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科学新讯


第 6 卷- 2018 年 3 月刊
针对高重复率应用优化激光冲击强化



图1:二极管泵浦激光器Procudo® 200激光冲击系统


图2:激光冲击强化Ti-6Al-4V在不同脉冲重复频率下的残余应力数据

激光冲击强化(LSP)使表面增强发生革命性的变化,成为金属耐疲劳性和故障防范的新标杆。激光冲击工艺使用高能脉冲在金属部件表面产生强大的冲击波,这些机械冲击波使材料发生塑性变形,其产生的压缩残余应力可达到以前用抛喷丸强化和滚压技术无法达到的深度。
因为燃气涡轮和汽轮机制造商采纳了激光冲击技术,使得使用寿命增加、部件故障减少、检测要求减少、维护成本降低,从而为航空航天和发电厂客户节省了数百万美元。这些性能优势证明了激光冲击工艺作为一种节约成本的工业应用,可防止因疲劳裂纹、应力腐蚀开裂或异物损坏而导致零件故障。
然而,尽管激光冲击强化作为抛喷丸强化的替代方法取得了越来越大的成功,但是激光冲击强化的广泛应用却面临着一些障碍。对于关键的航空航天零件而言,早已证实材料强化效果和部件优势具有成本效益,但相对较高的加工费用和较低的生产率使其应用仅限于精选的高价值部件。
为了降低加工成本并将激光冲击技术扩展到更广阔的市场,LSP Technologies(LSPT)开发出一个针对大批量激光冲击强化的优化生产系统。这项工作需要大量的创新,才能生产出满足全球OEM厂商需求的高重复率激光冲击强化系统。如今,LSP Technologies首次展示了通过全力运行的Procudo® 200激光冲击系统(图1)获取的残余应力数据。这些结果表明,通过在高达20Hz的速率下进行加工可以实现材料优化的一致性,为这种破坏性技术设立了新的性能基准。

打造一种具有更高效率的激光系统

直到近期为止,所有的激光冲击系统都使用闪光灯产生的宽频带光脉冲来激发由专门的玻璃或晶体组成的激光增益介质。这种被称为“抽运”的过程使用闪光灯产生的“白光”能量将增益介质中的电子瞬间激发到更高的能级。当电子回落到其自然基态时,它将发射特定波长的光子(即增益介质的激光波长)。当更多的电子达到激发态而不是保持在基态时,系统实现“粒子数反转”,而激光束可以进行放大。
闪光灯的主要缺点是效率低下。闪光灯发出广谱白光,其中只有一小部分有助于增益介质的粒子数反转。每个闪光灯的大部分输出以热能的形式浪费,激光棒的这种发热会降低光束质量并限制激光的重复率。因此,闪光灯泵浦的激光冲击系统通常以低于50瓦的平均功率运行,这也是处理大型加工领域和大批量部件的制约因素。
为了提高脉冲速率以提高生产量,LSPT围绕下一代二极管泵浦激光器技术设计了Procudo®激光冲击系统。二极管泵浦激光器以高效的二极管代替低效的闪光灯。这些二极管发射特定波长的光,容易激发增益介质中的电子。随着系统中能量损失和热量累积的减少,可以更频繁地使输送激光脉冲的速率高于当前的闪光灯泵浦激光冲击系统。
凭借二极管泵浦激光器技术,在20Hz的速率下,200瓦的Procudo® LSP系统每次脉冲可输出10焦耳的能量。以这个速度来进行加工,生产量在传统闪光灯泵浦系统基础上增加了4-40倍。脉冲速率和系统效率的显著提高使得LSPT能够降低每个零件的费用,并开发出适用于新零件和新产业的大批量应用。

迅速加工处理

激光结构的进步产生了一个每秒输出二十次高能脉冲的系统。然而,以这种速率进行激光冲击强化也为其自身带来了一系列逻辑挑战,只有克服了这些挑战,20Hz的激光冲击强化才能产生最佳结果。
激光冲击强化通常使用零件处理机器人和一系列工艺叠层来执行。机器人操纵冲击单元内的零件,在每个激光脉冲前精确地定位部件。在1Hz或2Hz的处理速率下,机器人可以可靠地沿着每个位置移动零件,在输送激光时暂停移动,然后重新定向下一个脉冲。当以20Hz处理时,这种定位方法就变得不切实际。脉冲到达太快,致使机器人无法在每个位置暂停,机器人与激光没有进行仔细协调的情况下,零件的加速度可能会使冲击模式发生歪斜。为了克服这个问题,LSPT的工程师不得不设计新的自动化和控制软件以有效地对移动目标进行冲击强化,同时为高重复率应用采用新的冲击模式和序列。
快速激光冲击强化的另一个挑战是保持透明覆盖层的完整性。每个激光脉冲在部件表面产生高压等离子体破裂。这种膨胀的等离子体使材料受到冲击,并将高振幅压力波传递到执行塑性变形的零件。透明覆盖层(通常为流动的水)用在处理区域上,以约束膨胀的等离子体并放大材料表面上的压力。
这种放大对于产生深度压缩残余应力而言至关重要,但是在高处理速率下,等离子体的连续破裂会干扰水覆盖层并限制材料优化。LSPT工程师不得不从根本上重新配置激光冲击强化技术,以优化处理速度。保留覆盖层是使20Hz处理生效的最后一项逻辑障碍,并开启了激光冲击强化实用性的新纪元。

提供材料优化

Procudo®激光冲击系统的最终测试是能够在高能量(10J)和高重复率(20Hz)条件下进行加工,同时实现与传统加工基准相一致的残余应力分布。近期有一个系统应用证明了这项技术的前景以及高重复率、高能量加工处理的可行性。
LSPT以7 GW/cm2速率生产出Ti-6AL-4V的激光冲击强化样品。单独的试样分别以2Hz、5Hz、10Hz和20Hz进行加工。使用切割法采集每个样品的残余应力测量结果,所得曲线如图2中所示。
这些结果展示了规范化激光冲击强化条件下处理速率之间的关键一致性。20Hz处理速率下获得的残余应力分布在幅度和深度上与在较慢速率下所获得的一致。所有这四种情况均在表面产生700-800MPa之间的压缩残余应力,同时保持超过1.7mm深的压缩分布。
随着高重复率、高能量激光冲击强化技术的成功展示,LSP Technologies为全球激光冲击强化技术的广泛应用奠定了基础。以20Hz的速率实现有效处理的能力大大提高了生产效率,降低了生产成本,并使得激光冲击能够为越来越多的行业和应用所接受。



LSP Technologies, Inc.
6145 Scherers Place
Dublin, Ohio 43016, USA
电话:+1.614.718-3000 转260
邮箱:ehoffman@lspt.com
 
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