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激光表面强化技术深度解析

2020/10/14

激光表面强化技术作为一种高新材料表面处理办法,可以有效提升金属材料的抗疲劳性能并增加强度,在航空飞机/发动机制造业具有重要意义,且关系到国防航空装备,因此掌握该技术的欧美国家对我国实施技术封锁。上海润洽公司立足国内研发力量,致力于激光表面强化关键技术的系统集成与工业应用自动化控制开发,不断持续改进激光表面强化技术的可靠性与可控性。

激光表面强化技术要真正从实验室走向工业化生产,必须满足的条件就是提高系统的自动化程度和可靠性,对强化过程的实时监控,这样才能保证激光表面强化部件的质量。目前在激光表面强化技术在我国工业应用推广,工业自动化控制是关键问题,首先我们需要知道激光表面强化技术需要什么样的高功率激光器。

1、高功率脉冲激光参数选择

激光与物质的相互作用是从入射激光被物质反射和吸收开始的。照射在材料表面的激光部分被反射,而其余部分进入材料内部被吸收。假设涂覆于金属板料表面的涂层仅起到提高金属表面对激光的吸收作用,将吸收涂层与金属作为一个整体,仅考虑金属板料的热物理特性。当激光能量被靶面吸收后,其强度减弱,所吸收的激光功率密度,在固体内部按布格—拉姆别尔定律(Законом Еугера—Ламберта)变化: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为反射率)β(x)— 激光在介质中的吸收系数(x:从材料表面向内为正)公式适用于各种不同的材料 。但是,其中A和β的具体数值,因光的吸收及其转换为热的机理不同,对不同材料有很大的差别。

激光对物质的作用是高频电磁场对物质中自由电子或束缚电子的作用,物质对激光的吸收与其物质结构和电子能带结构有关。一旦激光入射到金属晶体中,在入射激光强度不引起金属晶体结构发生根本性重构的情况下,金属中的自由电子在激光作用下发生高频振动,通过韧致辐射过程,部分振动能量转变为电磁波即反射光向外辐射,其余转化为电子的平动动能,再通过电子与晶格之间的弛豫过程转变为热能。导电电子在10-11~10-10秒的时间内把吸收的能量转化为晶格的热振动,此过程发生在厚度为δ=10-6~10-5厘米的层内,这一厚度相当于辐射对金属的穿透深度。显然,入射到金属内部的光子面对数量众多的公有化电子,通过数次非弹性碰撞,光子总会在距表面一个很薄的厚度内被电子吸收。对于大多数金属来说,其吸收光子的深度都小于0.1μm。金属间公有化电子之间也在不断地相互碰撞,其碰撞的平均时间为1013s量级。因此吸收了光子处于高能级状态的电子将在与其它电子相互碰撞和与晶格声子的相互作用过程中进行能量传递,即进行了能量以热的形式转移。因此可以认为金属内部在吸收光子的作用点上,光能转变为热能是在非常短的瞬间完成的。

由于激光表面成形时所采用的功率密度非常高,一般在GW/cm2量级,则任何金属在这样高的激光功率密度照射下,表面达到气化所需的时间均小于1ns(假定没有激光能量浪费)。由此可见,激光表面时,金属表面温升速度极大(大于1012oC/s),因而可忽略液相的存在。

为了使激光表面技术在实际工程中获得更广泛的应用,根据激光表面处理中为提高激光表面波峰压而广泛采用约束模式的情况,R.Fabbro等人建立了激光表面冲击波传播的一维模型,并对冲击波峰值压力进行了估算。

激光产生的冲击波向靶材和约束层中传播,设其速度分别为D1D2,在冲击波作用下,界面将被打开,其位移速度分别为u1u2。在激光脉冲加热过程中,被涂层吸收的激光能量一部分用来增加等离子体的内能,另一部分用来打开界面作功,则得到激光脉冲为矩形波时,有如下的峰值压力估算式:

该公式建立在一维传播模型基础上,忽略了等离子体横向膨胀效应作用,但是作为强激光参数与冲击波峰值压力互算已经较为广泛应用。在激光表面波成形研究中,一般情况下板料直径明显大于激光光斑直径,激光脉冲为纳秒量级,光斑尺寸为38mm,单脉冲激光能量需要2050J

2、 约束层的选择

在激光表面强化的研究中,人们对约束层的机理及适用的材料进行了较为深入的研究,早在1973年,O’keefe J.D.就对两种不同的靶面进行了研究,一种情况是直接照射在靶面上,另一种是在靶前加一透明玻璃约束层,实验表明,在后一种情况下,冲击波幅值要增加一个数量级,而且冲击波半高宽度也大大加宽。R. Fabbro等人在假设激光表面波作一维传播的前提下,建立了约束模式下激光束和约束层和靶材之间的相互作用模型,提出了冲击波峰值压力大小的估算式,定量说明了约束模式下,激光诱导的冲击波峰压与功率密度、靶和约束层的折合阻抗之间的相互关系。但估算值与实测值之间存在较大的误差。

