（机械制造及其自动化专业论文）基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究.pdf

学位论文版权使用授权书 吣n 删, , lb 删9 5 0 2 9 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名： 3 8 0 午 警倾 舌念| 国 指导教师签名： 年月日 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 s t u d yo n l a s e rs h o c k p r o c e s s i n gb a s e d o nl o n g p u l s e w i d t hs t r a yl i g h t 姓 2 0 1 1 年4 月 。_ 本文在分析国内外对激光冲击强化技术研究现状的基础上，结合激光冲击强 化设备高功率固体激光器输出激光特性，对高功率固体激光器中长脉冲杂光( 放大 自发辐射和由于调q 功能不理想导致的漏光) 影响激光冲击强化效果进行了基础性 研究和创新性探索，同时提出了改善激光冲击强化设备的具体方案。本文研究内 容和主要创新点如下： 1 分析了用于激光冲击强化的高功率固体激光器工作过程中长脉冲杂光存在 的机理，并探讨了长脉冲杂光对主脉冲激光输出参数的影响，主要包括对主脉冲 激光能量、脉冲宽度和能量均匀度的影响； 2 试验研究了长脉冲杂光对激光冲击诱导冲击波的影响，同时研究了长脉冲 杂光对激光冲击强化铝合金相关性能的影响，主要包括铝合金表面残余应力和表 面质量的影响。研究结果表明：当固体激光器抽运功率保持不变，长脉冲杂光越 强，激光冲击诱导的冲击波峰值压力越小，铝合金经过冲击后表面的残余压应力 越小，材料表面的粗糙度越大；当长脉冲杂光能量大到一定程度后，吸收层铝箔 会被烧蚀穿透，材料表面会产生拉应力，降低了材料的机械性能； 3 针对现有的激光冲击强化物理模型，并从试验结果中得到启发，在长脉冲 杂光存在的基础上，对现有的物理模型和激光诱导的峰值压力公式进行了修正； 4 针对现有激光冲击强化设备存在的缺陷，提出了一些改进的措施，主要包 括激光器的工作频率、激光器的输出光斑以及激光器的结构。通过改变激光器的 工作方式并利用自变焦扩束系统可以提高激光器的工作频率；利用相应的光学系 统对激光器输出光斑进行整形可以得到方形光斑输出；参考目前美国利弗莫尔国 家实验室研制的激光冲击强化设备，提出了今后激光冲击强化激光器的改进方向。 关键词：激光冲击强化技术；长脉冲杂光；冲击波；残余应力；粗糙度；激光 技术 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h es t u d yo nl s p ( l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ) b o t ha th o m ea n da b r o a d ， c o m b i n e dw i t ht h eo u t p u tl i g h tc h a r a c t e r i s t i co ft h ee q u i p m e n tf o rl s p , t h es t u d yo nt h e e f f e c to ft h es t r a yl i g h to fl o n gp u l s e - w i d t ho ft h eh i l g hp o w e rs o l i ds t a t el a s e ro nl s p w a sc a r r i e do u ta n dt h es p e c i f i cp r o p o s a lo fi m p r o v i n gt h ed e v i c e sw a sr a i s e d t h em a i n c o n t e n t sa n dn e wi d e a si nt h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ee x i s t i n gm e c h a n i s mo ft h es t r a yl i g h td u r i n gt h eo p e r a t i n gp r o c e s so fh i l g h p o w e rs o l i ds t a t el a s e ra n dt h ee f f e c to ft h es t r a yl i g h to n t h ep a r a m e t e r so fl a s e ro u t p u t ， w h i c hi n c l u d e sl a s e re n e r g y , l a s e rp u l s ew i d t ha n dt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o