激光喷丸设备（激光冲击喷丸作为焊后处理技术）

江苏激光联盟导读：

本文探讨了激光冲击强化作为焊接后处理技术的研究进展。

摘要

激光冲击喷丸(LSP)是一种现代而高效的热机械方法，用于工程和修改材料的表面和亚表面相关性能，是当代喷丸领域研究人员经常选择的方法。这篇综述文章的主要目的是强调LSP作为一种焊后处理方法，这可能有助于LSP的商业化，这一直被认为是一个挑战。与传统的焊后处理方法相比，激光焊接和激光冲击强化相结合是提高焊接质量的一种替代方法。在此基础上，回顾了近几十年来有关焊接和喷丸强化的报告。讨论了激光冲击焊对不同焊接件的力学性能和显微组织的显著影响，以及激光冲击焊的分类和重要参数。我们得出结论，LSP确实可以作为一种有效的焊接后处理(PWT)方法用于工业制造过程。

1. 介绍

激光冲击喷丸(laser shock peening, LSP)是一种利用高能激光束在金属构件表面及其附近施加有益的残余压应力的表面工程和改性工艺。LSP引起的深度(mm量级)和较大的残余压应力(数百MPa)通过延迟裂纹的萌生和扩展时间，增加了材料对表面相关失效(如疲劳和微动疲劳)的抵抗能力。在接下来的章节中，我们将追溯一般表面修饰过程历史中的关键事件，特别是导致LSP建立为主导过程的事件。

如果我们考虑古代不同时代的人类文明，我们可以注意到他们在日常生活中不断提高材料质量的努力。从盔甲到武器和工具，再到交通工具，一切都需要不断改进，以获得更好的生命周期和好处。在这一追求中，不同的方法，如锤击、轧制、抛光和喷丸被开发出来，以改变相关的性能(机械、冶金和微观结构)。在一些文献中，这些方法也被强调为预加应力材料的方法，因为它们通过诱导残余应力使材料处于应力状态。残余应力有拉伸和压缩两种类型。残余拉应力是有害的(因为它可以加速“纯”机械疲劳和腐蚀疲劳等失效机制的速率)，而残余压应力是有益的(因为它可以减缓失效机制)。

焊接残余应力的形成:(a)室温;(b)加热中棒;(c)返回室温，中间杆未连接;(d)返回室温，中间条接通。

当焊接产生的残余压应力超过零件的临界屈曲强度时，就会出现屈曲变形。焊接残余应力的形成通常采用三杆法。上图显示了三个等长的杆在两端相连。深色的是热的，浅色的是冷的。符号S表示他们的重音状态。中间钢筋对应于焊接区域，且被认为比对应于该部分其余部分的侧钢筋直径更小。焊接前，图a，所有焊条均为室温，零应力。当中间杆被加热时(图b)，它会沿着边杆膨胀并拉扯。中筋受压，侧筋受拉。如果温度较高，如焊接时，材料的屈服强度下降，中间棒材因塑性永久变形。当中间的条回到室温时，它会收缩。如果杆件不连接，如图c，在室温下，由于塑性变形，杆件会比侧杆件短。然而，由于它是连接的，图d，它将侧杆压缩。中间的杆现在处于拉紧状态。因此，焊接后预期焊接区域处于拉伸状态，基材处于压缩状态。

在喷丸法被引入之前，表面改性领域主要采用锤击、抛光和滚压等方法。在20世纪20年代，喷丸(最初被称为抛丸)的概念被提出，同时寻找合适的方法来清洁钢。这一时期的研究人员注意到，对气门弹簧、连杆、转向臂和转向节、轴、齿轮和小齿轮进行抛丸清理可以提高寿命和抗疲劳性能，并被应用于汽车工业。

