利用夹在对激光透明的固态媒介与目标之间的液体流路径来对目标执行激光冲击喷丸的系统和方法

发明的背景

本发明涉及用于执行激光冲击喷丸(LSP)的装置和方法。本发明尤其但 不限于涉及在激光冲击喷丸(LSP)处理期间在确定有效能量转换时对气蚀事 件的第一气泡振荡周期的使用。

常规喷丸(SP)是一种冷加工处理，借此压缩残余应力被引入金属材料的 表面层以改进机械性质。SP的处理典型地包括用诸如金属、玻璃或陶瓷颗粒之 类的颗粒来撞击零部件表面以可塑地使材料变形，从而改变机械性质。基于激 光的技术中的改进在SP处理中提供了可能的改进，后者继而在制造业中提供 了在增强的产品性能、改进的零部件质量、成本效益以及灵活生产方面的改进。 激光冲击喷丸(LSP)是一种SP处理，其中通过用激光脉冲代替常规SP中所 使用的金属、玻璃或陶瓷颗粒来撞击金属材料的表面层，在金属材料的表面层 中引起压缩残余应力。诸如SP和LSP之类的机械表面处理通常在制造行业中 被用作一种用于增强零部件疲劳寿命的有效措施。主要存在影响零部件的工作 寿命的三种因素：即疲劳载荷、磨损、以及腐蚀。通过LSP处理增强零部件的 表面材料的机械性质，所有这些因素都可被减弱并控制。已经发现通过LSP处 理的零部件的疲劳寿命比未经处理的零部件的疲劳寿命长几倍。

与常规SP一样，零部件的性能改进可归因于通过金属表面引入工程压缩 残余应力。然而，在使用LSP时可塑地受影响的区域的深度和大小远远超过常 规SP的那些。从而，LSP的新兴技术已被证明将疲劳性能提高至超出用常规 SP技术可实现的。

将压缩残余应力层引入金属零部件的好处一般包括增加的疲劳性能(寿命 和耐受性)、对应力腐蚀裂痕的抗性、以及对与微振磨损有关的故障的抗性。 尽管常规SP是已被充分确立的技术，但是由于可塑地变形的区域的浅的受影 响深度以及所产生的对零部件的相对粗糙的表面抛光，它受限于其应用范围。 LSP技术已被发展成一种能够将压缩残余应力引至更大深度和大小以及实现比 SP更好的表面抛光的创新的表面增强处理。在LSP处理期间为喷丸生成的机 械脉冲归因于来自脉冲激光器的激光冲击(与用常规喷丸冲击介质相反)。当 向金属目标发射脉冲激光时，迅速扩张的蒸气与等离子体的机械反冲脉冲被利 用来对零部件进行永久材料改性。LSP过程的示意图解在图1和2中给出。强 脉冲激光束以1至10GW/cm²范围中的功率强度照射目标。典型地，具有范围 为大约50mJ至大约50J的输出的激光被使用，具有纳秒范围的短脉冲宽度， 典型地在5和50纳秒的范围内。入射的高强度照射导致目标表面汽化，目标 表面以部分电离的气体(也被称为等离子体)迅速扩张，具有在10000K范围 内的高温以及几千兆帕的压力。归因于等离子体扩张的快速压力脉冲生成了传 播通过金属目标的冲击波，导致单轴动应变(10⁶秒^-1)以及至某一深度的塑性 变形，在该深度，峰值应力不再超出金属的许贡纽(Hugoniot)弹性极限(HEL) (相当于在冲击条件下的屈服强度)，这导致遍及该受影响的深度的残余应力 的状态。

在LSP处理中，仅希望在工件上的机械撞击。使用更短的激光脉冲以及热 防护涂层(也称为烧蚀剂)，通过激光照射对材料的加热被保持到最小程度。 已发现对能吸收激光的牺牲性涂层的使用增加了冲击波强度，以及防止表面被 激光烧蚀以及熔化。通过使用可烧蚀涂层，可保持零部件的表面质量，尤其是 表面抛光。在一些应用中，在被称为无涂层的激光喷丸(LPwC)中，不使用 吸收涂层而执行LSP处理。从工业角度来说，由于消除了施加吸收性覆盖层所 需的精心准备，LPwC可能是有吸引力的。然而，例如，对于诸如涡轮叶片的 处理之类的某些应用来说，表面粗糙度中的增加可能是不可行的。此外，表面 退化可能降低了增加的疲劳性能的一些潜力。

