江苏激光联盟导读：
在这项工作中，首次研究了激光冲击喷丸（或简单的激光喷丸）作为通过全机械高速激光冲击焊接技术连接的异种箔的焊后处理。本文为第一部分。
摘要
使用三种不同的金属材料组合，对激光冲击焊接箔进行了单次和双次激光喷丸。随后的搭接剪切试验表明，单次激光喷丸可将平均焊接强度提高12%至25%，具体取决于飞片和目标材料的组合。相比之下，使用双喷丸激光喷丸，无论涉及飞片和目标材料，平均焊接强度都会降低。扫描电子显微镜图像显示，与最初的“平坦”焊接界面几何结构相比，单次激光喷丸处理的波纹焊接界面和箔之间的联锁增加，从而导致飞片/目标焊接强度增加。然而，在双喷丸激光喷丸处理中，由于箔的反弹和过度塑性散热，沿焊缝界面观察到分离和熔化。这项研究的结果揭示了激光冲击喷丸作为一种焊后处理方法应用于高速冲击焊接方法的首次见解和效果，超越了传统的基于熔合的焊接方法。
1.介绍
激光在金属和合金的加工和制造中有各种应用。这些包括但不限于切割、蚀刻、雕刻、焊接和增材制造。特别是，Nd:YAG激光器在Q开关模式下使用时，会产生持续时间很短的高能脉冲。通过使用激光光学，激光束可以聚焦在一个小区域，从而产生功率密度极高的脉冲。用高度聚焦的激光束对不透明材料进行直接表面烧蚀，会导致被照射区域瞬间蒸发，从而产生高压等离子体。通过使用透明约束介质，高压等离子体被捕获，进一步吸收激光束在透明介质约束下膨胀时的能量。这会放大等离子体压力，产生冲击波，冲击时穿透激光烧蚀区域。利用激光产生的冲击(shock)是激光冲击焊接(LIW)和激光冲击强化(LSP)等先进的激光冲击金属加工技术的工作原理。
在LIW中，激光束撞击飞片箔，加速飞片箔朝向目标箔，从而导致箔在碰撞时进行机械焊接（如果成功，取决于工艺参数）。因此，避免了熔合焊接方法中存在的不利热影响（例如金属熔化和再凝固时形成脆性金属间化合物），从而提高了焊缝的完整性和强度。
激光冲击强化原理图。
在LSP中，利用激光束产生等离子体冲击波，等离子体冲击波反射到构件表面，产生压应力(CRS)， CRS深深地穿透材料。
在LSP中，根据激光参数和材料特性，激光产生的冲击波穿透目标可能会导致塑性变形，从而产生理想的近表面压缩残余应力（CRS）场。激光诱导的CRS场对处理金属的微观结构和机械性能有各种有益的影响。动态再结晶和晶粒细化等微观结构变化有助于提高机械性能。例如，材料在使用过程中表面裂纹的萌生可以延迟，疲劳寿命可以显著提高。LSP还可以增强处理后金属的抗腐蚀和抗氧化性。与喷丸、超声波喷丸、钢丝刷、滑动摩擦和表面机械磨损处理（SMAT）等其他表面处理方法相比，LSP具有明显的优势；LSP工艺参数可以定制为改变CRS场的大小和穿透深度，而不会引入表面缺陷，如裂纹和高粗糙度。
冲击焊缝图像。来源：doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109372
近年来，还表明LSP工艺作为焊后处理具有优点。一些研究人员报告了LSP在涉及相似和异种金属的各种焊接方法中的应用。然而，迄今为止，LSP仅适用于基于熔合的焊接技术；事实上，其对高速冲击焊接（HVIW）方法的影响尚待研究。本研究的目的是首次研究LSP后处理对异种金属箔LIW焊缝强度和界面几何形状的影响。由于这项工作属于一个新的激光表面工程研究领域，它结合了LIW和LSP，因此首先介绍了它们各自的技术，然后总结和讨论了有关它们实现的相关文献。
1.1. 激光冲击焊接背景
LIW是一种连接薄金属箔的相对较新的技术，由Daehn和Lippold（2009）获得专利，并在Zhang等人（2011）的研究中首次讨论。在与LSP类似的LIW装置中，通过使用激光光学，高能短脉冲激光束聚焦在一个小区域，产生极高的功率密度。如图1所示，激光束通过烧蚀覆盖层（如图1所示）。
图1 LIW流程示意图。
