“大(da)型(xing)整(zheng)體構件(jian)(jian)在航空(kong)航天等領域應用廣泛，其(qi)結(jie)構形(xing)(xing)狀復(fu)雜，制造難度高(gao)，形(xing)(xing)狀精度保(bao)證(zheng)困難。激光噴丸成形(xing)(xing)是解決大(da)型(xing)整(zheng)體構件(jian)(jian)柔性(xing)(xing)成形(xing)(xing)/校(xiao)形(xing)(xing)的新方法(fa)(fa)，具有工藝(yi)可(ke)控性(xing)(xing)強、柔性(xing)(xing)高(gao)，能顯著提高(gao)疲勞壽命(ming)等優點(dian)。本文(wen)將介紹筆(bi)者所在團隊近(jin)些(xie)年來在大(da)型(xing)整(zheng)體構件(jian)(jian)激光噴丸成形(xing)(xing)方面(mian)的系統性(xing)(xing)研(yan)究(jiu)工作，包(bao)括(kuo)彎曲變形(xing)(xing)機理、成形(xing)(xing)工藝(yi)規律(lv)、成形(xing)(xing)工藝(yi)規劃方法(fa)(fa)以及工藝(yi)裝備(bei)等方面(mian)，并圍繞航空(kong)航天等領域應用需(xu)求開展了一系列典型(xing)整(zheng)體構件(jian)(jian)成形(xing)(xing)驗(yan)證(zheng)。”
激光噴丸強化領域的主要研究進展
近年來，激(ji)光噴(pen)丸(wan)技術在(zai)國內(nei)外(wai)的(de)(de)應(ying)用場景(jing)正處于持續拓(tuo)展中。激(ji)光噴(pen)丸(wan)具(ju)有(you)非接觸、無熱(re)影響區、可控性強以及(ji)強化效果顯著等(deng)突出優點，通(tong)過將殘余壓(ya)應(ying)力(li)(li)植入零件(jian)的(de)(de)關鍵部位，以沖擊(ji)波的(de)(de)形式穿過零件(jian)，能夠大幅提高(gao)金屬材料的(de)(de)抗疲(pi)勞、耐(nai)磨(mo)損和(he)抗腐蝕能力(li)(li)。激(ji)光噴(pen)丸(wan)利用塑性變形和(he)殘余壓(ya)應(ying)力(li)(li)等(deng)作(zuo)用，驅動材料表面發生特定的(de)(de)強化效應(ying)。與(yu)普(pu)通(tong)噴(pen)丸(wan)手段(duan)相(xiang)比(bi)，激(ji)光噴(pen)丸(wan)的(de)(de)殘余壓(ya)應(ying)力(li)(li)深度 >1mm，是普(pu)通(tong)噴(pen)丸(wan)的(de)(de) 5-10 倍(bei)；疲(pi)勞壽命提升 10 倍(bei)；應(ying)力(li)(li)腐蝕 300M 鋼提高(gao) 5 倍(bei)；柔(rou)性無模彎曲成形力(li)(li)提升 10 倍(bei)。
圖(tu)1.激光噴丸工藝示意圖(tu)
激光噴丸:工程應用
當前，激光噴丸技(ji)術已被廣泛(fan)用于關鍵(jian)構(gou)件(jian)強化與成形等高值零部件(jian)、關鍵(jian)工(gong)序領(ling)域，旨在改善材(cai)料的抗疲勞性能、提(ti)高損(sun)傷(shang)容限(xian)、增強抗應(ying)力腐蝕、抑(yi)制裂紋擴(kuo)展和減少維護成本。比較具有代表(biao)性的應(ying)用場景包括航發/燃機行業的葉(xie)片、整體葉(xie)盤……航空(kong)領(ling)域的構件強化（F22/16/18/35)、壁(bi)板成形（B747）……，以及核電領(ling)域的堆芯(xin)焊接件應(ying)用等。
01
02
03
圖(tu)2. 激光噴丸技術已(yi)被廣泛用于航空(kong)航天關鍵(jian)構件(jian)強化與成形等(deng)高值零部件(jian)、關鍵(jian)工(gong)序領域(yu)
大型整體構件激光噴丸成形
