激光喷丸

在实际应用中，很多金属零件会发生弯曲变形。当金属弯曲时，金属外表面处于受拉状态，在拉应力的影响下，表面会产生显微裂纹;随着金属零件弯曲程度的增加，显微裂纹开始扩展，直到裂纹扩展到零件的整个截面，最终使金属折断。如车辆中的变速箱齿轮承受扭转时，齿轮根部发生应变弯曲。金属成形和焊接过程中产生的拉应力能使表面微观缺陷发展为裂纹，从而加速零件的失效。如果航空设备和核发电站的零件受到载荷和振动后，发生应力腐蚀，将会造成巨大的则产损失和人身伤亡。开始人们采用机械喷丸产生残余压应力对金属零件进行喷丸强化，以提高其使用寿命。但受弹丸冲击力的影响，机械喷丸产生的残余压应力的深度是有限的(大约0. 25 mm) , 机械喷丸后表面产生的凹痕可达到0. 03 in，这使得金属表面相当粗糙。

          随着激光技术的广泛应用，人们很快认识到由激光诱导的等离子体可产生强烈的冲击。即当短脉冲(几到几十纳秒)的高能量密度(约200J/cm2)的激光辐照金属表面时，金属表面的吸收层(黑漆)吸收激光能量发生爆炸性汽化，汽化后的蒸气急剧吸收激光能量并形成高温( > 10000K) ,高压(>1 GPa)的等离子体，等离子体受到约束层(水或光学玻璃)的限制，形成高强度压力冲击波，作用于金属表面并向内部传播。由于这种冲击波压力高达数个兆帕，其峰值应力远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生密集、均匀和 稳定的位错结构，同时冲击波贮藏的弹性变形能大于材料所需的屈服、塑性变形能，使表面材料发生屈服和冷塑性变形，同时在成形区域产生有益的残余压应力，其能消除工件因机械加工、热处理、焊接、激光切割、电镀或硬化涂层形成的有害拉应力，从而提高金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命。由于其强化原理类似喷丸，因此这种新型的表面强化技术称为激光喷丸(Laser Peening)。图为激光喷丸的示意图。吸收层(黑漆)的作用是吸收激光能量，以产生等离子体爆炸形成激光冲击波，同时保护板料表面不受激光热损伤。约束层(水或光学玻璃)的作用是阻碍等离子体的膨胀，增强与激光能量的耦合，提高冲击波的压力。