激光沖擊處理(Laser Shock Processing，LSP)技術是利用強脈沖激光產生沖擊波來對材料進行強化處理的，在材料表層產生深達1mm及以上的殘余壓應力層。1997年,美國首次將此項技術成功應用于航空發動機單體葉片，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，該項技術的基礎應用領域不斷擴展，已經成為最熱門的表面強化處理技術之一。本文主要介紹激光沖擊處理技術在航空航天、核工業等方面的最新應用實例，如應用于發動機整體葉盤強化、機翼壁板成形、機身小孔強化等，另外還應用于焊接接頭抗疲勞和核電設備延壽等方面。
最新應用情況
1 激光沖擊處理整體葉盤
整體葉盤結構是提高發動機性能、簡化結構、減重、提高可靠性的重要措施。經激光沖擊強化的葉片的抗異物破壞能力和疲勞性能大幅度提升，甚至已強化葉片邊緣缺口小于3 mm時，其使用壽命仍與完好的未強化葉片相當。由于單體葉片性能的提升，減少了因單個葉片損壞而報廢整個葉盤的幾率。在役未強化的整體葉盤葉片出現微小裂紋后，可對其進行激光沖擊處理再制造，疲勞強度仍滿足設計要求。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性問題，并需要開發快速涂層技術和在線質量監測技術[1]。自2003年起，美國空軍已經將激光沖擊處理技術應用于航空發動機的整體葉盤（見圖1），到2009年，F22戰斗機上75%的整體葉盤都經過了激光沖擊處理。
激光沖擊處理整體葉盤
2 激光沖擊處理焊接結構
焊接接頭的力學性能和殘余應力可能引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應力腐蝕破壞以及降低結構的穩定性。美國NASA Johnson Space Center的研究結果表明，經激光沖擊處理后，鋁合金攪拌摩擦焊的焊接接頭的屈服強度、抗拉強度顯著提高(2195鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的屈服強度提高60%，抗拉強度提高11%，見圖2)，且沖擊區有晶粒細化現象。北京航空制造工程研究所將激光沖擊處理應用于激光焊和電子束焊的焊接接頭強化，顯著地改善了原有的焊接應力分布，激光沖擊處理技術有望成為解決高能束焊接接頭疲勞性能分散性大的關鍵技術。
與噴丸強化相比，激光沖擊處理應用焊接接頭方面具有很大的優勢。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效應可知，在循環載荷下，激光沖擊處理產生殘余壓應力更加穩定，如圖2。另外，激光沖擊處理可產生與焊接接頭非常接近的表面質量，有利于疲勞性能。
3 激光沖擊成形機翼壁板
對薄壁結構進行單面激光沖擊處理時，薄壁結構會向未強化面一側彎曲變形，兩個面均為壓應力狀態，控制沖擊參數即可成形薄壁結構，這種技術稱為“激光沖擊成形”。
機翼整體壁板結構較大，型面復雜，而且壁板內部存在加強筋，因此機翼壁板成形已經成為我國飛機制造的重大難題。ARJ21機翼整體壁板采用噴丸成形，但與噴丸成形技術相比，激光沖擊成形的成形曲率更大（見圖3），產生的殘余壓應力更深，更容易控制成形參數。
2008年，波音747-8客機的機翼壁板采用了激光沖擊成形技術，波音公司從MIC公司購置了激光沖擊成形設備，該設備采用雙光路傳輸，地下傳輸光路長達45m[3]。隨著激光沖擊成形技術的發展，該技術必將得到大面積應用。
4 孔結構強化
緊固孔是飛機上典型的應力集中結構，易在疲勞載荷下產生裂紋，尤其是尺寸較小(φ6 mm以下)的孔結構或盲孔用噴丸和冷擠壓工藝的強化效果不理想或難以實現。激光沖擊處理作為新興的表面強化技術，對小尺寸孔、異形孔、盲孔等強化具有很大優勢。將激光束聚焦成環形光斑，沖擊處理小孔周圍區域，在強化表層及次表層產生殘余壓應力[3]。通過對激光光斑能量和形狀的調節以滿足不同的強化效果，如圖5所示，由內而外的3個環形光斑的強化方式獲得的殘余壓應力分布更深更廣，疲勞結果更好。另外，北京航空制造工程研究所的最新研究成果表明，對7050鋁合金而言，對其表面先進行激光沖擊處理，再進行鉆孔，同樣可以大幅度提高孔的疲勞性能。激光沖擊處理對小孔結構性強化的另一個較大優勢就是可以滿足現場強化，可達性好。
圖5 小孔周圍的殘余壓應力分布
5 核工業上的應用
近年來，核電行業發展迅速，但是核電設備的老化一直未能有效地解決。壓力容器焊縫的應力是解決核電設備老化問題的關鍵，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用了此項技術，并開發了可水下作業的激光器設備和光纖傳輸技術，能對φ9.5mm的管道內壁進行強化[4]。此外，核廢料的儲藏和防止泄露也非常重要。大量的核廢料必須儲存在特制的容器中并焊接封存。美國YMP項目利用激光沖擊處理對核廢料儲存容器的Alloy22焊縫進行強化，強化區殘余壓應力層深度超過5mm，其目標是滿足核廢料儲存容器在一萬年內不會因應力腐蝕而泄露。核電是未來我國大力發展的方向，激光沖擊處理技術必將在核工業中大力應用。
6 其他方面的應用
除了在軍工和核電領域的應用，激光沖擊處理還可以應用在民用航空、汽車工業、石油化工、海洋船舶和醫療工業等行業。
在民用航空飛機發動機葉片經激光沖擊處理后，提高了葉片的抗FOD能力和飛機續航能力。截止2008年底，波音公司和空客公司的寬弦風扇葉片強化數量超過35000片；美國的石油、天然氣輸送管道焊接區采用激光沖擊處理技術，提高了管道的抗應力腐蝕疲勞壽命，預計將產生數十億美元的經濟效益；目前用于人體的醫療植入物，大多數為鈦合金制造，但是鈦合金的微動疲勞性能極差，激光沖擊處理可將鈦合金的微動疲勞壽命提高10~25倍。
最新技術發展
1 光束移動強化方式
以往的激光沖擊處理一般采用激光束固定、工件移動的強化方式，這種方式的流水約束層的實施相對方便。但是，對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，移動零件的強化方式難以實施，必須采用零件固定、光束移動的方式，美國MIC公司研發的光束掃描系統可實現激光束的快速定位、轉動等（見圖6）。
2 方形光斑
美國MIC公司和LSPT公司已經開始使用方形光斑進行激光沖擊處理，主要是由于方向光斑存在可以避免圓形光斑在沖擊區中心產生的應力空洞現象的優勢。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鏡片組合，以實現光束整形，輸出方形光斑。
3 提高低周疲勞性能
最新研究結果表明，激光沖擊處理同樣可以提高零件的低周疲勞性能，如應用在轉動面、復雜型面、溝槽等部位。激光沖擊處理產生的殘余壓應力層深、強化效果的熱穩定性好、配合其他強化技術，預計可提高低周疲勞2倍以上。
結束語
激光沖擊處理是一項新興的表面強化技術，在某些場合具有不可替代的作用，潛在巨大的經濟市場。目前，只有美國將此技術應用到實際生產領域，并產生了顯著的經濟效益和國防效益。國內目前還沒有應用實例，但已具有良好研究基礎，該技術必將在國內踏上產業化的征途。
參考文獻
[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.(end)
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