n , w e r e a n a l y z e d 2 t h ee f f e c to ft h es t r a yl i g h to nt h es h o c kw a v ei n d u c e db yl a s e ra n dt h e a l u m i n i u ma l l o yp e r f o r m a n c e ，w h i c hi n c l u d e st h er e s i d u a ls t r e s sa n dt h es u r f a c e r o u g h n e s s ，w e r es t u d i e db yt h ee x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s e o ft h es t a yl i g h te n e r g y , t h ep e a kp r e s s u r eo ft h es h o c kw a v ea n dt h er e s i d u a ls t r e s s d e c r e a s e ，t h es u r f a c er o u g h n e s si n c r e a s e su n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eu n c h a n g e dt h e p u m pp o w e r a st h ee n e r g yo ft h es t r a yl i g h ti sl a r g ee n o u g h ，t h ea b s o r b e dl a y e rw o u l d b ea b l a t e ds e r i o u s l y , t h et e n s i l es f f e s sw o u l de x i s to nt h em a t e r i a ls u r f a c e ，w h i c hw o u l d r e d u c et h em a t e r i a lp e r f o r m a n c e 3 b a s e do nt h ec u r r e n tp h y s i c sm o d e lo fl a s e rs h o c kp r o c e s s i n ga n dt h e e x p e r i m e n t a ld a t a ，t h ec u r r e n tp h y s i c sm o d e l a n dt h ee x p r e s s i o no fp e a kp r e s s u r e i n d u c e db yl a s e rc a nb er e v i s e du n d e rt h ec o n d i t i o no fl o n gp u l s e - w i d t hs t r a yl i g h t 4 s o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d sw h i c hi n c l u d et h eo p e r a t i n gf f e q u e n c y ，t h eo u t p u t s p o tt y p ea n dt h el a s e r s t r u c t u r ea r es u g g e s t e da b o u tt h ec u r r e n tl i m i t a t i o no ft h e e q u i p m e n to fl s p t h el a s e ri j r e q u e n c yc a l lb ei m p r o v e db yc h a n g i n g t h el a s e ro p e r a t i n g m o d ea n dt h es e l f - f o c u se x p a n d e ds y s t e m ，t h es q u a r es p o tc a nb eg o tb yt h eo p t i c a l s y s t e m r e f e r e n c e t ot h el a s e rf o rl s pm a d eb yl a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a l l a b o r a t o r y , t h et r e n d so ft h es t u d yo nt h el a s e rf o rl s pi ss u g g e s t e d k e yw o r d s ：l a s e rs h o c kp r o c e s s i n g ；t h es t r a yl i g h to fl o n gp u l s e - w i d t h ；s h o c kw a v e r e s i d u a ls t r e s s ；r o u g h n e s s ；l a s e rt e c h n o l o g y ! i i 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 i v 1 3 1 4 第二章 1 2 2 国外激光冲击强化设备的发展4 。 