据报道，在第二次世界大战期间，喷丸技术被应用于装甲和飞机工业，以提高用于制造武器和飞机的机械部件的强度和耐久性。到20世纪50年代，喷丸强化被认为是公认的冶金方法之一，也出现在应用物理学的文献中。喷丸法在金属构件表面及其附近产生残余压应力(CRS)的方法中占主导地位达60多年，具有明显的优点和缺点。随着喷丸强化相关的研究论文和专利的不断涌现，研究的规模不断扩大。随着20世纪60年代脉冲激光技术的发明，研究的方向也在不断扩大，寻求其在提高材料强度方面的应用。

主要的突破发生在20世纪60年代末，当时新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚实验室的Anderholm发现，通过将扩张的等离子体限制在目标表面，可以实现更高的等离子体压力(由材料-激光相互作用发展而来，对创建CRS很有用)。随后，Anderholm 和Boade通过放置对激光束透明的石英覆盖层，牢牢地贴在目标表面，来限制等离子体。他们限制等离子体的方法极大地增加了产生的压力，压力峰值为1到8 GPa，比无约束等离子体压力大一个数量级。

20世纪70年代，来自BCL(Battelle Columbus Laboratories, USA)的研究人员研究了激光产生的应力波在材料加工中的实际应用及其对材料力学和微观结构方面的影响。同样，Fabbro等、Devaux、，法国LALP的Berthe、和Peyre等广泛研究了具有不同工艺参数的受限几何中激光产生等离子体的性质，并为更深入理解LSP过程背后的基本物理贡献了更多。从而使LSP过程成为现代冶金中一个新兴的应用研究领域。

不同等级的材料，如钢，铝，铜，镁，超级合金和块状非晶合金在过去已经成功喷丸和各种研究人员讨论了其有益的影响。大多数研究人员对LSP过程与其他常规喷丸方法进行了独立和对比研究，如喷丸(SP)、超声波冲击喷丸(UIP)、油喷丸(OJP)和水喷丸(WJP) ，结果表明，与常规喷丸方法相比，LSP在诱导CRS层深度、表面粗糙度和可靠性方面均有显著提高。在考虑喷丸过程时，最重要的因素是残余应力。喷丸试样的其它力学性能和显微组织性能在很大程度上取决于残余应力。这一事实有助于我们理解，在拉伸残余应力高且有害的情况下，LSP工艺可以更好地减少金属构件的表面相关失效。据我们所知，这种情况主要出现在焊件的焊接接头处和焊件周围，这是由于焊接在加热和冷却循环过程中受限制的伸缩所致。不同的研究人员对焊接试样进行了喷丸强化，并对其对焊接的影响进行了表征，并进行了一些显著的改进。

如果仔细观察LSP过程领域的研究趋势，则只有学术研究占主导地位，其产业化仍是一个挑战。因此，在这一领域中最重要的一步是开始快速工业化，其中“焊接和喷丸联合”的想法可能是一个有前途的想法。在焊接的背景下，即使是单个的汽车和飞机单元也至少有1000-2000个焊点，并且大多数焊点都位于非常关键的部位，起到非常关键的作用。在使用之前，如果能够对包含焊接区域的表面进行激光冲击处理，就更长的和有前途的使用寿命而言，这将是更好的。同时，关于焊件激光冲击强化的文献非常缺乏，也没有专门的综述文章专门介绍焊件的激光冲击强化。不同的研究人员对焊接和喷丸]进行了综述，涵盖了焊接和喷丸的大部分概念。因此，在这项工作中，我们的尝试将主要集中在通过广泛的回顾，包括焊接和LSP的各个方面，来填补激光冲击强化这一有趣领域中出现的空白。

2. 激光焊接(LBW)及其相对于传统焊接的优点

焊接是一个非常复杂的过程，具有非常难以理解的配置。焊接可定义为“先熔化后连接”;然而，在现实中，这是非常复杂的。即使熔化、连接和凝固都发生在很短的时间内，焊接件也会经历各种机械、热、冶金和显微组织的变化。此外，焊时合金元素的蒸发和时效时间、焊后时效的类型和条件也对焊件质量起着重要的决定作用。焊接的影响可以改变焊件的性能，使其与母材之间存在着复杂的热、力学和冶金现象的相互作用，从而导致焊缝质量不理想。在焊接过程中，热机械相互作用结合冶金历史，导致母材区、热影响区和熔合区组织分布不均匀。