近兩年，筆者所在(zai)實驗室的重點工(gong)作將激光噴(pen)丸應用(yong)(yong)于薄壁(bi)(bi)構(gou)件的無模成形(xing)(xing)(xing)領域。航空航天等運載裝(zhuang)備以(yi)高性能、高可(ke)靠性需(xu)求(qiu)驅動(dong)下, 采用(yong)(yong)大(da)型整(zheng)體薄壁(bi)(bi)構(gou)件已成為主要發展(zhan)方(fang)向。目前，大(da)型整(zheng)體薄壁(bi)(bi)構(gou)件的加工(gong)要求(qiu)是(shi)能夠顯著(zhu)提(ti)高結構(gou)效率、保持先(xian)進氣動(dong)外形(xing)(xing)(xing)和提(ti)升結構(gou)氣密性。然而(er)(er)，大(da)結構(gou)尺寸面(mian)臨成形(xing)(xing)(xing)難(nan)度大(da)的問題、低整(zheng)體剛度則無法(fa)確保成形(xing)(xing)(xing)精度和效率、而(er)(er)多曲率外形(xing)(xing)(xing)又(you)較難(nan)保證(zheng)面(mian)形(xing)(xing)(xing)，從(cong)而(er)(er)亟需(xu)高效的加工(gong)手段(duan)助力。
圖3. 激光噴丸成形是實(shi)現大型復雜整體(ti)構(gou)件高性(xing)能精確成形有效(xiao)途徑
鑒于此，激光噴(pen)丸(wan)成(cheng)(cheng)形(xing)是實現大型(xing)(xing)復雜(za)整體構件高(gao)性能精(jing)確成(cheng)(cheng)形(xing)的有效(xiao)途徑。激光噴(pen)丸(wan)作為(wei)新(xin)型(xing)(xing)的無模成(cheng)(cheng)形(xing)工(gong)藝，相較于滾彎成(cheng)(cheng)形(xing)、蠕變成(cheng)(cheng)形(xing)和(he)機械噴(pen)丸(wan)成(cheng)(cheng)形(xing)等傳統手段，在材料廣(guang)泛(fan)性、形(xing)狀適應(ying)性、形(xing)狀精(jing)度和(he)力學性能等方(fang)面都彰(zhang)顯出(chu)更為(wei)顯著(zhu)的優勢。
圖4. 激光(guang)噴(pen)丸成(cheng)形與傳統成(cheng)形手(shou)段相比，展(zhan)現出不少(shao)顯著(zhu)優點(dian)
首(shou)先，柔性無(wu)模成(cheng)形(xing)能夠降(jiang)低成(cheng)形(xing)設備(bei)/模具(ju)需求；其次，形(xing)狀(zhuang)精確(que)可控，從而可考慮初始變形(xing)且(qie)無(wu)回彈；第三，力學性能優(you)異，借助(zhu)這種強化效應大幅(fu)提高材料和零件的抗疲(pi)勞性能；第四，綜合(he)效率(lv)較(jiao)高，由此降(jiang)低了準備(bei)周(zhou)期和人工校(xiao)形(xing)。
◎ 薄壁結構彎曲變形機制
筆者團隊(dui)針(zhen)對薄板的(de)(de)變(bian)形(xing)(xing)規律展開(kai)了研究，以此掌(zhang)握薄壁結構彎曲變(bian)形(xing)(xing)的(de)(de)規律和機制。通過(guo)研究可知(zhi)，如(ru)果將激光作用于板件表面，基于激光參數(shu)的(de)(de)不(bu)同，在板材深(shen)度方向(xiang)引(yin)發的(de)(de)塑(su)性(xing)變(bian)形(xing)(xing)特征也(ye)呈現(xian)出(chu)差異(yi)。倘(tang)若(ruo)塑(su)性(xing)變(bian)形(xing)(xing)特征能夠貫穿于板材整個(ge)厚度方向(xiang)，便(bian)會產生向(xiang)上的(de)(de)彎曲力(li)；如(ru)果塑(su)性(xing)變(bian)形(xing)(xing)特征集中于板材表層，則產生向(xiang)下的(de)(de)彎曲力(li)。
