0 前言

激光噴丸與超聲波沖擊技術(shù)都是一 種新型的材料表面強化技術(shù) , 激光噴丸技 術(shù) 具 有 高 壓 、高 能 、超 快 和 超 高 應(yīng) 變 率 等 特點 , 具有常規(guī)加工方法無可比擬的優(yōu) 點 , 在制造科學(xué)、新材料、高能武器等高技 術(shù)領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。而超聲波沖擊 技術(shù)則是通過換能器將電能轉(zhuǎn)化為一種 高頻機械振動，直接或者間接地施加在金 屬表面使其產(chǎn)生劇烈塑性變形，由于這種 沖擊屬于高頻重復(fù)沖擊，故應(yīng)變率很大， 屬于劇烈塑性變形，可細化金屬表面晶粒 組織，主要用于提高焊接接頭的抗疲勞性 和延壽處理。

1 激光噴丸技術(shù) 

1.1 技術(shù)簡介

激光噴丸技術(shù)是一項新技術(shù)，它是用 短脈沖(ns 級)的強激光輻照在表面覆蓋 著能量吸收層和約束層的材料上產(chǎn)生沖 擊波，當(dāng)激光沖擊波誘導(dǎo)的應(yīng)力波的峰值 超過材料的動態(tài)屈服極限時，材料的表層 將會發(fā)生塑性變形，不可回復(fù)的塑性變形 導(dǎo)致靶材內(nèi)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

眾所周知，在實際的工程應(yīng)用中，很 多金屬零件會發(fā)生彎曲變形。當(dāng)金屬彎 曲 時 ，金 屬 外 表 面 處 于 受 拉 狀 態(tài) ，在 拉 應(yīng) 力的影響下，表面會產(chǎn)生顯微裂紋 ; 隨著 金屬零件彎曲程度的增加，顯微裂紋開始 擴展，直到裂紋擴展到零件的整個截面， 最終使金屬折斷。如車輛中的變速箱齒輪 承 受 扭 轉(zhuǎn) 時 ，齒 輪 根 部 發(fā) 生 應(yīng) 變 彎 曲 。金 屬成形和焊接過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力能使 表面微觀缺陷發(fā)展為裂紋，從而加速零件 的失效。如果航空設(shè)備和核發(fā)電站的零件 受 到 載 荷 和 振 動 后 ，發(fā) 生 應(yīng) 力 腐 蝕 ，將 會 造成巨大的則產(chǎn)損失和人身傷亡。開始人 們采用機械噴丸產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力對金屬 零件進行噴丸強化，以提高其使用壽命。 但受彈丸沖擊力的影響，機械噴丸產(chǎn)生的 殘余壓應(yīng)力的深度是有限的 ( 大約 0. 25 mm) , 機械噴丸后表面產(chǎn)生的凹痕可達到 0. 03 in，這使得金屬表面相當(dāng)粗糙。隨著 激光技術(shù)的發(fā)展，高能激光和材料相互作 用產(chǎn)生的高幅沖擊波技術(shù)己得到了廣泛研究。激光噴丸技術(shù)就是利用強脈沖激光 誘導(dǎo)產(chǎn)生的高能沖擊波在金屬材料表面 改性和成形方面的一個應(yīng)用。

