激光沖擊在材料成形領(lǐng)域的應用

楊豐槐, 盧國鑫,2, 楊青天, 張永康,2

（1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣州 510006；2.廣東鐳奔激光科技有限公司，廣東 佛山 528225）

隨著航空航天、能源、交通等領(lǐng)域高端裝備的發(fā)展，金屬零部件的服役性能與形狀尺寸等要求不斷提高。其中，形狀尺寸又在一定程度上影響或決定了材料性能，成為金屬零部件加工過程中需要關(guān)注的重要方面。據(jù)英國Rolls Royce公司的資料，若將飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片的加工精度由60 μm提高到12 μm，則發(fā)動機的效率可從89%提高到94%，直接體現(xiàn)了提高加工精度以控制宏/微觀變形量對機械裝備性能提升所具有的重大意義[1]。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的不斷發(fā)展，金屬板料等零部件的成形技術(shù)面臨新的、更高的要求。新材料的應用、厚板成形的需求、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期的縮短均在一定程度上暴露了傳統(tǒng)加工方法的不足。

激光沖擊技術(shù)（laser shock processing or laser shock peening，LSP）作為一種新型表面處理方法，已在不銹鋼、鋁合金、鈦合金以及高溫合金等多類金屬材料上表現(xiàn)出顯著的強化效果[2-4]。然而，與機械噴丸、車削銑削等傳統(tǒng)強化或加工方法一樣，激光沖擊也可導致零部件的變形，直接影響零部件的實際應用。例如，激光沖擊處理產(chǎn)生的殘余應力和塑性變形有可能使葉片形狀發(fā)生宏觀變化，將嚴重影響發(fā)動機的氣動性能，從而降低發(fā)動機的效率和縮短其使用壽命。然而，由于激光柔性好，參數(shù)可控可調(diào)，通過調(diào)整加工工藝可達到強化與成形的雙重目的。對激光沖擊誘導材料變形的相關(guān)機理以及規(guī)律進行深入研究以合理選擇工藝參數(shù)，有益于在保持原有尺寸條件下的性能強化，還有望實現(xiàn)金屬板料等工業(yè)零部件的高精度成形，彌補傳統(tǒng)加工方法的生產(chǎn)準備時間長、加工柔性差、模具費用高等不足。

1 激光沖擊誘導材料變形的基本原理

激光沖擊是一種利用強短脈沖激光束與物質(zhì)作用產(chǎn)生的力效應對材料進行改性，從而提高材料的抗疲勞、耐磨損和耐腐蝕等性能的技術(shù)[5-8]（圖1）。隨著智能制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，利用激光沖擊的力效應來實現(xiàn)材料成形目標的相關(guān)研究也不斷涌現(xiàn)。關(guān)于激光沖擊成形技術(shù)（laser shock forming or laser peen forming，LSF or LPF）的研究可追溯至2002年，美國Lawrence Livermore國家重點實驗室提出利用激光沖擊裝置進行金屬板三維彎曲成形的原理和精確成形的方法[9]。

通常來講，激光沖擊誘導的材料變形分為沖擊過程中引發(fā)的與沖擊方向同向的直接變形以及激光沖擊誘導殘余應力驅(qū)動的材料變形兩大類。其中，殘余應力驅(qū)動材料變形的基本原理為：激光引發(fā)的沖擊波使材料表面形成明顯的塑性凹坑，環(huán)繞凹坑的基體材料向周圍延展時誘導的拉伸應變導致驅(qū)動材料彎曲的彎矩的產(chǎn)生[10-11]。

近年來，有研究者對激光沖擊引發(fā)的不同類別材料變形方式進行了深入討論，并提出了相應的變形機制。2010年，胡永祥等[12]發(fā)展了板料應力梯度和沖擊彎曲兩種變形機制，揭示了激光沖擊變形凹凸方向轉(zhuǎn)變規(guī)律和原理。如圖2所示，在板料較厚或者激光強度較低的情況下，沖擊波不能穿透板料，此情況為應力梯度變形機制，板料向下彎曲凸面變形；而板料足夠薄或者激光強度足夠大，使得沖擊波能穿透板料并在板料傳播過程中無明顯衰減時，則為沖擊變形機制，板料向上彎曲，凹面成形。然而，2018年，任旭東等[13]通過模擬仿真和實驗研究發(fā)現(xiàn)，若采用相同的激光參數(shù)沖擊不同厚度的鋁合金板，3 mm厚板料的變形彎曲角度大于2 mm厚板料，得出厚板料變形遵循應力梯度的變形機制，而薄板料則應同時考慮應力梯度機制和沖擊彎曲變形機制的結(jié)論。基于以上，激光沖擊誘導材料變形的相關(guān)機理尚存在不清晰與不明確之處，仍缺乏大量的基礎(chǔ)理論研究。