圖5. 薄壁結構彎曲變形機制示意圖
因此，影響(xiang)板材彎曲方向的(de)(de)因素包括激光功(gong)率(lv)密度（功(gong)率(lv)密度增加，便會(hui)發生連(lian)續性的(de)(de)方向轉變）；另外如果改變板厚，當處于(yu)薄型狀態時，會(hui)向上彎曲；隨著板厚增加，則向下(xia)發生彎曲。
◎ 纖維金屬(shu)層板激光噴(pen)丸成形
基于這一變形(xing)規律(lv)，筆者(zhe)曾與商飛(fei)集團共同探(tan)討纖維金屬層板采用(yong)激(ji)光噴丸成形(xing)技(ji)術的可能性。
圖6. 金屬纖維層壓板
纖(xian)維(wei)金屬層(ceng)板(ban)(ban)的(de)(de)(de)傳統成(cheng)(cheng)形(xing)手段(duan)是(shi)采(cai)用熱(re)壓罐自成(cheng)(cheng)形(xing)工(gong)藝(yi)(yi)，需要制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)模(mo)具再(zai)經(jing)過固化、燒結等工(gong)藝(yi)(yi)。設(she)計的(de)(de)(de)一個想法是(shi)能否采(cai)用金屬塑(su)性成(cheng)(cheng)形(xing)工(gong)藝(yi)(yi)，以避免熱(re)壓罐自成(cheng)(cheng)形(xing)工(gong)藝(yi)(yi)中潛在的(de)(de)(de)部分(fen)工(gong)藝(yi)(yi)風險(xian)—譬如制(zhi)(zhi)(zhi)備工(gong)藝(yi)(yi)不(bu)完善，可能會導(dao)致整塊板(ban)(ban)料報(bao)廢(fei)。因此，如果先(xian)制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)層(ceng)板(ban)(ban)，再(zai)通過成(cheng)(cheng)形(xing)工(gong)藝(yi)(yi)制(zhi)(zhi)(zhi)作(zuo)出(chu)相應(ying)的(de)(de)(de)形(xing)狀，便能大幅降低構件的(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)產成(cheng)(cheng)本，提高(gao)加工(gong)效率。
圖7. 采用金屬塑性成形工藝能大幅降低板件的成產成本并提升效率
針對(dui)不同的(de)(de)玻璃纖維增(zeng)強(qiang)鋁金(jin)屬(shu)層板(ban)（GLARE），觀察(cha)它們(men)在(zai)激光(guang)噴丸壓(ya)力載荷(he)作用下的(de)(de)一些變(bian)形(xing)情(qing)況。由于不同GLARE板(ban)材的(de)(de)內部結構(gou)存(cun)在(zai)差異，但其(qi)中(zhong)仍存(cun)在(zai)鋁合金(jin)金(jin)屬(shu)層，利用金(jin)屬(shu)層變(bian)形(xing)效應，可帶動整塊層板(ban)發(fa)生有效的(de)(de)彎(wan)曲變(bian)形(xing)，然而不同的(de)(de)鋪層方式對(dui)層板(ban)的(de)(de)變(bian)形(xing)行為產(chan)生明顯的(de)(de)影響。
