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摘 要：目前激光焊接技术在制造业中应用非常之广，其中，激光冲击处理技术在最近几年出现的一种新的技术，并得到迅速发展。激光冲击处理是利用高能量密度的激光束诱导产生的高压等离子体冲击工件的表面，使之产生压应力，以提高零部件的疲劳寿命和应力腐蚀开裂的能力。本文主要概述了激光冲击处理的原理及特性。
关键词：激光冲击处理；等离子体；压应力；疲劳寿命；应力腐蚀开裂
Characteristics of laser shock peening
XU Guojian1 LI Ting1 WANG Hong1 HANG Zhengxiang1 CHANG Yunlong1 XING Fei2
1 School of Materials Science and Engineering， Shenyang University of Technology， No.111， Shenliao West Road，
Economic & Technological Development Zone， Shenyang 110178， CHINA， [email protected]
2 SHENYANG SIASUN ROBOT & AUTOMATION CO.， LTD.， NO.16， Jinhui Street，
Hunnan New District， Shenyang 110168， CHINA， [email protected]
Abstract： Laser welding technology is very wide in the current application in manufacturing，in recent years laser shock peening technology as a new technology rapid development.Laser shock peening make use of high energy density of laser induced voltage plasma surface of workpiece，let it has a compressive residual stress，in order to improve the components' fatigue performance and the ability of stress corrosion cracking performance.This paper summarizes the principle， characteristics， application and development prospect of laser shock peening.
Keywords： Laser shock peening； Laser induced plasma； Compressive residual stress； Fatigue performance； Stress corrosion cracking performance
项目名称：辽宁增材制造产业技术研究院建设
项目编号：17-500-8-05
1.绪论
随着科学技术的发展，对机械零部件的性能要求也越来越高，其使用环境也变得越来越苛刻。许多机械结构必须在高压、高温、高磨损和高腐蚀的外部条件下使用，从而导致零部件极易破损和失效。为了提高零部件的使用性能，继激光热处理、激光非晶化及激光毛化等表面处理技术之后，近几年又出现了激光冲击处理新技术。激光冲击处理能够使零件表层材料的亚结构得到改善以及产生有益残余压应力，从而提高零部件的疲劳寿命和增加抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命[1]。
激光冲击处理技术是我国著名物理学家钱临照教授早在20世纪60年代初提出的，激光冲击强化技术的研发始于20世纪70年代初的美国贝尔实验室。1972年，美国巴特尔学院（Battelle Memorial Institute）的Fairand B.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以提高其机械性能，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。1978年秋，该实验室的Ford S.C等人与美国空军实验室联合，进行激光冲击改善紧固件疲劳寿命的研究，结果表明激光冲击强化可大幅度提高紧固件的疲劳寿命[2-4]。上世纪90年代在美国高频疲劳研究国家计划等支持下，美国利佛莫尔国家实验室和GE、MIC公司等联合深 入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备的研究，使激光冲击强化技术获得了很大发展，逐步走向了实用，并在1994年用于F110、F101、F414等发动机的生产和修理[5]。
此技术在核电、航空、航天、船舶、汽车及机械制造等工业领域都有着广阔的应用前景，因此，美国、日本、法国等国家非常重视这一新型技术的应用开发。最近，日本将激光冲击处理技术用于核反应堆中型芯零件和焊接构件焊缝的强化，减小应力腐蚀裂纹的敏感性以提高零件的使用寿命。美国将激光冲击处理用于储能罐、核废料罐焊缝的强化，使疲劳裂紋敏感性和抗应力腐蚀能力大大提高。
我国在该项技术方面， 针对航空铝合金材料进行一些基础试验研究。目前北京航空制造工程研究所、成都飞机设计研究所、中国科学技术大学等单位开展了飞机铆接结构的强化研究。到目前为止，该项技术在我国还没有应用到实际生产中。
2.激光冲击处理原理
激光冲击处理的系统示意图如图1所示。它是由特殊的脉冲激光器、反射镜、聚焦镜、窗口镜、水箱及控制试验件运动单元等组成。
