激光冲击在材料成形领域的应用

杨丰槐, 卢国鑫,2, 杨青天, 张永康,2

（1.广东工业大学 机电工程学院，广州 510006；2.广东镭奔激光科技有限公司，广东 佛山 528225）

随着航空航天、能源、交通等领域高端装备的发展，金属零部件的服役性能与形状尺寸等要求不断提高。其中，形状尺寸又在一定程度上影响或决定了材料性能，成为金属零部件加工过程中需要关注的重要方面。据英国Rolls Royce公司的资料，若将飞机发动机转子叶片的加工精度由60 μm提高到12 μm，则发动机的效率可从89%提高到94%，直接体现了提高加工精度以控制宏/微观变形量对机械装备性能提升所具有的重大意义[1]。随着现代制造业的不断发展，金属板料等零部件的成形技术面临新的、更高的要求。新材料的应用、厚板成形的需求、产品更新换代周期的缩短均在一定程度上暴露了传统加工方法的不足。

激光冲击技术（laser shock processing or laser shock peening，LSP）作为一种新型表面处理方法，已在不锈钢、铝合金、钛合金以及高温合金等多类金属材料上表现出显著的强化效果[2-4]。然而，与机械喷丸、车削铣削等传统强化或加工方法一样，激光冲击也可导致零部件的变形，直接影响零部件的实际应用。例如，激光冲击处理产生的残余应力和塑性变形有可能使叶片形状发生宏观变化，将严重影响发动机的气动性能，从而降低发动机的效率和缩短其使用寿命。然而，由于激光柔性好，参数可控可调，通过调整加工工艺可达到强化与成形的双重目的。对激光冲击诱导材料变形的相关机理以及规律进行深入研究以合理选择工艺参数，有益于在保持原有尺寸条件下的性能强化，还有望实现金属板料等工业零部件的高精度成形，弥补传统加工方法的生产准备时间长、加工柔性差、模具费用高等不足。

1 激光冲击诱导材料变形的基本原理

激光冲击是一种利用强短脉冲激光束与物质作用产生的力效应对材料进行改性，从而提高材料的抗疲劳、耐磨损和耐腐蚀等性能的技术[5-8]（图1）。随着智能制造产业的快速发展，利用激光冲击的力效应来实现材料成形目标的相关研究也不断涌现。关于激光冲击成形技术（laser shock forming or laser peen forming，LSF or LPF）的研究可追溯至2002年，美国Lawrence Livermore国家重点实验室提出利用激光冲击装置进行金属板三维弯曲成形的原理和精确成形的方法[9]。

通常来讲，激光冲击诱导的材料变形分为冲击过程中引发的与冲击方向同向的直接变形以及激光冲击诱导残余应力驱动的材料变形两大类。其中，残余应力驱动材料变形的基本原理为：激光引发的冲击波使材料表面形成明显的塑性凹坑，环绕凹坑的基体材料向周围延展时诱导的拉伸应变导致驱动材料弯曲的弯矩的产生[10-11]。

近年来，有研究者对激光冲击引发的不同类别材料变形方式进行了深入讨论，并提出了相应的变形机制。2010年，胡永祥等[12]发展了板料应力梯度和冲击弯曲两种变形机制，揭示了激光冲击变形凹凸方向转变规律和原理。如图2所示，在板料较厚或者激光强度较低的情况下，冲击波不能穿透板料，此情况为应力梯度变形机制，板料向下弯曲凸面变形；而板料足够薄或者激光强度足够大，使得冲击波能穿透板料并在板料传播过程中无明显衰减时，则为冲击变形机制，板料向上弯曲，凹面成形。然而，2018年，任旭东等[13]通过模拟仿真和实验研究发现，若采用相同的激光参数冲击不同厚度的铝合金板，3 mm厚板料的变形弯曲角度大于2 mm厚板料，得出厚板料变形遵循应力梯度的变形机制，而薄板料则应同时考虑应力梯度机制和冲击弯曲变形机制的结论。基于以上，激光冲击诱导材料变形的相关机理尚存在不清晰与不明确之处，仍缺乏大量的基础理论研究。

激光冲击诱导的材料变形一般具有两方面的影响：对于表面强化处理来说，激光冲击引起的加工变形对材料装配或者服役带来不利影响，应予以避免；而部分存在性能优化需求的塑性加工零部件，采用激光冲击方式可达到材料强化与成形的双重目标，激光冲击引发的材料变形可以被合理利用。研究激光冲击诱导材料变形的机理和规律，对于最大程度避免激光冲击表面强化过程中的形状尺寸变化以及合理利用激光冲击引发的塑性变形以实现材料成形目的均具有重要的意义。