激光沖擊誘導的材料變形一般具有兩方面的影響：對于表面強化處理來說，激光沖擊引起的加工變形對材料裝配或者服役帶來不利影響，應予以避免；而部分存在性能優(yōu)化需求的塑性加工零部件，采用激光沖擊方式可達到材料強化與成形的雙重目標，激光沖擊引發(fā)的材料變形可以被合理利用。研究激光沖擊誘導材料變形的機理和規(guī)律，對于最大程度避免激光沖擊表面強化過程中的形狀尺寸變化以及合理利用激光沖擊引發(fā)的塑性變形以實現(xiàn)材料成形目的均具有重要的意義。

2 激光沖擊變形規(guī)律及控制

2.1 脈沖激光參數(shù)對材料變形的影響

激光沖擊處理所采用脈沖激光包括脈沖能量、脈沖寬度、激光光束尺寸等參數(shù)，共同決定了激光能量密度的大小，而激光能量密度對激光沖擊誘導的材料變形產(chǎn)生直接影響。式（1）為激光能量密度與脈沖激光各參數(shù)的關(guān)系[14]：

式中：I0是激光能量密度；E是脈沖能量；τ是脈沖寬度；S是激光光束面積。

激光能量密度決定了激光誘導材料表面沖擊壓力的大小，從而直接影響材料的變形程度。2006年，任旭東等[15]研究了不同脈沖激光參數(shù)對Ti6Al4V板料激光沖擊成形過程中彎曲角的影響。結(jié)果表明：在激光沖擊導致材料彎曲變形的過程中，存在激光能量密度的閾值，激光能量密度過大易引發(fā)表面熔化，使得激光沖擊導致的彎曲變形程度降低。2015年，曹子文等[16]研究發(fā)現(xiàn)，激光能量密度和覆蓋率影響試片沖擊表層的塑性應變大小及其分布，進而影響試片的彎曲變形，同樣說明了激光能量密度對材料變形程度的較大影響。

根據(jù)式（1），為達到零部件的成形效果，可通過合理設定脈沖激光的能量、脈寬以及光束尺寸等參數(shù)，選取適用于待加工材料的最優(yōu)激光能量密度。其中，激光的脈沖寬度除了影響激光能量密度之外，由于與沖擊波對靶材的作用時間相關(guān)，也在一定程度上決定了激光沖擊引入材料內(nèi)部殘余壓應力的深度[17]，而殘余應力層深對材料沖擊處理后的宏觀變形產(chǎn)生顯著影響。因此，正確調(diào)整激光脈沖寬度對合理利用激光沖擊誘導的材料變形具有重要價值，但目前國內(nèi)大部分激光沖擊設備所采用的激光器不具備激光脈沖寬度較大范圍精準可調(diào)的能力。2017年，廣東工業(yè)大學引進目前最先進的第三代Procudo?200激光沖擊系統(tǒng)，可實現(xiàn)脈沖寬度在8～16 ns范圍的編程可控，有望為國內(nèi)激光沖擊相關(guān)技術(shù)研究的快速發(fā)展開辟道路[18]。

2.2 單/雙面沖擊對材料變形的影響

沖擊方式對材料的激光沖擊變形也具有較大影響。由于可操作性強，激光光束的光路設計簡單，單面沖擊是目前使用最多最廣泛的一種沖擊方式。對于剛度弱且結(jié)構(gòu)簡單的零部件，研究者發(fā)展了底面約束下的激光沖擊方式用以控制變形量[19]。然而，對于部分特殊結(jié)構(gòu)零部件，單面沖擊方式已無法滿足加工要求，例如，航空發(fā)動機葉片由于壁薄且型面結(jié)構(gòu)復雜，單面激光沖擊處理極易引發(fā)變形和破壞，這對激光沖擊技術(shù)的加工方式提出了更高的要求[20]。2010年，王文兵等[21]分別用多種不同的單/雙面沖擊方式對厚度為1 mm的2024鋁合金薄板進行激光沖擊處理，實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果均顯示，雙面同時對沖的沖擊方式能夠使薄板在不發(fā)生彎曲變形的條件下在其兩面均產(chǎn)生較大的殘余壓應力，是最理想的沖擊方式。2013年，F(xiàn)ang等[22]研究了不同沖擊方式下鈦合金葉片的殘余應力場分布，并分析了應力波的傳播特性，證實鈦合金葉片在雙面激光沖擊處理條件下可獲得比單面沖擊更好的力學性能。