当短脉冲（几纳秒-几十纳秒内）的高峰值功率密度（≥5-15GW/cm2）的激光透过透明物质的约束层（如：水、玻璃等）照射到金属表面时，金属表面吸收层（涂覆层）吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压（可达5GPa）等离子体，该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播，在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力，显著的提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能[6-7]。这就是激光冲击处理原理，如下图2所示。 3.激光冲击处理特性
（1） 等离子冲击波的压力
采用激光波长分别为1064nm和532nm时，激光输出功率密度与激光诱导产生的等离子体冲击波的压力之间的关系如图3所示[8]。由图3可知，激光诱导产生的等离子体冲击波的压力最高可达5-6GPa。在激光能量密度小于10GW/cm2时，随着激光能量密度的增加，等离子体冲击波的压力也增加；但是，当激光能量密度大于10GW/cm2时，随着激光能量密度的增加，等离子体冲击波的压力基本保持不变[9]。
这是常规的机械加工难以达到的。例如，机械冲压的压力常在几十MPa至几百MPa之间。由于激光诱导产生等离子体的冲击波作用时间短，应变率可达到，这比机械冲压高出10000倍，比爆炸成形高出100倍。
（2）残余压应力分布
Inconel 718合金的激光冲击处理后的残余压应力分布如图4所示。横坐标是距处理表面的深度，纵坐标是残余压应力的大小。在这个试验中，对普通机械喷丸冲击处理与激光冲击处理进行了比较。结果表明，普通机械喷丸冲击处理的压应力达到深度约为0.25mm；激光冲击处理的压应力达到深度约为1.0mm，约是普通机械喷丸冲击处理的4倍。
（接4页）
（转5页）
（3）疲劳寿命
A6061-T6铝合金的激光冲击处理后的疲劳寿命分布如图5所示。横坐标是疲劳寿命，纵坐标是试验应力。在这个试验中，对普通轧制处理、普通机械喷丸冲击处理及激光冲击处理的A6061-T6铝合金进行了比较试验。实验结果表明，在同样的试验条件下，激光冲击处理的A6061-T6铝合金的疲劳寿命显著提高，约是普通机械喷丸冲击处理的10倍[9-10]。
除了具有上述的特性以外，还具有如下的特性：a） 在水中产生等离子体的压力可达GPa级以上，比空气中高10～100左右；b） 入热量小，可以实现小变形和局部的表面加工；c） 可以精确控制输出脉冲激光，所以可以实现高精度的表面处理；d） 非接触加工，容易实现远程控制；e） 激光加工头可以做得很小，所以，可以实现狭窄间隙的加工处理；f） 微小部和复杂形状零部件的加工是可能的；g） 不采用弹丸等材料，对焊接区不产生污染，环保清洁，无污染；h） 处理效果再现性高[11-15]。
参考文献
[1]Y.Kudryavtsev，J.Kleiman et al： Rehabilitation and Repair of Welded Elements and Structures by Ultrasonic Peening， IIW Doc. XIII-2076-05，Praque，Sept.，2005
[2]R.M.White，Journal of Apply Physics，Vol 34（1963），2123
[3]B.P.Fairand and A.H.Clauer Laser Tech.，86（1976）
[4]A.H.Clauer，B.P.Fairand：Proc. Of Conf. On
[5]T.J.Rockstroh： Cost Effective Laser Shock Processing Development at GE Aircaft Engines，Proc. ICALEO，Oct.31-Nov.3，2005，Miami，703-709
[6]Lloyd A. Hackel： Laser Penning to Reduce Corrosion Cracking and Fatigue Failue Failure in Navy Ships and Systems， proc. Of SAIL， june 2-4，2003， Iilliamsburg，US， paper#sec6-05
[7]Y.J.Fan， Y.N.Wang， et al：Wave-Solid Interactions in Shock Induced Deformation Processes， Proc. ICALEO， Oct.31-Nov.3，2005，Miami，479-488
[8]L.Berthe，R.Fabbroet al： Study of Plasma Induced by Laser in Water Confinement regime：proc. of ICALEO， Oct. 13-16，2003，Jacksonville，FL， CR-ROM
[9]Rockstoh： Cost Effective Laser Shock processing Development at GE Aircraft Engines，Proc. of ICALEO’2005， Aiami，FL，Oct 31-Nov3，2005，p.703-709
[10] 特願2005-371961： 「レーザピーニング処理方法及びレーザ吸収粉體層シート」
[11]依田、佐野、向井：光ファイバによる20MWレーザパルスの伝送とその応用、レーザー研究、28-5（2000），p.309-313.
[12]依田、佐野、向井ほか： レーザーの水中照射による金属材料の残留応力改善メカ二ズム、日本原子力学会誌、42-6（2000），p.567-573.
[13]佐野雄二：レーザピーニング技術の開発と応用、名古屋レーザー·ニュース、20号（2006），p.61-65.
[14] 佐藤、小林、佐野ほか：原子炉炉内構造の物保全技術；東芝レービュー、55-10（2005），p.78-82.
[15] 佐野、牧野ほか：レーザ使用した原子炉の水中メインデナンス技術、溶接技術、53-5（2005），p.78-82.
