由于没有吸收层 ， 激光束直接照射目标表面 ， 会发生表面汽化和熔化 ， 从而形成液滴 。 在水流的冷却作用下 ， 这些液滴会在表面上重新溶解 ， 从而增加表面粗糙度 。 此外 ， 表面层在再固化过程中会被氧化 ， 并因收缩而导致裂纹的萌生 。 较高的粗糙度、表面氧化和裂纹会降低样品的抗裂性 ， 从而降低其疲劳性能 。 使用较低的激光能量（小于0.5?J）可以减轻热损伤 ， 降低表面粗糙度 。 Sathyajith等人在AL 6061-T6铝合金的表面下未观察到熔化层或微裂纹 ， 证实表面熔化仅影响合金顶面的浅部区域 。 此外 ， 尽管表面粗糙度会对疲劳寿命产生负面影响 ， 但残余压应力起主导作用 。 Maawad等人证明 ， 与SP和USP相比 ， LPwC可以产生更深、更稳定的压缩残余应力层 。
LPwC也可用于处理焊缝 。 例如 ， Sakino等人证明 ， LPwC可以有效地在钢焊接接头周围产生残余压应力 ， 并增加其硬度 ， 从而显著延长焊缝的疲劳寿命 。 Sano等人证明 ， 对于A6061-T6铝合金的LPwC ， 搅拌摩擦焊接（FSW）试样比未焊接的试样具有更高的疲劳性能 。 如图21所示 ， LPwC将搅拌区附近的拉伸残余应力转换为压缩残余应力 。 由于LPwC处理 ， 硬度也会增加 ， 从而提高疲劳性能 。 此外 ， LPwC处理可以通过诱导压缩残余应力和晶粒细化来延缓敏化SUS304不锈钢中SCC的起始和扩展 。 LPwC还可以通过产生晶相、残余压应力和自由体积的增加来提高金属玻璃的疲劳寿命 。

图21 LSP前后FSW试样中的残余应力 。
值得注意的是 ， 由于加工过程中热效应引起的晶间腐蚀 ， LPwC实际上会降低铁素体不锈钢的疲劳寿命 ， 因为疲劳过程中裂纹很容易在晶界形核 。 由于其复杂的物理过程 ， 改善LPwC疲劳性能的机制尚未完全阐明 。 然而 ， LPwC有其独特的优势；如果使用得当 ， 它在某些应用中非常有用（例如 ， 修复水下核反应堆容器） 。
4.5飞秒激光冲击喷丸
传统的LSP利用纳秒脉冲激光作为能量源 ， 需要一个限制层来增强冲击波强度 ， 并需要一个吸收层来保护目标材料的表面完整性 。 这些要求限制了该技术的应用范围 。 虽然许多学者已经证实 ， LPwC也可以获得良好的强化效果 ， 这种方法也会导致表面氧化和微裂纹 ， 并且容易在表面层上引起热烧蚀 。 由于高瞬时功率密度和受加热影响的小区域 ， FLSP可以有效地增强目标材料 ， 而不需要限制层或吸收层 。
由于脉冲持续时间较短 ， 飞秒激光脉冲在产生等离子体之前终止 。 这样 ， 激光束就不会与等离子体发生相互作用 ， 从而提高了能量转换效率 。 与传统LSP相比 ， FLSP具有独特的优势 。 例如 ， 由于其低脉冲能量 ， FLSP不一定需要烧蚀涂层材料来保护目标样品免受直接激光加热 。 此外 ， 在某些配置中 ， FLSP可导致有效的表面硬化 。 最后 ， FLSP通常具有较高的精度 ， 因此适用于加工小型甚至微型部件 。 不可否认 ， FLSP也有缺点 ， 包括受影响深度和压缩层较浅 ， 更不用说飞秒激光的成本相对较高 。
Nakano等人首次使用飞秒激光对304不锈钢进行LSP处理 ， 他们发现在极低能量辐照下（大约几百微焦耳） ， 它可以提高样品的硬度 。 硬度的增加证明应变硬化发生在表面层 ， 这与传统的纳秒激光冲击产生的效应相似 。 然而 ， 这些实验是以水流作为限制层进行的 。 在另一项研究中 ， Sano等人在没有限制层或吸收层的情况下 ， 通过FLSP处理2024铝 ， 发现与未经处理的样品相比 ， 疲劳性能显著改善 。 如图22a所示 ， 304不锈钢的硬度只有在没有水和任何涂层的情况下才能显著提高 。 这是因为冲击波的传播距离小于涂层的厚度 ， 水将诱导电离并吸收大部分入射激光能量 。 此外 ， 在没有涂层的空气中进行FLSP处理后 ， 表面粗糙度会增加（图22b） ， 这是可以接受的 ， 因为受飞秒激光热量影响的面积很小 。 因此 ， 在没有吸收层和限制层的情况下 ， 在许多应用中使用FLSP是可行的 。

图22 a）不同加工条件下304不锈钢样品的表面硬度和b）粗糙度测量 。
由于迄今为止只有少数研究集中在FLSP上 ， 该过程的许多方面 ， 如在产生等离子体的过程中飞秒激光与金属表面的相互作用机制 ， 以及飞秒激光对材料表面完整性的影响仍不清楚 。 尽管如此 ， FLSP由于其独特的优势 ， 在许多应用中具有巨大的潜力 。
来源：Recent Developments and Novel Applications of Laser Shock Peening: A Review ， Advanced Engineering Materials doi.org/10.1002/adem.202001216
【Java|激光冲击喷丸技术的最新进展和新应用（3）】