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科学新讯


第 5 卷- 2017 年 9 月刊
通过激光磨削和激光空泡进行硬铝机械表面处理



图1:浸没式激光喷丸系统示意图


图2:激光磨削和激光空泡


图3:激光空泡显影时间与激光空泡直径之间的关系[9]


图4:激光空泡显影时间与噪音水平之间的关系[9]


图5:通过气泡显影时间和弧高评估的最佳间隔距离


图6:气泡显影时间与弧高之间的关系


图7:随单位面积脉冲数变化而变化的弧高


图8:通过浸没式激光喷丸对含孔硬铝板的疲劳寿命的改进

简介

  激光喷丸可以分为两种类型。其中之一就是将胶带封住或涂上水膜的靶曝光在脉冲激光下[1,2]。另一种类型就是,脉冲激光冲击放置在满水腔室中的靶[3]。在本报告中,后一种激光喷丸方法被称为浸没式激光喷丸处理。

  在上述两种激光喷丸方法中,我们认为脉冲激光产生的激光磨削冲击波会产生喷丸效应。众所周知,在浸没激光喷丸的情况下,激光磨削之后会产生气泡,并且其表现为空泡,即气泡箱冲击波。在本文中,激光磨削之后的气泡称为“激光空泡”。据报道,激光空泡塌陷引起的冲击波远小于激光磨削[4]。然而,与激光空泡冲击波相关的噪声水平比激光磨削高[5,6]。

  在本文中,为了弄清浸没式激光喷丸处理的喷丸机理,我们研究了激光磨削和激光空泡的影响。

浸没式激光喷丸处理的激光磨削和激光空泡

  图1示出了浸没式激光喷丸系统。所用脉冲激光器的最大能量为0.22J,脉冲持续时间为5ns。最后凸透镜的焦距为100mm。脉冲激光冲击放置在满水腔室中的靶。为了检测冲击力,我们开发了手工的PVDF传感器[7,8]。

  使用绝缘材料 - 聚酰亚胺胶带,将PVDF膜置于厚度为30mm的硬铝基上,并将厚度为10mm的硬铝板覆盖PVDF膜。脉冲激光曝光于硬铝板上。

  为了显示激光磨削和激光空泡的情况,图2(a)示出了通过高速摄像所观察到的情况,图2(b)和(c)显示了PVDF传感器和水听器的输出信号。脉冲激光在t = 0时暴露于硬铝板上。在激光磨削之后,激光空泡在t ≈ 1ms处产生并塌陷,然后反弹。反弹产生冲击波以及激光磨削。这就是激光空泡会产生影响的原因。在曝光t = 0之后,PVDF传感器检测到激光磨削引起的冲击力。由激光磨削引起的信号振幅为1.31V。在激光空泡塌陷时,PVDF传感器检测出另一个冲击。t ≈ 1ms时的冲击振幅为2.08V。显然,激光空泡产生的冲击比激光磨削产生的冲击大1.59倍。

  如图2(c)所示,水听器检测到的噪声峰值。请注意,激光空泡的噪声水平与激光磨削水平几乎相同。在本次浸没式激光喷丸处理的情况下,激光空泡的冲击力比激光磨削强得多。因此,通过空泡现象增强激光空泡的冲击力,即可以提高浸没式激光喷丸的喷丸效果。

激光空泡的显像时间

  为了研究浸没式激光喷丸的主要参数,图3示出了激光空泡的显像时间与激光空泡直径之间的关系[9]。在图3中,绘制了由没有靶的脉冲激光产生的球形气泡和由具有靶的脉冲激光产生的半球形气泡。很明显,激光空泡的直径与包括球形气泡和半球状气泡的激光空泡的显影时间成比例。也就是说,当测量激光空泡的显影时间时,可以估计激光空泡的直径。可以得出结论,显影时间(从激光磨削到气泡塌陷的时间)是激光空泡的主要参数之一。

  为了从激光空泡的大小估计塌陷的影响,图4示出了激光空泡的发展时间和激光空泡塌陷时的噪声水平之间的关系[9]。通过放置在满水腔室的水听器检测噪音水平。当显影时间增加时,这意味着气泡大小亦增加,从而塌陷时的噪声水平也增加。当水的气体含量降低时,噪声水平似乎有所增加。也就是说,随着激光空泡大小的增加,激光空泡塌陷时的冲击力会大大增加;冲击力受水质的影响,如水的气体含量比和水温。

喷丸强度与激光空泡显影时间的关系

  为了揭示激光空泡的喷丸强度和显影时间之间的关系,图5(a)示出了激光空泡显影时间随着距离s的变化而变化,距离s是从最后的凸透镜到靶的距离,图5(b)示出了激光能量EL = 0.04J和0.2J时硬铝板的弧高。靶材料是根据日本工业标准JIS A2017-T3制成的硬铝板。靶的厚度为5mm。在已测量电弧高度的情况下,硬铝板以4脉冲/mm2的速度进行处理,并使用阿尔门测量仪进行测量。通过使用来自水听器的输出信号测量显影时间。如图5(a)所示,对于EL = 0.04J和0.2J,激光空泡的显影时间在s ≈ 115mm处具有峰值。激光空泡不能在太短或太长的间隔距离下显影。在显影时间具有最大值时的最佳隔离距离处,激光空泡的直径为最大值,因为气泡的直径与显影时间成比例,如图3所示。另一方面,电弧高度显示,对于EL = 0.04J和0.2J,喷丸强度也在s ≈ 115mm处具有峰值。这意味着电弧高度在显影时间具有最大值的间隔距离处具有峰值。即,当激光空泡的大小为最大时,喷丸强度为峰值。

