激光沖擊強化技術的應用與發展現狀分析

(廣東工業大學 廣東 廣州 510006)

一、激光沖擊概述

激光沖擊屬于一項高薪技術，其主要原理是由于強性的激光中產生出來的含有大量的離子體，這樣的離子體沖擊波對金屬類材質的物品有著提高耐性、抗腐蝕性、使用時長等方面的作用。激光沖擊本身有著零觸碰、熱度影響低、易調控等方面的長處。涂層所具備一個很重要的作用便是能使工件不被激光損害，大幅度的提升了了其吸收激光的能力。在當前涂層所用的涂料主要有黑色涂料與鋁箔涂料兩種材料。限制層有著能控制離子體膨脹以及能將激光沖擊波的能量提高，并且還能利用起反射的激光沖擊波來將其效果強化加倍。在現在我們所常見的限制層一般都是采用的k9玻璃。

二、激光誘導的沖擊波機理

在激光作用一目標的過程中，倘若激光的輸出能量已經在規定的閾值之外的話，在材料的表面就會以很快的速度將激光能量吸收進去之后再迅速的蒸發，由此就產生了很多等離子體。等離子體在膨脹的過程中就會產生出一定量的沖擊波。可以將其主要歸納為兩種類型，一種是非約束型，其的表現可以從圖1中看出。其誘導形式主要是說等離子在處于沒有其他外在約束下進行膨脹，這樣的膨脹是帶有自主性的。另一種便是約束型，主要表現形式可以從圖2中看出，其誘導形式主要是在工件的表層加一層無色透明的涂層，比如說流水或者k9玻璃，對等離子的擴散進行一定的控制，讓激光作用中所產生出來的沖擊波高度集中在工件上面，這樣可以大幅度的將沖擊波的作用壓力提高，通常情況下可以提高到十倍左右。

(a) (b)

(a) (b)

三、激光沖擊強化

激光沖擊強化技術是屬于一個功率和密度都較高(GW/cm2)，其中短型的脈沖(ns)所產生出來的激光束和其他外界物質之間發生反應，在兩者之前的相互作用中產出的具有強力性的沖擊波，可以對物體材料的表面的一種技術。圖3是一個激光的沖擊波強化過程的表現形式，誘導型的沖擊波形成之后會有等離子體快速的膨脹起來，但是活動范圍只在金屬材料的表層與約束層兩層之間，形成一種向試樣內部傳播的強沖擊波。這個激光沖擊壓縮波能將材料正面起到提高工作程度的效果。可以把沖擊強化看作是一種彈丸噴丸。

強力型的沖擊波很容易就會使得材料在作用之后表面一層會出現變形或者壓應力沒有恢復完全的情況。從圖4就可以看出來。相關的研究數據顯示，激光沖擊對金屬鋁合金進行強化之后，其材料在屈服強度上大概為(70～80)%。這些殘留在材料中的壓應力能滲透入物質的表面(1—2)mm，所以說，通過激光沖擊強化會使材料的耐受程度以及使用的時長比起其他技術來說效果要好很多。

圖3 激光沖擊強化示意圖

(a)σ>0強化后 (b)σ<0變形區殘余壓力對比

以往老舊的機械處理方式粗糙度比目前的新型激光沖擊強化方式的粗糙度要高很多；對于固定件的耐磨度以及耐用度直接翻倍；板材在應用了激光沖擊強化過后會出現一些密集、均衡、固定的內部結構。激光沖擊強化還可以作用于不銹鋼材質的物品，能有效的處理其電阻和破損情況。

四、激光沖擊強化模型

這個技術的模型有三種，其中包括沖擊波壓力型、殘余應力型以及輸出型。其中最多的便是沖擊波壓力模型。普遍的都認為激光的照射是比較均衡的，所以說沖擊波有一定的限制，而且其目標都是一維性的。比如說Morales等人在對壓力進行估計運算的時候用的便是一維近似壓力計算方式。在對模型的精度進行運算的時候，Zhang對于等離子所含有的能量與其膨脹后的半徑等可能會影響到計算結果的因素都作了考慮，從而研發出了一種新型的計算模型。現在運用得最多的殘余應力的計算方法是有限元法。Braisted對有限元法作了一個詳細的介紹，之后便將對稱模型的計算方法提了出來。這個模型考慮的范圍更加廣泛，為了驗證此模型的效果，研究者選用了12Cr鋼與7075-T735L鋁合金做了一個實驗。實驗所得到的結果顯示兩種材料的測試報告是相同的。Hu為代表的研究者們提出了了一個簡化的模型，就是搭接激光沖擊波中所留下來的應力場的形式作了一個模擬實驗。