2 激光冲击变形规律及控制

2.1 脉冲激光参数对材料变形的影响

激光冲击处理所采用脉冲激光包括脉冲能量、脉冲宽度、激光光束尺寸等参数，共同决定了激光能量密度的大小，而激光能量密度对激光冲击诱导的材料变形产生直接影响。式（1）为激光能量密度与脉冲激光各参数的关系[14]：

式中：I0是激光能量密度；E是脉冲能量；τ是脉冲宽度；S是激光光束面积。

激光能量密度决定了激光诱导材料表面冲击压力的大小，从而直接影响材料的变形程度。2006年，任旭东等[15]研究了不同脉冲激光参数对Ti6Al4V板料激光冲击成形过程中弯曲角的影响。结果表明：在激光冲击导致材料弯曲变形的过程中，存在激光能量密度的阈值，激光能量密度过大易引发表面熔化，使得激光冲击导致的弯曲变形程度降低。2015年，曹子文等[16]研究发现，激光能量密度和覆盖率影响试片冲击表层的塑性应变大小及其分布，进而影响试片的弯曲变形，同样说明了激光能量密度对材料变形程度的较大影响。

根据式（1），为达到零部件的成形效果，可通过合理设定脉冲激光的能量、脉宽以及光束尺寸等参数，选取适用于待加工材料的最优激光能量密度。其中，激光的脉冲宽度除了影响激光能量密度之外，由于与冲击波对靶材的作用时间相关，也在一定程度上决定了激光冲击引入材料内部残余压应力的深度[17]，而残余应力层深对材料冲击处理后的宏观变形产生显著影响。因此，正确调整激光脉冲宽度对合理利用激光冲击诱导的材料变形具有重要价值，但目前国内大部分激光冲击设备所采用的激光器不具备激光脉冲宽度较大范围精准可调的能力。2017年，广东工业大学引进目前最先进的第三代Procudo®200激光冲击系统，可实现脉冲宽度在8～16 ns范围的编程可控，有望为国内激光冲击相关技术研究的快速发展开辟道路[18]。

2.2 单/双面冲击对材料变形的影响

冲击方式对材料的激光冲击变形也具有较大影响。由于可操作性强，激光光束的光路设计简单，单面冲击是目前使用最多最广泛的一种冲击方式。对于刚度弱且结构简单的零部件，研究者发展了底面约束下的激光冲击方式用以控制变形量[19]。然而，对于部分特殊结构零部件，单面冲击方式已无法满足加工要求，例如，航空发动机叶片由于壁薄且型面结构复杂，单面激光冲击处理极易引发变形和破坏，这对激光冲击技术的加工方式提出了更高的要求[20]。2010年，王文兵等[21]分别用多种不同的单/双面冲击方式对厚度为1 mm的2024铝合金薄板进行激光冲击处理，实验数据与数值模拟结果均显示，双面同时对冲的冲击方式能够使薄板在不发生弯曲变形的条件下在其两面均产生较大的残余压应力，是最理想的冲击方式。2013年，Fang等[22]研究了不同冲击方式下钛合金叶片的残余应力场分布，并分析了应力波的传播特性，证实钛合金叶片在双面激光冲击处理条件下可获得比单面冲击更好的力学性能。

基于以上所述，对薄壁零部件进行激光冲击处理时，双面冲击方式在性能强化与变形控制等方面一般具有优于单面冲击方式的表现[23-24]，但是，双面同时冲击的加工方式在实际应用中也存在许多限制，例如，复杂结构零部件难以实现双面冲击，而且双面同时冲击薄壁零部件还会引起材料层裂损伤等[25-26]。

针对单面激光冲击使冲击面呈现高幅值残余压应力的同时或可导致冲击背面呈现拉应力状态，而双面同时冲击又存在材料层裂损伤风险的技术问题，研究者也对双面异步冲击方式的应用表现进行了检验。上海交通大学胡永祥团队[27]讨论了一种双面异步激光冲击工艺对薄壁结构的变形影响（图3），结果表明该方法可在一定程度上减小激光冲击处理后薄壁零件的变形量，并可通过调整工艺参数将变形量控制到允许范围内。最近，胡永祥等[28]系统对比了单面冲击、双面同步冲击以及双面异步冲击三种方式冲击后材料的残余应力和变形量，结果如图4、5所示，双面冲击后材料的变形量均小于单面冲击处理的材料，另外，双面异步冲击也在一定程度上避免了零件的层裂损伤。