  如上所述,在浸没激光喷丸的情况下,激光空泡的尺寸受到满水腔室中水质的影响。在浸没式激光喷丸系统中,将淡水送入腔室内,以消除激光磨削造成的污染。污染和粉尘会降低靶上的脉冲激光能量。水中的小小气泡也会降低脉冲激光能量。也就是说,水质影响脉冲激光能量,激光能量会产生激光磨削和激光空泡。当然,激光空泡的大小也受脉冲激光能量本身的影响。为了研究激光空泡的大小与喷丸强度之间的关系,图6示出了激光空泡的显影时间与随脉冲激光能量、间隔距离和水质变化而变化的弧高度之间的关系。弧高h大体随激光空泡的显影时间tD的增加而增加。当对图6的数据假设为线性关系时,获得以下关系。

h = tD3.02     (1)

  即,喷丸强度与激光空泡的体积成正比。

当前浸没式激光喷丸系统的喷丸效果

  为了揭示当前浸没式激光喷丸系统的喷丸效果,图7示出了阿尔门试片测量仪A和硬铝板的弧高。所使用的硬铝板的厚度为5mm。阿尔门试片和硬铝的使用间隔距离分别为118mm和114mm。这些间隔距离是通过测量随间隔距离改变而改变的弧高获得的。如图7所示,弧高h随单位面积np脉冲数的增加而增加。

  为了显示其他喷丸效果,图8示出了使用具有孔的硬铝板的板弯曲疲劳试验的结果。有关疲劳试验和疲劳试样形状的详细资料,参见参考文献[10]。在激光喷丸处理的情况下,以4脉冲/mm2的速度和114mm的最佳间距采用当前浸没式激光喷丸处理系统处理样品。如图8所示,与加工样品相比,激光喷丸试样的疲劳寿命得到了改善。在较低的弯曲应力幅度a下,浸没式激光喷丸处理的改进比例较长。例如,在a = 223Mpa下,加工试样的N为76,600,激光喷丸试样的N为437,400。另一方面,在a = 247Mpa下,加工试样的N为47,800,激光喷丸试样的N为193,200。

结语

  为了研究浸没式激光喷丸的机理,通过使用特殊的手制传感器,使用高速摄像观察激光磨削和激光空泡来测量冲击力。可以得出的结论是,激光空泡塌陷引起的冲击力约是激光磨削的1.6倍。激光空泡的显影时间在最佳喷丸处理条件下具有最大值,因此可用于监测浸没式激光喷丸处理的喷丸强度。

致谢

  衷心感谢Machine Tool Engineering Foundation对此次工作的支持。特此感谢日本东北大学技术人员M.Mikami先生对本实验的支持。

参考文献

[1] O. Hatamleh, J. Lyons, and R. Forman, "Laser and shot peening effects on fatigue crack growth in friction stir welded 7075-T7351 aluminum alloy joints," International Journal of Fatigue, vol. 29, no. 3, pp. 421-434, 2007.
[2] A. Gill, A. Telang, S. R. Mannava et al., "Comparison of mechanisms of advanced mechanical surface treatments in nickel-based superalloy," Materials Science and Engineering: A, vol. 576, pp. 346-355, 2013.
[3] Y. Sano, M. Obata, T. Kubo et al., "Retardation of crack initiation and growth in austenitic stainless steels by laser peening without protective coating," Materials Science and Engineering A, vol. 417, no. 1-2, pp. 334-340, 2006.
[4] A. Sasoh, K. Watanabe, Y. Sano et al., "Behavior of bubbles induced by the interaction of a laser pulse with a metal plate in water," Applied Physics a-Materials Science & Processing, vol. 80, pp. 1497-1500, 2005.
[5] H. Soyama, "Surface mechanics design by cavitation peening," Journal of Engineering, vol. joe.2015.0055, pp. 1-5, 2015.
[6] H. Soyama, H. Sasaki, S. Endo et al., "Mechanical surface treatment of duralumin plate by bubble induced by pulse laser," Journal of Physics: Conference Series, vol. 656, no. 012108, pp. 1-4, 2015.
[7] H. Soyama, A. Lichtarowicz, T. Momma et al., "A new calibration method for dynamically loaded transducers and its application to cavitation impact measurement," Journal of Fluids Engineering, Trans. ASME, vol. 120, no. 4, pp. 712-718, 1998.
[8] H. Soyama, Y. Sekine, and K. Saito, "Evaluation of the enhanced cavitation impact energy using a PVDF transducer with an acrylic resin backing," Measurement, vol. 44, no. 7, pp. 1279-1283, 2011.
[9] H. Soyama, "Similarity between cavitation bubble produced by pistol shrimp and bubble induced by pulse laser," Annual Meeting of Tohoku Branch, JSME, pp. 63-64, 2016.
[10] H. Soyama, "The use of cavitation peening to increase the fatigue strength of duralumin plates containing fastener holes," Materials Sciences and Applications, vol. 5, no. 6, pp. 430-440, 2014.



作者:
Hitoshi Soyama
(工程学博士)教授

日本东北大学纳米力学部门
6-6-01 Aoba, Aramaki, Aoba-ku
Sendai, 980-8579, Japan
邮箱:soyama@mm.mech.tohoku.ac.jp


 
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