1 2 3国内激光冲击强化设备的发展5 本课题的研究内容7 本课题的研究意义7 长脉冲杂光对激光器输出性能的影响 2 1 长脉冲杂光的来源。9 2 1 1q 开关漏光9 2 1 2 放大自发辐射1 1 2 2 长脉冲杂光对激光输出能量的影响1 1 2 3 长脉冲杂光对激光输出脉冲宽度的影响。1 3 2 4 长脉冲杂光对激光输出能量均匀度的影响1 3 第三章长脉冲杂光对激光冲击强化7 0 5 0 铝合金的影响1 6 3 1 长脉冲杂光对激光冲击诱导冲击波的影响1 6 3 1 1 实验研究1 6 3 1 2 理论模型的修正2 3 3 2 长脉冲杂光对材料力学性能的影响。2 6 3 2 1 实验方案2 6 3 2 2 实验设备2 6 3 2 3 试验结果与分析2 7 3 3 长脉冲杂光对材料表面质量的影响3 0 3 3 1 实验方案3 0 3 3 2 实验设备3 0 3 3 3 实验结果与分析3 0 第四章激光冲击强化设备的改进。3 2 v 1 1 1 2 2 3 4 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 4 1 提高激光冲击强化激光器重复频率3 2 4 1 1 高能激光器频率提高的障碍3 2 4 1 2 激光器频率提高方法3 2 4 2 激光冲击强化激光器输出光束的改进3 8 4 2 1 方形光斑优点3 8 4 2 2 方形光斑获取的方法。3 8 4 2 3 对实验室激光器输出光斑的改进方法4 0 4 2 4 改善激光光束质量4 0 第五章总结与展望 4 3 5 1 总结。4 3 5 2 展望4 4 参考文献 致谢 4 5 攻读硕士学位期间发表的论文与专利 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 自从1 9 6 0 年美国贝尔实验室诞生第一台红宝石固体激光器以来，经过五十多 年的发展，激光技术已经广泛应用于国民经济的各个领域，包括工业、科学研究、 医学、军工及日常生活等。尤其在材料加工方面，激光熔覆、激光打标、激光切 割、激光冲击强化等激光加工技术相对于传统机械加工技术展示出了巨大的优势 【1 一。激光在材料加工方面的应用，使得材料加工技术发生了革命性的变化，迸发 出生机勃勃的活力。 作为激光加工技术中的一支独秀，激光冲击强化技术已经得到广泛而深入的研 究。激光冲击强化技术，就是用高峰值功率脉冲激光诱导的冲击波对材料表面进 行改性的技术【3 1 。激光冲击强化处理属于激光与材料相互作用的范畴，对于它的研 究起源于六十年代对飞机结构安全性和可靠性的重视，自那时开始拉开了对激光 冲击强化技术的研究序幕。 1 1 激光冲击强化技术 1 1 1 激光冲击强化机理 激光冲击强化技术，也可以称作激光喷丸技术，其强化机理如图1 1 所示，即 高峰值功率密度激光通过透明约束层，作用于覆盖吸收涂层的金属表面，吸收涂 层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温，高压等离子体。该等 离子体继续吸收激光能量，进而急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用 于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变 形并在表层产生拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其 力学效应表现为在材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷 中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高材料的疲劳寿命。同时残余压 应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延 长疲劳裂纹扩展寿命降1 8 1 。 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 图1 1 激光冲击处理示意图 f i g 1 1t h es c h e m a t i c o fl a s e rs h o c kp r o c e s s i n g a v e 其中上述吸收涂层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的 吸收，目前常用的涂层材料有铝箔和黑漆。