由于LSP的主要机理归因于因等离子扩张造成的高压脉冲生成，因此LSP 处理典型地采用约束制度以便限制输送到目标的压力脉冲的大小并将其增强 到与自由扩张的等离子相比的3个数量级。约束可通过对激光照射而言充分透 明的任何材料来实现，诸如举例来说石英。然而，出于实用考虑，水通常被用 作约束媒介。水被用作约束媒介的约束制度有时也被称为水约束制度或模式 (WCM)。术语“间接烧蚀模式”和“受约束的烧蚀模式”有时也被使用来描述其 中使用任何约束媒介的制度，而术语直接烧蚀被用在不使用约束媒介的情况 下，即等离子体在空气中自由扩张时。

在利用其中水被用作约束媒介的间接烧蚀模式的LSP处理中，喷嘴典型地 被用于将某种类型的水喷雾或水射流输送到正被处理的零部件的表面。替代 地，正被处理的零部件被完全地浸没在水下。这两种现有技术方法的示意图解 分别在图3和4中给出。

使用薄水层或喷雾作为约束层经受到的问题之一是在空气/水交界面之前 可能发生空气击穿。空气击穿典型地归因于在激光冲击之后生成的每个压力脉 冲后被向外喷射到空气中的水微滴的雾化。由于对高激光强度的吸收，这些小 的水微滴充当击穿起始点。在商业LSP处理中，激光器重复工作来向目标发射 连续的激光冲击以覆盖大的处理面积。空气击穿的发生导致未知量的能量被输 送到目标，从而降低了处理稳健性。

一直到目标区域被均匀且层状的水层厚度充分覆盖为止的持续时间是显 著的，因为这本质上限制了LSP处理期间可操作的重复率。换言之，在下一次 激光冲击能被发射之前必须给予薄水层足够的恢复时间这样的事实限制了可 向目标发射激光冲击的频率。

现在转向将零部件浸没在水下的现有技术方法，利用该方法的一明显问题 是由水浴的大小强加于零部件的大小限制。因此，在采用该方法的LSP处理中， 可被处理的零部件的范围受到限制，因为一些零部件由于其形状和尺寸而仅能 简单地被处理。

由于工程残余应力可被潜在地引入任何金属零部件，就存在LSP的众多可 能的工业应用。例如，LSP当前被用于汽车、船舶、发电、生物医学、以及最 广泛地用于航空航天工业。在最近时期，LSP也已被考虑用于其中拉伸残余应 力是制造过程的结果的那些应用，诸如减式加工方法，包括铣削、拉削、磨削、 激光切割、以及接头焊接。然而，LSP的商业化主要归因于航空航天工业，航 空航天工业仍然是该新兴技术的市场领导者。典型地，诸如钛燃气涡轮叶片之 类的高价值零部件被处理来增强零部件疲劳寿命以及对异物损伤的抵抗力。近 来，对于在整体机身结构零部件中使用LSP技术有不断发展的兴趣。

本发明的一个目的是缓解现有LSP处理所经受的问题中的至少一些问题。 本发明的一个进一步的目的是提供一种将成为现有系统和方法的有用替代的 用于执行LSP处理的系统和方法。

具体来说，本发明的一个目的是提供一种约束制度以通过气蚀冲击事件来 优化由激光束引起的冲击，这是通过针对这样的气蚀事件的发生保持足够厚的 水层来实现的。本发明的另一目的是测量气蚀事件的第一气泡振荡周期，以便 提供对目标的有效能量转移的处理诊断。

本发明的又一目的是提供一种用于创建具有不受归因于所生成的压力脉 冲的喷洒或水喷射影响的尺寸的水约束层的手段。本发明的又一目的是提供对 约束层的厚度的精确控制，以便优化引起压缩残余应力的冲击效应。本发明的 另一目的是减少在激光束到达正被处理的表面之前空气中以及空气/水交界面 处的等离子体击穿，从而导致更可重复的激光能量输送。

发明的概述

一种用于对目标执行激光冲击喷丸的系统，所述系统包括：

用于生成激光脉冲并向所述目标传输激光脉冲的设备；

用于提供液体的液体源；

入口，在使用中所述液体通过所述入口被提供；

出口，在使用中所述液体通过所述出口被排出；

安排在所述入口和所述出口之间的液体流路径；以及

对入射激光透明以允许所述激光脉冲穿过的固态媒介；

其中在所述激光冲击喷丸处理期间在使用中所述液体流路径被夹在所述 固态媒介与所述目标之间，使得所述液体与所述固态媒介以及所述目标直接接 触，从而在所述激光脉冲的行进路径中消除任何空气-液体交界面；