通(tong)過激(ji)光(guang)噴(pen)丸(wan)(wan)(wan)作用在層(ceng)(ceng)板(ban)(ban)上(shang)，可以產生較小(xiao)的(de)(de)(de)彎曲半(ban)徑（最小(xiao)100mm）。曲率半(ban)徑主要取(qu)決于層(ceng)(ceng)板(ban)(ban)的(de)(de)(de)厚(hou)度(du)和鋪層(ceng)(ceng)方式，如果激(ji)光(guang)噴(pen)丸(wan)(wan)(wan)次數較多，通(tong)過進(jin)一步的(de)(de)(de)超聲掃(sao)描分析(xi)層(ceng)(ceng)板(ban)(ban)內部(bu)的(de)(de)(de)層(ceng)(ceng)裂狀態，能觀察到顯(xian)著(zhu)的(de)(de)(de)層(ceng)(ceng)裂情況，極限(xian)變形量(liang)對激(ji)光(guang)噴(pen)丸(wan)(wan)(wan)工(gong)藝(yi)效果具有(you)重要影響，因(yin)而是工(gong)藝(yi)中需要控制的(de)(de)(de)重要變量(liang)。在這一領域，團隊(dui)所做(zuo)的(de)(de)(de)部(bu)分工(gong)作為今后(hou)激(ji)光(guang)噴(pen)丸(wan)(wan)(wan)在纖(xian)維金屬(shu)層(ceng)(ceng)板(ban)(ban)方面的(de)(de)(de)應用打下(xia)了扎實的(de)(de)(de)基(ji)礎。
◎ 形變效應增強方(fang)法(fa)
2012年，團隊與中(zhong)國商飛合作，圍繞大厚(hou)度鋁(lv)板的(de)(de)變形效應進行(xing)驗證(zheng)，其(qi)中(zhong)借鑒了機械噴丸(wan)工藝中(zhong)的(de)(de)彈性預彎，在預彎基(ji)礎上再進行(xing)激光噴丸(wan)。由于在其(qi)上表(biao)面已形成了拉伸彎曲的(de)(de)應變效應，因(yin)此(ci)繼續施(shi)加激光噴丸(wan)載荷(he)，可(ke)以增加彎曲變形量。
從實(shi)驗可(ke)知，施加預(yu)彎效果后，曲率半(ban)徑(jing)會(hui)隨著預(yu)彎變(bian)(bian)形量的(de)增大呈線性增長趨(qu)勢(shi)，無論是數據仿真模型(xing)亦或實(shi)驗結果，均驗證(zheng)了(le)這一結論。然(ran)而，必須確保彈性預(yu)彎不(bu)會(hui)影響塑性變(bian)(bian)形，因為塑性變(bian)(bian)形會(hui)影響上(shang)下表面(mian)(mian)產生的(de)殘(can)(can)余(yu)應力。在很(hen)多領(ling)域，不(bu)僅(jin)對彎曲變(bian)(bian)形提出需求(qiu)(qiu)，并且要求(qiu)(qiu)上(shang)下表面(mian)(mian)具有有效的(de)殘(can)(can)余(yu)應力，由此提高壁板的(de)抗疲(pi)勞等性能。鑒(jian)于此，精準控(kong)制彈性預(yu)彎量尤為重要。
據此，團隊推導出一個公式(shi)，可控制(zhi)在彈(dan)(dan)性(xing)預(yu)彎范圍(wei)內(nei)。通過進一步驗(yan)證18-20mm的鋁合(he)金厚(hou)板的彎曲變(bian)形(xing)(xing)，從實驗(yan)結果得(de)知，在無預(yu)應力(li)的情(qing)況下，激光(guang)(guang)噴丸(wan)產(chan)生(sheng)的彈(dan)(dan)性(xing)預(yu)彎量是機械噴丸(wan)成(cheng)形(xing)(xing)的2倍(bei)；如果加上(shang)彈(dan)(dan)性(xing)預(yu)彎量，則(ze)是機械噴丸(wan)成(cheng)形(xing)(xing)的10倍(bei)，激光(guang)(guang)噴丸(wan)成(cheng)形(xing)(xing)能(neng)力(li)顯著提高。隨后，團隊還嘗試采用連續(xu)激光(guang)(guang)熱輔(fu)助工藝提高激光(guang)(guang)噴丸(wan)成(cheng)形(xing)(xing)彎曲變(bian)形(xing)(xing)能(neng)力(li)的方法(fa)，大幅提高了鈦合(he)金板的彎曲變(bian)形(xing)(xing)量。
圖8. 采用金屬塑性成形工藝能大幅降低板件的成產成本，并且提升鈦合金板的彎曲變形量
◎ 大量脈沖累積無模柔性彎曲