关键词：激光冲击处理；等离子体；压应力；疲劳寿命；应力腐蚀开裂
Characteristics of laser shock peening
XU Guojian1 LI Ting1 WANG Hong1 HANG Zhengxiang1 CHANG Yunlong1 XING Fei2
1 School of Materials Science and Engineering， Shenyang University of Technology， No.111， Shenliao West Road，
Economic & Technological Development Zone， Shenyang 110178， CHINA， [email protected]
2 SHENYANG SIASUN ROBOT & AUTOMATION CO.， LTD.， NO.16， Jinhui Street，
Hunnan New District， Shenyang 110168， CHINA， [email protected]
Abstract： Laser welding technology is very wide in the current application in manufacturing，in recent years laser shock peening technology as a new technology rapid development.Laser shock peening make use of high energy density of laser induced voltage plasma surface of workpiece，let it has a compressive residual stress，in order to improve the components' fatigue performance and the ability of stress corrosion cracking performance.This paper summarizes the principle， characteristics， application and development prospect of laser shock peening.
Keywords： Laser shock peening； Laser induced plasma； Compressive residual stress； Fatigue performance； Stress corrosion cracking performance
项目名称：辽宁增材制造产业技术研究院建设
项目编号：17-500-8-05
1.绪论
随着科学技术的发展，对机械零部件的性能要求也越来越高，其使用环境也变得越来越苛刻。许多机械结构必须在高压、高温、高磨损和高腐蚀的外部条件下使用，从而导致零部件极易破损和失效。为了提高零部件的使用性能，继激光热处理、激光非晶化及激光毛化等表面处理技术之后，近几年又出现了激光冲击处理新技术。激光冲击处理能够使零件表层材料的亚结构得到改善以及产生有益残余压应力，从而提高零部件的疲劳寿命和增加抗应力腐蚀能力，延长零件使用寿命[1]。
激光冲击处理技术是我国著名物理学家钱临照教授早在20世纪60年代初提出的，激光冲击强化技术的研发始于20世纪70年代初的美国贝尔实验室。1972年，美国巴特尔学院（Battelle Memorial Institute）的Fairand B.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以提高其机械性能，从此揭开了用激光冲击强化应用研究的序幕。1978年秋，该实验室的Ford S.C等人与美国空军实验室联合，进行激光冲击改善紧固件疲劳寿命的研究，结果表明激光冲击强化可大幅度提高紧固件的疲劳寿命[2-4]。上世纪90年代在美国高频疲劳研究国家计划等支持下，美国利佛莫尔国家实验室和GE、MIC公司等联合深 入开展了激光冲击强化技术的理论、工艺和设备的研究，使激光冲击强化技术获得了很大发展，逐步走向了实用，并在1994年用于F110、F101、F414等发动机的生产和修理[5]。
此技术在核电、航空、航天、船舶、汽车及机械制造等工业领域都有着广阔的应用前景，因此，美国、日本、法国等国家非常重视这一新型技术的应用开发。最近，日本将激光冲击处理技术用于核反应堆中型芯零件和焊接构件焊缝的强化，减小应力腐蚀裂纹的敏感性以提高零件的使用寿命。美国将激光冲击处理用于储能罐、核废料罐焊缝的强化，使疲劳裂紋敏感性和抗应力腐蚀能力大大提高。
我国在该项技术方面， 针对航空铝合金材料进行一些基础试验研究。目前北京航空制造工程研究所、成都飞机设计研究所、中国科学技术大学等单位开展了飞机铆接结构的强化研究。到目前为止，该项技术在我国还没有应用到实际生产中。
2.激光冲击处理原理
激光冲击处理的系统示意图如图1所示。它是由特殊的脉冲激光器、反射镜、聚焦镜、窗口镜、水箱及控制试验件运动单元等组成。
当短脉冲（几纳秒-几十纳秒内）的高峰值功率密度（≥5-15GW/cm2）的激光透过透明物质的约束层（如：水、玻璃等）照射到金属表面时，金属表面吸收层（涂覆层）吸收激光能量发生爆炸性汽化蒸发，产生高压（可达5GPa）等离子体，该等离子体受到约束层的约束爆炸时产生高压冲击波，作用于金属表面并向内部传播，在材料表层形成密集、稳定的位错结构的同时，使材料表层产生应变硬化，残留很大的压应力，显著的提高材料的抗疲劳和抗应力腐蚀等性能[6-7]。这就是激光冲击处理原理，如下图2所示。 3.激光冲击处理特性
