第25卷第1期 应　用　激　光 Vol.25,No.1

　2005年2月 APPLIEDLASER

February20053

激光冲击波技术用于材料加工的研究进展3周建忠　刘会霞　冯爱新　杨超君　王广龙　张兴权　张永康(江苏大学机械工程学院,　镇江212013)

提要　随着高功率短脉冲激光器技术的日益成熟,高能激光和材料相互作用产生高幅冲击波技术的应用研究日趋广泛。本文介绍利用激光诱导冲击波技术在金属材料表面改性和成形方面的最新研究成果,综述了激光冲击强化、激光冲击成形和激光喷丸成形技术的机理、特点、工业应用及今后的发展趋势。 关键词　激光冲击波　表面改性　板料成形

Advancesontheapplicationoflaser-inducedshockwaveinmetalprocessingZhouJianzhong　LiuHuixia　FengAixing　YangChaojun　WangGuanglong　ZhangXingquan　ZhangYongkang(SchoolofMechanicalEngineering,JiangsuUniversity,　Zhenjiang,212013)

Abstract　Withthedevelopmentofpulsedhigh-powerlasertechnology,laser-inducedshockwaveshasbeenappliedin

manyresearchfields.Thispaperintroducesthelatestresearchachievementsinthefieldsofsurfacemodificationofmetalandmetalformingwithlasershockwavestechnique,suchaslasershockprocessing,lasershockformingandlaserpeenigforming,andanalysisitsprocessingmechanism,techniquecharacteristicsandindustrialapplication. Keywords　laser-inducedshockwave,　surfacemodification,　sheetmetalforming

随着激光器件及系统的飞速发展,激光技术已广泛应用于材料加工、生物医疗、通信存储、计量检测等众多领域。尤其在材料加工领域发展迅速,其应用范围广、工艺灵活多样,加工精度高、质量好,易于控制和实现柔性及智能加工,被誉为“未来制造系统的共同加工手段”。 根据激光与物质相互作用所产生的热力效应的不同,激光技术在机械制造中的应用可分成两大类:一类是利用激光与材料相互作用所产生的热效应来对材料实施加工,以去除和改善材料性能,称之为激光的热加工;另一类是利用高能激光和材料相互作用产生的冲击波的力效应来改善材料性能,称之为激光冲击。本文主要介绍利用激光诱导的高幅冲击波技术在金属材料加工方面的应用研究所取的最新进展。激光冲击产生冲击波机理[1-6] 早在20世纪60年代,一些研究人员就发现用脉冲激光作用在材料表面可以在固体中产生一定的冲击波。为了获得高强冲击波压力,人们对“直接烧蚀”模式进行了改进,即在激光冲击前,先在材料表面涂覆一层能量吸收层(如黑漆),再在其上覆盖一层对激光透明的约束层(如水帘),形成如图1所示“约束烧蚀”模式。在激光冲击过程中,当高功率密度(GW/cm2量级)、短脉冲(ns量级)的强激光冲击金属材料表面时,能量吸收层充分吸收高能激光的能量,而在极短时间内形成一个高温高压的等离子体层,该等离子体层迅速向外喷射,由于约束层的存在,等离子体的膨胀受到约束限制,导致等离子体压力迅速升高,结果施与靶面一个冲击加载,产生向金属内部传播的强冲击波。由于这种冲击波压力高达数个GPa,远远大于材料的动态屈服强度,从而使材料产生屈服和冷塑性变形,同时在成形区域产生残余压缩应力,改善了成形件的疲劳和腐蚀性能。在此过程中,由于有能量吸收层本身的“牺牲”作用,保护了工件表面不受到激光的热损伤,而约束层的存在大大提高了激光冲击波的压力和作用时间,这也

—72—3国家自然科学基金(No.50475127),江苏省自然科学基金(No.BK2004063),教育部科学技术研究重点项目(No.

204052),江苏省汽车工程重点实验室开放基金(No.QC200406)资助。 2004年11月6日收稿就实现了把激光束的光能转变成冲击波机械能。产生激光冲击波的物理机制一般认为有两种:一是热冲击,它起源于靶体表面快速地吸收激光脉冲能量所造成的热膨胀和巨大的应力梯度;另一类是机械冲击,它起源于迅速蒸发与膨胀的高温等离子体蒸气对靶体的反冲压力。在激光冲击材料过程中,由于所采用的激光功率密度为109W/cm2量级,脉宽仅为ns量级,靶体表面产生等离子体近似乎是瞬间的,因此反冲机制起主导作用。图1　激光诱导高幅冲击波产生机理激光冲击强化[7-18] 激光冲击强化(Lasershockprocessing/Pee2ning)是利用激光诱导的高幅冲击波对材料表面实施改性的一种技术。由于激光诱导产生的冲击波峰值应力大于材料的动态屈服强度,从而使板料产生密集、均匀以及稳定的位错结构,使金属表面发生塑性变形,在金属表面层内形成残余压缩应力,从而提高金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。 激光冲击强化技术的研究源于1972年,美国Battlell’sColumbus实验室的FairandB.P.等人首次用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7075铝合金的显微结构组织和机械性能,研究表明7075铝合金材料经激光冲击后,其屈服强度提高30%[7,8]。由于激光具有良好的可控性及可重复性等诸多特点,因此脉冲激光产生的冲击波成为研究固体表面改性的新工具,从此揭开了激光冲击波处理材料的应用研究序幕。 研究表明,激光冲击强化适用材料的范围广,如碳钢、合金钢、不锈钢、可锻铸铁、球墨铸铁、铝合金、钛合金、及镍基高温合金等,都能用激光冲击技术来提高材料性能。经激光冲击强化后形成的残余应力大小也能达到材料抗拉强度的60%,但形成残余压应力层深度比机械喷丸强化形成的残余压应力层要深,图2为镍合金Inconel718材料经机械喷丸和激光冲击后残余应力分布的对比曲线,可以看出,表面激光冲击形成的压应力层深度是传统机械喷丸的3

