本文探討了激光沖擊強化作為焊接后處理技術的研究進展。

摘要

激光沖擊噴丸(LSP)是一種現代而高效的熱機械方法，用于工程和修改材料的表面和亞表面相關性能，是當代噴丸領域研究人員經常選擇的方法。這篇綜述文章的主要目的是強調LSP作為一種焊后處理方法，這可能有助于LSP的商業化，這一直被認為是一個挑戰。與傳統的焊后處理方法相比，激光焊接和激光沖擊強化相結合是提高焊接質量的一種替代方法。在此基礎上，回顧了近幾十年來有關焊接和噴丸強化的報告。討論了激光沖擊焊對不同焊接件的力學性能和顯微組織的顯著影響，以及激光沖擊焊的分類和重要參數。我們得出結論，LSP確實可以作為一種有效的焊接后處理(PWT)方法用于工業制造過程。

1. 介紹

激光沖擊噴丸(laser shock peening, LSP)是一種利用高能激光束在金屬構件表面及其附近施加有益的殘余壓應力的表面工程和改性工藝。LSP引起的深度(mm量級)和較大的殘余壓應力(數百MPa)通過延遲裂紋的萌生和擴展時間，增加了材料對表面相關失效(如疲勞和微動疲勞)的抵抗能力。在接下來的章節中，我們將追溯一般表面修飾過程歷史中的關鍵事件，特別是導致LSP建立為主導過程的事件。

如果我們考慮古代不同時代的人類文明，我們可以注意到他們在日常生活中不斷提高材料質量的努力。從盔甲到武器和工具，再到交通工具，一切都需要不斷改進，以獲得更好的生命周期和好處。在這一追求中，不同的方法，如錘擊、軋制、拋光和噴丸被開發出來，以改變相關的性能(機械、冶金和微觀結構)。在一些文獻中，這些方法也被強調為預加應力材料的方法，因為它們通過誘導殘余應力使材料處于應力狀態。殘余應力有拉伸和壓縮兩種類型。殘余拉應力是有害的(因為它可以加速“純”機械疲勞和腐蝕疲勞等失效機制的速率)，而殘余壓應力是有益的(因為它可以減緩失效機制)。

焊接殘余應力的形成:(a)室溫;(b)加熱中棒;(c)返回室溫，中間桿未連接;(d)返回室溫，中間條接通。

當焊接產生的殘余壓應力超過零件的臨界屈曲強度時，就會出現屈曲變形。焊接殘余應力的形成通常采用三桿法。上圖顯示了三個等長的桿在兩端相連。深色的是熱的，淺色的是冷的。符號S表示他們的重音狀態。中間鋼筋對應于焊接區域，且被認為比對應于該部分其余部分的側鋼筋直徑更小。焊接前，圖a，所有焊條均為室溫，零應力。當中間桿被加熱時(圖b)，它會沿著邊桿膨脹并拉扯。中筋受壓，側筋受拉。如果溫度較高，如焊接時，材料的屈服強度下降，中間棒材因塑性永久變形。當中間的條回到室溫時，它會收縮。如果桿件不連接，如圖c，在室溫下，由于塑性變形，桿件會比側桿件短。然而，由于它是連接的，圖d，它將側桿壓縮。中間的桿現在處于拉緊狀態。因此，焊接后預期焊接區域處于拉伸狀態，基材處于壓縮狀態。

在噴丸法被引入之前，表面改性領域主要采用錘擊、拋光和滾壓等方法。在20世紀20年代，噴丸(最初被稱為拋丸)的概念被提出，同時尋找合適的方法來清潔鋼。這一時期的研究人員注意到，對氣門彈簧、連桿、轉向臂和轉向節、軸、齒輪和小齒輪進行拋丸清理可以提高壽命和抗疲勞性能，并被應用于汽車工業。

據報道，在第二次世界大戰期間，噴丸技術被應用于裝甲和飛機工業，以提高用于制造武器和飛機的機械部件的強度和耐久性。到20世紀50年代，噴丸強化被認為是公認的冶金方法之一，也出現在應用物理學的文獻中。噴丸法在金屬構件表面及其附近產生殘余壓應力(CRS)的方法中占主導地位達60多年，具有明顯的優點和缺點。隨著噴丸強化相關的研究論文和專利的不斷涌現，研究的規模不斷擴大。隨著20世紀60年代脈沖激光技術的發明，研究的方向也在不斷擴大，尋求其在提高材料強度方面的應用。