约束层除了能约束等离子体的膨胀来 提高冲击波的峰值压力外，还能通过对冲击波的反射延长其作用时间，目前常用 的约束层为流水和k 9 玻璃【1 9 m 】。 1 1 2 激光冲击强化特点 激光冲击强化技术和其它表面强化技术相比较，具有如下鲜明特点【2 2 。2 4 】： ( 1 ) 高能：激光束脉冲能量能够达到数十焦耳，峰值功率可以达到g w 量级， 在数十纳秒内将光能转变成等离子体冲击波，对材料进行加工； ( 2 ) 高压：激光诱导的冲击波峰值压力可以达到g p a 量级，这是常规机械加工 难以达到的。如，机械喷丸产生的压力常在几十m p a 至几百m p a 之间； ( 3 ) 超高应变率：冲击波作用时间为数十纳秒，因此这么短的作用时间能够产 生很高的应变率，这比爆炸成型和机械冲压产生的应变率要高很多。 1 1 3 国内外研究现状 1 9 7 2 年，美国b a t t l e l l sc o l u m b u s 实验室的f a i r a n db e 等人利用激光强化技 术研究了7 0 7 5 航空铝合金的机械性能以及显微组织结均，研究结果表明7 0 7 5 铝 合金材料经激光冲击后，其屈服强度提高了3 0 t 1 3 1 ，从此揭开了激光冲击强化应 用研究的序幕。r f a b b r o 等人在2 0 世纪九十年代初发展了激光强化金属的理论 2 江苏大学硕士学位论文 模型，该模型指出了强激光与材料相互作用分三个阶段【5 】：第一阶段是激光加热阶 段，由于激光功率密度比较高，使得材料表面产生高稠密的高温高压等离子；第 二：阶段是等离子的绝热冷却阶段，该阶段产生的压力持续时间大概为激光脉冲时 间的2 到3 倍；第三阶段是耦合等离子体的绝热冷却，但是该阶段产生的压力不 足以使得材料发生塑性变形。同时指出约束层的破坏是限制产生冲击压力大小的 主要因素【4 】。r f a b b r o 的理论模型为激光冲击强化的发展奠定了理论基础，推动 了激光强化技术的快速发展。c l a t t e r a h 等人研究了强激光脉冲辐照在金属表面后 材料表面产生的残余压应力，表面残余压应力深度超过了1m m ，远远大于机械喷 丸产生的残余压应力深度【8 】；同时残余压应力的产生提高了工件的疲劳寿命，根据 c l a u e ra h 研究数据可知，脉冲激光作用于材料表面产生6g p a 的压力，可将工件 的疲劳寿命延长了四十倍【羽，大大提高了工件的利用效率，节约了成本。因此，在 工件表面局部区域实施激光冲击强化，抑制了裂纹的增生，提高了工件的使用寿 命。目前美国已经将激光冲击强化技术应用于航空工业中，建立了多条生产线， 产生了巨大的经济效益。 国内对激光冲击强化技术的研究起步比较晚，南京航空大学和中国科技大学 首次对激光冲击强化技术对金属抗疲劳性能进行了研究，并对激光冲击强化技术 的机理进行了深入研究；吴鸿兴、郭大浩等研究员对强激光在材料表面诱导的冲 击波进行了系统、深入的研究，采用高聚物压电传感器对冲击波进行测量，并比 较了有约束层和无约束层时的冲击压力，得出有约束层时的冲击压力是无约束层 时压力的2 到3 倍；同时研究了激光波长、脉冲宽度等激光参数对激光冲击压力 的影响【2 5 ，凋，为激光冲击强化技术的应用提供了技术支撑。 综上所述，自从2 0 世纪7 0 年代以来，激光冲击强化技术在机理和工程应用方 面，都得到了深入而广泛的研究，该技术目前主要用来提高金属工件的抗疲劳寿 命。激光冲击处理是一项新兴的表面强化技术，在某些场合具有不可替代的作用， 潜在巨大的经济市场。目前，只有美国将此技术应用到实际生产领域，并产生了 显著的经济效益和国防效益。目前国内还没有应用实例，但已具有良好的研究基 础，该技术必将在国内踏上产业化的征途。 1 2 激光冲击强化设备 3 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 1 2 1 激光工作介质的选择 对会属材料进行激光冲击强化处理，必须使得金属材料产生塑性变形。这就要 求激光冲击波峰值压力必需大于材料的动态屈服强度【5 1 0 为此，要求激光冲击波峰 值压力能达到g p a 左右。按理论估算，要得到g p a 量级的激光冲击波峰值压力， 作用于材料的激光功率密度必需达到g w c m 。2 以上【5 1 。因此对激光器的输出参数 提出了严格要求。 因此，要获得如此高的功率密度，所用激光冲击强化设备必须能够发出高能， 短脉冲激光束。由于固体介质的能带宽、密度大，小体积的工作物质就可以获得 较大的激光脉冲能量输出【韧，故脉宽为纳秒量级的高功率激光器通常均选用固体 工作物质为发射、放大激光的工作物质。目前纳秒高功率激光器可选用的激光工 作物质主要有两种： ( 1 ) 掺钕( n d3 + ) 钇铝石榴石( y a g ) ( 2 ) 掺钕( n d3 + ) 硅酸盐或磷酸盐玻璃 两种工作物质发射、放大激光的激活离子均为钕离子( n d3 + ) ，发射、放大的 激光波长也基本相同： 钕硅酸盐玻璃： g o = 1 0 6 4p - m ； 钕钇铝石榴石：g o = 1 0 6 4p - m ； 钕磷酸盐玻璃：g o = 1 0 5 4 岫； 由于钕玻璃激光工作物质具有以下主要优点【2 7 , 2 8 1 ：可获得光学均匀性良好 的大尺度激光工作物质；工作物质高能态寿命( 荧光寿命) t 。