一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法与流程

本发明涉及激光喷丸矫形领域，特指一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法，它能够对不同的变形区域进行分析，制定不同的激光喷丸矫形测量，从而精确的将零件恢复为原始形状。

技术背景

随着航空技术的发展，高速轻量成为当今世界先进飞行器研制的方向。在飞机中含有大量的具有复杂表面的薄壁件如机匣、叶片等，大型薄壁钛合金铸件，其轮廓尺寸、结构形式对采用熔模精密铸造的方式铸造成型，存在很大的工艺难度，虽然在整个工艺流程中从蜡模工序就开始控制铸件变形，但在后期浇注后的铸件变形量仍然达到2.5～3.5mm甚至3.5mm以上，报废率极高，另外在使用过程中由于承受交变载荷，也会有大量的零件产生变形，对于这些零件直接进行再制造更换零件成本太高，对其进行矫形修复是节约成本的必要措施。

现有的矫形技术方法是用压机采用点压的方法矫形，即在尺寸变大的方向上压。但利用压机对具有复杂表面的大型薄壁件，矫形时存在种种问题：1.难以避开未变形的复杂表面，引入二次变形；2矫形压力难以精确调控，容易产生过变形和回弹；3处理后的表面往往具有拉应力，容易成为新的裂纹萌生点。

技术实现要素：

基于大型薄壁件矫形工艺的现状，本发明提出一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法,能够精确控制薄壁件的变形，将因变形而报废的零件矫正为合格形态，并在矫形区域施加残余压应力，提高零件的使用寿命。

本发明的原理为：材料发生弯曲变形后，采用大功率激光冲击试样表面时，会在材料表面施加微小的塑性变形和残余压应力层，在残余压应力的作用下材料将沿着激光入射相反的方向突起，形成弯曲变形从而将材料矫直。如图2所示。

一种具有复杂表面的大型薄壁件激光喷丸矫形方法，其特征在于：如图3所示具有复杂表面的薄壁件，首先通过三维视觉扫描逆向工程分析其变形特征，一般可分为三部分：简单弯曲变形、多曲率复杂变形以及具有未变形的复杂结构的变形区域。

对于简单弯曲变形，通过测量变形尺寸后，选定喷丸矫形区域，涂覆上吸收层和约束层(如图2所示)，采用合理的激光参数对变形区域进行冲击处理即可。

对于多曲率复杂变形，如图3所示，首先分析变形曲率，对于变形复杂紧密的区域，矫形区域之间存在变形的相互叠加耦合，因此需要规划好激光喷丸顺序与参数。以图3变形曲线为例，首先对上端变形进行处理，激光入射方向如图3所示，作用于材料下凹一面，使材料反向弯曲变形，使角度偏离基准θ。接着对下端变形进行激光喷丸矫形处理，激光入射方向和扫描路劲如图3所示，当扫描至变形过渡区域，激光喷丸矫形开始产生叠加效应，此时计算好每次变形的累计效应，精确计算激光能量，从进入过渡区至离开过渡区，激光能量逐渐减小，逐步补偿第一次矫形产生的偏离量θ。使材料变形恢复至原始外形

对于具有未变形的复杂结构的变形区域,由于复杂结构附近需要进行矫形，激光光斑难免要覆盖到未变形结构，此时引入一种保护吸收层，覆盖在需保护的表面，避免其受激光冲击波的影响。

一种保护吸收层，其特征在于：所述保护吸收层为多孔组织，其中包含许多四面体状金属颗粒(如图5所示)，多孔结构能有卸载冲激光诱导冲击波，使其难以到达受保护的表面，金属颗粒能反射一部分激光能量，使激光能量在保护吸收层能快速的被吸收，在不同方向产生冲击波相互抵消，极大的削弱向受保护表面传播的冲击波。

本发明的优点在于：

1.替代传统工艺，能够解决具有多曲率复杂变形的表面矫形工作。

2.保护吸收层保护了无需变形的表面，使复杂表面的激光矫形得以实现。

3.在进行矫形的同时，在矫形区域引入了残余压应力提高了材料的强度及使用寿命。

4.无需专用模具，通过精确调控激光参数实现矫形，方便快捷成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1具有复杂表面的大型薄壁件结构示意意图；

图2是激光喷丸矫形原理图；

图3多曲率复杂变形激光矫形示意图；

图4具有未变形的复杂结构的变形区域示意图；

图5是保护吸收层组织结构示意图；

图6喷丸光斑搭接示意图。

具体实施方式

以下实施例用来说明本发明，但不是限制本发明。下面结合附图详细说明本发明提出的方法及装置的细节和工作情况。

如图3所示具有复杂表面的薄壁件1，首先通过三维视觉扫描逆向工程分析其变形特征，一般可分为三部分：简单弯曲变形103、多曲率复杂变形101以及变形区域具有未变形的复杂结构102。

具体实施例1：对于简单弯曲变形103，通过测量变形尺寸后，选定喷丸矫形区域，涂覆上吸收层7和约束层6(如图2所示)，激光5以光斑直径为3mm，以能量20J，脉宽15ns，频率20Hz的参数对变形区域进行喷丸矫形,喷丸路径如图6所示。

具体实施例2：对于多曲率复杂变形区域101，如图3所示，首先分析变形曲率，矫形区域之间存在变形的相互叠加耦合，因此需要规划好激光喷丸顺序与参数。以图3变形曲线为例，首先对上端变形进行处理，激光5入射方向如图3所示，作用于材料01下凹一面，使材料01反向弯曲变形，使角度偏离基准02θ，形成部分偏移03。接着对材料01下端变形进行激光喷丸矫形处理，激光5入射方向和扫描路劲如图3所示，当扫描至变形过渡区域104，激光喷丸矫形开始产生叠加效应，此时计算好每次变形的累计效应，精确计算激光能量，从进入过渡区104至离开过渡区104，激光5能量从20J逐步递减至10J，逐步补偿第一次矫形产生的偏离量θ。使材料01变形恢复至原始外形。

具体实施例3：对于具有未变形的复杂结构的变形区域102,如图4所示，由于复杂结构附近需要进行矫形，激光光斑难免要覆盖到未变形结构，在未变形结构表面覆盖保护吸收层8，覆盖在需保护的表面，避免其受激光冲击波的影响，其余部分按照具体实施1、2对应的情况进行矫形。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。