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激光表面強化技術深度解析

2020/10/14

激光表面強化技術作為一種高新材料表面處理辦法,可以有效提升金屬材料的抗疲勞性能并增加強度,在航空飛機/發動機制造業具有重要意義,且關系到國防航空裝備,因此掌握該技術的歐美國家對我國實施技術封鎖。上海潤洽公司立足國內研發力量,致力于激光表面強化關鍵技術的系統集成與工業應用自動化控制開發,不斷持續改進激光表面強化技術的可靠性與可控性。

激光表面強化技術要真正從實驗室走向工業化生產,必須滿足的條件就是提高系統的自動化程度和可靠性,對強化過程的實時監控,這樣才能保證激光表面強化部件的質量。目前在激光表面強化技術在我國工業應用推廣,工業自動化控制是關鍵問題,首先我們需要知道激光表面強化技術需要什么樣的高功率激光器。

1、高功率脈沖激光參數選擇

激光與物質的相互作用是從入射激光被物質反射和吸收開始的。照射在材料表面的激光部分被反射,而其余部分進入材料內部被吸收。假設涂覆于金屬板料表面的涂層僅起到提高金屬表面對激光的吸收作用,將吸收涂層與金屬作為一個整體,僅考慮金屬板料的熱物理特性。當激光能量被靶面吸收后,其強度減弱,所吸收的激光功率密度,在固體內部按布格—拉姆別爾定律(Законом Еугера—Ламберта)變化:式中 I0   入射到材料表面的激光功率密度材料的吸收能力,A=1-RR為反射率)β(x)— 激光在介質中的吸收系數(x:從材料表面向內為正)公式適用于各種不同的材料 。但是,其中A和β的具體數值,因光的吸收及其轉換為熱的機理不同,對不同材料有很大的差別。

激光對物質的作用是高頻電磁場對物質中自由電子或束縛電子的作用,物質對激光的吸收與其物質結構和電子能帶結構有關。一旦激光入射到金屬晶體中,在入射激光強度不引起金屬晶體結構發生根本性重構的情況下,金屬中的自由電子在激光作用下發生高頻振動,通過韌致輻射過程,部分振動能量轉變為電磁波即反射光向外輻射,其余轉化為電子的平動動能,再通過電子與晶格之間的弛豫過程轉變為熱能。導電電子在10-11~10-10秒的時間內把吸收的能量轉化為晶格的熱振動,此過程發生在厚度為δ=10-6~10-5厘米的層內,這一厚度相當于輻射對金屬的穿透深度。顯然,入射到金屬內部的光子面對數量眾多的公有化電子,通過數次非彈性碰撞,光子總會在距表面一個很薄的厚度內被電子吸收。對于大多數金屬來說,其吸收光子的深度都小于0.1μm。金屬間公有化電子之間也在不斷地相互碰撞,其碰撞的平均時間為1013s量級。因此吸收了光子處于高能級狀態的電子將在與其它電子相互碰撞和與晶格聲子的相互作用過程中進行能量傳遞,即進行了能量以熱的形式轉移。因此可以認為金屬內部在吸收光子的作用點上,光能轉變為熱能是在非常短的瞬間完成的。

由于激光表面成形時所采用的功率密度非常高,一般在GW/cm2量級,則任何金屬在這樣高的激光功率密度照射下,表面達到氣化所需的時間均小于1ns(假定沒有激光能量浪費)。由此可見,激光表面時,金屬表面溫升速度極大(大于1012oC/s),因而可忽略液相的存在。

為了使激光表面技術在實際工程中獲得更廣泛的應用,根據激光表面處理中為提高激光表面波峰壓而廣泛采用約束模式的情況,R.Fabbro等人建立了激光表面沖擊波傳播的一維模型,并對沖擊波峰值壓力進行了估算。

激光產生的沖擊波向靶材和約束層中傳播,設其速度分別為D1、D2,在沖擊波作用下,界面將被打開,其位移速度分別為u1、u2。在激光脈沖加熱過程中,被涂層吸收的激光能量一部分用來增加等離子體的內能,另一部分用來打開界面作功,則得到激光脈沖為矩形波時,有如下的峰值壓力估算式:

該公式建立在一維傳播模型基礎上,忽略了等離子體橫向膨脹效應作用,但是作為強激光參數與沖擊波峰值壓力互算已經較為廣泛應用。在激光表面波成形研究中,一般情況下板料直徑明顯大于激光光斑直徑,激光脈沖為納秒量級,光斑尺寸為38mm,單脈沖激光能量需要2050J。

2、 約束層的選擇

在激光表面強化的研究中,人們對約束層的機理及適用的材料進行了較為深入的研究,早在1973年,O’keefe J.D.就對兩種不同的靶面進行了研究,一種情況是直接照射在靶面上,另一種是在靶前加一透明玻璃約束層,實驗表明,在后一種情況下,沖擊波幅值要增加一個數量級,而且沖擊波半高寬度也大大加寬。R. Fabbro等人在假設激光表面波作一維傳播的前提下,建立了約束模式下激光束和約束層和靶材之間的相互作用模型,提出了沖擊波峰值壓力大小的估算式,定量說明了約束模式下,激光誘導的沖擊波峰壓與功率密度、靶和約束層的折合阻抗之間的相互關系。但估算值與實測值之間存在較大的誤差。