概括地讲，在利用激光冲击实现材料变形的相关研究中，上述不同冲击方式各有优势与局限性，在实际应用过程中，技术人员往往需要针对不同零部件并根据不同设备条件选择最佳的冲击方式。单面冲击可操作性强且最容易实现，是目前采用最多的冲击方式；对于刚性弱，结构容易实现底面支撑的零部件，一般选用底面约束下的单面冲击方式；而对于薄壁零部件，在形状结构和设备条件允许的条件下，双面冲击则成为最佳的加工方式。

2.3 约束方式对材料变形的影响

不同边界约束条件对激光冲击处理后材料的残余应力分布和塑性变形调控有不同的影响。2017年，黄志伟等[19]对底部全约束与两端夹持的两种边界约束条件下的2 mm厚7075铝合金薄板进行激光冲击处理，并对冲击后的零件变形情况和残余应力分布状态进行研究。结果显示，经过同样的激光冲击工艺处理，全约束条件下加工的零件几乎不发生宏观变形，并可获得较两端夹持约束条件更大的最大残余压应力。如图6所示，相比底部全约束条件下进行激光冲击处理的板材，经两端夹持约束加工后的板材呈现明显的凸起变形。李民等[29]则探索了铝合金薄板在橡胶支撑下的激光冲击成形，发现加工过程中橡胶的厚度、硬度等指标对薄板的激光冲击成形及其诱导的残余应力分布均产生较大影响。

机械喷丸成形工艺中，预应力的施加有助于零部件形状参数的精确控制。预应力喷丸技术是合理利用约束方式实现零部件表面处理的典型案例（图7）。如何将机械喷丸技术中发展的有效工艺应用到激光冲击成形技术，合理利用约束条件以设计最优的成形方案，也成为激光冲击成形研究的一个关键点。2015年，胡永祥等[30]发现通过施加预应力可使激光冲击处理的零件获得2倍以上的变形能力，并采用预应力激光冲击成形技术实现了18 mm、23 mm大厚度铝合金板的弯曲成形。

2.4 板料厚度对材料变形的影响

除了激光冲击处理过程中的一系列工艺参数，待加工材料本身的某些参量，例如厚度，也是影响变形效果的重要因素。待加工材料的厚度影响激光冲击变形量，对变形方向也产生决定性影响[32]。一般来讲，在相同的激光冲击条件下，较薄的板料呈凹面变形，而较厚的板料则呈凸面变形，即板料厚度存在临界值，处于临界厚度的板料在特定的激光冲击条件下不发生宏观变形[12]。2015年，曹子文等[16]对激光诱导冲击波加载下不同厚度试片的变形规律进行了研究，如图8所示，在相同冲击条件下，随试片厚度增加，弧高值先增大（或由负值变为正值）后逐渐减小，试片厚度为4～5 mm时出现最大弧高值；由于较大弧高值变化的试片表面具有相对较小的曲率半径，试片变形后的曲面半径对应了弧高值的变化趋势。

研究者对不同厚度板料在激光冲击成形后的力学性能也进行了对比分析，部分结论还未得到统一[33-34]。2011 年，Rubio-González 等[35]对比了不同厚度2205双相不锈钢经过相同工艺条件处理后的疲劳性能，得出较薄零件可在激光冲击后获得更优力学性能的结论。然而，2017年，Pei等[36]对不同厚度的Ti17试样进行激光冲击处理，认为激光冲击波会在薄壁零件背面反射，减小材料的残余应力和断裂韧度，导致材料的疲劳等力学性能有所降低。

3 激光冲击变形的数值仿真

在激光冲击过程中，材料内部的应力波传播与相互作用十分复杂，且需考虑超高应变率效应，因此仅从理论角度分析应力波传播已不能满足研究要求，研究者进而开展了激光冲击过程的数值仿真分析研究[37]。激光冲击波在材料表层的传播过程、等效塑性应变的变化、残余应力的分布状态以及激光冲击诱导材料的变形情况均为数值仿真分析的主要内容[38]。

国内外对激光冲击技术的仿真分析多采用有限元软件ABAQUS和ANSYS，其中以ABAQUS居多[39]。激光冲击的仿真过程一般分为两步，第一步是采用显式动态分析模拟冲击波在材料内部传播及其与材料相互作用的动态过程，第二步是采用隐式静态分析仿真冲击波作用后，材料内部残余应力场形成的静态弹性回弹过程[40-41]。具体流程如图9所示。

