激光沖擊處理(Laser Shock Processing，LSP)技術(shù)是利用強(qiáng)脈沖激光產(chǎn)生沖擊波來對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)化處理的，在材料表層產(chǎn)生深達(dá)1mm及以上的殘余壓應(yīng)力層。1997年,美國(guó)首次將此項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)單體葉片，大幅度提升了葉片的抗異物破壞能力和高周疲勞性能。至今，該項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，已經(jīng)成為最熱門的表面強(qiáng)化處理技術(shù)之一。本文主要介紹激光沖擊處理技術(shù)在航空航天、核工業(yè)等方面的最新應(yīng)用實(shí)例，如應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤強(qiáng)化、機(jī)翼壁板成形、機(jī)身小孔強(qiáng)化等，另外還應(yīng)用于焊接接頭抗疲勞和核電設(shè)備延壽等方面。 最新應(yīng)用情況 1 激光沖擊處理整體葉盤 整體葉盤結(jié)構(gòu)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減重、提高可靠性的重要措施。經(jīng)激光沖擊強(qiáng)化的葉片的抗異物破壞能力和疲勞性能大幅度提升，甚至已強(qiáng)化葉片邊緣缺口小于3 mm時(shí)，其使用壽命仍與完好的未強(qiáng)化葉片相當(dāng)。由于單體葉片性能的提升，減少了因單個(gè)葉片損壞而報(bào)廢整個(gè)葉盤的幾率。在役未強(qiáng)化的整體葉盤葉片出現(xiàn)微小裂紋后，可對(duì)其進(jìn)行激光沖擊處理再制造，疲勞強(qiáng)度仍滿足設(shè)計(jì)要求。與單體葉片相比，整體葉盤的激光沖擊處理需要考慮葉片之間的干涉和可達(dá)性問題，并需要開發(fā)快速涂層技術(shù)和在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]。自2003年起，美國(guó)空軍已經(jīng)將激光沖擊處理技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整體葉盤（見圖1），到2009年，F(xiàn)22戰(zhàn)斗機(jī)上75%的整體葉盤都經(jīng)過了激光沖擊處理。 激光沖擊處理整體葉盤2 激光沖擊處理焊接結(jié)構(gòu) 焊接接頭的力學(xué)性能和殘余應(yīng)力可能引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕破壞以及降低結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。美國(guó)NASA Johnson Space Center的研究結(jié)果表明，經(jīng)激光沖擊處理后，鋁合金攪拌摩擦焊的焊接接頭的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度顯著提高(2195鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的屈服強(qiáng)度提高60%，抗拉強(qiáng)度提高11%，見圖2)，且沖擊區(qū)有晶粒細(xì)化現(xiàn)象。北京航空制造工程研究所將激光沖擊處理應(yīng)用于激光焊和電子束焊的焊接接頭強(qiáng)化，顯著地改善了原有的焊接應(yīng)力分布，激光沖擊處理技術(shù)有望成為解決高能束焊接接頭疲勞性能分散性大的關(guān)鍵技術(shù)。與噴丸強(qiáng)化相比，激光沖擊處理應(yīng)用焊接接頭方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。以鋁合金為例，噴丸的冷作硬化程度為30%~40%，激光沖擊處理的的冷作硬化程度為4%~9%[2]。由Bauschinger效應(yīng)可知，在循環(huán)載荷下，激光沖擊處理產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力更加穩(wěn)定，如圖2。另外，激光沖擊處理可產(chǎn)生與焊接接頭非常接近的表面質(zhì)量，有利于疲勞性能。 