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(qiáng)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(diǎn) , 具有常規(guī)加工方法無可比擬的優(yōu) 點(diǎn) , 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(jī)械振動(dòng)，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(xì)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(jiǎn)介

激光噴丸技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，它是用 短脈沖(ns 級(jí))的強(qiáng)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(dòng)態(tài)屈服極限時(shí)，材料的表層 將會(huì)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(shí)際的工程應(yīng)用中，很 多金屬零件會(huì)發(fā)生彎曲變形。當(dāng)金屬彎 曲 時(shí) ，金 屬 外 表 面 處 于 受 拉 狀 態(tài) ，在 拉 應(yīng) 力的影響下，表面會(huì)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(kuò)展，直到裂紋擴(kuò)展到零件的整個(gè)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(shí) ，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(dòng) 后 ，發(fā) 生 應(yīng) 力 腐 蝕 ，將 會(huì) 造成巨大的則產(chǎn)損失和人身傷亡。開始人 們采用機(jī)械噴丸產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力對(duì)金屬 零件進(jìn)行噴丸強(qiáng)化，以提高其使用壽命。 但受彈丸沖擊力的影響，機(jī)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(jī)械噴丸后表面產(chǎn)生的凹痕可達(dá)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(qiáng)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(gè)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(rèn)識(shí)到由激光誘導(dǎo)的等離子體可產(chǎn)生強(qiáng) 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(shí)，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(qiáng)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(dá) 數(shù)個(gè)兆帕，其峰值應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的動(dòng) 態(tài) 屈 服 強(qiáng) 度 ，從 而 使 材 料 產(chǎn) 生 密 集 、均 勻 和穩(wěn)定的位錯(cuò)結(jié)構(gòu) , 同時(shí)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(shí)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(jī)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(qiáng)度、耐磨性、 耐腐蝕性和疲勞壽命。由于其強(qiáng)化原理類 似噴丸，因此這種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)稱 為激光噴丸 (Laser Peening) 在發(fā)達(dá)的國(guó) 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(jí) ) 、短脈沖 (10- 9s 量級(jí) ) 的強(qiáng)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(qiáng) 應(yīng)力波 , 當(dāng)應(yīng)力波的峰值超過板料的動(dòng)態(tài) 屈服極限，零件表面就會(huì)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(duì)于材料的動(dòng)態(tài)的屈服強(qiáng)度時(shí)，對(duì)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(dá) 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(shí)，力矩就會(huì)使 板料發(fā)生變形。

2 超聲沖擊技術(shù)

 2.1 技術(shù)簡(jiǎn)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(jìn)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(dòng)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(shí)超聲沖擊改變了原有的 應(yīng)力場(chǎng)，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(qiáng)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(hào)，通過換能器轉(zhuǎn)換為同頻 率的縱波機(jī)械振動(dòng)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(dòng)能量傳達(dá)到金屬材料上。該項(xiàng)技術(shù) 的特點(diǎn)是單位時(shí)間內(nèi)輸出能量高，實(shí)施裝 置的比能量(輸出能量與裝置質(zhì)量之比) 大。振動(dòng)頻率為 18 ~ 27kHz，振動(dòng)線速度 可達(dá) 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(shí) 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(jìn) 有 益 壓 應(yīng) 力 ，使 得沖擊部位得以強(qiáng)化，但是由于超聲沖擊 的性能穩(wěn)定性差，往往會(huì)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(gè)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(jī) 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(jī)臺(tái)輸出功率 .2:HORN 擴(kuò)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(shì)解決了焊接后存在的問題，焊后利用豪克能推動(dòng)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(chǎng)，消除其焊接 應(yīng) 力 ，并 產(chǎn) 生 一 數(shù) 值 的 壓 應(yīng) 力 ，同 時(shí) 使 焊 趾部位的材料得以強(qiáng)化，大幅度提高焊接 接頭的疲勞強(qiáng)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(duì)金屬材料表面進(jìn)行強(qiáng)化的 新型技術(shù)。激光噴丸是一種全新的晶粒細(xì) 化技術(shù) , 它利用強(qiáng)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。