（1） 等离子冲击波的压力
采用激光波长分别为1064nm和532nm时，激光输出功率密度与激光诱导产生的等离子体冲击波的压力之间的关系如图3所示[8]。由图3可知，激光诱导产生的等离子体冲击波的压力最高可达5-6GPa。在激光能量密度小于10GW/cm2时，随着激光能量密度的增加，等离子体冲击波的压力也增加；但是，当激光能量密度大于10GW/cm2时，随着激光能量密度的增加，等离子体冲击波的压力基本保持不变[9]。
这是常规的机械加工难以达到的。例如，机械冲压的压力常在几十MPa至几百MPa之间。由于激光诱导产生等离子体的冲击波作用时间短，应变率可达到，这比机械冲压高出10000倍，比爆炸成形高出100倍。
（2）残余压应力分布
Inconel 718合金的激光冲击处理后的残余压应力分布如图4所示。横坐标是距处理表面的深度，纵坐标是残余压应力的大小。在这个试验中，对普通机械喷丸冲击处理与激光冲击处理进行了比较。结果表明，普通机械喷丸冲击处理的压应力达到深度约为0.25mm；激光冲击处理的压应力达到深度约为1.0mm，约是普通机械喷丸冲击处理的4倍。
（接4页）
（转5页）
（3）疲劳寿命
A6061-T6铝合金的激光冲击处理后的疲劳寿命分布如图5所示。横坐标是疲劳寿命，纵坐标是试验应力。在这个试验中，对普通轧制处理、普通机械喷丸冲击处理及激光冲击处理的A6061-T6铝合金进行了比较试验。实验结果表明，在同样的试验条件下，激光冲击处理的A6061-T6铝合金的疲劳寿命显著提高，约是普通机械喷丸冲击处理的10倍[9-10]。
除了具有上述的特性以外，还具有如下的特性：a） 在水中产生等离子体的压力可达GPa级以上，比空气中高10～100左右；b） 入热量小，可以实现小变形和局部的表面加工；c） 可以精确控制输出脉冲激光，所以可以实现高精度的表面处理；d） 非接触加工，容易实现远程控制；e） 激光加工头可以做得很小，所以，可以实现狭窄间隙的加工处理；f） 微小部和复杂形状零部件的加工是可能的；g） 不采用弹丸等材料，对焊接区不产生污染，环保清洁，无污染；h） 处理效果再现性高[11-15]。
参考文献
[1]Y.Kudryavtsev，J.Kleiman et al： Rehabilitation and Repair of Welded Elements and Structures by Ultrasonic Peening， IIW Doc. XIII-2076-05，Praque，Sept.，2005
[2]R.M.White，Journal of Apply Physics，Vol 34（1963），2123
[3]B.P.Fairand and A.H.Clauer Laser Tech.，86（1976）
[4]A.H.Clauer，B.P.Fairand：Proc. Of Conf. On
[5]T.J.Rockstroh： Cost Effective Laser Shock Processing Development at GE Aircaft Engines，Proc. ICALEO，Oct.31-Nov.3，2005，Miami，703-709
[6]Lloyd A. Hackel： Laser Penning to Reduce Corrosion Cracking and Fatigue Failue Failure in Navy Ships and Systems， proc. Of SAIL， june 2-4，2003， Iilliamsburg，US， paper#sec6-05
[7]Y.J.Fan， Y.N.Wang， et al：Wave-Solid Interactions in Shock Induced Deformation Processes， Proc. ICALEO， Oct.31-Nov.3，2005，Miami，479-488
[8]L.Berthe，R.Fabbroet al： Study of Plasma Induced by Laser in Water Confinement regime：proc. of ICALEO， Oct. 13-16，2003，Jacksonville，FL， CR-ROM
[9]Rockstoh： Cost Effective Laser Shock processing Development at GE Aircraft Engines，Proc. of ICALEO’2005， Aiami，FL，Oct 31-Nov3，2005，p.703-709
[10] 特願2005-371961： 「レーザピーニング処理方法及びレーザ吸収粉體層シート」
[11]依田、佐野、向井：光ファイバによる20MWレーザパルスの伝送とその応用、レーザー研究、28-5（2000），p.309-313.
[12]依田、佐野、向井ほか： レーザーの水中照射による金属材料の残留応力改善メカ二ズム、日本原子力学会誌、42-6（2000），p.567-573.
[13]佐野雄二：レーザピーニング技術の開発と応用、名古屋レーザー·ニュース、20号（2006），p.61-65.
[14] 佐藤、小林、佐野ほか：原子炉炉内構造の物保全技術；東芝レービュー、55-10（2005），p.78-82.
[15] 佐野、牧野ほか：レーザ使用した原子炉の水中メインデナンス技術、溶接技術、53-5（2005），p.78-82.