激光冲击波及激光冲击处理技术的研究

中国科学技术大学
硕士学位论文
激光冲击波及激光冲击处理技术的研究
姓名：段志勇
申请学位级别：硕士
专业：激光技术应用
指导教师：吴鸿兴;王声波
2000.5.1
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点直径只有５～１０ｍｍ，但通过一系列搭接冲击便可实现较大面积区域处理。

激光应力波作用时间很短（几十纳秒），被处理材料几乎不产生畸变或机械损伤，对某些精加工后部件的曲面和齿轮、轴承等有独到的应用价值［１２１。

图１２：两柬激光对心冲击工『牛
激光冲击强化处理用于局部区域强化，可在空气中直接进行，对工件尺寸、形状及所处环境适应性强，工艺过程简单，控制方便灵活。

因此，在自动制造业中有很好匹配性，比如在生产线上，图１２演示两束激光同时冲击一工件相对区域的情形。

使用分光装置，一个激光器可以对多部位进行同时／ＪｎＺ［１５】。

ｉ敫光冲击强化处理能提高材料表面硬度、屈服强度、裂纹扩展抗力以及疲劳寿命。

与喷丸处理相比延长（金属）材料疲劳寿命效率更高，其主要原因有三：ｆａｌ激光冲击处理产生的残余压应力不低于喷丸处理，而深度是后者的２～３倍，因此材料疲劳裂纹的扩展过程缓慢，这是激光冲击处理更能提高疲劳寿命的重要因素【１６】：（ｂ）激光冲击处理后出现较大密度位错、位错缠结、大量孪晶以及可能的材料相变；（ｃ）喷丸处理降低了金属延展性，材料在低周疲劳情况下更易产生裂纹，从而部分抵消喷丸强化所获得的高表面硬度和残余压应力的有利作用。

１．２．３激光冲击强化处理现状及应用前景
激光冲击处理技术的研究与开发，国外走在前列，已进入商业化阶段。

１９９５年２月，ＪｅｆｆＤｕｌａｎｅｙ博士创立激光冲击处理技术有限公司（ＬＳＰＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ）。

他们的目标是向工业界提供优质ＬＳＰ服务和设备，成为该技术领域的领头羊。

第一套激光冲击处理设备于１９９７年建成，用于处理军用飞机气体涡轮引擎叶片。

他们己取得ＬａｓｅｒＰｅｅｎＴＭ和ＲａｐｉｄＰｅｅｎＴＭ专利，并在公司本部拥有两套设
备，满足各种形状工件的处理需求。

图１３和图１．４分别为ＬＳＰ成型装置系统和激光冲击处理涡轮叶片的场景ｆｉｔ】。

美国加州大学的劳伦斯里弗莫尔国家实验室（ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＬＬＮＬ）与ＭＩＣ（ＭｅｔａｌＩｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔＣｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ）公司合作，开发出平均功率６００Ｗ、峰值功率３ＧＷ、重复率１０Ｈｚ的钕玻璃激光器，成功用于喷汽发动机扇叶的冲击强化，预计１９９９年底投入商业应用【１８—２０】。

图１３：位于Ｄｕｂｌｉｎ。

Ｏｈｉｏ的Ｌ印系统，已全面运转－由美国空军和ＬＳＰ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏ百ｅｓ，Ｉｎｃ联台建成图ｌ４：激光冲击涡轮
叶片舶场景
美国的通用电器公司也正进行类似的研究开发。

除涡轮风扇叶片外，还应用于ＴＣ４和因康镍合金冲击处理，取得良好强化效果［２ｌｌ。

国内相关研究开发起步较晚，但在试验研究及关键配套技术方面已有相当进展。

到目前为止，我校物理系强激光技术研究所与众多科研院所已对铝合金、高温台金、碳铜、不锈钢、球墨铸铁等材料进行激光冲击处理，取得满意结果，例如．２０２４．Ｔ６２铝合金冲击后抗疲劳强度提高４５～９８倍［２２１。

１９９６年７月，研制的激光冲击强化处理原型装置通过中国科学院鉴定，预计到２０００年中期建成实用装置，用于飞机机体关键疲劳部位的强化处理。

激光冲击强化处理技术能改善金属（合金）的多种机械性能，特别是疲劳性能。

目前经激光冲击能有效改善疲劳性能的材料包括：铝合金：碳钢以及舍金钢；不锈钢；可锻铸铁以及球墨铸铁；钛及钛合金ｉ镍基高温合金等。

这些材料在航空工业和机械制造等领域中有广泛应用，所以，激光冲击处理在很多领域承受动态载荷的结构上都有应用前景：航空航天方面，有紧固孔、起落装置及涡轮发动机中的叶片、凸轮盘、轴承等；汽车工业方面，有齿轮、轴承、连杆、凸轮轴、曲杆、摇杆、车轴等；机械设备制造方面，有机床的刀头、齿轮、转动轴和工具部件、模具，以及泵、阀门等部件，等等；还有医学方面，例如进行医学移
焊区等，试件硬度、强度和疲劳性能都有较大提高［１，３１，３２］。

在美国空军飞行动力实验室（ＡｉｒＦｏｒｃｅＦｌｉｇｈｔＤｙｎａｍｉｃｓＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＡＦＦＤＬ）的支持下，１９７８年该学院研究发现，激光冲击是延长裂纹萌生时间、降低裂纹扩展速度、提高飞机紧固孔疲劳寿命的有效手段［３３】。

１９７９年，Ｃｌａｕｅｒ等对不同时效状态下的铝合金进行激光冲击处理，结果表明激光冲击处理效果与冲击条件、试件材料及其时效状态有关［３４１。

与此同时，美国国防工业中著名的洛克希德－乔治亚公司对７０７５一Ｔ６和７４７５．Ｔ７３铝台金的激光冲击研究表明，激光冲击处理能提高铝合金的疲劳抗力和裂纹扩展抗力【３５］。