基于以上所述，對薄壁零部件進行激光沖擊處理時，雙面沖擊方式在性能強化與變形控制等方面一般具有優(yōu)于單面沖擊方式的表現(xiàn)[23-24]，但是，雙面同時沖擊的加工方式在實際應用中也存在許多限制，例如，復雜結(jié)構(gòu)零部件難以實現(xiàn)雙面沖擊，而且雙面同時沖擊薄壁零部件還會引起材料層裂損傷等[25-26]。

針對單面激光沖擊使沖擊面呈現(xiàn)高幅值殘余壓應力的同時或可導致沖擊背面呈現(xiàn)拉應力狀態(tài)，而雙面同時沖擊又存在材料層裂損傷風險的技術(shù)問題，研究者也對雙面異步?jīng)_擊方式的應用表現(xiàn)進行了檢驗。上海交通大學胡永祥團隊[27]討論了一種雙面異步激光沖擊工藝對薄壁結(jié)構(gòu)的變形影響（圖3），結(jié)果表明該方法可在一定程度上減小激光沖擊處理后薄壁零件的變形量，并可通過調(diào)整工藝參數(shù)將變形量控制到允許范圍內(nèi)。最近，胡永祥等[28]系統(tǒng)對比了單面沖擊、雙面同步?jīng)_擊以及雙面異步?jīng)_擊三種方式?jīng)_擊后材料的殘余應力和變形量，結(jié)果如圖4、5所示，雙面沖擊后材料的變形量均小于單面沖擊處理的材料，另外，雙面異步?jīng)_擊也在一定程度上避免了零件的層裂損傷。

概括地講，在利用激光沖擊實現(xiàn)材料變形的相關(guān)研究中，上述不同沖擊方式各有優(yōu)勢與局限性，在實際應用過程中，技術(shù)人員往往需要針對不同零部件并根據(jù)不同設備條件選擇最佳的沖擊方式。單面沖擊可操作性強且最容易實現(xiàn)，是目前采用最多的沖擊方式；對于剛性弱，結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)底面支撐的零部件，一般選用底面約束下的單面沖擊方式；而對于薄壁零部件，在形狀結(jié)構(gòu)和設備條件允許的條件下，雙面沖擊則成為最佳的加工方式。

2.3 約束方式對材料變形的影響

不同邊界約束條件對激光沖擊處理后材料的殘余應力分布和塑性變形調(diào)控有不同的影響。2017年，黃志偉等[19]對底部全約束與兩端夾持的兩種邊界約束條件下的2 mm厚7075鋁合金薄板進行激光沖擊處理，并對沖擊后的零件變形情況和殘余應力分布狀態(tài)進行研究。結(jié)果顯示，經(jīng)過同樣的激光沖擊工藝處理，全約束條件下加工的零件幾乎不發(fā)生宏觀變形，并可獲得較兩端夾持約束條件更大的最大殘余壓應力。如圖6所示，相比底部全約束條件下進行激光沖擊處理的板材，經(jīng)兩端夾持約束加工后的板材呈現(xiàn)明顯的凸起變形。李民等[29]則探索了鋁合金薄板在橡膠支撐下的激光沖擊成形，發(fā)現(xiàn)加工過程中橡膠的厚度、硬度等指標對薄板的激光沖擊成形及其誘導的殘余應力分布均產(chǎn)生較大影響。

機械噴丸成形工藝中，預應力的施加有助于零部件形狀參數(shù)的精確控制。預應力噴丸技術(shù)是合理利用約束方式實現(xiàn)零部件表面處理的典型案例（圖7）。如何將機械噴丸技術(shù)中發(fā)展的有效工藝應用到激光沖擊成形技術(shù)，合理利用約束條件以設計最優(yōu)的成形方案，也成為激光沖擊成形研究的一個關(guān)鍵點。2015年，胡永祥等[30]發(fā)現(xiàn)通過施加預應力可使激光沖擊處理的零件獲得2倍以上的變形能力，并采用預應力激光沖擊成形技術(shù)實現(xiàn)了18 mm、23 mm大厚度鋁合金板的彎曲成形。