以及其中所述液体被提供至具有恒定厚度的所述液体流路径中，使得在所 述激光脉冲撞击所述目标之后生成的等离子体/蒸气气泡塌缩之际，通过所述液 体层中的气蚀发生次生冲击事件。

所述液体流路径可被安排成使得所述液体层的厚度介于大约5mm和 45mm之间，较佳地为至少11mm。

所述激光生成设备可以能够生成介于大约0.5和100GW/cm²之间的强度 的激光脉冲，较佳地是介于大约0.5和10GW/cm²之间。

所述固态媒介可以是窗口或透镜，或者窗口与透镜的组合。在本发明的一 个实施例中，入射到所述透镜上的激光波束是未聚焦的。在透镜被使用的情况 下，它可具有短焦距，使得传输损失被保持为最小。

所述系统可包括第二窗口以及两个窗口之间的排空区域，以防止激光脉冲 到达与所述液体层接触的窗口之前在空气中的激光脉冲的等离子体击穿。在该 实施例中，所述排空区域较佳地为大约300mm长。

在所述系统的一个实施例中，所述液体流路径可被安排成使得所述液体流 与在喷完处理中正被处理的所述目标的表面平行。

所述系统可进一步包括用于检测在所述激光脉冲撞击所述目标之后生成 的所述等离子体/蒸气气泡的第一气泡振荡周期的手段。这样的用于检测第一气 泡振荡周期的手段还可包括用于记录所述第一气泡振荡周期的手段。所述气蚀 事件的所述第一气泡振荡周期可与输送到所述目标的能量相关，从而允许处理 诊断技术。

根据本发明的第二方面，提供了一种对目标执行激光冲击喷丸的方法，所 述方法包括下列步骤：

提供用于生成激光脉冲并向所述目标传输激光脉冲的设备；

将所述目标设置在所述激光路径中，使得所述目标的表面被所述激光脉冲 冲击；

将对入射激光透明以允许所述激光脉冲穿过的固态媒介安置在所述激光 路径中；

将液体提供至被安排在所述固态媒介与所述目标的所述接触表面之间的 液体流路径中，使得所述液体与所述固态媒介以及所述目标直接接触，以在所 述激光脉冲的行进路径中消除任何空气-液体交界面；

