激光光斑功率密度為IGW/cm2 ;該行光斑和上一行光斑之間的搭接量為1mm，光斑和光斑之間的搭接量也為1mm，其處理方式如步驟3)所述； 6)重復(fù)步驟3)至5)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的其它邊緣部位采用同樣的處理方式。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激光沖擊處理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的組合方法及裝置，其特征在于將葉片沖擊強(qiáng)化區(qū)域分為按照距離葉片邊緣的由近到遠(yuǎn)，分為邊緣區(qū)域、過(guò)渡區(qū)I和過(guò)渡區(qū)II，邊緣區(qū)域、過(guò)渡區(qū)I和過(guò)渡區(qū)II和過(guò)渡區(qū)II的采用的激光的功率密度逐步降低，光斑逐漸增大，使葉片邊緣表層殘余壓應(yīng)力和未處理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)平緩過(guò)渡，提高葉片的疲勞壽命。
文檔編號(hào)C21D9/00GK103205545SQ20131004084
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者鞏水利, 張永康, 戴峰澤, 鄒世坤, 魯金忠 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所, 東南大學(xué), 江蘇大學(xué)