主要的突破發生在20世紀60年代末，當時新墨西哥州阿爾伯克基桑迪亞實驗室的Anderholm發現，通過將擴張的等離子體限制在目標表面，可以實現更高的等離子體壓力(由材料-激光相互作用發展而來，對創建CRS很有用)。隨后，Anderholm 和Boade通過放置對激光束透明的石英覆蓋層，牢牢地貼在目標表面，來限制等離子體。他們限制等離子體的方法極大地增加了產生的壓力，壓力峰值為1到8?GPa，比無約束等離子體壓力大一個數量級。

20世紀70年代，來自BCL(Battelle Columbus Laboratories, USA)的研究人員研究了激光產生的應力波在材料加工中的實際應用及其對材料力學和微觀結構方面的影響。同樣，Fabbro等、Devaux、，法國LALP的Berthe、和Peyre等廣泛研究了具有不同工藝參數的受限幾何中激光產生等離子體的性質，并為更深入理解LSP過程背后的基本物理貢獻了更多。從而使LSP過程成為現代冶金中一個新興的應用研究領域。

不同等級的材料，如鋼，鋁，銅，鎂，超級合金和塊狀非晶合金在過去已經成功噴丸和各種研究人員討論了其有益的影響。大多數研究人員對LSP過程與其他常規噴丸方法進行了獨立和對比研究，如噴丸(SP)、超聲波沖擊噴丸(UIP)、油噴丸(OJP)和水噴丸(WJP) ，結果表明，與常規噴丸方法相比，LSP在誘導CRS層深度、表面粗糙度和可靠性方面均有顯著提高。在考慮噴丸過程時，最重要的因素是殘余應力。噴丸試樣的其它力學性能和顯微組織性能在很大程度上取決于殘余應力。這一事實有助于我們理解，在拉伸殘余應力高且有害的情況下，LSP工藝可以更好地減少金屬構件的表面相關失效。據我們所知，這種情況主要出現在焊件的焊接接頭處和焊件周圍，這是由于焊接在加熱和冷卻循環過程中受限制的伸縮所致。不同的研究人員對焊接試樣進行了噴丸強化，并對其對焊接的影響進行了表征，并進行了一些顯著的改進。

如果仔細觀察LSP過程領域的研究趨勢，則只有學術研究占主導地位，其產業化仍是一個挑戰。因此，在這一領域中最重要的一步是開始快速工業化，其中“焊接和噴丸聯合”的想法可能是一個有前途的想法。在焊接的背景下，即使是單個的汽車和飛機單元也至少有1000-2000個焊點，并且大多數焊點都位于非常關鍵的部位，起到非常關鍵的作用。在使用之前，如果能夠對包含焊接區域的表面進行激光沖擊處理，就更長的和有前途的使用壽命而言，這將是更好的。同時，關于焊件激光沖擊強化的文獻非常缺乏，也沒有專門的綜述文章專門介紹焊件的激光沖擊強化。不同的研究人員對焊接和噴丸]進行了綜述，涵蓋了焊接和噴丸的大部分概念。因此，在這項工作中，我們的嘗試將主要集中在通過廣泛的回顧，包括焊接和LSP的各個方面，來填補激光沖擊強化這一有趣領域中出現的空白。

2. 激光焊接(LBW)及其相對于傳統焊接的優點

焊接是一個非常復雜的過程，具有非常難以理解的配置。焊接可定義為“先熔化后連接”;然而，在現實中，這是非常復雜的。即使熔化、連接和凝固都發生在很短的時間內，焊接件也會經歷各種機械、熱、冶金和顯微組織的變化。此外，焊時合金元素的蒸發和時效時間、焊后時效的類型和條件也對焊件質量起著重要的決定作用。焊接的影響可以改變焊件的性能，使其與母材之間存在著復雜的熱、力學和冶金現象的相互作用，從而導致焊縫質量不理想。在焊接過程中，熱機械相互作用結合冶金歷史，導致母材區、熱影響區和熔合區組織分布不均勻。