2.4 板料厚度對材料變形的影響

除了激光沖擊處理過程中的一系列工藝參數(shù)，待加工材料本身的某些參量，例如厚度，也是影響變形效果的重要因素。待加工材料的厚度影響激光沖擊變形量，對變形方向也產(chǎn)生決定性影響[32]。一般來講，在相同的激光沖擊條件下，較薄的板料呈凹面變形，而較厚的板料則呈凸面變形，即板料厚度存在臨界值，處于臨界厚度的板料在特定的激光沖擊條件下不發(fā)生宏觀變形[12]。2015年，曹子文等[16]對激光誘導沖擊波加載下不同厚度試片的變形規(guī)律進行了研究，如圖8所示，在相同沖擊條件下，隨試片厚度增加，弧高值先增大（或由負值變?yōu)檎担┖笾饾u減小，試片厚度為4～5 mm時出現(xiàn)最大弧高值；由于較大弧高值變化的試片表面具有相對較小的曲率半徑，試片變形后的曲面半徑對應了弧高值的變化趨勢。

研究者對不同厚度板料在激光沖擊成形后的力學性能也進行了對比分析，部分結(jié)論還未得到統(tǒng)一[33-34]。2011 年，Rubio-González 等[35]對比了不同厚度2205雙相不銹鋼經(jīng)過相同工藝條件處理后的疲勞性能，得出較薄零件可在激光沖擊后獲得更優(yōu)力學性能的結(jié)論。然而，2017年，Pei等[36]對不同厚度的Ti17試樣進行激光沖擊處理，認為激光沖擊波會在薄壁零件背面反射，減小材料的殘余應力和斷裂韌度，導致材料的疲勞等力學性能有所降低。

3 激光沖擊變形的數(shù)值仿真

在激光沖擊過程中，材料內(nèi)部的應力波傳播與相互作用十分復雜，且需考慮超高應變率效應，因此僅從理論角度分析應力波傳播已不能滿足研究要求，研究者進而開展了激光沖擊過程的數(shù)值仿真分析研究[37]。激光沖擊波在材料表層的傳播過程、等效塑性應變的變化、殘余應力的分布狀態(tài)以及激光沖擊誘導材料的變形情況均為數(shù)值仿真分析的主要內(nèi)容[38]。

國內(nèi)外對激光沖擊技術(shù)的仿真分析多采用有限元軟件ABAQUS和ANSYS，其中以ABAQUS居多[39]。激光沖擊的仿真過程一般分為兩步，第一步是采用顯式動態(tài)分析模擬沖擊波在材料內(nèi)部傳播及其與材料相互作用的動態(tài)過程，第二步是采用隱式靜態(tài)分析仿真沖擊波作用后，材料內(nèi)部殘余應力場形成的靜態(tài)彈性回彈過程[40-41]。具體流程如圖9所示。

2010年，胡永祥等[42]對比分析了采用不同材料模型時金屬鋁板激光沖擊變形規(guī)律的數(shù)值仿真結(jié)果，認為Johnson-Cook模型的仿真結(jié)果與厚板的實驗結(jié)果更吻合，而Elastic-Perfectly-Plastic模型的仿真結(jié)果與薄板的實驗結(jié)果更接近。2017年，Sun等[43]利用有限元軟件ABAQUS對激光沖擊作用下的Ti6Al4V合金動態(tài)響應與殘余應力分布進行分析，通過增加激光能量密度與沖擊時間，獲得了較高的表面殘余應力值和較厚的復合殘余應力層。

采用數(shù)值仿真方法對激光沖擊過程及其誘導的材料性質(zhì)變化進行分析可有效節(jié)約資源并提高效率。然而，在激光沖擊誘導材料變形的數(shù)值仿真方面仍存在一定的局限性和不足。例如，1）國內(nèi)外對激光沖擊技術(shù)的模擬仿真研究中，多采用Johnson-Cook本構(gòu)模型進行材料表征，該模型適用于104s–1左右應變率的高速沖擊過程，對于應變率超過 106s–1的激光沖擊過程具有局限性；2）激光沖擊的仿真一般通過簡化激光與約束層和吸收層作用產(chǎn)生等離子體的過程，直接施加等效應力于材料表面來實現(xiàn)[44]，而實際上約束層的流量狀況和吸收層的種類及其厚度均對沖擊波的產(chǎn)生有很大影響[45-48]，影響了仿真結(jié)果的準確性。

