激光表面強化技術(shù)作為一種高新材料表面處理辦法，可以有效提升金屬材料的抗疲勞性能并增加強度，在航空飛機/發(fā)動機制造業(yè)具有重要意義，且關(guān)系到國防航空裝備，因此掌握該技術(shù)的歐美國家對我國實施技術(shù)封鎖。上海潤洽公司立足國內(nèi)研發(fā)力量，致力于激光表面強化關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)集成與工業(yè)應(yīng)用自動化控制開發(fā)，不斷持續(xù)改進激光表面強化技術(shù)的可靠性與可控性。
激光表面強化技術(shù)要真正從實驗室走向工業(yè)化生產(chǎn)，必須滿足的條件就是提高系統(tǒng)的自動化程度和可靠性，對強化過程的實時監(jiān)控，這樣才能保證激光表面強化部件的質(zhì)量。目前在激光表面強化技術(shù)在我國工業(yè)應(yīng)用推廣，工業(yè)自動化控制是關(guān)鍵問題，首先我們需要知道激光表面強化技術(shù)需要什么樣的高功率激光器。
1、高功率脈沖激光參數(shù)選擇
激光與物質(zhì)的相互作用是從入射激光被物質(zhì)反射和吸收開始的。照射在材料表面的激光部分被反射，而其余部分進入材料內(nèi)部被吸收。假設(shè)涂覆于金屬板料表面的涂層僅起到提高金屬表面對激光的吸收作用，將吸收涂層與金屬作為一個整體，僅考慮金屬板料的熱物理特性。當(dāng)激光能量被靶面吸收后，其強度減弱，所吸收的激光功率密度，在固體內(nèi)部按布格—拉姆別爾定律（Законом Еугера—Ламберта）變化：式中 I0— 入射到材料表面的激光功率密度材料的吸收能力，A=1-R（R為反射率）β(x)— 激光在介質(zhì)中的吸收系數(shù)（x：從材料表面向內(nèi)為正）公式適用于各種不同的材料 。但是，其中A和β的具體數(shù)值，因光的吸收及其轉(zhuǎn)換為熱的機理不同，對不同材料有很大的差別。
激光對物質(zhì)的作用是高頻電磁場對物質(zhì)中自由電子或束縛電子的作用，物質(zhì)對激光的吸收與其物質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。一旦激光入射到金屬晶體中，在入射激光強度不引起金屬晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性重構(gòu)的情況下，金屬中的自由電子在激光作用下發(fā)生高頻振動，通過韌致輻射過程，部分振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪捶瓷涔庀蛲廨椛洌溆噢D(zhuǎn)化為電子的平動動能，再通過電子與晶格之間的弛豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?dǎo)電電子在10-11~10-10秒的時間內(nèi)把吸收的能量轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動，此過程發(fā)生在厚度為δ=10-6~10-5厘米的層內(nèi)，這一厚度相當(dāng)于輻射對金屬的穿透深度。顯然，入射到金屬內(nèi)部的光子面對數(shù)量眾多的公有化電子，通過數(shù)次非彈性碰撞，光子總會在距表面一個很薄的厚度內(nèi)被電子吸收。對于大多數(shù)金屬來說，其吸收光子的深度都小于0.1μm。金屬間公有化電子之間也在不斷地相互碰撞，其碰撞的平均時間為10－13s量級。因此吸收了光子處于高能級狀態(tài)的電子將在與其它電子相互碰撞和與晶格聲子的相互作用過程中進行能量傳遞，即進行了能量以熱的形式轉(zhuǎn)移。因此可以認(rèn)為金屬內(nèi)部在吸收光子的作用點上，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁窃诜浅６痰乃查g完成的。
由于激光表面成形時所采用的功率密度非常高，一般在GW/cm2量級，則任何金屬在這樣高的激光功率密度照射下，表面達到氣化所需的時間均小于1ns（假定沒有激光能量浪費）。由此可見，激光表面時，金屬表面溫升速度極大（大于1012oC/s），因而可忽略液相的存在。
為了使激光表面技術(shù)在實際工程中獲得更廣泛的應(yīng)用，根據(jù)激光表面處理中為提高激光表面波峰壓而廣泛采用約束模式的情況，R.Fabbro等人建立了激光表面沖擊波傳播的一維模型，并對沖擊波峰值壓力進行了估算。
激光產(chǎn)生的沖擊波向靶材和約束層中傳播，設(shè)其速度分別為D1、D2，在沖擊波作用下，界面將被打開，其位移速度分別為u1、u2。在激光脈沖加熱過程中，被涂層吸收的激光能量一部分用來增加等離子體的內(nèi)能，另一部分用來打開界面作功，則得到激光脈沖為矩形波時，有如下的峰值壓力估算式：
該公式建立在一維傳播模型基礎(chǔ)上，忽略了等離子體橫向膨脹效應(yīng)作用，但是作為強激光參數(shù)與沖擊波峰值壓力互算已經(jīng)較為廣泛應(yīng)用。在激光表面波成形研究中，一般情況下板料直徑明顯大于激光光斑直徑，激光脈沖為納秒量級，光斑尺寸為3－8mm，單脈沖激光能量需要20～50J。
2、 約束層的選擇