與傳統焊接方法(GTA或GMA焊、TIG焊、FSW等)相比，激光焊接具有許多優點，如熱影響區(HAZ)窄、焊縫區域細、靜態機械性能好、焊接速度快、成本低、與工件的非接觸相互作用以及焊件的對稱焊接幾何形狀。

角焊縫宏觀切面表現為粗晶熱影響區(含氫裂紋)、暗腐蝕細晶熱影響區和輕腐蝕臨界區。

熱影響區可以劃分為幾個區域，如上圖所示。在熔化邊界本身的輕微成分變化，即在熔化的焊縫金屬和未熔化的母鋼之間的邊界，描述在焊縫金屬部分的末端。這通常會導致在一個晶粒直徑范圍內的熱影響區(HAZ)在成分上比離邊界稍遠的晶粒更細，更軟。然而，如果焊縫金屬的成分比母鋼豐富(如果使用不銹鋼填料，這是可能的)，則情況可能相反。在熔合邊界附近，熱影響區暫時被加熱到其熔化溫度，即大約1500°C。這種加熱使顯微組織轉變為奧氏體高溫形態，并使其晶粒尺寸粗化至100 μm或以上，而細晶粒鋼的晶粒尺寸為10-30 pm。在冷卻時，奧氏體轉變為馬氏體、貝氏體、鐵素體+珠光體，或這些成分的混合物，取決于冷卻速率

盡管激光焊接能夠生產出高質量的焊件，但在飛機、航空航天和汽車工業中有時需要混合結構，因此需要焊接不同的材料組合。這是一項非常困難的技術任務，因為物理性能的重要不匹配、相互溶解度的限制和金屬間相的形成，最終導致常見的缺陷，如熱裂、氣孔和熔合區軟化(弱化)。焊后熱處理(強化和消除焊件應力的傳統方法)可以提高熔合區強度，但不能像母材那樣恢復，并且僅限于某些可熱處理材料。因此，在接下來的章節中，我們將討論LSP作為激光焊接后處理的一種替代方法。

3.LSP的流程概述、分類及重要參數

目前已有文獻對激光沖擊強化工藝進行了較為廣泛的綜述。因此，我們在本節簡要討論了流程概述，然后是LSP的分類(這在迄今為止的任何其他評論中都沒有討論過)和它的主要參數。

3．1. 激光沖擊強化工藝綜述

激光沖擊強化工藝示意圖如圖1所示。當激光被觸發時，它通過透明覆蓋層(限制介質)到達被噴丸表面，被不透明層或犧牲層覆蓋。激光脈沖的持續傳輸使蒸發的物質迅速加熱和電離，轉化為迅速膨脹的等離子體。同時，在約束介質與目標表面之間膨脹等離子體所施加的壓力以高振幅沖擊波的形式進入目標表面。當沖擊波的振幅超過目標的Hugoniot彈性極限(HEL)時，材料在沖擊波通過時發生塑性變形，并在目標表面以下產生殘余壓應力。殘余壓應力的大小在表面或直接以下是最高的，并隨著深度的函數而變化。

圖1 LSP示意圖。

３．２．激光沖擊強化的分類

從噴丸本身的發展和發明開始，新的方法和改進(在傳統和現代噴丸)在不同的時間發生了變化。因此，今天我們有大約六種可用的噴丸方法，其中大多數都或多或少具有獨特和顯著的優點和局限性。雖然所涉及的原理沒有變化，但激光沖擊沖擊強化是根據待沖擊試樣的表面狀況和周圍溫度進行分類的，如圖2所示。