基于人工(gong)(gong)經驗(yan)難(nan)以支(zhi)撐(cheng)復雜型面成形形狀(zhuang)(zhuang)控制，因此在(zai)整體構件中(zhong)，如何(he)將形狀(zhuang)(zhuang)與工(gong)(gong)藝參數進行(xing)高(gao)度匹配設(she)計是關鍵，即根據所需(xu)的形狀(zhuang)(zhuang)確定激(ji)光要覆蓋的范圍。在(zai)實際(ji)工(gong)(gong)程(cheng)中(zhong)，反問題往往比正(zheng)問題更為重要。
圖9. 很多情況下，想要真正取得創新和突破，往往需要采用逆向思考法
◎ 固有應變高效建模方法
將焊(han)接(jie)工(gong)(gong)藝中的固有應(ying)變高效(xiao)(xiao)建模方法引入(ru)激(ji)光噴丸中，通過固有應(ying)變中間變量(liang)等效(xiao)(xiao)，解決了大型(xing)復(fu)雜構件沖(chong)擊效(xiao)(xiao)應(ying)計算(suan)效(xiao)(xiao)率的瓶頸，支撐工(gong)(gong)藝數(shu)據庫與(yu)工(gong)(gong)藝設(she)計。
由于(yu)固有(you)應(ying)變工藝(yi)(yi)方(fang)法的應(ying)用愈發廣泛，近些年，在(zai)一(yi)些數(shu)(shu)值仿(fang)真軟(ruan)件(jian)中(zhong)，也(ye)應(ying)運而生了(le)相應(ying)的模塊。然(ran)而，要對復雜構件(jian)強化性能進行(xing)有(you)效預測，關鍵是建立固有(you)應(ying)變的工藝(yi)(yi)數(shu)(shu)據(ju)庫和工(gong)具軟件(jian)。
圖10是一塊大型帶筋壁板激光噴丸成形的模型實例。板材采用的是薄壁高筋結構，尺寸為2.0×0.8 m2；脈沖數量為77376個。如果采用直接動態仿真方法計算量巨大，單脈沖計算時長>10分鐘，總計> 537天；然而，采用固有應變工藝模型僅需11分鐘。
圖10. 大型帶筋壁板激光噴丸成形的模型實例
◎ 復雜型面成形工藝規劃
團隊在激光(guang)噴丸(wan)成(cheng)形(xing)(xing)工藝(yi)(yi)機理與(yu)規(gui)律研究基礎上，建立了(le)基于固有應(ying)(ying)變理論的高效計算的求解方法，以實現復雜曲面激光(guang)噴丸(wan)成(cheng)形(xing)(xing)工藝(yi)(yi)規(gui)劃。前期工作中已將固有應(ying)(ying)變方法應(ying)(ying)用(yong)到整(zheng)體壁板(ban)條帶(dai)激光(guang)噴丸(wan)成(cheng)形(xing)(xing)工藝(yi)(yi)優(you)化中，通過采(cai)用(yong)遺傳優(you)化算法，解決了(le)條帶(dai)尺寸與(yu)分布的優(you)化問(wen)題。
后續，針對復雜型面(mian)(mian)成形工(gong)藝規劃，在(zai)固有應變(bian)基(ji)礎上又提出了(le)固有矩的(de)(de)概念(nian)—反應固有應變(bian)在(zai)深度(du)方向的(de)(de)質量。通(tong)過公式推導得出，固有矩與板(ban)材的(de)(de)變(bian)形撓度(du)形成一(yi)一(yi)對應關系。隨后建立了(le)分布的(de)(de)工(gong)藝規劃方法，無論是單參(can)數(shu)或雙參(can)數(shu)工(gong)藝規劃，圍繞雙曲面(mian)(mian)都能獲得有效的(de)(de)固有矩的(de)(de)分布量：圖(tu) 11 中紅色部分表示在(zai)正面(mian)(mian)做激光噴丸，藍色代表在(zai)反面(mian)(mian)做激光噴丸。
