激光沖擊處理的特性

劉祥宇 唱麗麗 航爭翔 徐國建 邢飛

摘 要：目前激光焊接技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用非常之廣，其中，激光沖擊處理技術(shù)在最近幾年出現(xiàn)的一種新的技術(shù)，并得到迅速發(fā)展。激光沖擊處理是利用高能量密度的激光束誘導(dǎo)產(chǎn)生的高壓等離子體沖擊工件的表面，使之產(chǎn)生壓應(yīng)力，以提高零部件的疲勞壽命和應(yīng)力腐蝕開裂的能力。本文主要概述了激光沖擊處理的原理及特性。

關(guān)鍵詞：激光沖擊處理；等離子體；壓應(yīng)力；疲勞壽命；應(yīng)力腐蝕開裂

Characteristics of laser shock peening

XU Guojian1 LI Ting1 WANG Hong1 HANG Zhengxiang1 CHANG Yunlong1 XING Fei2

1 School of Materials Science and Engineering， Shenyang University of Technology， No.111， Shenliao West Road，

Economic & Technological Development Zone， Shenyang 110178， CHINA， xuguojian1959@hotmail.com

2 SHENYANG SIASUN ROBOT & AUTOMATION CO.， LTD.， NO.16， Jinhui Street，

Hunnan New District， Shenyang 110168， CHINA， xingfei@siasun.com

Abstract： Laser welding technology is very wide in the current application in manufacturing，in recent years laser shock peening technology as a new technology rapid development.Laser shock peening make use of high energy density of laser induced voltage plasma surface of workpiece，let it has a compressive residual stress，in order to improve the components' fatigue performance and the ability of stress corrosion cracking performance.This paper summarizes the principle， characteristics， application and development prospect of laser shock peening.

Keywords： Laser shock peening； Laser induced plasma； Compressive residual stress； Fatigue performance； Stress corrosion cracking performance

項目名稱：遼寧增材制造產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院建設(shè)

項目編號：17-500-8-05

1.緒論

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機械零部件的性能要求也越來越高，其使用環(huán)境也變得越來越苛刻。許多機械結(jié)構(gòu)必須在高壓、高溫、高磨損和高腐蝕的外部條件下使用，從而導(dǎo)致零部件極易破損和失效。為了提高零部件的使用性能，繼激光熱處理、激光非晶化及激光毛化等表面處理技術(shù)之后，近幾年又出現(xiàn)了激光沖擊處理新技術(shù)。激光沖擊處理能夠使零件表層材料的亞結(jié)構(gòu)得到改善以及產(chǎn)生有益殘余壓應(yīng)力，從而提高零部件的疲勞壽命和增加抗應(yīng)力腐蝕能力，延長零件使用壽命[1]。

激光沖擊處理技術(shù)是我國著名物理學(xué)家錢臨照教授早在20世紀(jì)60年代初提出的，激光沖擊強化技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代初的美國貝爾實驗室。1972年，美國巴特爾學(xué)院（Battelle Memorial Institute）的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導(dǎo)的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結(jié)構(gòu)組織以提高其機械性能，從此揭開了用激光沖擊強化應(yīng)用研究的序幕。1978年秋，該實驗室的Ford S.C等人與美國空軍實驗室聯(lián)合，進行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究，結(jié)果表明激光沖擊強化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命[2-4]。上世紀(jì)90年代在美國高頻疲勞研究國家計劃等支持下，美國利佛莫爾國家實驗室和GE、MIC公司等聯(lián)合深 入開展了激光沖擊強化技術(shù)的理論、工藝和設(shè)備的研究，使激光沖擊強化技術(shù)獲得了很大發(fā)展，逐步走向了實用，并在1994年用于F110、F101、F414等發(fā)動機的生產(chǎn)和修理[5]。

此技術(shù)在核電、航空、航天、船舶、汽車及機械制造等工業(yè)領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，因此，美國、日本、法國等國家非常重視這一新型技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)。最近，日本將激光沖擊處理技術(shù)用于核反應(yīng)堆中型芯零件和焊接構(gòu)件焊縫的強化，減小應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性以提高零件的使用壽命。美國將激光沖擊處理用于儲能罐、核廢料罐焊縫的強化，使疲勞裂紋敏感性和抗應(yīng)力腐蝕能力大大提高。