～4倍。

图2　二种喷丸形成残余压应力深度[17] 美国学者对某型号航空发动机钛合金的叶片,

分以下几组进行高周疲劳寿命对比试验:叶片边缘完好、叶片边缘关键部位刻上1.5mm深的V型槽、刻上1.5mm深V型槽且进行高强度机械喷丸、刻1.5mm深的V型槽且进行激光冲击强化。图5所示为各组实验结果的平均值,可以看出,机械喷丸和激光冲击都能有效提高叶片的疲劳寿命,但激光冲击后的效果更加显著。

图3　高周疲劳实验结果[18] 激光冲击强化的技术优势十分明显:(1)冲击压力高,例如,脉宽25ns,脉冲能量80J、光斑直径约1mm2的激光束作用在金属表面压力可达10GPa。

高压使得金属表层形成高的塑性变形层,强化深度达到1～2mm,而传统的喷丸强化深度为0.25mm;

(2)由于激光光斑大小可调,且能精确控制和定位

,

所以能够加工一些传统工艺不能处理的部位,如小槽、小孔、焊接板细缝以及轮廓线之类;(3)无机械损伤,与传统的强化工艺如喷丸、冷挤压相比,激光冲击强化后的金属表面不产生畸变和机械损伤,这对

—82—齿轮面的强化具有特殊价值;(4)无热应力损伤,由于激光脉冲短,只有几十纳秒,激光与金属表面作用时间短,且大部分激光能量被能量吸收层吸收,传到金属表面的热量很少,所以不会引起相变。 在激光冲击强化技术的工程应用方面,美国等工业发达国家已经进入了商业化时代。1995年美国的JeffDulaney创建激光冲击处理公司(LSPTechnologies,Inc.)。主要是向业界提供优质的LSP服务和设备。美国加利福尼亚大学LawrenceLivermore国家重点实验室与MIC(MetalImprove2mentCo.Inc.)合作,研制开发了平均功率为600W、峰值功率为3GW、每秒钟能产生10个脉冲的钕玻璃激光器,已成功用于航空涡轮发动机叶片的强化处理[6]。另外,MIC还在英国建立了一套激光强化装置用于商业生产。目前激光冲击强化技术已经用于汽车工业,船舶工业、核工业和军工等领域。如美国空军研究实验室材料和制造分部的实验表明,一种典型的风扇叶片高周循环疲劳强度为690Mpa,受小的外来物损伤其疲劳强度降低到140Mpa。然而,这种叶片进行激光喷丸冲击强化后,受到大的外来物损伤后其疲劳强度仍保持为690Mpa。据称,GE公司已为B-1轰炸机F101发动机的20000多片叶片及F-16战斗机的2000多叶片进行激光冲击处理,结果叶片的失效率、检修周期和维修成本降低,效果明显。 国内这方面的研究相对起步较晚,1996年,中国科技大学吴鸿兴教授等人研制了我国第一台小型化的激光冲击强化装置,并投入了基础应用研究,某些成果已用于成飞公司的飞机机翼的制造。目前中国科技大学和江苏大学合作研制的脉冲能量60J、重复频率2Hz的钕玻璃高功率激光冲击波系统,也用于材料改性和成形等方面的研究。激光冲击成形[19-28] 激光冲击成形是在激光冲击强化基础上发展而来的,用于金属板料塑性成形的一种新技术,它是利用激光诱导的冲击波压力作为板料塑性成形的变形力,从而实现金属板料的宏观塑性变形。与激光冲击强化相比,约束的解除为板料的成形提供了空间。图4为实验装置示意图。图5为激光单次冲击后板料产生的典型鼓包形状。 由于激光器脉冲能量的限制,冲击成形中激光光斑的尺寸一般取为Φ5mm～Φ10mm,当板料成形区域或成形深度较大时,就必须采用多点、多次冲击(就好比钳工用小榔头锤击板金件),这时要根据板料成形件的精度分别采用粗冲成形和精冲成形。由于激光的脉冲能量、光斑尺寸及脉冲间隔宽度等参数精确可控,通过数控系统控制激光冲击头和板料的相对运动轨迹,可实现单次冲击板料局部成形,也可实现对板料的逐点/逐次冲击,使其逐步变形,实现逐点冲击大面积成形,因而能成形出复杂的工件形状。

图4　板料激光冲击成形示意图图5　单次激光冲击下板料变形 激光冲击成形的技术优势是:(1)变形压力高,

达到GPa量级,可实现塑性较差的材料成形;(2)超快,几十纳秒内完成塑性变形;(3)高应变率,达10

6

～10

7S-1

;(4)由于吸收层和约束层的热障保护,使

得整个过程仅是力作用下的冷冲压变形;(5)可实现无模具成形,成形件表面质量好。 激光冲击成形技术在国外的研究始于2002年,