1.2 工作原理

隨著激光技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們很快 認識到由激光誘導(dǎo)的等離子體可產(chǎn)生強 烈的沖擊。即當(dāng)短脈沖 ( 幾到幾十納秒 ) 的高能量密度 ( 約 200J/cm2) 的激光輻照 金屬表面時，金屬表面的吸收層 ( 黑漆 ) 吸收激光能量發(fā)生爆炸性汽化，汽化后 的蒸氣急劇吸收激光能量并形成高溫 ( > 10000K) , 高壓 (>1 GPa) 的等離子體，等離 子體受到約束層 ( 水或光學(xué)玻璃 ) 的限制， 形成高強度壓力沖擊波，作用于金屬表面 并向內(nèi)部傳播。由于這種沖擊波壓力高達 數(shù)個兆帕，其峰值應(yīng)力遠遠大于材料的動 態(tài) 屈 服 強 度 ，從 而 使 材 料 產(chǎn) 生 密 集 、均 勻 和穩(wěn)定的位錯結(jié)構(gòu) , 同時沖擊波貯藏的彈 性變形能大于材料所需的屈服、塑性變形 能，使表面材料發(fā)生屈服和冷塑性變形， 同時在成形區(qū)域產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力， 其能消除工件因機械加工、熱處理、焊接、 激光切割、電鍍或硬化涂層形成的有害拉 應(yīng)力，從而提高金屬零件的強度、耐磨性、 耐腐蝕性和疲勞壽命。由于其強化原理類 似噴丸，因此這種新型的表面強化技術(shù)稱 為激光噴丸 (Laser Peening) 在發(fā)達的國 家，激光噴丸技術(shù)已開始用于零件表面改 性和板料的塑性成形的商業(yè)生產(chǎn)。

激光噴丸是利用高功率密度 (109W/ cm2 量級 ) 、短脈沖 (10- 9s 量級 ) 的強激光 穿過透明約束層 ( 水簾 ) 作用于覆蓋在金 屬零件表面能量吸收層上 ( 黑漆 ), 吸收層 吸收能量而汽化 , 汽化后的蒸汽急劇吸收 激光能量并形成等離子體而爆炸 , 被限制 在約束層和金屬表面之間的爆炸物壓力 急劇升高，形成向金屬板料內(nèi)部傳播的強 應(yīng)力波 , 當(dāng)應(yīng)力波的峰值超過板料的動態(tài) 屈服極限，零件表面就會發(fā)生塑性變形， 正是不可回復(fù)的塑性變形導(dǎo)致板材內(nèi)部 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。

1.3 影響因素

噴丸的過程與材料的力學(xué)性能有關(guān) ;要獲得滿足激光噴丸成形所要求的沖擊波峰值應(yīng)力對于材料的動態(tài)的屈服強度時，對所需的最小的激光功率密度是有要 求 的 ，峰 值 越 高 ，形 成 的 殘 余 應(yīng) 力 層 就 越 深。 因此，激光噴丸的效果不僅與涂層和 約 束 層 有 關(guān) ，還 與 與 激 光 脈 沖 的 能 量 、光 斑尺寸、脈寬、光束模式、板料的力學(xué)性能 等因素有關(guān)。板料激光噴丸后，表層的殘 余壓應(yīng)力的存在破壞了板料內(nèi)原有力系 的平衡，使板材的芯部產(chǎn)生了拉應(yīng)力以達 到新的平衡，這種在厚度方向上不均勻的 殘余應(yīng)力又必然產(chǎn)生使板料變形的彎矩， 當(dāng)沿某一特定的路徑噴丸時，力矩就會使 板料發(fā)生變形。

2 超聲沖擊技術(shù)

 2.1 技術(shù)簡介

超聲沖擊 (UIT/UP) 技術(shù)由世界聞名 的烏克蘭 Paton 焊接研究所在 1972 年最 早提出，并由 Paton 焊接研究所和俄羅斯“量子”研究院共同開發(fā)成功，最早用于前 蘇聯(lián)海軍船只的降低焊接殘余應(yīng)力，引入 有益的壓應(yīng)力。1974 年，Polozky 等人公 開發(fā)表了將超聲沖擊技術(shù)應(yīng)用于消除焊 縫殘余應(yīng)力的文章。

超聲沖擊技術(shù)是一種高效的消除部 件表面或焊縫區(qū)有害殘余拉應(yīng)力、引進有 益壓應(yīng)力的方法。超聲沖擊設(shè)備利用大功 率的能量推動沖擊頭以每秒約 2 萬次的 頻 率 沖 擊 金 屬 物 體 表 面 ，高 頻 、高 效 和 聚 焦下的大能量使金屬表層產(chǎn)生較大的壓 縮塑性變形 ;同時超聲沖擊改變了原有的 應(yīng)力場，產(chǎn)生有益的壓應(yīng)力 ;高能量沖擊 下金屬表面溫度極速升高又迅速冷卻，使 作用區(qū)表層金屬組織發(fā)生變化，沖擊部位 得以強化。

