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

關鍵詞：激光沖擊處理；等離子體；壓應力；疲勞壽命；應力腐蝕開裂

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：遼寧增材制造產業技術研究院建設

項目編號：17-500-8-05

1.緒論

隨著科學技術的發展，對機械零部件的性能要求也越來越高，其使用環境也變得越來越苛刻。許多機械結構必須在高壓、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之后，近幾年又出現了激光沖擊處理新技術。激光沖擊處理能夠使零件表層材料的亞結構得到改善以及產生有益殘余壓應力，從而提高零部件的疲勞壽命和增加抗應力腐蝕能力，延長零件使用壽命[1]。

激光沖擊處理技術是我國著名物理學家錢臨照教授早在20世紀60年代初提出的，激光沖擊強化技術的研發始于20世紀70年代初的美國貝爾實驗室。1972年，美國巴特爾學院（Battelle Memorial Institute）的Fairand B.P.等人首次用高功率脈沖激光誘導的沖擊波來改變7075鋁合金的顯微結構組織以提高其機械性能，從此揭開了用激光沖擊強化應用研究的序幕。1978年秋，該實驗室的Ford S.C等人與美國空軍實驗室聯合，進行激光沖擊改善緊固件疲勞壽命的研究，結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公司等聯合深 入開展了激光沖擊強化技術的理論、工藝和設備的研究，使激光沖擊強化技術獲得了很大發展，逐步走向了實用，并在1994年用于F110、F101、F414等發動機的生產和修理[5]。

此技術在核電、航空、航天、船舶、汽車及機械制造等工業領域都有著廣闊的應用前景，因此，美國、日本、法國等國家非常重視這一新型技術的應用開發。最近，日本將激光沖擊處理技術用于核反應堆中型芯零件和焊接構件焊縫的強化，減小應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力腐蝕能力大大提高。

我國在該項技術方面， 針對航空鋁合金材料進行一些基礎試驗研究。目前北京航空制造工程研究所、成都飛機設計研究所、中國科學技術大學等單位開展了飛機鉚接結構的強化研究。到目前為止，該項技術在我國還沒有應用到實際生產中。

2.激光沖擊處理原理

激光沖擊處理的系統示意圖如圖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。

當短脈沖（幾納秒-幾十納秒內）的高峰值功率密度（≥5-15GW/cm2）的激光透過透明物質的約束層（如：水、玻璃等）照射到金屬表面時，金屬表面吸收層（涂覆層）吸收激光能量發生爆炸性汽化蒸發，產生高壓（可達5GPa）等離子體，該等離子體受到約束層的約束爆炸時產生高壓沖擊波，作用于金屬表面并向內部傳播，在材料表層形成密集、穩定的位錯結構的同時，使材料表層產生應變硬化，殘留很大的壓應力，顯著的提高材料的抗疲勞和抗應力腐蝕等性能[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產生的等離子體沖擊波的壓力之間的關系如圖3所示[8]。由圖3可知，激光誘導產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。由于激光誘導產生等離子體的沖擊波作用時間短，應變率可達到，這比機械沖壓高出10000倍，比爆炸成形高出100倍。

（2）殘余壓應力分布

Inconel 718合金的激光沖擊處理后的殘余壓應力分布如圖4所示。橫坐標是距處理表面的深度，縱坐標是殘余壓應力的大小。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。結果表明，普通機械噴丸沖擊處理的壓應力達到深度約為0.25mm；激光沖擊處理的壓應力達到深度約為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。橫坐標是疲勞壽命，縱坐標是試驗應力。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，所以可以實現高精度的表面處理；d） 非接觸加工，容易實現遠程控制；e） 激光加工頭可以做得很小，所以，可以實現狹窄間隙的加工處理；f） 微小部和復雜形狀零部件的加工是可能的；g） 不采用彈丸等材料，對焊接區不產生污染，環保清潔，無污染；h） 處理效果再現性高[11-15]。

參考文獻

[1]Y.Kudryavtsev，J.Kleiman et al： Rehabilitation and Repair of Welded Elements and Structures by Ultrasonic Peening， IIW Doc. XIII-2076-05，Praque，Sept.，2005

[2]R.M.White，Journal of Apply Physics，Vol 34（1963），2123

[3]B.P.Fairand and A.H.Clauer Laser Tech.，86（1976）

[4]A.H.Clauer，B.P.Fairand：Proc. Of Conf. On

[5]T.J.Rockstroh： Cost Effective Laser Shock Processing Development at GE Aircaft Engines，Proc. ICALEO，Oct.31-Nov.3，2005，Miami，703-709

[6]Lloyd A. Hackel： Laser Penning to Reduce Corrosion Cracking and Fatigue Failue Failure in Navy Ships and Systems， proc. Of SAIL， june 2-4，2003， Iilliamsburg，US， paper#sec6-05

[7]Y.J.Fan， Y.N.Wang， et al：Wave-Solid Interactions in Shock Induced Deformation Processes， Proc. ICALEO， Oct.31-Nov.3，2005，Miami，479-488

[8]L.Berthe，R.Fabbroet al： Study of Plasma Induced by Laser in Water Confinement regime：proc. of ICALEO， Oct. 13-16，2003，Jacksonville，FL， CR-ROM

[9]Rockstoh： Cost Effective Laser Shock processing Development at GE Aircraft Engines，Proc. of ICALEO’2005， Aiami，FL，Oct 31-Nov3，2005，p.703-709

[10] 特願2005-371961： 「レーザピーニング処理方法及びレーザ吸収粉體層シート」

[11]依田、佐野、向井：光ファイバによる20MWレーザパルスの伝送とその応用、レーザー研究、28-5（2000），p.309-313.

[12]依田、佐野、向井ほか： レーザーの水中照射による金屬材料の殘留応力改善メカ二ズム、日本原子力學會誌、42-6（2000），p.567-573.

[13]佐野雄二：レーザピーニング技術の開発と応用、名古屋レーザー·ニュース、20號（2006），p.61-65.

[14] 佐藤、小林、佐野ほか：原子爐爐內構造の物保全技術；東芝レービュー、55-10（2005），p.78-82.

[15] 佐野、牧野ほか：レーザ使用した原子爐の水中メインデナンス技術、溶接技術、53-5（2005），p.78-82.