激光照射保护层会导致其瞬间蒸发并产生等离子体，该等离子体在透明覆盖层内膨胀，吸收激光能量，并短暂达到极高压力。高压等离子体撞击飞片箔，以极高的速度向目标发射。如果参数适用于成功连接，则在飞片和目标高速碰撞时，通过金属箔的机械联锁产生冲击焊接（有时具有复杂的界面几何形状）。
迄今为止，已经成功地使用LIW连接了几对类似和不同的金属箔。焊接飞片/靶对的示例包括Al/Al、Al/Cu、Al/Cu-Zn、Al/Fe、Al/Fe-NC、Al/Ni、Al/SS、Al/Ti、Cu/Al、Cu/Fe-MG、Cu/Mo、Cu/Ta、Ni/Ni、Ni/SS、SS/Al、Ti/Cu和Ti/Cu-Zn，其中Al、Cu、Fe、Mo、Ni、Ta和Ti代表铝、铜、铁（钢）、钼、镍、钽和钛的高纯度合金；其中Cu-Zn、Fe-MG、Fe-NC和SS分别是黄铜、铁基非晶合金（金属玻璃）、铁基纳米晶合金和不锈钢。
（左）SLM模型中任意节点的热历史示例。为每个节点提取热历史，并相应地跟踪MP和HAZ的尺寸和运动。这适用于铝1100和不锈钢304箔。（右）SLM SS 304箔的预测不均匀微观结构与EBSD图像的比较，其中使用了相同的材料和SLM工艺参数。来源：doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109372
LIW工艺的结果取决于几个因变量和自变量的组合，如飞片和靶箔的材料特性、厚度、初始形状和方向、箔之间的间距、冲击角和速度，以及激光参数，如光斑直径、脉冲波长、能量、持续时间、注量，和功率密度。
LIW工艺表明，焊接界面几何形状直接影响焊接强度。由于激光诱导的冲击波，观察到了各种各样的界面形状，从平面到波浪，具有不同的波频率和振幅。因此，LIW工艺中箔的连接是机械的；接触面积和焊缝缠结（从而焊缝强度）随着波频率和振幅的增加而增加。相反，焊缝界面越平坦，焊缝强度越低。然而，由于LIW过程中的极高应变率，这取决于激光参数和箔材的材料特性，在塑性散热过度的情况下，沿焊缝界面熔化和开裂会降低焊缝完整性和强度。
考虑到上述由复杂的物理现象控制的LIW结果范围，成功实施和明确理解LIW过程具有挑战性，需要进一步研究。有鉴于此，下面将按时间顺序总结已发表的关于LIW实验实现的研究。
1.1.1. 实验性LIW实现
Zhang等人（2011）介绍了LIW作为其他高速冲击焊接方法的可行替代方法，如爆炸焊接和磁脉冲焊接，用于小规模应用。结果表明，具有适当冲击速度和角度的LIW（铝/铝和铝/铁飞片/靶材组合）会导致氧化层喷射和中等波浪形焊接界面。Wang等表明，与平行箔取向相比，倾斜取向或波纹状靶可以增强LIW（Ni/Ni）。使用光子多普勒测速仪（PDV）显示，飞片在发射后0.2m内达到最大速度。
Wang等人（2014）观察到，在Al/Al和Al/Cu焊缝中，焊缝界面处的显微硬度大于其他箔区。Gu等人（2014）在斜向LIW中实现的Ti/Al焊缝在焊缝界面上显示出细粒度Ti结构，没有任何金属间化合物形成。Wang等（2015）获得了由于回弹而未结合中心区域的铝/铝和铜/铝焊缝。根据冲击角度和激光能量，观察到了具有不同波幅和频率的平面和波浪界面。
Wang等人（2015）开发了一种具有工业应用潜力的半自动LIW配置；在对铝/钛LIW中的各种成分进行试验后，使用聚碳酸酯作为等离子体限制介质，黑色涂料作为烧蚀层，双面胶带用于附着和适当释放飞片，获得了最佳结果。2016年，他们（通过PDV）表明，在LIW中，飞片速度达到了1000米/秒。剥离试验结果表明，尽管焊缝比铝箔更牢固，但随着激光光斑直径的增加，剥离力也会增加。利用焊缝的中心回弹区域，通过接触电阻测量方法估计焊缝区域。
变形箔和von Mises strss（Pa）等高线图的合成3D图像（1μs下的轴测模拟）：（a）几何结构概述；（b）更近距离地观察回弹。
