趙念友，程 晗，胡永祥

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

激光噴丸是一種新型的表面強(qiáng)化工藝，具有引入殘余壓應(yīng)力幅值高、工藝可控性強(qiáng)、靶材表面質(zhì)量好等突出工藝特點，在航空航天、國防裝備制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1–2]。由于主要應(yīng)用對象為航空發(fā)動機(jī)葉片、航空整體構(gòu)件等高附加值零件，且一般是零件制造最后一道關(guān)鍵工序，激光噴丸對其工藝穩(wěn)定性和可靠性要求較高。

在激光噴丸過程中，通過高能激光誘導(dǎo)等離子體對靶材產(chǎn)生沖擊效應(yīng)進(jìn)而強(qiáng)化零件，在零件表面覆蓋約束層是提升激光噴丸有效沖擊效應(yīng)的重要工藝方法。20世紀(jì)70年代，Anderholm和O'keefe等[3–4]發(fā)現(xiàn)在工件表面增加透明約束層，可以大幅度提高沖擊壓力和沖擊變形效果，從而發(fā)展出了激光噴丸工藝方法。1997年，李志勇等[5]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用K9玻璃作為約束層時，獲得的沖擊波峰壓的大小可以提高到無約束層時的8.74倍。2002年，江蘇大學(xué)周建忠等[6]采用光學(xué)玻璃和有機(jī)硅凝膠作為約束層，研究了約束層厚度對激光噴丸效果的影響，發(fā)現(xiàn)靶材的激光噴丸效果隨著約束層厚度的增加而提高。然而，由于玻璃等介質(zhì)的約束層容易因沖擊爆炸而碎裂，無法進(jìn)行持續(xù)多次沖擊并且不便于清理更換，難以滿足實際工程應(yīng)用。相比于玻璃等固態(tài)介質(zhì)，液態(tài)介質(zhì)水具有擊穿閾值高、可自動恢復(fù)、可控性強(qiáng)以及成本低等優(yōu)點，流動水膜已經(jīng)發(fā)展成為一種常用約束層[7]。1996年，Berthe等[8–9]研究了采用水約束層的激光沖擊過程中等離子體行為和擊穿現(xiàn)象。2011年，中國航空制造技術(shù)研究院曹子文等[10]研究了測量和調(diào)控水膜厚度的方法。目前，國內(nèi)外對激光噴丸水約束層動態(tài)響應(yīng)過程的研究較少，激光噴丸工藝物理過程復(fù)雜，激光沖擊作用下水約束層響應(yīng)容易受到脈沖能量等工藝參數(shù)的影響，掌握激光沖擊作用下約束層的動態(tài)響應(yīng)特性對于提高激光噴丸工藝穩(wěn)定性和改善工藝過程控制有著重要作用。

為了研究激光沖擊作用下水約束層的動態(tài)響應(yīng)過程與沖擊效應(yīng)以及工藝參數(shù)對兩者的影響，建立了約束層高速動態(tài)響應(yīng)過程試驗觀測系統(tǒng)；試驗研究了不同工藝參數(shù)下，水約束層動態(tài)響應(yīng)過程的變化特性，分析了沖擊作用下水約束層響應(yīng)時間以及出水水壓對沖擊效應(yīng)的影響。

激光噴丸工藝原理

圖1為激光噴丸原理示意圖。高能（GW/cm2量級）短脈沖（ns量級）激光束穿過透明水約束層而輻射靶材表面吸收層。吸收層吸收激光能量使得溫度急劇升高而迅速氣化，并電離形成高溫高壓等離子體，由于繼續(xù)吸收激光能量，等離子體溫度將繼續(xù)升高，并離開靶面運動向外膨脹。由于等離子體膨脹受到水約束層的限制，產(chǎn)生瞬時高幅值沖擊壓力，壓力幅值可達(dá)到數(shù)個GPa，持續(xù)時間約100ns。高幅值等離子體沖擊壓力作用下，靶材表層短時間內(nèi)發(fā)生局部高應(yīng)變率塑性形變，產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，提高工件抗疲勞性能[11]。

圖1 激光噴丸工藝原理Fig.1 Schematic of laser peening process

考慮激光沖擊過程瞬態(tài)特性，水約束層由于受到等離子體沖擊壓力快速膨脹的作用，難以保持其穩(wěn)定的流動特性，在激光沖擊作用區(qū)域會發(fā)生飛濺效應(yīng)。這一方面需要通過連續(xù)水流在激光沖擊作用區(qū)域恢復(fù)完整的水膜以保障下一次沖擊效果。另一方面，水約束層的飛濺會在激光傳輸光路中形成水霧，可能會影響下一個脈沖激光能量的傳輸。這兩方面的因素，都可能對激光噴丸工藝過程的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生影響。