我國在該項技術(shù)方面， 針對航空鋁合金材料進行一些基礎(chǔ)試驗研究。目前北京航空制造工程研究所、成都飛機設(shè)計研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位開展了飛機鉚接結(jié)構(gòu)的強化研究。到目前為止，該項技術(shù)在我國還沒有應(yīng)用到實際生產(chǎn)中。

2.激光沖擊處理原理

激光沖擊處理的系統(tǒng)示意圖如圖1所示。它是由特殊的脈沖激光器、反射鏡、聚焦鏡、窗口鏡、水箱及控制試驗件運動單元等組成。

當(dāng)短脈沖（幾納秒-幾十納秒內(nèi)）的高峰值功率密度（≥5-15GW/cm2）的激光透過透明物質(zhì)的約束層（如：水、玻璃等）照射到金屬表面時，金屬表面吸收層（涂覆層）吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化蒸發(fā)，產(chǎn)生高壓（可達5GPa）等離子體，該等離子體受到約束層的約束爆炸時產(chǎn)生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內(nèi)部傳播，在材料表層形成密集、穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu)的同時，使材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力，顯著的提高材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能[6-7]。這就是激光沖擊處理原理，如下圖2所示。

3.激光沖擊處理特性

（1） 等離子沖擊波的壓力

采用激光波長分別為1064nm和532nm時，激光輸出功率密度與激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體沖擊波的壓力之間的關(guān)系如圖3所示[8]。由圖3可知，激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的等離子體沖擊波的壓力最高可達5-6GPa。在激光能量密度小于10GW/cm2時，隨著激光能量密度的增加，等離子體沖擊波的壓力也增加；但是，當(dāng)激光能量密度大于10GW/cm2時，隨著激光能量密度的增加，等離子體沖擊波的壓力基本保持不變[9]。

這是常規(guī)的機械加工難以達到的。例如，機械沖壓的壓力常在幾十MPa至幾百MPa之間。由于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體的沖擊波作用時間短，應(yīng)變率可達到，這比機械沖壓高出10000倍，比爆炸成形高出100倍。

（2）殘余壓應(yīng)力分布

Inconel 718合金的激光沖擊處理后的殘余壓應(yīng)力分布如圖4所示。橫坐標(biāo)是距處理表面的深度，縱坐標(biāo)是殘余壓應(yīng)力的大小。在這個試驗中，對普通機械噴丸沖擊處理與激光沖擊處理進行了比較。結(jié)果表明，普通機械噴丸沖擊處理的壓應(yīng)力達到深度約為0.25mm；激光沖擊處理的壓應(yīng)力達到深度約為1.0mm，約是普通機械噴丸沖擊處理的4倍。

（接4頁）

（轉(zhuǎn)5頁）

（3）疲勞壽命

A6061-T6鋁合金的激光沖擊處理后的疲勞壽命分布如圖5所示。橫坐標(biāo)是疲勞壽命，縱坐標(biāo)是試驗應(yīng)力。在這個試驗中，對普通軋制處理、普通機械噴丸沖擊處理及激光沖擊處理的A6061-T6鋁合金進行了比較試驗。實驗結(jié)果表明，在同樣的試驗條件下，激光沖擊處理的A6061-T6鋁合金的疲勞壽命顯著提高，約是普通機械噴丸沖擊處理的10倍[9-10]。

除了具有上述的特性以外，還具有如下的特性：a） 在水中產(chǎn)生等離子體的壓力可達GPa級以上，比空氣中高10～100左右；b） 入熱量小，可以實現(xiàn)小變形和局部的表面加工；c） 可以精確控制輸出脈沖激光，所以可以實現(xiàn)高精度的表面處理；d） 非接觸加工，容易實現(xiàn)遠程控制；e） 激光加工頭可以做得很小，所以，可以實現(xiàn)狹窄間隙的加工處理；f） 微小部和復(fù)雜形狀零部件的加工是可能的；g） 不采用彈丸等材料，對焊接區(qū)不產(chǎn)生污染，環(huán)保清潔，無污染；h） 處理效果再現(xiàn)性高[11-15]。

參考文獻

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