圖11. 固有矩反應了固有應變在深度方向的質量 為驗(yan)證這一(yi)結果做了相關實驗(yan)，在優(you)化(hua)(hua)參量(liang)的(de)指導下(xia)，能(neng)夠做出雙曲面(mian)、圓柱面(mian)甚至波形(xing)面(mian)等各種所需形(xing)狀。目前團隊也正在進一(yi)步優(you)化(hua)(hua)復(fu)雜(za)型面(mian)成(cheng)形(xing)工(gong)藝規劃，旨(zhi)在能(neng)設計制(zhi)作出任意形(xing)狀。 ◎ 大幅面動態掃描光學系統 要實(shi)現(xian)大型(xing)整體構件(jian)的(de)激(ji)光噴丸成形，除了解決(jue)工(gong)藝算法(fa)問(wen)題，還亟需解決(jue)裝置(zhi)問(wen)題。倘(tang)若制作一個(ge)大零件(jian)，采(cai)用現(xian)有的(de)激(ji)光噴丸方法(fa)，譬(pi)如使用機(ji)器(qi)人是很難實(shi)現(xian)的(de)。因為針對每個(ge)脈沖(chong)，機(ji)器(qi)人都(dou)需要在工(gong)件(jian)上移動一個(ge)位置(zhi)。試想一下，一塊 10m 左右(you)的(de)機(ji)翼壁板，采(cai)用機(ji)器(qi)人加工(gong)是無法(fa)實(shi)現(xian)的(de)。 現有振鏡、場鏡掃描范圍僅為100-200mm2，要將范圍覆蓋至1m2以上，就需要調整光路。對此，團隊于2015年提出一種用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置及方法，解決了光斑形狀矯正與脈沖掃描過程控制問題。該大幅面動態掃描光學系統的光斑有效覆蓋范圍大于1.0x1.0m2，光斑直徑4.0mm。系統通過帶有動態聚焦及光斑矯形模塊的兩軸振鏡進行光學掃描，實現大型工件移動光路激光噴丸，具有對加工工件適應性強、設備布置靈活度高的優點。 圖12. 用于大型工件激光噴丸成形的大幅面動態掃描光學系統 ◎ 大幅面動態掃描路徑規劃 根據搭建的這套裝備樣機和優化的路徑，打造出高鐵機車車頭上的復雜型面。經過規劃區域獲取（識別噴丸區域邊界）—規劃區域點集生成（ 噴丸邊界內部點集保留）—點集分割（按加工條件分割）—路徑生成（生成噴丸掃描路徑）的路徑，便能制作出相應的動車板件（1.0x0.5m2，2019年制成）；后續通過夾具改進，又制作了一塊動車窗口部位的板材（2.4x0.95m2）。這些板材均能達到裝機要求。 激光噴丸除了在機(ji)翼、壁(bi)板等成(cheng)形(xing)領域的(de)應用(yong)外，在航空(kong)航天構件的(de)加工變形(xing)、校形(xing)方面也(ye)有(you)極(ji)為廣闊的(de)應用(yong)前(qian)景。 鈦合金薄壁結構表面強化 激光沖(chong)擊強化作為一種新型(xing)表(biao)(biao)面強化技術，能(neng)夠在(zai)材料表(biao)(biao)層產生(sheng)殘(can)余(yu)壓應(ying)力，提高結(jie)構(gou)件的(de)疲勞強度(du)、表(biao)(biao)面硬(ying)度(du)、延長其疲勞壽命，在(zai)鈦(tai)合金結(jie)構(gou)件中應(ying)用前景廣闊。針對鈦(tai)合金薄(bo)壁結(jie)構(gou)的(de)表(biao)(biao)面強化，關鍵是薄(bo)壁結(jie)構(gou)殘(can)余(yu)應(ying)力與(yu)變形協(xie)調的(de)控(kong)制。 譬如，對航發風(feng)扇(shan)葉片的(de)包邊做強化(hua)處理后，能(neng)夠提(ti)供抗(kang)異物撞擊(ji)性(xing)能(neng)。然而(er)，包邊強化(hua)的(de)核心難點(dian)是(shi)控(kong)制(zhi)變(bian)(bian)形(xing)(xing)的(de)問(wen)題。對此，筆者(zhe)團隊(dui)針對薄壁結構殘余(yu)應力與變(bian)(bian)形(xing)(xing)協調控(kong)制(zhi)方面做了(le)相關(guan)工(gong)作：對0.5mm鈦合金風(feng)扇(shan)葉片包邊，通過激光(guang)噴(pen)丸改(gai)變(bian)(bian)部分光(guang)斑尺寸和參數，以獲(huo)得最小(xiao)范圍符(fu)合要求的(de)變(bian)(bian)形(xing)(xing)量，并且在工(gong)件表面能(neng)夠獲(huo)得有效的(de)殘余(yu)壓應力。