圖2 噴丸分級流程圖。

樣品表面狀況

i) 帶涂層的LSP

ii）無涂層LSP（LPwC）

環境溫度

i）低溫激光沖擊噴丸（CLSP）

ii）室溫激光沖擊噴丸（RT-LSP）

iii）熱激光沖擊噴丸（WLSP）

根據樣本的表面狀態，LSP可分為兩類;LSP帶涂層和不帶涂層(LPwC)。與傳統的涂層LSP相比，LPwC是Sano等人開發的最新的改性LSP。但兩者的工作原理和過程機制是相同的。LPwC非常適合水下樣品，因為在水下樣品中噴涂不透明層比較困難。在LPwC中沒有涂層的情況下，激光束直接與被噴丸試樣的表面相互作用，發生輕微的燒蝕，但總體性能保持不變。與傳統LSP相比，LPwC具有成本效益和時間節省，因為peener無需擔心犧牲層的選擇。這種方法在我們實驗室也成功地應用于鋼以及鋁、鈦和高溫合金的激光噴丸。

根據周圍溫度，LSP可以分為三類;低溫激光沖擊強化(CLSP)、室溫激光沖擊強化(RT-LSP)和溫高溫激光沖擊強化(WLSP)。WLSP和CLSP的工藝機理和原理與RT-LSP相同，只是保持溫度不同。由于激光沖擊強化還涉及到材料的力學和顯微組織性能，因此“樣品保持溫度”一詞在改變材料性能方面起著重要作用。

高強度、延性好、機械性能(殘余應力)穩定的材料一直是工業需求的要求。納米晶材料也被認為是高強度材料，可以滿足這一要求，可以通過劇烈的塑性變形來制備，但由于納米晶粒的位錯積累能力較低，因此具有較低的延展性。在循環加載過程中，特別是高周試驗時，LSP等方法產生的殘余壓應力也不穩定。因此，開發適合低溫、高溫、低循環和高循環加載的材料是很有前途的一種材料。CLSP通過抑制缺陷的恢復(穩定變形)和誘導高密度變形孿晶(在可能的情況下，而WLSP則通過鎖定移動位錯(穩定位錯結構)和產生超高密度納米沉淀(在高應變率變形和高溫下)來提高材料的強度而不影響延性。盡管CLSP和WLSP具有獨特的特性，但到目前為止，仍然可以使用非常薄弱的報告。因此，有必要對CLSP和WLSP進行更多的研究，以強調和欣賞這些改進的LSP方法的好處。

3.3 LSP的重要參數

太陽能發電的主要貢獻和影響因素是壓縮殘余應力引起的塑性變形產生的沖擊波壓力高通道使用高功率密度的激光束。這是所有激光沖擊試樣力學性能變化中最先發生的變化。激光沖擊試樣在機械和顯微結構方面的其他變化(在大多數情況下)取決于殘余應力的產生及其性質。因此，主要是直接或間接地誘發大量的殘余應力，并控制其性質。同時，人們不得不承認，殘余應力的產生有時取決于之前的熱機械循環和材料的微觀結構。殘余應力的產生依賴于某些參數，這些參數被Montross等人、Gujba和Medraj廣泛地研究。在本節中，我們將簡要討論激光沖擊強化的主要參數。

3.3.1 限制介質和犧牲層

激光沖擊強化基本上可以用兩個主要部件進行;高功率密度激光系統和透明覆蓋層(限制介質)。透明疊加功能有兩種不同的方式;首先，它允許脈沖激光束通過它朝向被噴射的試樣而不造成明顯的激光能量損失;其次，它有助于限制激光產生的、迅速膨脹的等離子體，最終導致沖擊波壓力從試樣表面向下傳播。

當LSP工藝發明時，石英被用作限制介質，后來在BK7玻璃、有機玻璃、硅橡膠、Hong等人也使用了K9玻璃和Pb玻璃，但迄今為止，室溫激光沖擊強化(RT-LSP)使用最頻繁和最廣泛的限制介質是水，因為水很容易獲得，也可以限制最復雜的表面。盡管在文獻中提到，使用石英和玻璃作為限制介質可以獲得良好的殘余應力分布，但使用石英或玻璃作為限制介質存在一些限制，例如它們僅適用于扁平樣品，并且必須在每次LSP工藝后更換。