与传统焊接方法(GTA或GMA焊、TIG焊、FSW等)相比，激光焊接具有许多优点，如热影响区(HAZ)窄、焊缝区域细、静态机械性能好、焊接速度快、成本低、与工件的非接触相互作用以及焊件的对称焊接几何形状。

角焊缝宏观切面表现为粗晶热影响区(含氢裂纹)、暗腐蚀细晶热影响区和轻腐蚀临界区。

热影响区可以划分为几个区域，如上图所示。在熔化边界本身的轻微成分变化，即在熔化的焊缝金属和未熔化的母钢之间的边界，描述在焊缝金属部分的末端。这通常会导致在一个晶粒直径范围内的热影响区(HAZ)在成分上比离边界稍远的晶粒更细，更软。然而，如果焊缝金属的成分比母钢丰富(如果使用不锈钢填料，这是可能的)，则情况可能相反。在熔合边界附近，热影响区暂时被加热到其熔化温度，即大约1500°C。这种加热使显微组织转变为奥氏体高温形态，并使其晶粒尺寸粗化至100 μm或以上，而细晶粒钢的晶粒尺寸为10-30 pm。在冷却时，奥氏体转变为马氏体、贝氏体、铁素体 珠光体，或这些成分的混合物，取决于冷却速率

尽管激光焊接能够生产出高质量的焊件，但在飞机、航空航天和汽车工业中有时需要混合结构，因此需要焊接不同的材料组合。这是一项非常困难的技术任务，因为物理性能的重要不匹配、相互溶解度的限制和金属间相的形成，最终导致常见的缺陷，如热裂、气孔和熔合区软化(弱化)。焊后热处理(强化和消除焊件应力的传统方法)可以提高熔合区强度，但不能像母材那样恢复，并且仅限于某些可热处理材料。因此，在接下来的章节中，我们将讨论LSP作为激光焊接后处理的一种替代方法。

3.LSP的流程概述、分类及重要参数

目前已有文献对激光冲击强化工艺进行了较为广泛的综述。因此，我们在本节简要讨论了流程概述，然后是LSP的分类(这在迄今为止的任何其他评论中都没有讨论过)和它的主要参数。

3．1. 激光冲击强化工艺综述

激光冲击强化工艺示意图如图1所示。当激光被触发时，它通过透明覆盖层(限制介质)到达被喷丸表面，被不透明层或牺牲层覆盖。激光脉冲的持续传输使蒸发的物质迅速加热和电离，转化为迅速膨胀的等离子体。同时，在约束介质与目标表面之间膨胀等离子体所施加的压力以高振幅冲击波的形式进入目标表面。当冲击波的振幅超过目标的Hugoniot弹性极限(HEL)时，材料在冲击波通过时发生塑性变形，并在目标表面以下产生残余压应力。残余压应力的大小在表面或直接以下是最高的，并随着深度的函数而变化。

图1 LSP示意图。

３．２．激光冲击强化的分类

从喷丸本身的发展和发明开始，新的方法和改进(在传统和现代喷丸)在不同的时间发生了变化。因此，今天我们有大约六种可用的喷丸方法，其中大多数都或多或少具有独特和显著的优点和局限性。虽然所涉及的原理没有变化，但激光冲击冲击强化是根据待冲击试样的表面状况和周围温度进行分类的，如图2所示。