3 激光沖擊成形機(jī)翼壁板 對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行單面激光沖擊處理時(shí)，薄壁結(jié)構(gòu)會(huì)向未強(qiáng)化面一側(cè)彎曲變形，兩個(gè)面均為壓應(yīng)力狀態(tài)，控制沖擊參數(shù)即可成形薄壁結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)稱為“激光沖擊成形”。 機(jī)翼整體壁板結(jié)構(gòu)較大，型面復(fù)雜，而且壁板內(nèi)部存在加強(qiáng)筋，因此機(jī)翼壁板成形已經(jīng)成為我國(guó)飛機(jī)制造的重大難題。ARJ21機(jī)翼整體壁板采用噴丸成形，但與噴丸成形技術(shù)相比，激光沖擊成形的成形曲率更大（見圖3），產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力更深，更容易控制成形參數(shù)。2008年，波音747-8客機(jī)的機(jī)翼壁板采用了激光沖擊成形技術(shù)，波音公司從MIC公司購(gòu)置了激光沖擊成形設(shè)備，該設(shè)備采用雙光路傳輸，地下傳輸光路長(zhǎng)達(dá)45m[3]。隨著激光沖擊成形技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)必將得到大面積應(yīng)用。 4 孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化 緊固孔是飛機(jī)上典型的應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)，易在疲勞載荷下產(chǎn)生裂紋，尤其是尺寸較小(φ6 mm以下)的孔結(jié)構(gòu)或盲孔用噴丸和冷擠壓工藝的強(qiáng)化效果不理想或難以實(shí)現(xiàn)。激光沖擊處理作為新興的表面強(qiáng)化技術(shù)，對(duì)小尺寸孔、異形孔、盲孔等強(qiáng)化具有很大優(yōu)勢(shì)。將激光束聚焦成環(huán)形光斑，沖擊處理小孔周圍區(qū)域，在強(qiáng)化表層及次表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力[3]。通過對(duì)激光光斑能量和形狀的調(diào)節(jié)以滿足不同的強(qiáng)化效果，如圖5所示，由內(nèi)而外的3個(gè)環(huán)形光斑的強(qiáng)化方式獲得的殘余壓應(yīng)力分布更深更廣，疲勞結(jié)果更好。另外，北京航空制造工程研究所的最新研究成果表明，對(duì)7050鋁合金而言，對(duì)其表面先進(jìn)行激光沖擊處理，再進(jìn)行鉆孔，同樣可以大幅度提高孔的疲勞性能。激光沖擊處理對(duì)小孔結(jié)構(gòu)性強(qiáng)化的另一個(gè)較大優(yōu)勢(shì)就是可以滿足現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)化，可達(dá)性好。 圖5 小孔周圍的殘余壓應(yīng)力分布5 核工業(yè)上的應(yīng)用 近年來，核電行業(yè)發(fā)展迅速，但是核電設(shè)備的老化一直未能有效地解決。壓力容器焊縫的應(yīng)力是解決核電設(shè)備老化問題的關(guān)鍵，日本東芝公司采用無吸收層激光沖擊處理，大大提高了激光沖擊處理后焊縫的抗腐蝕能。目前，東芝公司所有的核電站都應(yīng)用了此項(xiàng)技術(shù)，并開發(fā)了可水下作業(yè)的激光器設(shè)備和光纖傳輸技術(shù)，能對(duì)φ9.5mm的管道內(nèi)壁進(jìn)行強(qiáng)化[4]。此外，核廢料的儲(chǔ)藏和防止泄露也非常重要。大量的核廢料必須儲(chǔ)存在特制的容器中并焊接封存。美國(guó)YMP項(xiàng)目利用激光沖擊處理對(duì)核廢料儲(chǔ)存容器的Alloy22焊縫進(jìn)行強(qiáng)化，強(qiáng)化區(qū)殘余壓應(yīng)力層深度超過5mm，其目標(biāo)是滿足核廢料儲(chǔ)存容器在一萬年內(nèi)不會(huì)因應(yīng)力腐蝕而泄露。核電是未來我國(guó)大力發(fā)展的方向，激光沖擊處理技術(shù)必將在核工業(yè)中大力應(yīng)用。 