激光噴丸工藝參數對水約束層動態響應的影響*

趙念友，程 晗，胡永祥

（上海交通大學機械與動力工程學院，機械系統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化工藝，具有引入殘余壓應力幅值高、工藝可控性強、靶材表面質量好等突出工藝特點，在航空航天、國防裝備制造等領域有著廣泛的應用前景[1–2]。由于主要應用對象為航空發動機葉片、航空整體構件等高附加值零件，且一般是零件制造最后一道關鍵工序，激光噴丸對其工藝穩定性和可靠性要求較高。

在激光噴丸過程中，通過高能激光誘導等離子體對靶材產生沖擊效應進而強化零件，在零件表面覆蓋約束層是提升激光噴丸有效沖擊效應的重要工藝方法。20世紀70年代，Anderholm和O'keefe等[3–4]發現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，從而發展出了激光噴丸工藝方法。1997年，李志勇等[5]研究發現當采用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，江蘇大學周建忠等[6]采用光學玻璃和有機硅凝膠作為約束層，研究了約束層厚度對激光噴丸效果的影響，發現靶材的激光噴丸效果隨著約束層厚度的增加而提高。然而，由于玻璃等介質的約束層容易因沖擊爆炸而碎裂，無法進行持續多次沖擊并且不便于清理更換，難以滿足實際工程應用。相比于玻璃等固態介質，液態介質水具有擊穿閾值高、可自動恢復、可控性強以及成本低等優點，流動水膜已經發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象。2011年，中國航空制造技術研究院曹子文等[10]研究了測量和調控水膜厚度的方法。目前，國內外對激光噴丸水約束層動態響應過程的研究較少，激光噴丸工藝物理過程復雜，激光沖擊作用下水約束層響應容易受到脈沖能量等工藝參數的影響，掌握激光沖擊作用下約束層的動態響應特性對于提高激光噴丸工藝穩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響應過程與沖擊效應以及工藝參數對兩者的影響，建立了約束層高速動態響應過程試驗觀測系統；試驗研究了不同工藝參數下，水約束層動態響應過程的變化特性，分析了沖擊作用下水約束層響應時間以及出水水壓對沖擊效應的影響。

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，由于繼續吸收激光能量，等離子體溫度將繼續升高，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，產生瞬時高幅值沖擊壓力，壓力幅值可達到數個GPa，持續時間約100ns。高幅值等離子體沖擊壓力作用下，靶材表層短時間內發生局部高應變率塑性形變，產生有益的殘余壓應力，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，難以保持其穩定的流動特性，在激光沖擊作用區域會發生飛濺效應。這一方面需要通過連續水流在激光沖擊作用區域恢復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定性和可靠性產生影響。

試驗方法

激光誘導等離子體沖擊波壓力幅值高、持續時間短，導致水約束層的動態響應十分劇烈，水膜從飛濺到恢復的過程響應時間很短（ms量級）。因此，研究水約束層的動態響應過程需要建立一套高幀率的動態觀測系統。試驗采用的觀測系統如圖2所示。試驗系統主要包括激光器、機器人、觀測模塊等。激光光源采用調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，能量穩定度≤1%，重復頻率1～5Hz分級可調，并且配有激光出光信號輸出接口。平板試樣裝夾在機器人末端，通過直線移動實現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行控制，經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、濾光片、鹵素燈等。高速相機采用Phantom V1210型號高速相機，光敏傳感器是SR–CMOS，像素1280×800，最大拍攝速度為12700幀/s。考慮到激光噴丸試驗中激光功率密度大，強光對高速相機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激光以達到保護相機的目的。另外，由于試驗環境光照強度不足，需要采用輔助光源進行照明。鹵素燈頻閃很小，光線穩定性較好, 選用鹵素燈作為高速相機的輔助光源。考慮到激光沖擊過程瞬態特性，人的反應速度難以準確控制高速相機及時拍攝激光沖擊水約束層響應全過程，因此需要建立激光器出光與高速相機拍攝之間的同步控制機制。試驗采用通過激光器輸出的TTL出光信號觸發高速相機拍攝的方法，完成采集單次激光沖擊水約束層動態響應過程圖像。

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作為試驗能量變量。考慮到施加水約束層的穩定性，選取水壓0.01MPa、0.02MPa、0.03MPa、0.04MPa、0.05MPa作為試驗水壓變量。采用的試驗參數總結如表1所示。每組試驗重復4次，獲取試驗結果平均值分析水約束層響應時間和沖擊效應。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直接相關，采用KS–1100三維形貌儀對微坑進行掃描，掃描分辨率為20μm，絕對精度4μm，掃描結束后測量微坑的直徑和深度[12]。