4 激光沖擊引發(fā)變形的應用—激光沖擊校形

金屬零部件在加工過程中的宏觀變形問題十分普遍，尤其在大量弱剛度件以及部分航空航天整體結(jié)構(gòu)件上，嚴重影響了加工精度和質(zhì)量。對發(fā)生變形的零部件進行校形處理是修正其加工精度的有效方式。傳統(tǒng)的校形方法包括機械校形法、加熱校形法、冷作校形法等，上述方法均存在局限性，應用范圍較窄。隨著校形理論的不斷發(fā)展，研究人員探索出多種新技術(shù)，如電磁校形技術(shù)、超聲噴丸校形技術(shù)、振動時效校形技術(shù)以及激光沖擊校形技術(shù)等[49]。激光沖擊校形技術(shù)利用激光誘導的沖擊波對材料變形進行校正，采用的激光參數(shù)精確可控，且加工過程無明顯熱影響，伴隨宏觀變形的修正過程，零部件的表面服役性能還可得到較高程度的提升，是目前應用前景最廣闊的校形技術(shù)之一。

研究者對激光沖擊處理技術(shù)在零部件校形領(lǐng)域的應用展開研究，普遍得出激光沖擊處理可達到優(yōu)異校形效果的結(jié)論。為解決金屬板料在裝配過程中經(jīng)常發(fā)生變形而產(chǎn)生裝配困難的問題，2011年，丁華等[50]對翹曲變形的鋁板進行激光沖擊校形，鋁板恢復平直狀態(tài)，并達到平面度要求。2014年，何衛(wèi)鋒等[51]針對鎳基高溫合金葉片榫頭的疲勞薄弱部位在激光沖擊處理過程中引發(fā)的宏觀變形，設計了不同榫齒結(jié)合面的激光沖擊工藝，成功校正榫頭變形。

5 結(jié)束語

目前，激光沖擊誘導材料變形的相關(guān)研究成為除激光沖擊表面強化以外的另一熱點。本文介紹了激光沖擊的基本原理及其誘導材料變形的機理和規(guī)律，總結(jié)了激光參數(shù)等因素對激光沖擊變形的影響規(guī)律，并以激光沖擊校形技術(shù)的開發(fā)為例闡述了激光沖擊處理引發(fā)材料變形的基礎(chǔ)理論在實際金屬零部件上的工程應用。為爭取更廣闊的發(fā)展空間，針對激光沖擊處理引發(fā)材料變形機理的研究，應著重注意或突破以下幾個方面：

（1）數(shù)值仿真方法在激光沖擊變形技術(shù)中的作用及局限性。數(shù)值仿真是解決大量理論分析和實驗研究難以實現(xiàn)問題的有效途徑，可大幅節(jié)約研究成本并助推技術(shù)發(fā)展。目前激光沖擊仿真模型的準確性還需提高，探索更適合超高應變率激光沖擊技術(shù)的材料本構(gòu)模型，并深入分析激光與約束層和吸收層作用產(chǎn)生等離子體的過程是研究人員接下來需要解決的重要問題。

（2）激光沖擊技術(shù)在零部件校形領(lǐng)域的應用。實現(xiàn)實際零部件的校形應用是激光沖擊校形技術(shù)發(fā)展的最終目標，基于規(guī)則板件的激光沖擊校形規(guī)律研究，對齒輪、軸承以及航空發(fā)動機葉片等不同類別的復雜零部件進行工藝探索，加強該技術(shù)在具體機械加工領(lǐng)域的工藝研究，是提高其技術(shù)成熟度并推進工程化應用的必由之路。

（3）激光沖擊引發(fā)材料變形量的在線監(jiān)測技術(shù)開發(fā)。在加工過程中對工件變形量進行實時監(jiān)測，并通過“加工-監(jiān)測-修正（工藝參數(shù)）-加工”的閉環(huán)控制對工藝參數(shù)進行實時調(diào)整，可有效提高零部件尺寸精度和加工效率。