激光冲击强化技术研究与应用现状.pdf

第4期
机械设计与制造
010年4月
Machinery Design Manufacture
61
文章编号:1001-3997(2010)04-0061-03
激光冲击强化技术研究与应用现状
石朝阳刘赤荣应才苏
(江苏大学机械工程学院,镇江212013
Research and application of laser shock processing
SHI Chao-yang, LIU Chi-rong, YING Cai-su
School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
【摘'要j综迷了激光冲击强化被术的机理和機型,分了激光冲击强化的技术特点和彩响因素,论
述了激光冲击强化在生产中的应用,并且探讨激光冲击强化与激光冲击成形、激光喷丸成形之间的区别,g
展望了激光冲击强化技术的应用前景。
关键词:激光沖击强化;表面改性;应用
Abstract It summaries the mechanism and model of laser shock processing, analyses its technica
features and the influential factors, addresses is application and prospect in production, discusses the dif.
ference among laser shock processing laser shock forming and laser peening
Key words: Laser-induced processing; Surface modification; Application
の、さ●さ●の●い●心●の●にcらc●ら?cつ?ロロceロaa●わ●?●●-?にはに●いなこ●C●ン≌●D
中图分类号:TH16文献标识码:A
1引言
激光冲击强化使表层产生微小塑性拉伸变形,强化后材料弹性恢
?在上个世纪六十年代人们就发现了激光脉冲可以产生冲复产生残余压应力,如图4所示。研究表明,激光冲击强化铝合金
击波,研究表明,随这冲击波持续作用,可以在金属表层产生压
后,大小约为材料屈服强度(70-~80)%的残余压应力可以深入材
力,其值远远高于材料屈服强度リ,随后美国和法国都先后利用激料表层(1-2)mm,因此材料的耐坡强度和寿命远远高于机械喷
光沖击波效应对材料进行表面改性,以取代传统的喷丸和深滚压丸和深滚压技术。
技术,这就是激光冲击强化技术。
水流
2激光诱导的冲击波机理
当激光辐射靶材时,如果激光能量超过一定阈值,靶材表层迅
击
波
激
速吸收激光能量发生汽化产生等离子体,等离子膨胀爆炸从而诱导
出冲击波,诱导方法可以分为两类:非约東型和约束型,如图1、2所
示。非约束诱导是指让等离子体不受外界约束自由向四周膨胀。
金属靶材
等离
子体
而约束类诱导是在成形工件和工件表面增加透明约束层(如:流
涂层
水、K9玻璃),抑制爆炸产生的等离子层向外扩散,使之产生的冲
?3激光冲击强化示意图
击波全部作用于工件,提高冲击波的压力(一般可提高十倍)。
Confined ablation
apprised metal
(a)o>0强化后
(b)o<0变形区残余压力对比
图4激光冲击强化
图1非约束型诱导冲击波
图2约束型诱导冲击波
与传统的机械处理方法相比,激光冲击强化后粗糙度远远低
3激光冲击强化
于机械喷丸;铝合金紧固件的磨损疲劳强度可以提高两倍;激光
激光冲击强化技术是高功率密度(GWem2)、短脉冲(ns)的激冲击强化后,板料产生密集、均匀以及稳定的位错结构,位错密
光束与物质相互作用产牛强冲击波来改变材料表面物理及机械度增高,使材料屈服强度提高,并阻碍了位错的运动,增大了裂纹
性能的技术。如图3所示,激光冲击强化示意图,在激光诱导沖击产生的阻力,不锈钢的应力腐蚀开裂问题可以通过激光冲击强化
波(见图2)产生后,迅速膨胀的等离子体被限制在金属表画和约处理,且奥氏体钢比马氏体钢效果更明显;残余压应力使试样表
東层之间,产生一个向试样内部传播的强冲击压缩波1,该冲击层产生硬化,距离试样表层越远,使化程度越小門。激光冲击强化
压缩波对靶材正面产生强化作用。
后,材料的微观组织得到改善,耐腐蚀性能和疲劳强度提高,有效
激光冲击强化类似于弹丸喷丸,只是把弹丸换作激光脉冲。地改善了材料的综合机械性能。
为来稿日期:2009-06-04
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石朝阳等:激光冲击强化技术研究与应用现状
第4期
4激光冲击强化模型
5.2.1能量吸收层
激光冲击强化模型包括冲击波压力模型、残余应力模型以及
能量吸收层(如黑漆、铝箔)对强化效果的影响基本可以归结
应力-应变输出模型。冲击波压力模型有很多,他们都认为激光辐为,它与靶材的热物性行为之间差別,这种差别使等离子体产生
射均匀,所以冲击波在约束介质和靶材中的传播是一维的,如和膨胀、爆炸成为可能,所以在有涂层时,激光冲击波的形成实际
oas在激光冲击强化中采用一维压力近似估算公式及计算冲上取決于涂层与激光之间的作用。张等人果用改进的黑漆涂层进
击波压力。为了提高估算模型精度,Zhan考虑了等离子体内能行激光连续冲击,发现其防护效果和抗剥离能力效果明显。
和等离子体膨胀半径的影响,提出了新的冲击压力估算模型。
5.2.2约束层
对残余应力的分析大多采用有限元方法, Braisted首次引入
约束层对冲击强化效某的影响比较明显,延长了等离子体的
有限元方法计算激光冲击强化残余应力,随后提出了轴对称模型唢射时间,增加了神击压力和冲击时间。约東层主要采用K9光
用以计算激光喷丸产生的残余应力,在校理中综合考虑了压力衰学玻璃、有机玻稿、俳胶、合成树脂和水等。玻璃类约束层对冲击
减,材料弹塑性以及材料冲击屈服强度曲线,此模型与12C钢和压力提升效果最明显,但仅适用于平面加工,且易碎,难于清理
7075-17351铝合金的试验结果符合良好。Hu等人采用简化硅胶和合成树脂与靶材结合力小,且难以重复利用;水约束层的
型模拟重叠冲击强化的残余应力场分布。 Morales等人提出了有点是廉价、清洁、重复效果好,可用于加工曲面,而且流动的水
残余应力优化系统,将残余应力场与激光参数之间形成定量关约束层可以带走等离子体爆炸后的固体粉尘颗粒,这些优势是其
系,以其达到最佳强化效果。
他所有约束介质无法取代的。张等人发现分别采用黑漆和水作为
在激光冲击强化中,神击波压力是随着时间变化的幅值,应变吸收层和约束层会起到更好的冲击效果。同时采用水作为约束层
率很高,可达1065-1,所以在模型中引入以下假设:材料是理想弾存在缺点:刚性差异导致约束效果不及玻;高功率下易产生击
性体,所有的塑性变形发生在统一应变率下。在计算激光冲击强穿等离子体;高冲击频率下,水层飞溅,光路上的水珠和水雾对激
化应力时有必要引入温度场的影响,同时温度场对表层能量吸收率光形成散射。在使用水作为约束层时,采用行之有效的工艺方法,
有影响, Thorslund等人提出考虑激光辐射和温度在工件上分布的准确控制约束层厚度,保证水流均匀,以避免冲击处有水波纹等