目前常用的约束层是固体玻璃和水两种。在20世纪70年代,使用透明石英为主,由于石英具有较高的声阻抗(与水相比)和较好的刚性,在一定的功率密度以下能获得更高的峰压。Fairand等人对透明容凝石英和纯净蒸馏水进行了对比试验,在激光功率密度为6×104W/cm26×109W/cm2范围内,石英和水作为约束层时,在试件表面产生的峰压差别不太大,这说明约束层材料的声阻抗对冲击波峰压的影响不像预计的那样大,当激光功率密度大于4×109W/cm2时,两者的差别将消失。

透明约束层材料对所用的激光波长应该是真正透明的,包括光学玻璃、水、水溶液和其他的一些非腐蚀性液体,如水玻璃、水晶、食盐、硅酸盐、熔融的二氧化硅、氯酸钾、氯化钾、聚乙烯、荧光塑料、硝酸纤维以及混合物等。

采用水作为约束层时,不仅能增大冲击波峰压,而且还能使其脉宽变宽,美国陆军机动设备研究与发展中心的Fox对水作约束层的作用进行了深入的研究,采用钕玻璃调Q激光装置,用能量计进行在线能量控制,用Tektronix7904示波器进行激光脉冲波形监控。试样材料为6061-T6铝合金,板厚1mm。石英传感器安装在试件背面,在试件和传感器之间涂有薄矿物油以获得良好的耦合,为了获得一维平面波,采用大光斑冲击,光斑直径约6mm(传感器的测量头直径加三倍时间厚度)。试件表面处理及激光表面分四种情况:

1)试件表面不加任何涂层和约束层,用甲醇清洗所有试样表面。用30J/cm2能量密度的激光进行冲击,测得传播至铝板背面的应力波峰值压力为5.8×107Pa,应力波半高宽度约30ns

2)试件表面仅涂以激光吸收保护层,用用10J/cm2能量密度的激光进行冲击,测得传播至铝板背面的应力波峰值压力为1.21×108Pa,应力波半高宽度约30ns

3)试件表面仅覆盖水层,用用10J/cm2能量密度的激光进行冲击,测得传播至铝板背面的应力波峰值压力为2.42×108Pa,应力波半高宽度约60ns

4)试件表面涂以激光吸收保护层再覆盖水层,用用10J/cm2能量密度的激光进行冲击,测得传播至铝板背面的应力波峰值压力为3.79×108Pa,应力波半高宽度约60ns

由此可见,激光吸收保护层仅起到增大应力波峰压的作用,而水约束层不仅起到增大应力波峰压的作用,而且还使应力波的半高宽度增大一倍。水作为一种廉价的可回收利用的资源,是激光表面强化工业应用的不二之选。

3、运动控制平台的选择

激光表面强化技术作为一种在航空制造与维修领域的新型金属材料表面处理技术,具有广阔的应用需求。航空零部件制造工艺复杂,造价昂贵,外形尺寸复杂多变,但重量较轻。针对这以特性,我们选择的工业机器人具有7轴联动功能,这7个轴向的联动可以确保装夹在轴上的零部件任意部位均能处于激光表面强化的加工位置,并且可以加工大型航空零部件比如航空发动机叶轮。

4、系统集成监控选择

1)系统的集成控制问题。由于系统中各设备和分系统涉及光学、机电等各种设备。在加工过程中,为保证加工过程的质量,必须协调水(约束层)、机电(运动平台)、光(激光器)设备的联合协调工作。但是由于该系统中的各种设备既有如高功率激光器这样的非标设备也有如关节式机器人这样的行业标准设备。使得整个系统没有一个统一的接口标准,这给系统的集成控制带来了不少的困难。

2)对于强化过程的实时监控问题。对强化过程中重要参数的实时监控是保证激光表面强化质量的关键问题。美国冲击强化标准中规定要对激光束的质量包括能量,时间和(或)空间分布的监控。

除激光器光束的实时监控外,对运动平台运动位置的实时监控也比较重要,在高重复频率下,平台运动是否到位也是保证冲击部件得到均匀覆盖率的保证。上海润洽公司通过开发的系统总线的的控制办法,解决了系统的集成控制关键技术,采用的多级多总线集成控制技术成功的将不同接口标准的各分系统和设备在同一平台和操作系统下进行无缝连接。并对加工过程中的重要参数进行了实时在线监控。