图2 喷丸分级流程图。

样品表面状况

i) 带涂层的LSP

ii）无涂层LSP（LPwC）

环境温度

i）低温激光冲击喷丸（CLSP）

ii）室温激光冲击喷丸（RT-LSP）

iii）热激光冲击喷丸（WLSP）

根据样本的表面状态，LSP可分为两类;LSP带涂层和不带涂层(LPwC)。与传统的涂层LSP相比，LPwC是Sano等人开发的最新的改性LSP。但两者的工作原理和过程机制是相同的。LPwC非常适合水下样品，因为在水下样品中喷涂不透明层比较困难。在LPwC中没有涂层的情况下，激光束直接与被喷丸试样的表面相互作用，发生轻微的烧蚀，但总体性能保持不变。与传统LSP相比，LPwC具有成本效益和时间节省，因为peener无需担心牺牲层的选择。这种方法在我们实验室也成功地应用于钢以及铝、钛和高温合金的激光喷丸。

根据周围温度，LSP可以分为三类;低温激光冲击强化(CLSP)、室温激光冲击强化(RT-LSP)和温高温激光冲击强化(WLSP)。WLSP和CLSP的工艺机理和原理与RT-LSP相同，只是保持温度不同。由于激光冲击强化还涉及到材料的力学和显微组织性能，因此“样品保持温度”一词在改变材料性能方面起着重要作用。

高强度、延性好、机械性能(残余应力)稳定的材料一直是工业需求的要求。纳米晶材料也被认为是高强度材料，可以满足这一要求，可以通过剧烈的塑性变形来制备，但由于纳米晶粒的位错积累能力较低，因此具有较低的延展性。在循环加载过程中，特别是高周试验时，LSP等方法产生的残余压应力也不稳定。因此，开发适合低温、高温、低循环和高循环加载的材料是很有前途的一种材料。CLSP通过抑制缺陷的恢复(稳定变形)和诱导高密度变形孪晶(在可能的情况下，而WLSP则通过锁定移动位错(稳定位错结构)和产生超高密度纳米沉淀(在高应变率变形和高温下)来提高材料的强度而不影响延性。尽管CLSP和WLSP具有独特的特性，但到目前为止，仍然可以使用非常薄弱的报告。因此，有必要对CLSP和WLSP进行更多的研究，以强调和欣赏这些改进的LSP方法的好处。

3.3 LSP的重要参数

太阳能发电的主要贡献和影响因素是压缩残余应力引起的塑性变形产生的冲击波压力高通道使用高功率密度的激光束。这是所有激光冲击试样力学性能变化中最先发生的变化。激光冲击试样在机械和显微结构方面的其他变化(在大多数情况下)取决于残余应力的产生及其性质。因此，主要是直接或间接地诱发大量的残余应力，并控制其性质。同时，人们不得不承认，残余应力的产生有时取决于之前的热机械循环和材料的微观结构。残余应力的产生依赖于某些参数，这些参数被Montross等人、Gujba和Medraj广泛地研究。在本节中，我们将简要讨论激光冲击强化的主要参数。

3.3.1 限制介质和牺牲层

激光冲击强化基本上可以用两个主要部件进行;高功率密度激光系统和透明覆盖层(限制介质)。透明叠加功能有两种不同的方式;首先，它允许脉冲激光束通过它朝向被喷射的试样而不造成明显的激光能量损失;其次，它有助于限制激光产生的、迅速膨胀的等离子体，最终导致冲击波压力从试样表面向下传播。

当LSP工艺发明时，石英被用作限制介质，后来在BK7玻璃、有机玻璃、硅橡胶、Hong等人也使用了K9玻璃和Pb玻璃，但迄今为止，室温激光冲击强化(RT-LSP)使用最频繁和最广泛的限制介质是水，因为水很容易获得，也可以限制最复杂的表面。尽管在文献中提到，使用石英和玻璃作为限制介质可以获得良好的残余应力分布，但使用石英或玻璃作为限制介质存在一些限制，例如它们仅适用于扁平样品，并且必须在每次LSP工艺后更换。