試驗方法

激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波壓力幅值高、持續(xù)時間短，導(dǎo)致水約束層的動態(tài)響應(yīng)十分劇烈，水膜從飛濺到恢復(fù)的過程響應(yīng)時間很短（ms量級）。因此，研究水約束層的動態(tài)響應(yīng)過程需要建立一套高幀率的動態(tài)觀測系統(tǒng)。試驗采用的觀測系統(tǒng)如圖2所示。試驗系統(tǒng)主要包括激光器、機(jī)器人、觀測模塊等。激光光源采用調(diào)Q型Nd：YAG固體激光器，激光波長1064nm，脈沖能量輸出范圍是1～13J，激光脈寬14.3ns，能量穩(wěn)定度≤1%，重復(fù)頻率1～5Hz分級可調(diào)，并且配有激光出光信號輸出接口。平板試樣裝夾在機(jī)器人末端，通過直線移動實現(xiàn)多次在不同位置的激光沖擊。激光沖擊過程中，施加水約束層的水流出水水壓由水閥閥門開口大小進(jìn)行控制，經(jīng)由圓孔出水管流出形成圓柱射流撞擊到平板上，在脈沖激光作用位置形成約束層水膜。

圖2 水約束層觀測試驗裝置Fig.2 Experimental device for water confining layer observation

觀測模塊包括高速相機(jī)、濾光片、鹵素?zé)舻取８咚傧鄼C(jī)采用Phantom V1210型號高速相機(jī)，光敏傳感器是SR–CMOS，像素1280×800，最大拍攝速度為12700幀/s?？紤]到激光噴丸試驗中激光功率密度大，強(qiáng)光對高速相機(jī)中感光元件造成損傷，故在鏡頭上配置通光波段400～950nm的濾光片來過濾1064nm激光以達(dá)到保護(hù)相機(jī)的目的。另外，由于試驗環(huán)境光照強(qiáng)度不足，需要采用輔助光源進(jìn)行照明。鹵素?zé)纛l閃很小，光線穩(wěn)定性較好, 選用鹵素?zé)糇鳛楦咚傧鄼C(jī)的輔助光源?？紤]到激光沖擊過程瞬態(tài)特性，人的反應(yīng)速度難以準(zhǔn)確控制高速相機(jī)及時拍攝激光沖擊水約束層響應(yīng)全過程，因此需要建立激光器出光與高速相機(jī)拍攝之間的同步控制機(jī)制。試驗采用通過激光器輸出的TTL出光信號觸發(fā)高速相機(jī)拍攝的方法，完成采集單次激光沖擊水約束層動態(tài)響應(yīng)過程圖像。

試驗工件材料選用2024–T3鋁合金平板，厚度3mm，加工尺寸為100 mm×100mm。在激光噴丸過程中，脈沖能量選擇7J、9J、11J、12J、13J作為試驗?zāi)芰孔兞??？紤]到施加水約束層的穩(wěn)定性，選取水壓0.01MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.04MPa、0.05MPa作為試驗水壓變量。采用的試驗參數(shù)總結(jié)如表1所示。每組試驗重復(fù)4次，獲取試驗結(jié)果平均值分析水約束層響應(yīng)時間和沖擊效應(yīng)。激光噴丸后會在平板上形成相互獨立的沖擊微坑陣列。微坑的幾何形貌與沖擊效應(yīng)直接相關(guān)，采用KS–1100三維形貌儀對微坑進(jìn)行掃描，掃描分辨率為20μm，絕對精度4μm，掃描結(jié)束后測量微坑的直徑和深度[12]。

表1 激光噴丸試驗參數(shù)Table 1 Parameters of laser peening

結(jié)果與討論

1 約束層動態(tài)響應(yīng)過程

圖3所示為在出水水壓0.05MPa條件下高速相機(jī)拍攝的傾斜射流撞壁形成的水膜特征。激光噴丸過程中，圓孔噴嘴出水口形成的圓柱射流以一定傾斜角度撞擊平板面后，形成以撞擊點為中心向四周鋪開的撞擊射流。在水表面張力和黏性的作用下，在水膜邊緣形成躍起區(qū)域。水流在流入邊緣躍起區(qū)域后，繼續(xù)向下流動，然后逐漸匯集[13–14]。如圖3所示，射流撞壁形成的水膜按照其特征可分為薄膜區(qū)、射流撞壁區(qū)、以及邊緣躍起區(qū)。水膜邊緣躍起與板面之間的分界線可視為水膜的外邊界，而薄膜區(qū)與射流撞壁區(qū)之間分界線可以視為水膜的內(nèi)邊界。整個薄膜區(qū)近似一個橢圓，薄膜區(qū)水膜厚度均勻穩(wěn)定。激光噴丸過程中，一般選擇薄膜區(qū)作為激光噴丸激光沖擊作用區(qū)域。水壓大小會影響水膜特征，水壓越大，射流速度越大，水膜整體鋪展面積也越大。調(diào)節(jié)出水水壓從0.05MPa變動到0.01MPa，如圖4所示，薄膜區(qū)橢圓離心率在變大，而覆蓋面積先變大后變小，在水壓0.04MPa時達(dá)到最大。這是由于當(dāng)水壓較大時，比如0.05MPa，雖然整體水膜覆蓋面積變大，但是射流與平板之間的撞擊劇烈，導(dǎo)致射流撞壁區(qū)變大，薄膜區(qū)面積反而減小。當(dāng)水壓較小時比如0.01MPa，射流速度較小，在平板上鋪展開的整體水膜面積都較?。划?dāng)出水水壓0.04MPa形成的水膜薄膜區(qū)面積達(dá)到最大值。

