典型激光加工工艺过程中,激光作为一种热输出直接作用在材料上,利用的是激光与材料间的热效应。与大多数激光加工工艺不同,激光冲击强化工艺中激光能量用来产生等离子体冲击波作用在材料表面,是基于光力学效应的冷变形强化工艺。
传统的表面形变强化工艺主要包括喷丸、滚压、孔挤压三种。孔挤压只适合对一般规格的孔进行强化处理,而对于小孔、焊缝和盲孔等常见的应力集中部位则不能实施;滚压只适用于外形较简单的外表面;喷丸由于通路和可达性的困难,其应用也受到很大限制。激光冲击强化工艺与这些工艺相比,具有如下优点:
(1) 激光冲击强化采用的激光脉宽仅仅几十ns或更窄。激光与材料作用时间短,并且大部分能量被等离子体的形成和打开界面做功所消耗,只有很少部分能量通过吸收层传递到金属表面,热效应而引起的显微组织变化可以忽略。因而,在合适的吸收层和激光参数下,激光冲击强化对材料表层无结构热损伤,材料表面光洁度基本无变化。
(2) 激光冲击强化在几十ns时间内,在材料表面产生高达数GPa的冲击压力,可以产生较深的强化层,最大压应力层深是传统喷丸工艺的5~10倍。
(3) 激光冲击强化具有可叠加性。材料的多次冲击不仅可提高强化效果,而且可增大强化区域,实现大面积的强化处理。另外,多次冲击可对首次冲击效果进行修补,提高处理的可靠性;激光冲击强化可对经过普通热处理后工件存在的“软点”进行补充硬化处理。因而,激光冲击强化技术可和其他强化技术一起配合使用,进行局部表面强化。
(4) 激光便于聚焦和传播,可对各种形状复杂、可达性差的零件进行处理,且易于精确定位和控制,易于自动化。
因而,长期以来,激光冲击强化工艺一直是激光加工与表面工程技术方面的研究热点,且已经逐渐在工业、国防、航空等行业实现应用。