6 其他方面的應(yīng)用 除了在軍工和核電領(lǐng)域的應(yīng)用，激光沖擊處理還可以應(yīng)用在民用航空、汽車工業(yè)、石油化工、海洋船舶和醫(yī)療工業(yè)等行業(yè)。 在民用航空飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片經(jīng)激光沖擊處理后，提高了葉片的抗FOD能力和飛機(jī)續(xù)航能力。截止2008年底，波音公司和空客公司的寬弦風(fēng)扇葉片強(qiáng)化數(shù)量超過35000片；美國(guó)的石油、天然氣輸送管道焊接區(qū)采用激光沖擊處理技術(shù)，提高了管道的抗應(yīng)力腐蝕疲勞壽命，預(yù)計(jì)將產(chǎn)生數(shù)十億美元的經(jīng)濟(jì)效益；目前用于人體的醫(yī)療植入物，大多數(shù)為鈦合金制造，但是鈦合金的微動(dòng)疲勞性能極差，激光沖擊處理可將鈦合金的微動(dòng)疲勞壽命提高10~25倍。 最新技術(shù)發(fā)展 1 光束移動(dòng)強(qiáng)化方式 以往的激光沖擊處理一般采用激光束固定、工件移動(dòng)的強(qiáng)化方式，這種方式的流水約束層的實(shí)施相對(duì)方便。但是，對(duì)于一些難以夾持的大型零件(如管道)，以及一些已裝配的零件而言，移動(dòng)零件的強(qiáng)化方式難以實(shí)施，必須采用零件固定、光束移動(dòng)的方式，美國(guó)MIC公司研發(fā)的光束掃描系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)激光束的快速定位、轉(zhuǎn)動(dòng)等（見圖6）。2 方形光斑 美國(guó)MIC公司和LSPT公司已經(jīng)開始使用方形光斑進(jìn)行激光沖擊處理，主要是由于方向光斑存在可以避免圓形光斑在沖擊區(qū)中心產(chǎn)生的應(yīng)力空洞現(xiàn)象的優(yōu)勢(shì)。為了保證全覆蓋沖擊，圓形光斑搭接率必須在20%以上，而方形光斑僅為3%，強(qiáng)化效率明顯提高，而且表面粗糙度更好。目前新型激光沖擊處理設(shè)備更傾向于直接輸出方形光斑，同樣也可在圓形光束的通路上加一系列的光學(xué)鏡片組合，以實(shí)現(xiàn)光束整形，輸出方形光斑。 3 提高低周疲勞性能 最新研究結(jié)果表明，激光沖擊處理同樣可以提高零件的低周疲勞性能，如應(yīng)用在轉(zhuǎn)動(dòng)面、復(fù)雜型面、溝槽等部位。激光沖擊處理產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力層深、強(qiáng)化效果的熱穩(wěn)定性好、配合其他強(qiáng)化技術(shù)，預(yù)計(jì)可提高低周疲勞2倍以上。 結(jié)束語 激光沖擊處理是一項(xiàng)新興的表面強(qiáng)化技術(shù)，在某些場(chǎng)合具有不可替代的作用，潛在巨大的經(jīng)濟(jì)市? Ｄ殼埃揮忻攔思際跤τ玫絞導(dǎo)噬煊潁⒉訟災(zāi)木瞇б婧凸佬б妗９諛殼盎姑揮杏τ檬道丫哂辛己醚芯炕。眉際醣亟詮諤ど喜禱惱魍盡? 參考文獻(xiàn) [1] David W S, Allan H C. Applications of laser peening to titanium alloys. Pressure Vessels and Piping Division Conference,San Diego, CA,2004. [2] Omar H, Jed L, Royce F.Laser Peening and shot peening effects on fatigue life and surface roughness of friction stir welded 7075-T7351 aluminium. Fatigue Fract Engng Mater Struct,2007(30): 115-130. [3] Zou Shikun,Cao Ziwen. Laser peening of aluminum alloy 7050 with fastener holes. Chinese Optics Letters,2008, 6(2): 116-119. [4] Sano Y, Adachi T. Enhancement of surface property by low-energy laser peening without protective coating. Key Engineering Materials Vols. 2007(345-346): 1589-1592.