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

結果與討論

1 約束層動態響應過程

圖3所示為在出水水壓0.05MPa條件下高速相機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域。水流在流入邊緣躍起區域后，繼續向下流動，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、射流撞壁區、以及邊緣躍起區。水膜邊緣躍起與板面之間的分界線可視為水膜的外邊界，而薄膜區與射流撞壁區之間分界線可以視為水膜的內邊界。整個薄膜區近似一個橢圓，薄膜區水膜厚度均勻穩定。激光噴丸過程中，一般選擇薄膜區作為激光噴丸激光沖擊作用區域。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。調節出水水壓從0.05MPa變動到0.01MPa，如圖4所示，薄膜區橢圓離心率在變大，而覆蓋面積先變大后變小，在水壓0.04MPa時達到最大。這是由于當水壓較大時，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，導致射流撞壁區變大，薄膜區面積反而減小。當水壓較小時比如0.01MPa，射流速度較小，在平板上鋪展開的整體水膜面積都較小；當出水水壓0.04MPa形成的水膜薄膜區面積達到最大值。

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高速相機拍攝的水約束層動態響應過程典型照片，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左右的圓強光。在等離子體膨脹作用下約束層膨脹飛濺并產生大量水霧，整個水霧覆蓋區域近似一個圓錐體。在激光沖擊作用后0.5ms時刻，等離子體沖擊波均勻將水約束層排開，在激光沖擊作用位置形成一個無水膜的圓區域，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。由于此刻相當于無水約束層工藝條件，如果繼續激光沖擊會極大削弱沖擊效應。隨著水膜飛濺效應的快速衰減，連續水流迅速向下覆蓋無水膜區域，在7ms時刻恢復水約束層，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，因此需要等待水霧最終完全消失才能進行下個激光沖擊。水霧消散時間可借助激光指示光在穿過水霧時產生的色散物理現象持續時間來判斷，在47ms時色散現象已經完全消失，圖5（d）所示時刻可認為水霧完全消散時刻。

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

2 約束層恢復時間

圖6展示了脈沖能量和出水水壓對水約束層恢復時間的影響。如圖6（a）中所示，在試驗脈沖能量范圍內，水約束層恢復時間均分布在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，只持續很短的時間，當等離子體沖擊波壓強衰減到水流向下的壓強，水流會向下迅速恢復約束層，因此水約束層恢復時間總體較短。并且，隨著脈沖能量增加，使得等離子體沖擊波壓強變大，衰減時間更長，沖擊產生的無水圓形區域面積更大，因此水約束層恢復時間也有所延長。如圖6（b）所示，在試驗出水水壓范圍內，水約束層恢復時間均分布在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提前衰減到水流向下的壓強，繼而迅速恢復約束層，因此隨著出水水壓的增加，水約束層恢復需要的時間逐漸縮短。綜合以上分析，水約束層恢復時間均在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，激光誘導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，沖擊波膨脹壓縮空氣的作用力變大，使得水霧朝著遠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，隨著出水水壓的增加，水膜厚度變大，激光沖擊作用后產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響應過程中，可以發現水霧消散時間30～50ms遠大于水約束層恢復時間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。考慮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

微坑的幾何形貌與激光沖擊效應直接相關。出水水壓0.03MPa，脈沖能量13J下的微坑幾何形貌如圖8所示。可見，微坑幾何形貌近似呈碗狀，這是由于激光光斑中心區域能量呈現平頂分布，邊緣能量較低，使得微坑底部幾近平直，側壁傾斜。另外，由于材料塑性流動導致微坑邊緣呈現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。可見，在試驗出水水壓范圍內，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)

結論

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

（2）采用高速相機拍攝方法能清楚觀察到激光沖擊作用下水約束層動態響應全過程。在高能激光誘導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域，并產生大量水霧，但在連續水射流作用下水約束層快速恢復，水霧也逐漸消散。

（3）脈沖能量和出水水壓對水約束層動態響應時間無顯著影響。水霧消散時間30～50ms遠大于水約束層恢復時間4～18ms，因而為了保證激光噴丸工藝穩定和有效沖擊效應，水約束層動態響應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即可。

為了保證激光噴丸工藝穩定和有效沖擊效應，通過合理調整工藝條件，允許激光器最大出光頻率可達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響應和沖擊效應進行研究驗證。