与荧光谱线宽度a v 值大，即乘积a v 1 ；s 大( 比n d ：y a g 大5 0 倍左右) 。由于a v 1 7 s 值大，工作物质高能 态上可积累的粒子反转数多，即可在工作物质高能态上贮存的光能量多，可获得 的光放大能量大。n d ：y a g 激光工作物质与钕玻璃相比，主要缺陷在于“下。值小( 比 钕玻璃小5 0 倍左右) ，工作物质高能态上无法积累更多的粒子，储能效率低，即使 在很大的抽运功率下，仍然不能获得足够大的光能量【2 7 1 。因此优选钕玻璃固体激 光器是作为激光冲击强化设备。 1 2 2 国外激光冲击强化设备的发展 激光冲击处理技术要求高能、短脉冲宽度的激光束。针对激光冲击强化处理 4 江苏大学硕士学位论文 的特点设计出合适的高功率激光器，是激光冲击处理技术得到广泛使用的关键。 1 9 8 0 - - 1 9 8 6 年问，巴特尔纪念学院所采用的是调q 钕玻璃激光装置，激光波长九 = 1 0 6 4n m ，一次脉冲输出能量约为4 0 - 1 0 0j ，脉冲宽度约3 - - 3 0n s ，但重复频率 为每2 0 - - 3 0 分钟仅冲击一次。1 9 8 6 年以后，法国的汽车与航空工业界为发展高效、 洁净的激光冲击处理的实用设备，在l a l p ( l a b o r a t o i r ed a p p l i c a t i o nd e sl a s e r sd e p u i s s a n c e ) 实验室进行了一些这方面的研究工作，所采用的仍是调q 钕玻璃激光器， 但直到1 9 9 0 年以后，重复频率才提高到每2 , - - , 3 分钟冲击一次【冽。由于钕玻璃激 光器重复频率低，所以激光冲击技术一直难于进入到实际的工业应用领域。为了 进一步提高重复频率和激光功率密度，美国加州大学的劳伦斯里弗莫尔国家实验 室( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ，l l n l ) 与m i c ( m e t a li m p r o v e m e n t c o m p a n y ，i n c ) 公司合作，于1 9 9 8 年开发出平均功率6 0 0w 、峰值功率3g w 、重 复频率1 0h z 的钕玻璃激光器。至此，劳伦斯里弗莫尔国家实验室、m i c 公司的 努力使得激光冲击处理技术的工业应用向前迈开了决定性的一步。 该激光器的主要技术性能指标如下： 激光工作物质：n d ：g l a s s 钕玻璃工作物质形状：板条状 激光脉冲能量：5 0 j 放大自发辐射能量：51j 激光脉冲宽度( f w h m ) ： 1 0 。3 0n s 实际应用工作重复率： 0 5 1h z 同时美国金属改善公司( m i c ) 和劳伦斯利弗莫尔国家实验室进行合作推出了 车载式激光冲击强化设备。该设备同样是钕玻璃固体激光器，主要适用于非常大， 难以移动的部件，如潜艇、舰船、飞机等部件的强化处理，改善了激光冲击处理 的速度，简化了冲击过程中复杂的几何路径，同时激光产生系统与待处理部件的 距离可达上百英尺远。 1 2 3 国内激光冲击强化设备的发展 在我国用于激光冲击处理技术高功率激光器的研究也达到了相当水平。上世纪 9 0 年代之前，能够用于激光冲击处理的高功率激光器系统，只有中国科学院上海 5 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 光机所、中国工程物理研究院及中国科学技术大学强激光技术研究所才拥有，这 螳激光系统规模庞大刚，难于实现工业应用，且激光脉冲宽度等参数也不符合激 光冲击处理的应用要求。但是从上世纪9 0 年代之后，江苏大学激光技术研究所在 i 关工业部门和高校等单位支持下，依托研究所在高功率钕玻璃激光器系统研究 方面具有的优势于2 0 0 5 年成功研制重复频率0 5h z 的千兆瓦钕玻璃激光器，填补 了国内重复率高功率钕玻璃激光器的空白，为我国激光冲击处理技术真正走向工业 应用奠定了基础。 江苏大学激光研究所的高功率钕玻璃激光器具有激光冲击强化和激光冲击成 肜两种功能，该设备的主要性能指标如下： 1 激光脉冲能量：3 5j 2 激光脉冲宽度： s 2 5n s 3 激光脉冲功率：1 2 x 1 0 9w 4 激光脉冲能量输出不稳定度：s 1 0 5 放大的自发辐射( a s e ) 能量： 51j 6 工作重复频率： s 0 5h z 该设备已经成功应用于相关工件的激光冲击处理和激光冲击成形。 激光冲击处理技术之所以迟迟未能得到推广应用，一个重要原因就是传统高功 率激光器的性能无法满足工业生产应用要求。无论是冲击强化处理还是冲击成形 处理，都需要小光斑多次冲击，这对激光器的重复频率以及稳定性都提出了很高 的要求。磷酸盐钕玻璃被广泛用于高功率脉冲激光器的工作物质，但是玻璃材料 的热传导系数很低，大约只有y a g 材料热传导系数1 1 0 ；玻璃的抗张强度也较低， 与y a g 相比大约只有其1 3 - - 1 2 2 7 1 。