激光沖擊處理的應(yīng)用

徐國(guó)建，李挺，王虹，杭爭(zhēng)翔，邢飛

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽110178；2.沈陽新松機(jī)器人股份有限公司，遼寧沈陽110168)

激光沖擊處理的應(yīng)用

徐國(guó)建1，李挺1，王虹1，杭爭(zhēng)翔1，邢飛2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽110178；2.沈陽新松機(jī)器人股份有限公司，遼寧沈陽110168)

目前激光焊接技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，其中，激光沖擊處理技術(shù)是最近幾年出現(xiàn)的一種新技術(shù)。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抗應(yīng)力腐蝕開裂的能力。概述了激光沖擊處理的原理、特性、應(yīng)用狀況及發(fā)展前景。

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

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)機(jī)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(jī)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、激光非晶化及和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)。激光沖擊處理能夠改善零件表層材料的亞結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，從而提高零部件的疲勞壽命和增強(qiáng)抗應(yīng)力腐蝕能力，延長(zhǎng)零件使用壽命[1]。

激光沖擊處理技術(shù)是我國(guó)著名物理學(xué)家錢臨照教授于20世紀(jì)60年代初提出的，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代初的美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室。1972年，美國(guó)巴特爾學(xué)院(Battelle Memoria lnstitute)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(jī)械性能，從此揭開了激光沖擊強(qiáng)化應(yīng)用研究的序幕。1978年秋，該實(shí)驗(yàn)室的Ford S.C等人與美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合，進(jìn)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(qiáng)化可大幅度提高緊固件的疲勞壽命。20世紀(jì)90年代，在美國(guó)高頻疲勞研究國(guó)家計(jì)劃支持下，美國(guó)利佛莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和GE、MIC公司等聯(lián)合深入開展了激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)的理論、工藝和設(shè)備的研究，使激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)獲得了很大發(fā)展，逐步走向了實(shí)用，并在1994年用于F110、F101、F414等發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)和修理[2]。

該技術(shù)在核電、航空、航天、船舶、汽車及機(jī)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(guó)、日本、法國(guó)等國(guó)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(qiáng)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(guó)將激光沖擊處理用于儲(chǔ)能罐、核廢料罐焊縫的強(qiáng)化，使疲勞裂紋敏感性和抗應(yīng)力腐蝕能力大大提高。

我國(guó)針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)對(duì)航空鋁合金材料進(jìn)行了一些基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。目前，北京航空制造工程研究所、成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位開展了飛機(jī)鉚接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化研究。到目前為止，該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)還沒有應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中。

1 激光沖擊處理原理

激光沖擊處理的系統(tǒng)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、水箱和控制試驗(yàn)件運(yùn)動(dòng)單元等組成。

圖1 激光沖擊處理系統(tǒng)示意

當(dāng)短脈沖(幾納秒到幾十納秒內(nèi))高峰值功率密度(大于等于5～15 GW／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(shí)，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(dá)5 GPa)等離子體，該等離子體受到約束層的約束，爆炸時(shí)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(cuò)結(jié)構(gòu)的同時(shí)使材料表層產(chǎn)生應(yīng)變硬化，殘留很大的壓應(yīng)力，顯著地提高了材料的抗疲勞和抗應(yīng)力腐蝕等性能[3－4]。激光沖擊處理原理如圖2所示。

圖2 激光沖擊處理的原理

2 激光沖擊處理特性

2.1 等離子沖擊波的壓力

采用激光波長(zhǎng)分別為1 064 nm和532 nm時(shí)，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[5]。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(dá)5～6 GPa。在激光能量密度小于10 GW／cm2時(shí)，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10 GW／cm2時(shí)，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[6]。

圖3 激光功率密度與等離子體壓力之間的關(guān)系

例如，機(jī)械沖壓的壓力常在幾十MPa至幾百M(fèi)Pa之間。由于激光誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體的沖擊波作用時(shí)間短，應(yīng)變率可達(dá)到107／S，這比機(jī)械沖壓高出10 000倍，比爆炸成形高出100倍，這是常規(guī)的機(jī)械加工難以達(dá)到的。

2.2 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。在這個(gè)試驗(yàn)中，對(duì)普通機(jī)械噴丸沖擊處理與激光沖擊處理進(jìn)行了比較，由圖4可知，普通機(jī)械噴丸沖擊處理的壓應(yīng)力達(dá)到深度約為0.25mm；激光沖擊處理的壓應(yīng)力達(dá)到深度約1.0mm，約是普通機(jī)械噴丸沖擊處理的4倍。

2.3 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。在這個(gè)試驗(yàn)中，對(duì)普通軋制處理、普通機(jī)械噴丸沖擊處理及激光沖擊處理的A6061－T6鋁合金進(jìn)行了比較試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同試驗(yàn)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(jī)械噴丸沖擊處理的10倍。

除了上述特性外，激光沖擊處理還具有如下的特性：a.在水中產(chǎn)生等離子體的壓力可達(dá)GPa級(jí)以上，比空氣中高10～100左右；b.輸入熱量小，可以實(shí)現(xiàn)小變形和局部的表面加工；c.精確控制輸出脈沖激光，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的表面處理；d.非接觸加工，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；e.激光加工頭可以做得很小，以實(shí)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(duì)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。