五、激光沖擊強化研究與應用

激光沖擊強化屬于對材料，其中尤其是金屬性的材料進行強化的一個力學性能，在對材料進行激光的輻射下，通過釋放出的高G帕的超強壓力，對作用的材料發生表層變形，以達到將作用材料的各方面性能提高的目的。材料在使用時長已經耐磨性具有三個方面的特點：第一，應變能力變高，當激光沖擊波到達了一定的值，應變率隨之也會提高到107s-1；第二，材料表面的變形時間非常的短，速度為有幾十納秒；第三，具有無機械的優點，金屬材料的表面是不會有變形或者損壞的情況發生的，激光的沖擊時間很短，幾十納秒就能完成整個過程。

在1972年的時候，FairandB.P.為代表的研究者第一次應用激光脈沖過程中產生的沖擊波，將其作用于7075鋁合金的性能改變，這個測驗的結果顯示該材料的屈服強度大大的提升了，為30%。在這個實驗之后還依次對其他的鋁合金進行了試驗，試驗的結果一致表面激光沖擊能使金屬表層的硬度提高，從圖5就可以看出來，接著還有很多的實驗都驗證了金屬材料在激光沖擊應用后都出現了性能提高的情況。在這項研究之后，各種其他金屬材料，如鐵、銅等都做了相關的實驗。除此之外，很多研究者將研究的范圍擴大，對一些合成金屬也進行的測驗，如6061-T6合金、2024T3合金、Ti6AL4V合金等，這些實驗的結果表明，在受到過激光沖擊強化的作用過后，這些材料的耐磨性以及強度都有了很大的提高，還提出了材料的表面硬度之所以會發生變化是因為在激光沖擊強化的過程中發生了一些錯位而導致的。Senecha為代表的研究者對于在激光中產生的沖擊波在鋁片中的活動情況，研究顯示用數值模擬能將激光所吸收的能量系數做統計和運算。

圖5 2024-T351表面沖擊區硬度分布

激光沖擊強化在中國還處于研究和初步應用階段，從事這方面研究的主要有廣東工業大學、江蘇大學和南京航空航天大學。目前。廣東工業大學“激光噴丸技術與裝備中美聯合實驗室”，擁有世界上最好的激光噴丸系統(LSPT公司產品)，價值2000萬元，中國唯一，能夠滿足激光沖擊工藝研究和開發需要，滿足大型實際零件產業化驗證需要，如圖6、7、8所示，為廣東工業大學中美聯合實驗室的先進激光儀器設備。

圖6 整體設備外觀

圖7 單縱模變脈寬激光器

圖8機器人系統

六、激光沖擊強化與激光沖擊成形、激光噴丸成形的區別

激光沖擊強化和其他激光作用技術，如激光沖擊成形以及激光噴丸有著一定的區別存在，主要表現為：

(1)激光沖擊的成形主要還是由強化為前提條件才能得以發展的。激光沖擊的主要達到的目的便是將材料表層的性能提高，預防材料出現整體變形的情況。

(2)激光噴丸是在結合了前兩者的技術為前提才得以發展的。它們之間的主要不同便是所要達到的目的不同。噴丸主要是為了能讓材料具有相應的應力場分布，使材料整體能發生宏觀上的變形。

七、結論

根據目前激光沖擊成形技術的研究和應用現狀，激光沖擊強化技術在大型工程應用中的應用應包括以下幾個方面：

(1)激光沖擊強化的一些理論需要澄清，主要是主要包括以下幾個方面：只有在第一階段的強化，高能激光作用(能量)定量吸收層的約束。

(2)在激光沖擊硬化過程中，很難掌握激光沖擊波與金屬靶的相互作用，如層、激光光斑、重疊激光脈沖和熱效應。迫切需要一種能夠在線監測和控制激光沖擊硬化過程的裝置。

(3)能滿足大量的工業生產需求。