在LSP中，首先在工件或目標表面涂上不透明層(犧牲層或燒蝕層或通常稱為涂層)，它可以是黑色膠帶或黑色鋁膠帶或黑色油漆。這也是LSP文獻中討論最多的話題之一，不同的研究者在這一背景下有不同的前瞻性觀點。Rubio Gonzalez等人和Salimianrizi等人的文獻表明，如果使用犧牲層，那么LSP過程將變得純粹機械化，因為激光脈沖和待噴丸樣品表面之間的熱相互作用將非常少，甚至燒蝕將限制在燒蝕層的厚度內層LSP也可以在沒有燒蝕層的情況下進行，在這種情況下，脈沖激光束與被噴丸材料表面發生直接相互作用，LSP可以被稱為一個熱機械過程。無涂層的LSP是由Sano等人發起的，他們成功地噴丸了各種材料，這種方法通常被稱為無涂層激光噴丸(LPwC)。有涂層和無涂層的研究有很多，每一種都有獨特的意義和好處，因為兩者都能產生殘余壓應力。

3.3.2 激光功率密度和波長

激光噴丸試樣的殘余應力通常是作為深度的函數來測量的，噴丸影響所達到的深度稱為有效噴丸深度。激光沖擊試樣的有效深度取決于約束等離子體產生的沖擊波壓力的大小。Peyre等人和Berthe等人的工作表明，沖擊波壓力隨所用激光入射功率密度的平方根而變化。因此，激光沖擊強化中殘余應力的分布也取決于激光沖擊強化的功率密度。

隨著功率密度的增大，影響殘余應力和其他機械性能的另一個參數是激光LSP所用的激光波長。這是LSP文獻中研究較少的參數之一。Berthe等用測速干涉儀表征了Nd:YAG激光器基波(IR-1.064?μm)、二次諧波(Green-0.532?μm)和三次諧波(UV-0.355?μm)輻射下的水承壓激波壓力。

他們研究了激光產生等離子體的沖擊波壓力分布（峰值壓力和沖擊波壓力持續時間），作為每個入射波長的激光功率密度的函數，并觀察到在UV（4?GW/cm2和3.5?GPa）和綠色（6?GW/cm2和5?GPa）波長與IR（10?GW/cm2和5?GPa）。在其結果的第二部分中，在較低的功率密度范圍（1–3）下觀察到壓力持續時間急劇減少紫外線波長比紅外波長（11–13?超過這些功率密度范圍，壓力持續時間變得更短，這也得到了同一組之前工作結果的支持，該組在沖擊波壓力飽和后，隨著功率密度的增加，沖擊波持續時間縮短。然而，與紅外（0.25）相比，紫外（0.40）和綠色（0.40）波長的激光相互作用效率（定義轉化為激光產生等離子體壓力的等離子體內能分數的參數）更高。

在另一種情況下，Gomez-Rosas等人也對6061-T6鋁進行了波長為1064?nm和532?nm的LSP實驗，并比較了它們的效果。結果顯示了更高的壓縮殘余應力值與1064年納米波長(950??MPa 650??MPa)比532年納米波長(750??MPa 600??MPa)但不同意Berthe 等的結論,他們認為高殘余應力峰值壓力(這意味著更高的效率或更高有效深度)可以預期在綠色相比IR波長。本文的實驗者還對Ti-2.5Cu進行了LPwC，并研究了兩種波長的輻射對硬化軟化機制和疲勞行為的影響。他們觀察到表面軟化直到500?μm(在532?nm)和200?μm(在1064?nm)的深度，這歸因于材料的激光束的熱相互作用。機械軟化(在材料內部，由于與絕熱加熱有關的過程)被發現是用于噴擊的激光波長的函數，并得出結論，如果波長較短，這種軟化的開始時間較早。殘余應力和疲勞行為也有類似的趨勢，這支持了軟化機制。如前所述，過去很少有病例報告使用波長相關的激光沖擊強化，因此需要更多的研究才能得出明確的結論。

來源：Review: Laser shock peening as post welding treatment technique，Journal ofManufacturing Processes，doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.04.006

參考文獻：E. Hawkinson，Shot peening history，SAE ISTC Div，(1962), p. 20，G.F. Bush, J.O. Almen, L.A. Danse, J.P. Heiss，How, whenand by whom was mechanical prestressing discovered，n.d.，https://www.shotpeener.com/library/pdf/1962003.pdf