Wang等（2017）成功地将结晶铜焊接到铁基非晶合金上，表明在脉冲能量为0.8 J的LIW后，非晶结构得以保留。2019年，他们获得了铝/不锈钢和不锈钢/铝飞片/目标配置的不同焊缝。观察到界面波的波长和振幅在焊缝方向（向外径向）增加。此外，铝/不锈钢和不锈钢/铝焊接界面中的波形成分别发生在焊接方向的相同和相反方向。Liu等人（2019）证明，通过在铜箔（飞片和靶材）之间添加铝夹层，可以实现三层焊接。此外，在1.8J脉冲能量下，沿焊缝界面出现分散熔化和金属间相形成。
Wang等人（2019）实现了涉及Cu/Mo的异种焊接。激光能量的增加导致了中心回弹和波纹界面的增加。沿界面几乎没有观察到扩散（激光能量高达1.55 J）。同年，他们还获得了Al/Cu-Zn的异种焊缝。1.2 J及以上的激光能量导致界面上的分散熔化。焊接强度达到了母材的62%。使用PDV和高速摄像机，Wang和Wang（2019）能够描述飞行器发射的特征。观察到，在最初的260 μm内，飞片的最大速度达到了80%以上。研究还表明，最初在焊缝中心形成了粘结，但随后由于回弹而分离。限制介质对飞片速度几乎没有影响，但有助于再现性。此外，我们还发现，当飞片宽度和长度达到激光光斑直径的三倍时，飞片速度几乎与其尺寸无关。
Sadeh等人（2019）通过在目标箔和背部支撑之间使用聚合物胶带，发现了回弹问题的解决方案。此外，还讨论了双面胶带尺寸相对于激光光斑直径的重要性，发现稍大于激光光斑的胶带在促进高速飞片发射的同时充分限制了等离子体。Wang等人（2020）使用波纹靶成功焊接了Ni/Ni、al/Cu、al/Ni和al/Ti。他们发现，当标称冲击角为7.5度时，焊接区域在冲击区域的30%处达到最大值。小于7度或大于9度的冲击角导致没有粘合。在1.1μs内，飞片的最大速度达到了约400m/s，在距发射约3mm的位移处，飞片发生了严重变形。
Wang等人（2020）研究了镍/不锈钢LIW中的焊接界面。观察到，界面在焊接方向（向外径向）由无粘结转变为平焊、波浪焊和平焊。同年，他们成功地将铝飞片焊接到铁基纳米晶合金上，表明0.1 mm和0.2 mm的间隔间隙产生了平坦和波浪形的焊接界面，而0.3 mm的间隔间隙引入了分散熔化。搭接剪切试验结果表明，焊缝强度随飞片厚度的增加而增加。Lu等人（2020）实现了Cu/Ta的成功焊接，并观察到塑性变形随着脉冲能量和隔离间隙的增加而增加。中心回弹存在，沿焊缝界面没有形成金属间相，纳米压痕硬度随距离焊缝界面的距离而降低。2021，他们还获得了不同的Ti/Cu-Zn焊缝。当使用1.42 J的激光能量时，观察到一种混合失效模式，其中焊接界面分离和飞片撕裂同时发生。
在LIW新兴领域的上述研究中，还没有一项将LSP视为可能提高LIW焊接强度的后处理。因此，在本研究中，通过搭接剪切试验研究了单次和双次LSP喷丸对Al/Cu-Zn、Al/Cu和Al/SS飞片/靶箔对焊接强度的影响。
接下来简要介绍LSP工艺，并讨论其作为后处理（常规熔焊）的应用。
1.2. 激光冲击喷丸的背景
LSP是20世纪60年代开发的一种表面处理技术（White于1963年首次认可，Anderholm于1968年进一步开发），能够在金属部件中产生近表面CRS场，从而显著提高其疲劳强度和寿命。
如图2所示，在LSP工艺中，聚焦的高能短脉冲激光束照射金属试样的表面，金属试样表面通常覆盖一层薄薄的油漆、胶带或铝箔，以防熔化。辐照后，不透明烧蚀层达到极高的温度（超过10000°C），瞬间蒸发并产生等离子体。通过添加透明覆盖层（通常是一层流动的水），等离子体受到限制，它继续吸收激光束的能量，其压力值显著增加。高压等离子体产生冲击波，冲击波穿透表面并在金属目标内传播。
图2 LSP工艺示意图。
如果冲击波的动态应力超过了金属目标的动态屈服强度，就会产生塑性变形，从而产生近表面CRS场。塑性变形延伸至深度，直到冲击波的峰值动应力低于金属的Hugoniot弹性极限（HEL）。