2010年，胡永祥等[42]对比分析了采用不同材料模型时金属铝板激光冲击变形规律的数值仿真结果，认为Johnson-Cook模型的仿真结果与厚板的实验结果更吻合，而Elastic-Perfectly-Plastic模型的仿真结果与薄板的实验结果更接近。2017年，Sun等[43]利用有限元软件ABAQUS对激光冲击作用下的Ti6Al4V合金动态响应与残余应力分布进行分析，通过增加激光能量密度与冲击时间，获得了较高的表面残余应力值和较厚的复合残余应力层。

采用数值仿真方法对激光冲击过程及其诱导的材料性质变化进行分析可有效节约资源并提高效率。然而，在激光冲击诱导材料变形的数值仿真方面仍存在一定的局限性和不足。例如，1）国内外对激光冲击技术的模拟仿真研究中，多采用Johnson-Cook本构模型进行材料表征，该模型适用于104s–1左右应变率的高速冲击过程，对于应变率超过 106s–1的激光冲击过程具有局限性；2）激光冲击的仿真一般通过简化激光与约束层和吸收层作用产生等离子体的过程，直接施加等效应力于材料表面来实现[44]，而实际上约束层的流量状况和吸收层的种类及其厚度均对冲击波的产生有很大影响[45-48]，影响了仿真结果的准确性。

4 激光冲击引发变形的应用—激光冲击校形

金属零部件在加工过程中的宏观变形问题十分普遍，尤其在大量弱刚度件以及部分航空航天整体结构件上，严重影响了加工精度和质量。对发生变形的零部件进行校形处理是修正其加工精度的有效方式。传统的校形方法包括机械校形法、加热校形法、冷作校形法等，上述方法均存在局限性，应用范围较窄。随着校形理论的不断发展，研究人员探索出多种新技术，如电磁校形技术、超声喷丸校形技术、振动时效校形技术以及激光冲击校形技术等[49]。激光冲击校形技术利用激光诱导的冲击波对材料变形进行校正，采用的激光参数精确可控，且加工过程无明显热影响，伴随宏观变形的修正过程，零部件的表面服役性能还可得到较高程度的提升，是目前应用前景最广阔的校形技术之一。

研究者对激光冲击处理技术在零部件校形领域的应用展开研究，普遍得出激光冲击处理可达到优异校形效果的结论。为解决金属板料在装配过程中经常发生变形而产生装配困难的问题，2011年，丁华等[50]对翘曲变形的铝板进行激光冲击校形，铝板恢复平直状态，并达到平面度要求。2014年，何卫锋等[51]针对镍基高温合金叶片榫头的疲劳薄弱部位在激光冲击处理过程中引发的宏观变形，设计了不同榫齿结合面的激光冲击工艺，成功校正榫头变形。

5 结束语

目前，激光冲击诱导材料变形的相关研究成为除激光冲击表面强化以外的另一热点。本文介绍了激光冲击的基本原理及其诱导材料变形的机理和规律，总结了激光参数等因素对激光冲击变形的影响规律，并以激光冲击校形技术的开发为例阐述了激光冲击处理引发材料变形的基础理论在实际金属零部件上的工程应用。为争取更广阔的发展空间，针对激光冲击处理引发材料变形机理的研究，应着重注意或突破以下几个方面：

（1）数值仿真方法在激光冲击变形技术中的作用及局限性。数值仿真是解决大量理论分析和实验研究难以实现问题的有效途径，可大幅节约研究成本并助推技术发展。目前激光冲击仿真模型的准确性还需提高，探索更适合超高应变率激光冲击技术的材料本构模型，并深入分析激光与约束层和吸收层作用产生等离子体的过程是研究人员接下来需要解决的重要问题。

（2）激光冲击技术在零部件校形领域的应用。实现实际零部件的校形应用是激光冲击校形技术发展的最终目标，基于规则板件的激光冲击校形规律研究，对齿轮、轴承以及航空发动机叶片等不同类别的复杂零部件进行工艺探索，加强该技术在具体机械加工领域的工艺研究，是提高其技术成熟度并推进工程化应用的必由之路。

（3）激光冲击引发材料变形量的在线监测技术开发。在加工过程中对工件变形量进行实时监测，并通过“加工-监测-修正（工艺参数）-加工”的闭环控制对工艺参数进行实时调整，可有效提高零部件尺寸精度和加工效率。