这些缺点大大限制了钕玻璃工作的重复频率。 鉴于n d ：y a g 激光工作物质热导率明显优于钕玻璃( 比钕玻璃大1 0 倍左右) ， 易于实现重复频率工作；而且近年来由于采用感应炉生长工艺，已可获得较大尺 、r 的y a g 棒，因此国内已有相关的单位( 北京镭宝激光技术有限公司) 研制了用于 激光冲击强化的n d ：y a g 固体激光器，该激光器输出能量为6j 2 5j ，脉冲宽度为 8n s 1 0n s 。西安天瑞达光电技术发展有限公司和陕西蓝鹰航空电器有限公司共同 承建的中国第一条激光冲击强化生产线采用了北京镭宝激光技术有限公司生产的 n d ：y a g 固体激光器，已经产生了一定的经济效应。 6 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容 在高功率钕玻璃脉冲激光器系统中，一方面由于激光介质增益很高，放大自发 辐射的存在不可避免，另一方面由于光路调节和q 开关消光比等难以达到完全理 想状态，会导致q 开关锁光不能完全关闭，进而导致漏光；由于放大自发辐射和 由于q 开关不能达到理想状态导致的漏的脉冲宽度为微秒量级，不符合激光冲击 处理激光束参数的要求。激光冲击强化要求激光设备输出高能量、短脉冲宽度以 及能量分布均匀的脉冲激光，而放大自发辐射和上述漏光其本身参数就不满足要 求，同时也影响主脉冲激光参数。从上述分析可知，放大自发辐射和上述漏光的 脉冲宽度为同一个数量级，相对于主脉冲激光的脉冲宽度( n s ) 要大的多，因此为了 叙述方便，下文将放大自发辐射和漏光统称为长脉冲杂光。通过查找国内外文献， 没有发现长脉冲杂光对激光冲击强化影响的相关报道。而长脉冲杂光为激光冲击 设备输出参量，长脉冲杂光对激光冲击强化技术的影响对激光冲击设备的研发具 有指导作用。因此本文主要研究内容是对长脉冲杂光影响激光冲击强化的机理进 行探索性研究；同时对激光冲击强化设备提出了一些改进措施。本文的研究工作 主要包括以下几个方面： ( 1 ) 首先系统地分析了长脉冲杂光对激光冲击强化设备的影响机理，主要包括 长脉冲杂光对激光设备输出参数的影响，这些参数主要是激光输出能量、激光脉 冲宽度、激光输出能量分布均匀度； ( 2 ) 试验研究长脉冲杂光对激光7 0 5 0 铝合金诱导冲击波、表面残余应力以及 表面粗糙度的影响： ( 3 ) 根据试验结果并结合现有的激光冲击处理的物理模型，在考虑长脉冲杂光 的基础上，对现有的物理模型和激光诱导的冲击波峰值压力公式进行了修正； ( 4 ) 在江苏大学激光冲击强化设备的基础上提出了一些改进措施。 1 4 本课题的研究意义 激光冲击强化技术可以在金属材料表层形成一层残余压应力，阻止材料裂纹的 增生，显著提高材料的抗疲劳强度，提高材料的使用寿命。目前只有美国在工程 中成功应用激光冲击强化技术，用来提高部分工件的使用寿命。该技术已经被美 国封锁，自从2 0 世纪9 0 年代以来，国内科学家为了突破美国的技术封锁，毅然 7 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 展开了激光冲击强化技术的研咒对激光冲击强化理论与应用工艺进行了相关研 究。而长脉冲杂光是激光冲击强化设备客观存在的问题之一，长脉冲杂光的脉冲 宽度是微秒量级，会对激光冲击强化产生影响。因此开展此方面研究具有非常重 要的科学意义和实用价值： ( 1 ) 丰富和完善激光冲击强化的基础理论 激光冲击强化的基础理论最早是f a b b r o 于2 0 世纪9 0 年代提出，该基础理论 一直被国内外专家所认可和应用。事实上，该理论应月的前提忽略了长脉冲杂光 的存在，而在高功率固体激光器输出激光的过程中，长脉冲杂光的输出是不可避 免的，所以在长脉冲杂光存在的前提下，有必要对f a b b r o 的理论进行修正。因此， 研究长脉冲杂光对激光冲击强化的影响丰富和完善了激光冲击强化的理论。 ( 2 ) 指导激光冲击强化设备的研发 激光冲击强化设备是激光冲击强化技术研究中的重中之重。透彻理解长脉冲 杂光对激光冲击强化效果的影响，可以反过来指导激光冲击强化装备研制。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章长脉冲杂光对激光器输出性能的影响 激光冲击强化作为激光加工应用的一个分支，对激光设备提出了特殊的要求。 激光冲击强化可以使金属表层发生塑性变形，从而在材料表层形成残余压应力层， 提高金属的抗疲劳强度，这要求激光产生的冲击波压力峰值要大于金属材料的动 态屈服强度。因此，激光器输出能量在8 0 1 0 0j 范围之内，激光脉冲宽度在3 3 0n s 之1 6 1 ，如此大的能量输出要求大口径和高储能的激光工作介质。在这种大口径和 高储能的激光介质中，工作介质的高增益会导致放大的自发辐射，同时由于q 开 关无法达到理想关闭状态，会导致漏光。