圖4 普通機(jī)械噴丸沖擊處理與激光沖擊處理后的殘余壓應(yīng)力分布

圖5 普通軋制處理、普通機(jī)械噴丸沖擊處理和激光沖擊處理的A6061－T6鋁合金疲勞壽命分布

3 激光沖擊處理的應(yīng)用

激光沖擊處理是一項(xiàng)軍民兩用技術(shù)，在軍工、航空航天、汽車工業(yè)、石油化工、核電工業(yè)、海洋船舶、醫(yī)療工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，在某些場(chǎng)合其作用不可替代，具有巨大的潛在社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，其具體應(yīng)用如下。

(1)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的強(qiáng)化。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的激光沖擊處理照片如圖6所示，該約束層是由流動(dòng)的水流實(shí)現(xiàn)的。在美國(guó)的GM公司，軍用和民用飛機(jī)都將激光沖擊處理技術(shù)用到了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上。尤其現(xiàn)在的單晶葉片價(jià)格更為昂貴，而且屬于對(duì)中國(guó)封鎖的高技術(shù)制造工藝，目前我國(guó)自己還沒有能力制造，全靠引進(jìn)。該公司在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片大維修過程中，經(jīng)過激光處理強(qiáng)化的葉片疲勞壽命超過新葉片，而成本約為新葉片的1／10～1／4，即節(jié)約生產(chǎn)成本75%～90%，利潤(rùn)率將超過50%，這帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的激光沖擊強(qiáng)化

(2)汽車制造業(yè)。

在汽車制造業(yè)，對(duì)關(guān)鍵零部件如曲軸、連桿、氣門、活塞和缸體等進(jìn)行激光處理強(qiáng)化，以提高其疲勞壽命及耐磨性能[7]。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的激光沖擊處理示意圖及照片如圖7所示。據(jù)報(bào)道，激光沖擊處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油使用量可節(jié)省5%～10%。

圖7 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的激光沖擊處理

(3)核電工業(yè)。

日本東芝公司將激光沖擊處理用到核電爐心引導(dǎo)棒內(nèi)壁環(huán)焊縫，如圖8所示。在該處理系統(tǒng)中，采用了特殊的激光加工頭和旋轉(zhuǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫的全自動(dòng)處理。處理后的核熔爐的疲勞壽命和抗應(yīng)力腐蝕性能得到大幅度的提高[8－12]。

4 發(fā)展前景

激光沖擊處理技術(shù)是當(dāng)今高科技與傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物；是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的前沿和重要發(fā)展方向；是現(xiàn)代國(guó)防工業(yè)、航空工業(yè)、汽車制造工業(yè)和武器裝備研制中不可缺少的特種加工技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

另外，近幾年日本又報(bào)道了特殊激光沖擊處理的研究開發(fā)。該項(xiàng)技術(shù)借鑒普通激光表面沖擊處理的長(zhǎng)處，從而開發(fā)出一項(xiàng)新的激光表面加工技術(shù)。也就是將各種異物(粉末)打入零部件的表面，通過控制微細(xì)表面形狀和內(nèi)部應(yīng)力分布來達(dá)到表面改性和表面加工的目的。由此可以降低運(yùn)輸機(jī)器和工作機(jī)器等的摩擦系數(shù)，提高工作壽命和效率。例如，用特殊激光沖擊處理技術(shù)將Al2O3粉末埋入零部件表面，其照片如圖9所示，處理?xiàng)l件為：Al2O3粉末直徑6.7 μ m、激光輸出能量密度8 GW／cm2、激光脈沖寬度7 ns、沖擊次數(shù)3次。

另外，對(duì)提高汽車及船舶等發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率和轉(zhuǎn)速具有一定的發(fā)展前景。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)面的各種媒介物的打入，各種食品機(jī)器和醫(yī)療機(jī)器的抗菌劑的打入，裝飾品和家庭用品的香料和抗菌劑的打入等也具有一定的發(fā)展前景。總而言之，這項(xiàng)新技術(shù)從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)到醫(yī)療機(jī)器的各種工業(yè)，食品產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，它將為挖掘這些新的應(yīng)用技術(shù)提供一個(gè)新的加工方法。

圖8 核心爐心零部件焊接接頭的激光沖擊處理

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Applications of laser shock processing

XU Guo-jian1，LI Ting1，WANG Hong1，HANG Zheng-xiang1，XING Fei2
(1.Shenyang University of Technology，Shenyang 110178，China；2.Shenyang Siasun Robot＆Automation CO.，LTD.，Shenyang 110168，China)

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

laser shock processing(LSP)；plasma；compressive residual stress；fatigue life；stress corrosion cracking performance

圖9 特殊激光沖擊處理將Al2O3粉末埋入零部件表面的照片

book=6,ebook=321

TG405

A

1001－2303(2010)11－0006－04

2010－10－08

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20092047)

徐國(guó)建(1959—)，男，遼寧大連人，教授，博士，主要從事激光成型與控制方面的研究工作。