Ｂａｎａｓ的研究结果表明，激光冲击能提高１８Ｎｉ合金钢焊接区的硬度和疲劳强度［３６１。

关于强激光冲击对材料的结构破坏作用，Ｗａｉｔｅｒｓ等也进行了研究［３７１。

紧随美国之后，法国大力进行这方面研究工作【４，６，９，３８１。

图ｌ５：最初用于ＬＳＰ的激光系统图Ｉ６：Ｌ印激光系统安装现场，ＬＬ卜儿
在激光冲击改善材料机械性能研究的同时，激光器系统本身的研究开发也在进行。

圈ｌ５为第一套专为激光冲击设计的激光系统（１７】，１９６８至１９８０年间，巴特尔采用调Ｑ钕玻璃激光装置，激光波长ｌ０６ｕｍ，单脉冲输出能量４０～１００Ｊ，
脉冲宽度３—３０ｎｓ，重复频率为每２０～３０分钟冲击一次［３９１。

１９８６年以后，法国这方面工作主要在ＬＡＬＰ（Ｌａｂｏｒａｔｏｉｒ毛ｄ’ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｄｅｓＬａｓｅｒｓｄｅＰｕｉｓｓａｎｃｅ）实验室进行，亦是采用调Ｑ钕玻璃激光装置，并于１９９０年以后将重复频率提高到每２～３分钟冲击一次。

为进一步提高重复频率，里弗莫尔实验室开发出重复频率达１０Ｈｚ的激光系统，图ｌ６为掺钕激光器安装现场【１４，１９］。

ＬＡＬＰ实验室近几年则致力于发展准分子激光器用于激光冲击处理，重复频率为５Ｈｚ，但最大脉冲能量仅５－１０Ｊ，聚焦光斑尺寸需大幅减小，以达到足够功率密度；这种小能量激光冲击（ＳｍａｌｌＬａｓｅｒＩｍｐａｃｔｓ，ＳＬＩ）已成为近年激光冲击处理研究中的新热点【２，３９］。

目前，美国的ＬＳＰＴ公司和ＭＩＣ公司已成功进行ＬＳＰ应用演示，正从事ＬＳＰ技术的商业服务和市场推广ｆ１７－１９，２３１。

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（四）等离子体增强耦合与等离子体屏蔽
实验证明，高于某个辐照强度阈值时，金属吸收的那部分光通量将会增强。

对于不易被冷金属吸收的红外激光，这种光通量的增加将会变得特别大（十倍甚至更多）［５５】。

这就是等离子体的增强祸合作用。

其产生过程通常如下。

首先，金属通过正常吸收被加热到气化点，蒸汽本身开始吸收大量辐射，靠近表面的蒸汽则被电离，稳定等离子体层在接近气化表面处形成。

等离子体能量
图２１：靶每离子体耦台
通过三种机理传递到金属表面附近的稠密相：（１）正常电子热传导：（２）被金属表面有效吸收的短波长热等离子体辐射：（３）受等离子体压力而被迫返回表面的蒸汽的凝结［６６】。

这些机理都给稠密相提供附加热通量，而等离子体吸收又会造成光通量损失。

当前者强于后者时，对应等离子体增强耦合问题：当前耆弱于后者时，对应等离子体屏蔽问题。

下面建立简单模型来考虑这个问题。

设等离子体为厚度ｄ的圆盘，经等离子体透射过来的辐射，．中，有（１－Ｒ）部分被靶吸收：而等离子体吸收的光通量（，＿，。

）中，有ｐ部分通过以上机制传递给靶体。

则在靶体中沉积的总光通量为
ＡＩｓ（１一尺），．＋ｆ３（ｉ—Ｉ。

）＝ｐ。

ｕ△珂：，ｕ（２·１８）左边恒等式定义有效光．靶耦舍系数Ａ，右边方程表示靶和等离子体界面能量守恒，其中ｐｖ、吣△日：和“分别是蒸汽密度、蒸汽喷出速率、有效液．气焓变和摩尔质最。

该模型示意于图２．１中。

等离子体吸收光通量取决于其密度和温度，密度随吸收的光通量而强烈变化，而温度相对来说是缓变量［ｓ５１。

对完全电离等离子体，由式（２一１７）可以假设ａ＊Ｐ：，这样透射到靶体上的光通量写成
Ｉｌ＝Ｉｅｘｐ（一Ｂｏ砖），（２—１９）其中玩为与激光波长有关之常数，依式（２一ｌ７），与舻成正比。

将上式代Ａ（２．１８）得到关于Ａ的方程
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———————————————————————————————————————————————————一７：￡！！丝
ｒ【ｒｄｒ图３３：Ａ为应力波压电信号；Ｂ为激光、瘐形
图３４：典型应力、瘐压力、嵌形．（ａ）草诜冲击，峰压为０３７ＧＰａ；（ｂ）草狡冲
击，峰匪为０．４５ＯＰａｊ（ｃ）两诜冲击，嵫匮为０
６０ＯＰａ
！｝Ｉ』℃（！一４２）汁算的压力能为成一∥１唑ｍ＇ｄｒ］
若分别考虑每个辐照度极限元的压力贡献，则为戚。

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与Ｐ：。

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（３—６）
（３—７）（３—８）
（３－９）删分别选取如图３
５所示的Ｇａｕｓｓ形式进行计算，△分别为１－０．０１，２－０４３，３－０７５，４－１２６。

这就是说，激光束能量较低时，这种差别可以不计，而能量较高
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图５．２：表面塑性应变对激光冲击峰傅压力的饿鞭关系图５．３：澈治中击产生残余压应力的腰理图
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