對工(gong)藝(yi)進行探索后，團隊(dui)總結了(le)兩(liang)個關(guan)鍵點(dian)：光(guang)斑直徑要盡可能(neng)小(xiao)；薄壁兩(liang)側參數匹配的(de)要求非常高。 此外，通過葉(xie)緣模擬件三點彎曲疲勞實驗發現，激光(guang)噴(pen)丸在(zai)(zai)低周區(qu)域(yu)內(nei)，它(ta)對薄(bo)壁結構并(bing)未體現出很好(hao)的強化特性；但在(zai)(zai)高周區(qu)域(yu)內(nei)，強化特性有明顯(xian)提高（有50MPa疲勞強度(du)的提高）。 裂紋損傷構件激光噴丸強化 事實上，激(ji)光噴丸(wan)強化在航空結構件(jian)的維護(hu)方(fang)面也(ye)展現出應用(yong)前(qian)景。譬如，針對已經(jing)產生的部分(fen)微小裂紋，激(ji)光噴丸(wan)能否有用(yong)武(wu)之地？ 筆者團隊在(zai)經(jing)過摸索后開展(zhan)(zhan)了(le)相關實驗(yan)。首(shou)先在(zai)零件試樣上預制(zhi)部分裂(lie)紋(wen)，隨后在(zai)工件兩側(ce)施加激光噴(pen)丸作用力。由(you)于引入了(le)塑性變形力，這(zhe)些裂(lie)紋(wen)會(hui)重新擠壓(ya)在(zai)一起，且會(hui)在(zai)周邊形成一定的(de)(de)(de)壓(ya)應力，結合擠壓(ya)效應，通過研究裂(lie)紋(wen)擴展(zhan)(zhan)行(xing)為可以看出(chu)，其(qi)裂(lie)紋(wen)擴展(zhan)(zhan)壽命有一段處于非擴展(zhan)(zhan)階段，而非擴展(zhan)(zhan)階段后續的(de)(de)(de)萌生(sheng)(sheng)階段對于提(ti)升材料的(de)(de)(de)抗疲勞性能產(chan)生(sheng)(sheng)了(le)較為顯(xian)著的(de)(de)(de)效果，可達到9倍的(de)(de)(de)性能提(ti)升。 圖14. 裂紋(wen)擴展行為
圖(tu)13. 針對(dui)航發薄(bo)壁結構(gou)的殘余應力等(deng)性能開展(zhan)了葉緣模擬件三(san)點彎(wan)曲疲勞實驗
激光噴丸強化裝備
近幾年以(yi)來(lai)，筆者所在團(tuan)隊也參與了一系列(lie)相關(guan)的國家科研攻(gong)關(guan)項目，例如工(gong)信部04專項"高檔數(shu)控機床(chuang)與基(ji)礎(chu)制造裝備”。同(tong)時，團(tuan)隊(dui)和商(shang)發(fa)集團(tuan)合作開(kai)發(fa)出一套激光(guang)噴(pen)丸強(qiang)化(hua)裝備，搭載的(de)軟件能夠實現整(zheng)個噴(pen)丸過(guo)程的(de)全自(zi)動化(hua)，裝備其他核(he)心功能特點包括：連續點位控制、能量實時記錄、點位自(zi)動記錄、集成自(zi)動標(biao)定、自(zi)動上(shang)下工(gong)件和自(zi)循環水(shui)模塊等(deng)。
此外，這(zhe)(zhe)套激光噴丸強化(hua)裝備還實現了一(yi)(yi)些關鍵的(de)(de)創新突破。例如，實現了激光器(qi)-機(ji)器(qi)人(ren)同步(bu)控制技術，主要是機(ji)器(qi)人(ren)與激光脈沖之間的(de)(de)同步(bu)控制，最終獲得閉環加工效果(guo)。這(zhe)(zhe)一(yi)(yi)技術突破也是幾(ji)代產品經歷了發(fa)展(zhan)、迭代和(he)升級(ji)的(de)(de)驗證。