在LSP中，首先在工件或目标表面涂上不透明层(牺牲层或烧蚀层或通常称为涂层)，它可以是黑色胶带或黑色铝胶带或黑色油漆。这也是LSP文献中讨论最多的话题之一，不同的研究者在这一背景下有不同的前瞻性观点。Rubio Gonzalez等人和Salimianrizi等人的文献表明，如果使用牺牲层，那么LSP过程将变得纯粹机械化，因为激光脉冲和待喷丸样品表面之间的热相互作用将非常少，甚至烧蚀将限制在烧蚀层的厚度内层LSP也可以在没有烧蚀层的情况下进行，在这种情况下，脉冲激光束与被喷丸材料表面发生直接相互作用，LSP可以被称为一个热机械过程。无涂层的LSP是由Sano等人发起的，他们成功地喷丸了各种材料，这种方法通常被称为无涂层激光喷丸(LPwC)。有涂层和无涂层的研究有很多，每一种都有独特的意义和好处，因为两者都能产生残余压应力。

3.3.2 激光功率密度和波长

激光喷丸试样的残余应力通常是作为深度的函数来测量的，喷丸影响所达到的深度称为有效喷丸深度。激光冲击试样的有效深度取决于约束等离子体产生的冲击波压力的大小。Peyre等人和Berthe等人的工作表明，冲击波压力随所用激光入射功率密度的平方根而变化。因此，激光冲击强化中残余应力的分布也取决于激光冲击强化的功率密度。

随着功率密度的增大，影响残余应力和其他机械性能的另一个参数是激光LSP所用的激光波长。这是LSP文献中研究较少的参数之一。Berthe等用测速干涉仪表征了Nd:YAG激光器基波(IR-1.064 μm)、二次谐波(Green-0.532 μm)和三次谐波(UV-0.355 μm)辐射下的水承压激波压力。

他们研究了激光产生等离子体的冲击波压力分布（峰值压力和冲击波压力持续时间），作为每个入射波长的激光功率密度的函数，并观察到在UV（4 GW/cm2和3.5 GPa）和绿色（6 GW/cm2和5 GPa）波长与IR（10 GW/cm2和5 GPa）。在其结果的第二部分中，在较低的功率密度范围（1–3）下观察到压力持续时间急剧减少紫外线波长比红外波长（11–13 超过这些功率密度范围，压力持续时间变得更短，这也得到了同一组之前工作结果的支持，该组在冲击波压力饱和后，随着功率密度的增加，冲击波持续时间缩短。然而，与红外（0.25）相比，紫外（0.40）和绿色（0.40）波长的激光相互作用效率（定义转化为激光产生等离子体压力的等离子体内能分数的参数）更高。

在另一种情况下，Gomez-Rosas等人也对6061-T6铝进行了波长为1064 nm和532 nm的LSP实验，并比较了它们的效果。结果显示了更高的压缩残余应力值与1064年纳米波长(950− MPa 650− MPa)比532年纳米波长(750− MPa 600− MPa)但不同意Berthe 等的结论,他们认为高残余应力峰值压力(这意味着更高的效率或更高有效深度)可以预期在绿色相比IR波长。本文的实验者还对Ti-2.5Cu进行了LPwC，并研究了两种波长的辐射对硬化软化机制和疲劳行为的影响。他们观察到表面软化直到500 μm(在532 nm)和200 μm(在1064 nm)的深度，这归因于材料的激光束的热相互作用。机械软化(在材料内部，由于与绝热加热有关的过程)被发现是用于喷击的激光波长的函数，并得出结论，如果波长较短，这种软化的开始时间较早。残余应力和疲劳行为也有类似的趋势，这支持了软化机制。如前所述，过去很少有病例报告使用波长相关的激光冲击强化，因此需要更多的研究才能得出明确的结论。

来源：Review: Laser shock peening as post welding treatment technique，Journal ofManufacturing Processes，doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.04.006

参考文献：E. Hawkinson，Shot peening history，SAE ISTC Div，(1962), p. 20，G.F. Bush, J.O. Almen, L.A. Danse, J.P. Heiss，How, whenand by whom was mechanical prestressing discovered，n.d.，https://www.shotpeener.com/library/pdf/1962003.pdf

江苏激光联盟陈长军原创作品！

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