放大的自发辐射和q 开关未理想关闭导 致的漏光，其光脉冲长度均为微秒量级，因此，相对于调0 固体激光器输出的璐 级的主脉冲激光而言，将前述两种微秒量级的脉冲称为长脉冲杂光。长脉冲杂光 不仅不能使得材料发生塑性变形，达到强化金属材料的目的，而且长脉冲杂光会 引起负面热效应，影响冲击强化效果。本章主要分析长脉冲杂光的来源，并研究 长脉冲杂光对激光冲击强化设备的影响，主要包括对主脉冲激光输出能量、输出 脉冲宽度和输出能量在空间均匀性上的影响。 2 1 长脉冲杂光的来源 2 1 1q 开关漏光 众所周知，通过调q 技术可以将激光能量压缩到时间宽度极窄的脉冲发射， 从而获得高峰值功率短脉冲激光，一般可以将激光脉冲宽度压缩到纳秒数量级。 调q 激光器的基本工作过程为：在激光器工作的初始阶段，泵浦源开始工作，q 开关关闭，此时谐振腔损耗比较大，激光器振荡阈值比较高，激光器无法起振， 工作物质内不断积累反转粒子数。当工作物质内反转粒子数积累到最高时，突然 打开q 开关，谐振腔损耗突然减小，激光器起振，积累在上能级的大量粒子便雪 崩式的跃迁到低能级，于是在极短的时间内将能量释放出来，就获得峰值功率极 高的巨脉冲激光输出【明。 从以上过程可见，要获得比较好的压缩脉冲效果，必须要具备几个条件：1 ) q 开关的消光比大；2 ) q 开关相关参数设置要准确；3 ) q 开关的打开时间要合理； 4 ) q 开关光路调整要理想。以江苏大学的电光调q 钕玻璃激光振荡器为例，其工 q 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 ， 作程序示意图如图2 1 所示。调q 工作程序：( 1 ) 先开主电源对电容c 充电，并接 于氙灯电极，但不导通故不点燃；( 2 ) 开动晶体电源给k d p 晶体加电压，使腔处 于关闭状念；( 3 ) 由单结晶体管振荡器产生一脉冲时标信号输入到控制电路，再由 控制电路将该信号分别送往激光主电源，使其停止对电容充电，同时输送到触发 器，使氙灯点燃，给工作物质以能量，使反转粒子束大量积累。 图2 1 电光调q 工作程序示意图汹】 f i g 2 1t h es k e t c ho fe l e c t r o - o p t i cqw o r k i n gp i o c ：e d u r e 但此时由于k d * p 晶体上加有电压，所以谐振腔损耗最大，不能形成激 光振荡。当粒子束反转到最大时，通过延时电路的信号加到闸流管的栅极上( 使之 导通) ，将k d * p 晶体上的电压瞬时推掉，使谐振腔q 值突增，形成激光振荡，输 出巨脉冲。可通过实验，精确调节延时电路，调到输出激光最强为止。 根据以上工作过程可以发现，此调q 激光器要获得比较好的效果，需要：( 1 ) 选择质量好、消光比大的k d * p 晶体；( 2 ) k d * p 晶体的v 加设置准确；( 3 ) k d 毒p 晶体电压退去相对于氙灯点燃的延迟时间设置要合理；( 4 ) 整个光路调整要尽量精 确理想。但是实际应用过程中，上述所有因素都不可能达到理想状态，参数设置 不准、光路调整不理想等，都有可能导致q 开关锁光不理想，q 开关锁光不理想 会导致多脉冲现象，或者短脉冲中混杂有未被压缩的长脉冲现象。当将长脉冲能 量比例控制在一定范围之内，则激光冲击加工效果影响不大，但是如果长脉冲能 量比例超过一定范围，则会给激光冲击加工效果造成显著影响。 1 0 时，它们会 ( 2 1 ) 辐射光的偏 振、发射方向、频率、相位都是无规分布的，因而其相干性、方向性和单色性都很 差，但是这些自发辐射光如果在激光介质中发生，自发辐射会得到受激放大而成为 放大的自发辐射( a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ，a s e ) 。当激光介质的增益足够 高，放大自发辐射特性就会被介质增益特性所控制，使其输出特性和初始的自发 辐射有很大的区别【3 1 】。在激光系统中，增益介质通常按传输方向排列，所以在传 输方向的自发辐射获得的增益远高于其他方向。 在高功率激光系统中，由于大尺寸的工作介质和较多的放大级数，自发辐射 在各放大级之间形成振荡，产生一定能量的放大自发辐射激光，当将放大自发辐 射控制在一定范围之内，则对激光冲击加工效果影响不大，但是如果放大自发辐 射能量比例超过一定范围，则会给激光冲击加工效果造成显著影响。 2 2 长脉冲杂光对激光输出能量的影响 由于长脉冲杂光主要由放大自发辐射和漏光组成，而放大自发辐射和漏光均 为微秒数量级，因此这里主要讨论长脉冲杂光中放大自发辐射对激光输出能量、 输出脉冲宽度和输出能量在空间上均匀性的影响。 。 文献【4 】中给出了激光功率密度和诱导冲击波压力的定量关系，见式( 2 2 ) ，式中 a 为内能转化为热能的系数，a - - 0 1 ；i o 为入射激光功率密度；z 为靶材与约束层合 成冲击波声阻抗q c m - 2 $ 。1 ) 。 p ( o p a ) _ 0 o l 、焘压厄 ( 2 2 ) 由此式可见，激光功率密度直接影响着激光产生的冲击力大小。激光能量直 接影响着激光功率密度，因此激光能量直接影响着激光产生的冲击力，进而影响 激光冲击强化效果。