(廣東工業(yè)大學(xué) 廣東 廣州 510006)

一、激光沖擊概述

激光沖擊屬于一項高薪技術(shù)，其主要原理是由于強(qiáng)性的激光中產(chǎn)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(zhì)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(diào)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(dāng)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(qiáng)化加倍。在現(xiàn)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(dǎo)的沖擊波機(jī)理

在激光作用一目標(biāo)的過程中，倘若激光的輸出能量已經(jīng)在規(guī)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(jìn)去之后再迅速的蒸發(fā)，由此就產(chǎn)生了很多等離子體。等離子體在膨脹的過程中就會產(chǎn)生出一定量的沖擊波?？梢詫⑵渲饕?dú)w納為兩種類型，一種是非約束型，其的表現(xiàn)可以從圖1中看出。其誘導(dǎo)形式主要是說等離子在處于沒有其他外在約束下進(jìn)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(xiàn)形式可以從圖2中看出，其誘導(dǎo)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(kuò)散進(jìn)行一定的控制，讓激光作用中所產(chǎn)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(qiáng)化

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)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(chǎn)生出來的激光束和其他外界物質(zhì)之間發(fā)生反應(yīng)，在兩者之前的相互作用中產(chǎn)出的具有強(qiáng)力性的沖擊波，可以對物體材料的表面的一種技術(shù)。圖3是一個激光的沖擊波強(qiáng)化過程的表現(xiàn)形式，誘導(dǎo)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(nèi)部傳播的強(qiáng)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?？梢园褯_擊強(qiáng)化看作是一種彈丸噴丸。

強(qiáng)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(xiàn)變形或者壓應(yīng)力沒有恢復(fù)完全的情況。從圖4就可以看出來。相關(guān)的研究數(shù)據(jù)顯示，激光沖擊對金屬鋁合金進(jìn)行強(qiáng)化之后，其材料在屈服強(qiáng)度上大概為(70～80)%。這些殘留在材料中的壓應(yīng)力能滲透入物質(zhì)的表面(1—2)mm，所以說，通過激光沖擊強(qiáng)化會使材料的耐受程度以及使用的時長比起其他技術(shù)來說效果要好很多。

圖3 激光沖擊強(qiáng)化示意圖

(a)σ>0強(qiáng)化后 (b)σ<0變形區(qū)殘余壓力對比

以往老舊的機(jī)械處理方式粗糙度比目前的新型激光沖擊強(qiáng)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(yīng)用了激光沖擊強(qiáng)化過后會出現(xiàn)一些密集、均衡、固定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。激光沖擊強(qiáng)化還可以作用于不銹鋼材質(zhì)的物品，能有效的處理其電阻和破損情況。

四、激光沖擊強(qiáng)化模型

這個技術(shù)的模型有三種，其中包括沖擊波壓力型、殘余應(yīng)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(rèn)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(biāo)都是一維性的。比如說Morales等人在對壓力進(jìn)行估計運(yùn)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(jìn)行運(yùn)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(jié)果的因素都作了考慮，從而研發(fā)出了一種新型的計算模型。現(xiàn)在運(yùn)用得最多的殘余應(yīng)力的計算方法是有限元法。Braisted對有限元法作了一個詳細(xì)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(jié)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(yīng)力場的形式作了一個模擬實驗。

五、激光沖擊強(qiáng)化研究與應(yīng)用

激光沖擊強(qiáng)化屬于對材料，其中尤其是金屬性的材料進(jìn)行強(qiáng)化的一個力學(xué)性能，在對材料進(jìn)行激光的輻射下，通過釋放出的高G帕的超強(qiáng)壓力，對作用的材料發(fā)生表層變形，以達(dá)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(jīng)耐磨性具有三個方面的特點(diǎn)：第一，應(yīng)變能力變高，當(dāng)激光沖擊波到達(dá)了一定的值，應(yīng)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(jī)械的優(yōu)點(diǎn)，金屬材料的表面是不會有變形或者損壞的情況發(fā)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，F(xiàn)airandB.P.為代表的研究者第一次應(yīng)用激光脈沖過程中產(chǎn)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(jié)果顯示該材料的屈服強(qiáng)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(jìn)行了試驗，試驗的結(jié)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(yīng)用后都出現(xiàn)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(guān)的實驗。除此之外，很多研究者將研究的范圍擴(kuò)大，對一些合成金屬也進(jìn)行的測驗，如6061-T6合金、2024T3合金、Ti6AL4V合金等，這些實驗的結(jié)果表明，在受到過激光沖擊強(qiáng)化的作用過后，這些材料的耐磨性以及強(qiáng)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(fā)生變化是因為在激光沖擊強(qiáng)化的過程中發(fā)生了一些錯位而導(dǎo)致的。Senecha為代表的研究者對于在激光中產(chǎn)生的沖擊波在鋁片中的活動情況，研究顯示用數(shù)值模擬能將激光所吸收的能量系數(shù)做統(tǒng)計和運(yùn)算。

圖5 2024-T351表面沖擊區(qū)硬度分布

激光沖擊強(qiáng)化在中國還處于研究和初步應(yīng)用階段，從事這方面研究的主要有廣東工業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)和南京航空航天大學(xué)。目前。廣東工業(yè)大學(xué)“激光噴丸技術(shù)與裝備中美聯(lián)合實驗室”，擁有世界上最好的激光噴丸系統(tǒng)(LSPT公司產(chǎn)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(fā)需要，滿足大型實際零件產(chǎn)業(yè)化驗證需要，如圖6、7、8所示，為廣東工業(yè)大學(xué)中美聯(lián)合實驗室的先進(jìn)激光儀器設(shè)備。

圖6 整體設(shè)備外觀

圖7 單縱模變脈寬激光器

圖8機(jī)器人系統(tǒng)

六、激光沖擊強(qiáng)化與激光沖擊成形、激光噴丸成形的區(qū)別

激光沖擊強(qiáng)化和其他激光作用技術(shù)，如激光沖擊成形以及激光噴丸有著一定的區(qū)別存在，主要表現(xiàn)為：

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

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

七、結(jié)論

根據(jù)目前激光沖擊成形技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)在大型工程應(yīng)用中的應(yīng)用應(yīng)包括以下幾個方面：

(1)激光沖擊強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)。迫切需要一種能夠在線監(jiān)測和控制激光沖擊硬化過程的裝置。

(3)能滿足大量的工業(yè)生產(chǎn)需求。