圖3 水膜特征（水壓0.05MPa）Fig.3 Water film characteristic (water pressure 0.05MPa)

圖4 水壓對薄膜區(qū)的影響Fig.4 Effect of water pressure on film region

圖5所示為單個激光沖擊周期內(nèi)高速相機(jī)拍攝的水約束層動態(tài)響應(yīng)過程典型照片，工藝條件為出水水壓0.03MPa，激光能量13J。圖5（a）為激光沖擊作用后0.25ms的照片，可以看到在激光沖擊作用位置高溫高壓等離子體迅速膨脹，形成直徑10mm左右的圓強(qiáng)光。在等離子體膨脹作用下約束層膨脹飛濺并產(chǎn)生大量水霧，整個水霧覆蓋區(qū)域近似一個圓錐體。在激光沖擊作用后0.5ms時刻，等離子體沖擊波均勻?qū)⑺s束層排開，在激光沖擊作用位置形成一個無水膜的圓區(qū)域，如圖5（b）所示，此圓直徑大小主要取決于沖擊波傳播距離大小。由于此刻相當(dāng)于無水約束層工藝條件，如果繼續(xù)激光沖擊會極大削弱沖擊效應(yīng)。隨著水膜飛濺效應(yīng)的快速衰減，連續(xù)水流迅速向下覆蓋無水膜區(qū)域，在7ms時刻恢復(fù)水約束層，水膜重新覆蓋激光沖擊位置，如圖5（c）所示。同時，在沖擊波不斷膨脹壓縮空氣的作用下，使得水霧漸漸朝著遠(yuǎn)離工件的方向消散開。水霧彌散在激光傳輸光路中會吸收下個脈沖激光能量，削弱沖擊效應(yīng)，因此需要等待水霧最終完全消失才能進(jìn)行下個激光沖擊。水霧消散時間可借助激光指示光在穿過水霧時產(chǎn)生的色散物理現(xiàn)象持續(xù)時間來判斷，在47ms時色散現(xiàn)象已經(jīng)完全消失，圖5（d）所示時刻可認(rèn)為水霧完全消散時刻。

圖5 水約束層動態(tài)響應(yīng)過程（水壓0.03MPa,能量13J）Fig.5 Dynamic response process of water confining layer (water pressure 0.03MPa, energy 13J)

2 約束層恢復(fù)時間

圖6展示了脈沖能量和出水水壓對水約束層恢復(fù)時間的影響。如圖6（a）中所示，在試驗脈沖能量范圍內(nèi)，水約束層恢復(fù)時間均分布在4～7ms之間，且總體上隨著激光脈沖能量的增加，約束層恢復(fù)需要的時間逐漸增加。這是由于激光沖擊后等離子體沖擊波傳播速度和衰減速度很快，只持續(xù)很短的時間，當(dāng)?shù)入x子體沖擊波壓強(qiáng)衰減到水流向下的壓強(qiáng)，水流會向下迅速恢復(fù)約束層，因此水約束層恢復(fù)時間總體較短。并且，隨著脈沖能量增加，使得等離子體沖擊波壓強(qiáng)變大，衰減時間更長，沖擊產(chǎn)生的無水圓形區(qū)域面積更大，因此水約束層恢復(fù)時間也有所延長。如圖6（b）所示，在試驗出水水壓范圍內(nèi)，水約束層恢復(fù)時間均分布在4～18ms之間，且隨著出水水壓的增加，水流流速變大，等離子體沖擊波壓強(qiáng)提前衰減到水流向下的壓強(qiáng)，繼而迅速恢復(fù)約束層，因此隨著出水水壓的增加，水約束層恢復(fù)需要的時間逐漸縮短。綜合以上分析，水約束層恢復(fù)時間均在4～18ms范圍之間，如果不考慮水霧對激光沖擊效果的影響，允許激光器最大出光頻率為55Hz。