因此有必要研究放大自发辐射对激光输出能量的影响。 贺少勃等作者研究了不同抽运强度下，放大自发辐射对激光介质储能密度的影 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 响；当抽运电压从1 0k v 到2 3k v 时，放大自发辐射对增益介质储能密度的影响 如下表【3 2 】： 表2 1 放大自发辐射对增益介质储能密度的影响【3 2 】 t a b 2 1t h ee f f e c to f a s eo nt h ee n e r g yd e n s i t ys t o r a g e e di nt h em e d i u m c h a r g ev o l t a g e n 1 01 62 02 22 3 ew i t h o u ta s e ( j 锄一3 )0 0 7 2 80 1 7 6 10 2 5 0 00 嬲0 3 0 1 0 ew i t ha s e ( j c i l l - 3 )0 0 7 0 10 1 6 2 20 2 1 0 20 2 2 9 80 2 3 8 0 从上表格可以看出，随着抽运电压的提高，放大自发辐射的存在降低了介质的 储能密度，而增益介质的储能密度跟激光输出能量成正比关系，因此增益介质储 能密度的降低直接导致了激光输出能量的下降。 王春雨等作者在调q 速率方程组中引入放大自发辐射项研究了放大自发辐射 对全固态激光器上能级储能效率的影响，得出放大自发辐射的增大降低了增益介 质上能级的储能密度，降低了激光输出能量，如图2 2 所示【3 3 】 4 0 5z o 2 53 o3 5 ot 55 o5 5b o i n p u te n 雠强删 图2 2 放大自发辐射对调q 脉冲能量的影响【3 3 】 f i g 2 2t h ee f f e c to fa s eo nq s w i t c h e dp u l s e 从上图可以发现，放大自发辐射降低了激光输出能量，而且随着放大自发辐射 的增大，激光主脉冲能量下降量增大。 另外，文献 3 4 - 3 7 1 中研究也表明，在高功率激光器中，放大自发辐射的存在严重 地降低了主脉冲能量，间接的降低了激光产生的冲击力，影响了激光冲击强化的 o 5 o 5 o 2 t l 饥 m lx西-o_-擘口坼一：a j 臣芎。 2 3 长脉冲杂光对激光输出脉冲宽度的影响 激光脉冲宽度是指激光强度降为峰值强度的1 e 时的时间宽度值。由公式 f i o = 二可知，激光功率密度跟激光脉冲宽度成反比，因此激光脉冲宽度影响激 r n r 。 光功率密度值，影响激光产生的冲击力。因此有必要研究长脉冲杂光对激光输出 脉冲宽度的影响。e 为激光能量，f 为激光脉冲宽度，为激光光斑半径。 国内外学者从数值分析和试验两个方面深入研究了放大自发辐射对激光输出 脉冲宽度的影响。图2 3 是四能级系统中放大自发辐射对主脉冲激光脉宽的影响。 考虑放大自发辐射存在时，在相同抽运条件下，脉宽变宽，在抽运强度较大时， 由于放大自发辐射而引起的脉宽变宽量趋于一个定值【3 3 1 。 1 o 52 0乏53 o3 54 o4 55 o5 56 o i n p u te n e q 勇i m d 图2 3 放大自发辐射对激光脉冲宽度的影响【3 3 】 f i g 2 3t h ee f f e c to f a s e o nl a s e rp u l s ew i d t h 从图中可知，放大自发辐射的存在增加了主脉冲激光输出脉冲宽度，且随着抽 运功率的增加，激光脉冲宽度区域一个稳定的值。 综上所述，放大自发辐射的存在增加了输出激光的脉冲宽度，从而降低了激光 的功率密度，降低了激光产生的冲击力，影响了激光冲击强化的效果，限制了高 功率激光器的应用。 2 4 长脉冲杂光对激光输出能量均匀度的影响 1 3 基于长脉冲杂光激光冲击强化技术研究 激光光斑的均匀度是指激光能量在光斑所在区域均刍j 分布。激光能量的均匀度 直接影响着激光冲击强化的质量，因为均匀的能量分布能够产生均匀的冲击力， 进而能够产生相对均匀的残余应力分布；当能量分布不均匀的激光与材料相互作 用会导致光斑区域内产生的冲击力分布不均匀，从而诱导不均匀的残余应力分布， 影响强化质量。因此，有必要研究放大自发辐射对激光输出光斑均匀度的影响。 d a l b a c h 等作者p 7 - 4 2 1 对放大自发辐射对激光增益均匀度的影响进行了深入的 研究。从数值分析角度出发，在考虑放大自发辐射情况下，采用数学模型，针对 板条状激光介质分别对y b 3 + 浓度分别为1 和1 0 的介质的增益分布进行了数值 分析，如图2 4 所示。 f a ll a t ，3 0 r a m 1 4 姒c m 2b j1 0 a t 兹3 m m 1 l 戳c n l 2 _ _ _ _ 磁拦澎糊_ _ - 酗g _ _ 肠露盔圈一 图2 4 产：y a g 晶体理论上的增益分布示意图【3 8 1 f i g 2 4t h ed i a g r a mo ft h et