目前常用的約束層是固體玻璃和水兩種。在20世紀70年代,使用透明石英為主,由于石英具有較高的聲阻抗(與水相比)和較好的剛性,在一定的功率密度以下能獲得更高的峰壓。Fairand等人對透明容凝石英和純凈蒸餾水進行了對比試驗,在激光功率密度為6×104W/cm26×109W/cm2范圍內,石英和水作為約束層時,在試件表面產生的峰壓差別不太大,這說明約束層材料的聲阻抗對沖擊波峰壓的影響不像預計的那樣大,當激光功率密度大于4×109W/cm2時,兩者的差別將消失。

透明約束層材料對所用的激光波長應該是真正透明的,包括光學玻璃、水、水溶液和其他的一些非腐蝕性液體,如水玻璃、水晶、食鹽、硅酸鹽、熔融的二氧化硅、氯酸鉀、氯化鉀、聚乙烯、熒光塑料、硝酸纖維以及混合物等。

采用水作為約束層時,不僅能增大沖擊波峰壓,而且還能使其脈寬變寬,美國陸軍機動設備研究與發展中心的Fox對水作約束層的作用進行了深入的研究,采用釹玻璃調Q激光裝置,用能量計進行在線能量控制,用Tektronix7904示波器進行激光脈沖波形監控。試樣材料為6061-T6鋁合金,板厚1mm。石英傳感器安裝在試件背面,在試件和傳感器之間涂有薄礦物油以獲得良好的耦合,為了獲得一維平面波,采用大光斑沖擊,光斑直徑約6mm(傳感器的測量頭直徑加三倍時間厚度)。試件表面處理及激光表面分四種情況:

1)試件表面不加任何涂層和約束層,用甲醇清洗所有試樣表面。用30J/cm2能量密度的激光進行沖擊,測得傳播至鋁板背面的應力波峰值壓力為5.8×107Pa,應力波半高寬度約30ns。

2)試件表面僅涂以激光吸收保護層,用用10J/cm2能量密度的激光進行沖擊,測得傳播至鋁板背面的應力波峰值壓力為1.21×108Pa,應力波半高寬度約30ns。

3)試件表面僅覆蓋水層,用用10J/cm2能量密度的激光進行沖擊,測得傳播至鋁板背面的應力波峰值壓力為2.42×108Pa,應力波半高寬度約60ns。

4)試件表面涂以激光吸收保護層再覆蓋水層,用用10J/cm2能量密度的激光進行沖擊,測得傳播至鋁板背面的應力波峰值壓力為3.79×108Pa,應力波半高寬度約60ns。

由此可見,激光吸收保護層僅起到增大應力波峰壓的作用,而水約束層不僅起到增大應力波峰壓的作用,而且還使應力波的半高寬度增大一倍。水作為一種廉價的可回收利用的資源,是激光表面強化工業應用的不二之選。

3、運動控制平臺的選擇

激光表面強化技術作為一種在航空制造與維修領域的新型金屬材料表面處理技術,具有廣闊的應用需求。航空零部件制造工藝復雜,造價昂貴,外形尺寸復雜多變,但重量較輕。針對這以特性,我們選擇的工業機器人具有7軸聯動功能,這7個軸向的聯動可以確保裝夾在軸上的零部件任意部位均能處于激光表面強化的加工位置,并且可以加工大型航空零部件比如航空發動機葉輪。

4、系統集成監控選擇

1)系統的集成控制問題。由于系統中各設備和分系統涉及光學、機電等各種設備。在加工過程中,為保證加工過程的質量,必須協調水(約束層)、機電(運動平臺)、光(激光器)設備的聯合協調工作。但是由于該系統中的各種設備既有如高功率激光器這樣的非標設備也有如關節式機器人這樣的行業標準設備。使得整個系統沒有一個統一的接口標準,這給系統的集成控制帶來了不少的困難。

2)對于強化過程的實時監控問題。對強化過程中重要參數的實時監控是保證激光表面強化質量的關鍵問題。美國沖擊強化標準中規定要對激光束的質量包括能量,時間和(或)空間分布的監控。

除激光器光束的實時監控外,對運動平臺運動位置的實時監控也比較重要,在高重復頻率下,平臺運動是否到位也是保證沖擊部件得到均勻覆蓋率的保證。上海潤洽公司通過開發的系統總線的的控制辦法,解決了系統的集成控制關鍵技術,采用的多級多總線集成控制技術成功的將不同接口標準的各分系統和設備在同一平臺和操作系統下進行無縫連接。并對加工過程中的重要參數進行了實時在線監控。