近年来，由于LSP具有诱导近表面CRS场的能力，它已被探索作为焊后处理。因此，接下来将按时间顺序对这些应用的文献进行总结。
1.2.1. 焊后处理应用
LSP作为焊后处理的应用可追溯到2007年，当时Hatamleh等人开始研究铝合金（AA）7075-T7351的搅拌摩擦焊（FSW）。2009年，他们研究了FSW AA2195-T8样品LSP的低温和高温（CT和ET）。结果表明，室温下LSP和ET将裂纹扩展速率降低至接近母材的水平，而CT LSP中未观察到明显的模式。
超声波检测（S扫描）的典型示意图。它显示了在130 MPa压力下测试的裂纹试样的典型测量信号，并在大约4×105的压力下停止。
Chen等人（2014）将LSP应用于通过激光束焊接（LBW）连接的Incoloy800H试样。当板条组织转变为等轴组织时，位错密度和晶粒细化显著增加。由于LSP的应变率极高，变形是通过孪生而非滑移发生的。Sano等人（2014）将NC LSP应用于FSW AA 6061-T6样品，发现LSP增强的焊接样品疲劳强度恢复到焊接前高于基材的水平。
Sun等人（2016）表明，对2mm厚的LBW AA6061-T6样品施加双面LSP（在相对表面上）可降低孔隙率，同时提高焊缝抗拉强度和显微硬度。Lu等人（2017）研究了LSP对通过钨极气体保护焊（GTAW）连接的316L不锈钢样品微观结构的影响，发现由于位错运动和机械孪晶，晶粒细化分别发生在近表面和基底金属区域。Chen和Cao（2018）研究了LSP对GTAW中国低活性马氏体（CLAM）钢试样腐蚀行为的影响。研究了熔融锂铅在753K下的3000和5000小时腐蚀。LSP诱导的孪晶和位错等微缺陷导致晶粒尺寸减小26%，并形成更合适的钝化层条件。
Chandrasekar等人（2018）将LSP应用于Inconel600和AISI 316L不锈钢的活化（助焊剂辅助）钨惰性气体（ATIG）异种焊缝，发现LSP降低了焊缝韧性，并改变了失效位置，从焊缝上的金属间化合物变为远离较弱母材（AISI 316L SS）上的焊缝。Liu等人（2018）检查了LSP对FSW AA 7050-T7451样品微观结构和耐腐蚀性的影响，并观察到LSP通过诱导晶粒细化、沉淀和高密度位错来提高耐腐蚀性。
Sano等人（2019）使用130飞秒激光脉冲在LBW AA2024-T3样本上进行了干燥（无约束层）NC LSP。因此，通过激光诱导硬化和CRS，焊缝的疲劳性能得到了改善。Chattopadhyay等人（2020）对LBW商用纯钛试样进行了LSP。LSP诱导的CRS导致晶粒细化和耐腐蚀性增加。此外，疲劳强度和近表面显微硬度分别增加了约24%和26%。
在前面回顾了LIW和LSP（特别是作为常规焊接的后处理）之前的研究之后，本文的剩余部分组织如下。第2节描述了实验装置的细节，以及用于执行LIW和后LSP的材料和方法，以研究其对异种金属箔的焊接强度和界面几何形状的影响。第3节详细讨论了通过搭接剪切试验和光学/扫描电子显微镜（SEM）成像获得的结果和观察结果。第4节总结了主要结论。
来源：Investigation into the effects of laser shock peening as a post treatment to laser impact welding，Materials & Design，doi.org/10.1016/j.matdes.2021.109701
参考文献：X. Pan, X. Wang, Z. Tian, W. He, X. Shi, P. Chen, L. Zhou, J. AlloysComp., 850 (2021), p. 156672, 10.1016/j.jallcom.2020.156672