薄板焊接結(jié)構的激光沖擊強化方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是關于一種激光加工技術，尤其涉及一種用于大尺寸薄板熔焊焊接結(jié)構的抗疲勞表面強化的激光沖擊強化方法。
【背景技術】
[0002]以激光焊接為代表的先進連接技術是輕量化整體化先進制造的關鍵技術。飛機蒙皮尺寸大、外形復雜，幾乎不可能一次成形，采用激光焊接將分塊成形的蒙皮連接成為一體，不僅整體性能大幅度提升，而且減重效果非常顯著。
[0003]焊接接頭往往是焊接結(jié)構的疲勞薄弱環(huán)節(jié)。焊縫內(nèi)部殘余拉應力、咬邊、飛濺等是影響激光焊接接頭疲勞性能的主要因素。焊接結(jié)構承受外力載荷時，殘余拉應力與外載荷疊加導致焊縫局部實際應力增大，咬邊、飛濺等由于應力集中效應也導致局部應力增大，最終在這些局部應力較大區(qū)域產(chǎn)生疲勞裂紋源。
[0004]激光沖擊強化技術應用于薄板激光焊接結(jié)構，其疲勞壽命得到顯著提升。產(chǎn)生薄板激光焊接結(jié)構疲勞性能提高的主要原因是激光沖擊強化在焊接接頭表層引入殘余壓應力，從而延緩裂紋萌生和裂紋擴展速率。薄板激光焊接接頭激光沖擊強化采用先強化一面再強化另一面的雙面激光沖擊強化，其中每一面的激光沖擊強化的過程如下:在焊接接頭表面粘貼厚度約100 μ m的鋁箔膠帶，并在鋁箔膠帶之上噴水，形成1?2_均勻厚度的水膜，然后激光納秒脈沖激光聚焦后導引至強化位置，在鋁箔膠帶和水膜之間形成等離子爆炸沖擊波，使焊接接頭表面產(chǎn)生一個塑性凹坑。移動工件或激光束，使加工位置沿焊縫中心從一端掃描至另一端，然后偏移(移動)掃描路徑，形成多排平行于焊縫且相互搭接的多排強化區(qū)域。
[0005]現(xiàn)有的薄板焊接結(jié)構的激光沖擊強化技術雖然能夠顯著提高其疲勞壽命，但仍存在技術不足?，F(xiàn)有技術是將激光光斑沿焊縫中心從焊縫一端掃描至焊縫另一端形成一排強化區(qū)，然后偏移(移動)掃描路徑，形成多排平行于焊縫且相互搭接的多排強化區(qū)域；由此會使強化區(qū)塑性應變引起強化表面積變大，強化區(qū)向上突起，導致焊接結(jié)構變形。另外，薄板焊接結(jié)構的后強化表面產(chǎn)生的變形對先強化面的殘余應力影響較大，先強化面殘余壓應力幅值降低，尤其垂直于焊縫方向的殘余壓應力降低最嚴重。
[0006]由此，本發(fā)明人憑借多年從事相關行業(yè)的經(jīng)驗與實踐，提出一種薄板焊接結(jié)構的激光沖擊強化方法，以克服現(xiàn)有技術的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種薄板焊接結(jié)構的激光沖擊強化方法，采用分區(qū)域強化和調(diào)整光斑行進路徑的方式，減小激光沖擊強化過程中焊接結(jié)構的變形量，同時弱化因變形導致的先強化表面殘余壓應力衰減程度。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種薄板焊接結(jié)構的激光沖擊強化方法，將薄板焊接結(jié)構的焊接接頭沿焊縫長度方向從焊縫一端至焊縫另一端等分為若干強化區(qū)域，先對第一個強化區(qū)域的正反面依次強化，然后依次完成剩余強化區(qū)域的正反面強化，直至完成整條焊縫區(qū)域強化；每個強化區(qū)域上的光斑行進路徑構成相應的強化線，各強化線呈垂直于焊縫方向，掃描完成一條強化線后光斑向焊縫長度方向偏移形成下一條強化線，直至完成該強化區(qū)域的激光沖擊強化；每個強化區(qū)域上形成有多條垂直于焊縫且相互搭接的強化線。
[0009]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，該激光沖擊強化方法包括以下步驟:
[0010]步驟一:對焊接接頭表面分區(qū)；
[0011]根據(jù)焊縫長度，將薄板焊接結(jié)構沿焊縫長度方向等分為若干強化區(qū)域，且焊接接頭正、反面的強化區(qū)域一一對應；
[0012]步驟二:分區(qū)內(nèi)強化光斑行進路徑設置；
[0013]移動工件運動系統(tǒng)或者移動激光束，使激光光斑在各強化區(qū)域完成固定的行進路徑，形成相互搭接的光斑強化線，使光斑在各強化區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)100%的覆蓋率；
