光纤激光抛丸技术

激光冲击强化技术又称激光喷丸,是一种新型有效、发展迅速的表面改性技术。与传统机械喷丸技术相比,它能在工件表面形成更深的残余压应力层,并且可控性强、适应性好,能够处理难以处理的部位。目前,该技术已广泛应用在航空发动机叶片、齿轮、核电站压力焊缝等抗疲劳制造。随着激光设备价格的进一步下降,激光冲击强化技术将得到更广泛的应用。

当功率密度大于10⁹W/cm²、脉冲宽度为纳秒量级的激光束辐射金属表面时,使能量吸收层吸收激光能量并发生爆炸性气化蒸发,产生高温(>10⁷K)、高压(>1GPa)的等离子体层。激光冲击强化利用了高压等离子层施加在靶材上冲击载荷所产生的向材料内部传播的强冲击波。 目前使用的约束层材料主要有K9光学玻璃、有机玻璃和水流层等。玻璃类材料约束层效果最好,但是适应性差,会发生碎裂,仅适用于单次激光冲击处理。一般激光冲击试验及工业应用采用水流层作为约束层,其具有适用性强、成本低、操作方便、无需更换等优点。除了少部分激光冲击处理过程不使用能量吸收层外,绝大部分需要使用能量吸收层。

常用的能量吸收层主要为黑漆、铝箔和黑胶带等汽化热低的材料。黑漆适用性较好,可以用于沟槽、小孔等处的激光冲击强化处理,但是冲击完成后不便于去除,因此一般选用铝箔和黑胶带作为能量吸收层。影响激光冲击强化效果的因素很多,主要有材料特性、约束层、能量吸收层、激光冲击参数等。如果激光功率密度不变,激光的脉冲宽度越长,那么激光冲击波作用材料的时间也越长,激光冲击处理效果越好。然而,激光的脉冲宽度过大极易造成被冲击处理材料的表面烧损现象。只有根据材料特性选择合理的约束层、能量吸收层及激光冲击参数等工艺参数,才能得到较好的强化效果。

当高压等离子层冲击靶材后,冲击区域材料发生高应变率塑性变形,结构响应变化非常快,是一个高度非线性的高速动力学问题。如果采用隐式有限元算法求解这类问题,不仅需要很大的计算量和存储量,而且计算收敛困难。需要采用显式有限元分析方法来求解等离子冲击产生的应力波。特别是综合采用显式、隐式有限元分析方法,进行冲击波作用下材料动态响应过程的数值模拟,有利于获得准确的残余应力场预测结果。

采用单点激光冲击残余应力计算及叠加方法对大面积区域的多点搭接激光冲击进行模拟计算时,总的计算量往往非常巨大,需要花费大量的时间才能得到试件的残余应力场。此外,由于工件几何尺寸对残余应力场的影响较大,采用应力叠加的方法难以准确模拟形状复杂曲面的真实构件多点搭接激光冲击强化的残余应力场。为了有效解决这两方面的问题,一些研究者建立了基于本征应变的数值模型来进行激光冲击强化残余应力场的模拟。该模型认为激光冲击在构件表层形成的本征应变对构件几何形状不敏感,模拟过程只关注激光冲击诱导的塑性应变,通过本征应变叠加来获得构件大面积多点激光冲击的应变场,并采用一个热弹性模型来获得最后的残余应力场和塑性变形。

近几年,随着光纤激光器技术的发展,采用光纤大脉冲能量取代固体激光器成为了趋势,因为光纤激光器重频更高、加工更灵活,通过特使的工艺参数可以实现与固体激光器同样的激光抛丸效果。