圖6 水約束層恢復(fù)時間Fig.6 Recovery time of water confining layer

3 水霧消散時間

圖7展示了脈沖能量和出水水壓對水霧消散時間的影響。如圖7（a）所示，在試驗脈沖能量范圍內(nèi)，激光誘導(dǎo)等離子體瞬間將沖擊作用位置的水約束層全部爆炸開，脈沖能量的提高并未明顯增加水霧量，反而由于能量的增強(qiáng)，沖擊波膨脹壓縮空氣的作用力變大，使得水霧朝著遠(yuǎn)離工件方向的消散速度變快。能量為7～13J，水霧消散時間變化范圍在30～50ms之間，平均消散時間從45.7ms縮短到39.3ms，允許激光器最大出光頻率為20Hz。從圖7（b）可見，在相同大小的沖擊波作用下，在試驗出水水壓范圍內(nèi)，隨著出水水壓的增加，水膜厚度變大，激光沖擊作用后產(chǎn)生的水霧量稍許增多，消散時間有所延長。出水水壓從0.01MPa變動到0.05MPa，水霧消散時間變化范圍同樣在30～50ms之間，平均消散時間從38.3延長到45.8ms。

圖7 水霧消散時間Fig.7 Dissipation time of water mist

綜合以上分析，在激光沖擊水約束層完整動態(tài)響應(yīng)過程中，可以發(fā)現(xiàn)水霧消散時間30～50ms遠(yuǎn)大于水約束層恢復(fù)時間4～18ms，因而允許激光器出光最大頻率主要取決于水霧消散時間?？紤]水霧消散對激光沖擊效果的影響，如果不采取及時消除水霧措施，允許激光器最大出光頻率為20Hz。

4 沖擊效應(yīng)

微坑的幾何形貌與激光沖擊效應(yīng)直接相關(guān)。出水水壓0.03MPa，脈沖能量13J下的微坑幾何形貌如圖8所示?？梢?，微坑幾何形貌近似呈碗狀，這是由于激光光斑中心區(qū)域能量呈現(xiàn)平頂分布，邊緣能量較低，使得微坑底部幾近平直，側(cè)壁傾斜。另外，由于材料塑性流動導(dǎo)致微坑邊緣呈現(xiàn)近似火山口的凸起特征。微坑直徑和深度測量方式如圖8 （c）所示，此條件下的微坑深度是19.33μm，直徑是3.76mm。

圖8 微坑幾何形貌（水壓0.03MPa,能量13J）Fig.8 Geometry of micro dimple (water pressure 0.03MPa, energy 13J)

出水水壓對微坑直徑和深度的影響如圖9所示?？梢?，在試驗出水水壓范圍內(nèi)，單脈沖能量13J的沖擊作用下，微坑直徑和深度均在3.65～3.8mm和18～22μm范圍之間，每個水壓變量試驗結(jié)果波動范圍也基本重合，平均微坑直徑和深度均在3.74mm和20μm左右。試驗結(jié)果表明出水水壓對微坑直徑和深度的影響并不顯著。

圖9 沖擊效果（能量13J）Fig.9 Shock effect (energy 13J)

結(jié)論

（1）一定壓力下的噴嘴圓柱射流在工件表面可以形成穩(wěn)定的薄膜區(qū)，薄膜區(qū)形狀近似一個橢圓，厚度均勻穩(wěn)定，能夠滿足激光沖擊水約束層需求。隨著出水水壓的增大，薄膜區(qū)覆蓋面積先變大后變小，水壓為0.04MPa時達(dá)到最大。

（2）采用高速相機(jī)拍攝方法能清楚觀察到激光沖擊作用下水約束層動態(tài)響應(yīng)全過程。在高能激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波作用下，水約束層爆炸飛濺形成無水圓形區(qū)域，并產(chǎn)生大量水霧，但在連續(xù)水射流作用下水約束層快速恢復(fù)，水霧也逐漸消散。

（3）脈沖能量和出水水壓對水約束層動態(tài)響應(yīng)時間無顯著影響。水霧消散時間30～50ms遠(yuǎn)大于水約束層恢復(fù)時間4～18ms，因而為了保證激光噴丸工藝穩(wěn)定和有效沖擊效應(yīng)，水約束層動態(tài)響應(yīng)時間主要取決于水霧消散時間，允許激光器最大出光頻率可達(dá)20Hz以上。

（4）在試驗工藝條件下，出水水壓的變化對微坑直徑和深度影響不顯著。因而，在實際激光噴丸中，出水水壓的選擇只需要保證能形成足夠面積的水薄膜區(qū)即可。

為了保證激光噴丸工藝穩(wěn)定和有效沖擊效應(yīng)，通過合理調(diào)整工藝條件，允許激光器最大出光頻率可達(dá)20Hz。但是由于試驗激光器最高頻率只有5Hz，以后試驗條件具備的情況下，可對20Hz等高激光出光頻率下水約束層動態(tài)響應(yīng)和沖擊效應(yīng)進(jìn)行研究驗證。