[0014]步驟三:第一個強化區(qū)域正面激光沖擊強化；
[0015]完成吸收層、約束層準備工作后，控制工件運動系統(tǒng)或激光束，使第一個強化區(qū)域正面處于加工區(qū)域內(nèi)，將納秒脈沖激光束聚焦后輻照在強化表面，按照上述步驟二的光斑行進路徑完成第一個強化區(qū)域正面激光沖擊強化；
[0016]步驟四:第一個強化區(qū)域反面激光沖擊強化；
[0017]控制工件運動系統(tǒng)或激光束，使第一個強化區(qū)域反面處于加工區(qū)域內(nèi)，按照上述步驟二的光斑行進路徑完成第一個強化區(qū)域反面激光沖擊強化；
[0018]步驟五:重復上述步驟三和步驟四，按順序依次完成剩余強化區(qū)域的正、反面激光沖擊強化。
[0019]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述各強化區(qū)域的寬度包括焊縫寬度和兩焊縫熔合線外側(cè)至少各3mm的距離范圍。
[0020]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，激光光斑在各強化區(qū)域內(nèi)沿垂直焊縫方向行進，完成第一條強化線，然后令行進路徑沿焊縫長度方向偏移，完成第二條強化線；依次完成各強化區(qū)域內(nèi)焊接接頭表面強化。
[0021]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，吸收層、約束層準備工作包括在該強化區(qū)域的表面粘貼鋁箔膠帶，并在鋁箔膠帶之上形成水膜。
[0022]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，所述鋁箔膠帶厚度為100微米；水膜厚度為1mm。
[0023]在本發(fā)明的一較佳實施方式中，光斑為圓形光斑，光斑直徑為4_ ;相鄰光斑之間的距離為2mm ;每個光斑的脈沖能量為20J，脈沖寬度為15ns。
[0024]由上所述，本發(fā)明薄板焊接結(jié)構的激光沖擊強化方法，針對大尺寸薄板焊接結(jié)構的焊接接頭實施分區(qū)強化，減小了結(jié)構變形，弱化了因變形導致的先強化表面殘余壓應力發(fā)減程度。
【附圖說明】
[0025]以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中:
[0026]圖1A:為本發(fā)明中薄板焊接結(jié)構的正面示意圖；
[0027]圖1B:為本發(fā)明中薄板焊接結(jié)構的反面示意圖；
[0028]圖2A?圖2C:為本發(fā)明中薄板焊接結(jié)構的第一個強化區(qū)域正面激光沖擊強化流程不意圖。
【具體實施方式】
[0029]為了對本發(fā)明的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照【附圖說明】本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0030]本發(fā)明提出一種薄板焊接結(jié)構的激光沖擊強化方法，將薄板焊接結(jié)構的焊接接頭沿焊縫長度方向從焊縫一端至焊縫另一端等分為若干強化區(qū)域，先對第一個強化區(qū)域的正反面依次強化，然后依次完成剩余強化區(qū)域的正反面強化，直至完成整條焊縫區(qū)域強化；每個強化區(qū)域上的光斑行進路徑構成相應的強化線，各強化線呈垂直于焊縫方向，掃描完成一條強化線后光斑向焊縫長度方向偏移形成下一條強化線，直至完成該強化區(qū)域的激光沖擊強化；每個強化區(qū)域上形成有多條垂直于焊縫且相互搭接的強化線；
[0031]本發(fā)明采用分區(qū)域強化和調(diào)整光斑行進路徑的方式，各分區(qū)內(nèi)采用垂直于焊縫方向的光斑掃描方式，使每個激光光斑產(chǎn)生的塑形變形的順序發(fā)生改變，從而導致垂直和平行焊縫方向的累積塑形應變發(fā)生改變，有效減小因垂直焊縫方向的試板變形而使該方向的殘余壓應力提高。由此，減小激光沖擊強化過程中焊接結(jié)構的變形量，同時弱化因變形導致的先強化表面殘余壓應力衰減程度。
[0032]如圖1A、圖1B所示，在本發(fā)明的一具體實施例中，待強化的薄板焊接結(jié)構為TC4鈦合金激光焊接試板1，試板1的尺寸為長500mm、寬200mm、厚度2mm，其中焊縫9位于試板1中間，焊縫9的長度500mm、焊縫9的寬度2?3mm (兩焊接熔合線