在激光表面強化的研究中，人們對約束層的機理及適用的材料進行了較為深入的研究，早在1973年，O’keefe J.D.就對兩種不同的靶面進行了研究，一種情況是直接照射在靶面上，另一種是在靶前加一透明玻璃約束層，實驗表明，在后一種情況下，沖擊波幅值要增加一個數(shù)量級，而且沖擊波半高寬度也大大加寬。R. Fabbro等人在假設(shè)激光表面波作一維傳播的前提下，建立了約束模式下激光束和約束層和靶材之間的相互作用模型，提出了沖擊波峰值壓力大小的估算式，定量說明了約束模式下，激光誘導(dǎo)的沖擊波峰壓與功率密度、靶和約束層的折合阻抗之間的相互關(guān)系。但估算值與實測值之間存在較大的誤差。
目前常用的約束層是固體玻璃和水兩種。在20世紀(jì)70年代，使用透明石英為主，由于石英具有較高的聲阻抗（與水相比）和較好的剛性，在一定的功率密度以下能獲得更高的峰壓。Fairand等人對透明容凝石英和純凈蒸餾水進行了對比試驗，在激光功率密度為6×104W/cm2～6×109W/cm2范圍內(nèi)，石英和水作為約束層時，在試件表面產(chǎn)生的峰壓差別不太大，這說明約束層材料的聲阻抗對沖擊波峰壓的影響不像預(yù)計的那樣大，當(dāng)激光功率密度大于4×109W/cm2時，兩者的差別將消失。
透明約束層材料對所用的激光波長應(yīng)該是真正透明的，包括光學(xué)玻璃、水、水溶液和其他的一些非腐蝕性液體，如水玻璃、水晶、食鹽、硅酸鹽、熔融的二氧化硅、氯酸鉀、氯化鉀、聚乙烯、熒光塑料、硝酸纖維以及混合物等。
采用水作為約束層時，不僅能增大沖擊波峰壓，而且還能使其脈寬變寬，美國陸軍機動設(shè)備研究與發(fā)展中心的Fox對水作約束層的作用進行了深入的研究，采用釹玻璃調(diào)Q激光裝置，用能量計進行在線能量控制，用Tektronix7904示波器進行激光脈沖波形監(jiān)控。試樣材料為6061-T6鋁合金，板厚1mm。石英傳感器安裝在試件背面，在試件和傳感器之間涂有薄礦物油以獲得良好的耦合，為了獲得一維平面波，采用大光斑沖擊，光斑直徑約6mm（傳感器的測量頭直徑加三倍時間厚度）。試件表面處理及激光表面分四種情況：
（1）試件表面不加任何涂層和約束層，用甲醇清洗所有試樣表面。用30J/cm2能量密度的激光進行沖擊，測得傳播至鋁板背面的應(yīng)力波峰值壓力為5.8×107Pa，應(yīng)力波半高寬度約30ns。
（2）試件表面僅涂以激光吸收保護層，用用10J/cm2能量密度的激光進行沖擊，測得傳播至鋁板背面的應(yīng)力波峰值壓力為1.21×108Pa，應(yīng)力波半高寬度約30ns。
（3）試件表面僅覆蓋水層，用用10J/cm2能量密度的激光進行沖擊，測得傳播至鋁板背面的應(yīng)力波峰值壓力為2.42×108Pa，應(yīng)力波半高寬度約60ns。
（4）試件表面涂以激光吸收保護層再覆蓋水層，用用10J/cm2能量密度的激光進行沖擊，測得傳播至鋁板背面的應(yīng)力波峰值壓力為3.79×108Pa，應(yīng)力波半高寬度約60ns。
由此可見，激光吸收保護層僅起到增大應(yīng)力波峰壓的作用，而水約束層不僅起到增大應(yīng)力波峰壓的作用，而且還使應(yīng)力波的半高寬度增大一倍。水作為一種廉價的可回收利用的資源，是激光表面強化工業(yè)應(yīng)用的不二之選。
3、運動控制平臺的選擇
激光表面強化技術(shù)作為一種在航空制造與維修領(lǐng)域的新型金屬材料表面處理技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用需求。航空零部件制造工藝復(fù)雜，造價昂貴，外形尺寸復(fù)雜多變，但重量較輕。針對這以特性，我們選擇的工業(yè)機器人具有7軸聯(lián)動功能，這7個軸向的聯(lián)動可以確保裝夾在軸上的零部件任意部位均能處于激光表面強化的加工位置，并且可以加工大型航空零部件比如航空發(fā)動機葉輪。
4、系統(tǒng)集成監(jiān)控選擇
（1）系統(tǒng)的集成控制問題。由于系統(tǒng)中各設(shè)備和分系統(tǒng)涉及光學(xué)、機電等各種設(shè)備。在加工過程中，為保證加工過程的質(zhì)量，必須協(xié)調(diào)水（約束層）、機電（運動平臺）、光（激光器）設(shè)備的聯(lián)合協(xié)調(diào)工作。但是由于該系統(tǒng)中的各種設(shè)備既有如高功率激光器這樣的非標(biāo)設(shè)備也有如關(guān)節(jié)式機器人這樣的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。使得整個系統(tǒng)沒有一個統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，這給系統(tǒng)的集成控制帶來了不少的困難。
（2）對于強化過程的實時監(jiān)控問題。對強化過程中重要參數(shù)的實時監(jiān)控是保證激光表面強化質(zhì)量的關(guān)鍵問題。美國沖擊強化標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定要對激光束的質(zhì)量包括能量，時間和（或）空間分布的監(jiān)控。
除激光器光束的實時監(jiān)控外，對運動平臺運動位置的實時監(jiān)控也比較重要，在高重復(fù)頻率下，平臺運動是否到位也是保證沖擊部件得到均勻覆蓋率的保證。上海潤洽公司通過開發(fā)的系統(tǒng)總線的的控制辦法，解決了系統(tǒng)的集成控制關(guān)鍵技術(shù)，采用的多級多總線集成控制技術(shù)成功的將不同接口標(biāo)準(zhǔn)的各分系統(tǒng)和設(shè)備在同一平臺和操作系統(tǒng)下進行無縫連接。并對加工過程中的重要參數(shù)進行了實時在線監(jiān)控。