首先，1代產品的激光(guang)器是固定頻(pin)率出光(guang)；機器人為連(lian)續速度控制。總(zong)體上，信息沒有交互(hu)，且點位不(bu)準確、不(bu)規(gui)則。一旦對激光(guang)路徑提(ti)出嚴格(ge)要求(qiu)，其強化效果勢必會受(shou)到影響。
其次，2代產(chan)品(pin)的激(ji)光器為外(wai)部觸發出光，機器人為間斷點(dian)位控制(zhi)。產(chan)品(pin)在(zai)圍繞信息交(jiao)互(hu)方面做(zuo)了(le)一些(xie)改善，但機器人頻繁啟(qi)停，強化效率較(jiao)低（≤2Hz）。
最后，3代(dai)產品(pin)針對前2代(dai)產品(pin)的瑕疵缺陷做了(le)綜合改進(jin)。激光器為(wei)外部觸發(fa)出光，機器人為(wei)速度/位(wei)置(zhi)控制。實現(xian)了(le)4ms周期交互，配置(zhi)專門研發(fa)的CPs控制器（在每一個(ge)閉環內同時對狀態信息進(jin)行采集，形(xing)成信息物理(li)系(xi)統的智能裝備概念）， 理(li)論上(shang)的強化效率>50Hz。
激光智能制造實驗室簡介
近(jin)年來，筆者(zhe)所在的激光(guang)(guang)智能制造實驗室在激光(guang)(guang)噴(pen)丸/強(qiang)化/成形、激光(guang)(guang)熱(re)力效應(ying)精確調控、激光(guang)(guang)驅(qu)動微滴增材制造、激光(guang)(guang)制造裝備研發，以及(ji)激光(guang)(guang)驅(qu)動微球沖擊(ji)測(ce)試(shi)技術等(deng)一系列工藝技術領域(yu)展開了深入的科研攻關(guan)、應(ying)用開拓以及(ji)產業化落地(di)等(deng)工作。
目前，該激光(guang)智(zhi)能(neng)制造實驗(yan)室配置了包括(kuo)高能(neng)短脈沖(chong)激光(guang)器、固定光(guang)路激光(guang)噴丸系統、大幅(fu)面掃描光(guang)路激光(guang)噴丸、激光(guang)驅動(dong)微(wei)滴增(zeng)材、皮秒激光(guang)加工系統、飛(fei)秒激光(guang)加工系統等(deng)在(zai)內的先進(jin)裝備(bei)。
小結
誠(cheng)然，激光(guang)(guang)噴丸成形(xing)為解決飛(fei)機大(da)型(xing)整體壁板(ban)制造(zao)提供了一條有(you)效的技術(shu)途徑，而(er)激光(guang)(guang)噴丸強(qiang)(qiang)化技術(shu)未來在中國(guo)(guo)許多重點(dian)行(xing)業都擁有(you)廣(guang)袤的發(fa)展(zhan)空間和應(ying)用(yong)(yong)前。綜上所述，需要(yao)重點(dian)從以下三方面繼續加強(qiang)(qiang)攻關。第(di)一，大(da)型(xing)整體薄(bo)壁構(gou)件(jian)高性能(neng)柔性精確成形(xing)。主要(yao)舉措是(shi)建立(li)工藝規劃算法，提升掃(sao)描(miao)裝備性能(neng)，支(zhi)撐典型(xing)應(ying)用(yong)(yong)。第(di)二，關鍵(jian)(jian)結構(gou)件(jian)維修激光(guang)(guang)噴丸強(qiang)(qiang)化。核心是(shi)建立(li)工藝數(shu)據庫，研發(fa)工藝設(she)計(ji)軟件(jian)，提高可靠(kao)性，支(zhi)撐生(sheng)產(chan)應(ying)用(yong)(yong)。第(di)三，從多維度開發(fa)智能(neng)激光(guang)(guang)噴丸工藝與裝備技術(shu)，服(fu)務制造(zao)強(qiang)(qiang)國(guo)(guo)。重點(dian)是(shi)持續提高裝備性能(neng)與可靠(kao)性，支(zhi)撐關鍵(jian)(jian)零部件(jian)高效可靠(kao)制造(zao)。
0531-88698207