2.2 技術(shù)原理

超聲波發(fā)生器產(chǎn)生頻率大于 18kHz 的振蕩電信號，通過換能器轉(zhuǎn)換為同頻 率的縱波機械振動能量。再通過變幅桿 將換能器微小振幅(一般為 4μm)變換到 20 ~ 80μm，然后借助各種形式的工具頭 將振動能量傳達到金屬材料上。該項技術(shù) 的特點是單位時間內(nèi)輸出能量高，實施裝 置的比能量(輸出能量與裝置質(zhì)量之比) 大。振動頻率為 18 ~ 27kHz，振動線速度 可達 2 ~ 3m/s，加速度相當(dāng)于重力加速度 的三萬多倍。沖擊頭與被處理金屬作用時 間極短，高速瞬間的沖擊能量是材料表面 溫度急劇升高又急劇冷卻。這種高頻能量 從表面導(dǎo)入材料內(nèi)部，必然引起材料組織 不均勻的塑性變形和彈性應(yīng)變。

2.3 影響因素

超聲沖擊最大的問題是能量輸出不穩(wěn)定，超聲沖擊可以消除部件表面或焊縫 區(qū) 有 害 殘 余 拉 應(yīng) 力 、引 進 有 益 壓 應(yīng) 力 ，使 得沖擊部位得以強化，但是由于超聲沖擊 的性能穩(wěn)定性差，往往會導(dǎo)致產(chǎn)品批量加 工中出現(xiàn)不合格的產(chǎn)品，或者一個產(chǎn)品的 一部分處理的好，另一部分則處理的不 好，導(dǎo)致部分廢品的產(chǎn)生。

在焊接過程中的質(zhì)量是否穩(wěn)定跟機 器的配置有很大的關(guān)系 , 超聲沖擊在作業(yè) 過程中質(zhì)量不穩(wěn)定最主要因素是輸出功 率不穩(wěn)定，以導(dǎo)致無法形成穩(wěn)定的摩擦熱 能 . 而要解決功率問題，最主要決定于 1: 機臺輸出功率 .2:HORN 擴大比 /3: 氣壓源 /4: 電壓源 .. 等。

豪克能的出現(xiàn)也可以解決超聲沖擊 的問題，豪克能以其頻率高、能量大、聚焦 性好、性能穩(wěn)定的優(yōu)勢解決了焊接后存在的問題，焊后利用豪克能推動沖擊工具以每秒二萬次以上的頻率沿焊縫方向沖擊焊縫的焊趾部位，使之產(chǎn)生較大的壓縮塑性變形，使焊趾出產(chǎn)生圓滑的幾何過渡，

從而大大降低了焊趾出余高、凹坑和咬邊 造成的應(yīng)力集中 ;消除了焊趾處表層的微 小裂紋和熔渣缺陷，抑制了裂紋的提前萌 生 ;調(diào)整了焊接殘余應(yīng)力場，消除其焊接 應(yīng) 力 ，并 產(chǎn) 生 一 數(shù) 值 的 壓 應(yīng) 力 ，同 時 使 焊 趾部位的材料得以強化，大幅度提高焊接 接頭的疲勞強度和疲勞壽命。

由此可見，激光噴丸技術(shù)和超聲波沖 擊技術(shù)，均是對金屬材料表面進行強化的 新型技術(shù)。激光噴丸是一種全新的晶粒細 化技術(shù) , 它利用強激光束產(chǎn)生的等離子沖 擊波 , 提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗 腐燭能力，而超聲波沖擊技術(shù)主要用于提高金屬材料焊接接頭和結(jié)構(gòu)的疲勞性能。