产生恒定厚度的液体层，以便在所述激光脉冲撞击所述目标之后生成的等 离子体/蒸气气泡塌缩之际，通过所述液体层中的气蚀引起次生冲击事件。

所述方法可包括测量在所述激光脉冲撞击所述目标之后生成的所述等离 子体/蒸气气泡的气泡能量。

所述方法可包括检测所述液体层中的所述气蚀的步骤以监视所述激光脉 冲的功率强度和能量。

较佳地，所述方法包括确定在所述激光脉冲撞击所述目标之后生成的所述 等离子体/蒸气气泡的第一气泡振荡周期作为所述气泡能量的度量。

所述方法还可包括通过使用在所述激光脉冲撞击所述目标之后生成的所 述等离子体气泡能量来确定施加在所述目标的所述接触表面上的所述激光脉 冲的压力。

附图简述

现将参照附图仅通过示例来更详细地描述本发明，附图中：

图1示出现有技术激光冲击喷丸处理的示意图解；

图2示出撞击区域的示意图解，在该撞击区域处激光冲击撞击正在图1的 现有技术处理中被处理的目标或工件；

图3示出利用其中水被用作约束媒介的间接烧蚀模式的现有技术LSP处理 的示意图解；

图4示出其中正被处理的目标或工件被完全浸没在水下的现有技术LSP处 理的示意图解；

图5示出在激光脉冲撞击到正被处理的目标的接触表面之后次生冲击波的 产生以及等离子体/蒸气气泡的扩张；

图6示出图5的等离子体/蒸气气泡的塌缩以及在气泡塌缩之际次生冲击波 的产生；

图7示出一系列图像，其中源自于目标的接触表面的等离子体/蒸气气泡与 源自于空气/水交界面的另一等离子体/蒸气气泡之间的接触清晰可见；

图8示出在试验调查研究期间检测到次生冲击波的水层厚度的实验数据；

图9例示出对于15mm的水层厚度在试验调查研究期间获得的第一气泡振 荡周期的结果；

图10例示出对于30mm的水层厚度在试验调查研究期间获得的第一气泡 振荡周期的结果；

图11例示出对于45mm的水层厚度在试验调查研究期间获得的第一气泡 振荡周期的结果；

图12例示出图9至图11中所示的组合的结果；

图13示出放大的图13，以便集中在一直到3.1GW/cm²的功率强度范围；

图14例示出图11的数据的另一表示，其中可看到使用30mm水层对于各 种能量单束激光冲击的第一气泡振荡周期；

图15例示出空气/水交界面处的等离子体生成，其中由于在试验调查研究 期间使用的影像图技术，冲击波的传播是显而易见的；

图16例示出来自图15中所例示的激光冲击0.1秒之后的第二激光脉冲冲 击的等离子体生成；

图17示出一系列照片，这些照片例示出在使用大约0.8mm的薄水层进行 典型LSP处理期间的水微滴喷射；

图18示出由在图17的处理中激光脉冲撞击目标生成的压力脉冲所产生的 水层破裂，此时目标没有被水充分地覆盖；

图19示出根据本发明的第一实施例的用于对目标执行激光冲击喷丸的系 统；

图20示出根据本发明的第二实施例的用于对目标执行激光冲击喷丸的系 统；

图21示出根据本发明的第三实施例的用于对目标执行激光冲击喷丸的系 统；

图22示出根据本发明的第四实施例的用于对目标执行激光冲击喷丸的系 统；

图23示出根据本发明的在LSP处理的一段短的时间段上取得的压力-时间 历史的记录的示例。

试验结果

LSP期间次生冲击事件的生成

发明人对用于无可烧蚀涂层的激光冲击喷丸(LSP)的合适的约束层厚度 的调查研究导致观察到气蚀冲击现象。这样的气蚀冲击现象在各种其他研究领 域中已被发现，但是直到现在，仍然还未将激光引起的气蚀冲击与LSP领域相 关联。已在南非CSIR国家激光中心进行了试验，借此1064nm的单束激光冲 击被发射到静态水箱中。该水箱允许对水层厚度从1mm至45mm的受控改变。 在影像图光学配置使用FastcamSA-5高速相机来观察在水层内出现的物理冲击 现象。在激光照射之际，发现原始或初始冲击波按预期发生，接着是等离子体 /蒸气气泡的扩张。气泡被称为等离子体/蒸气气泡，因为它处于等离子体形式 达几纳秒然后处于蒸气形式。初始冲击波的产生以及等离子体气泡的扩张被示 于图5中，其中初始冲击波和等离子体气泡分别由标号110和标号112指示出。 在调查研究期间发现，如果水层足够厚，则等离子体气泡112在目标表面上的 迅速塌缩将导致归因于气蚀的强次生冲击事件。等离子体蒸气气泡112的塌缩 以及次生冲击波的产生被示于图6中。在该图中，次生冲击波由标号114指示 出。

对于以1064纳米激光的开放大气中的静态水条件归因于等离子体/蒸气气 泡的塌缩的次生冲击事件(也被称为气蚀事件)的出现所需的条件已被建立。 已发现次生冲击事件的出现主要取决于水层厚度以及输送到目标的入射功率 强度(GW/cm²)。在调查研究期间发现当下列两种情形出现时不会发生次生冲 击事件：

i)扩张的等离子体/蒸气气泡穿过水层喷出。这是在常规LSP处理期间典 型发生的，薄水层借助常规LSP处理通过某种类型的水喷雾器或喷嘴被施 加。

ii)在目标表面处扩张的或塌缩的等离子体蒸气气泡与从空气/水交界面处 的水表面形成的另一等离子体/蒸气气泡接触。图7示出一系列图像，其中 源自于目标表面118的等离子体/蒸气气泡116与源自于空气/水交界面122 的另一等离子体/蒸气气泡120之间的接触清晰可见。

在图7中，激光冲击被发射穿过具有大约15mm厚度的水层124。在第一 或初始冲击事件(由前三个图像中的图像模糊证明)之后，等离子体/蒸气气泡 116从目标表面118(在这些附图中目标表面是下层黑色带)生长。在等离子 体/蒸气气泡116开始收缩之际，另一等离子体/蒸气气泡120在水表面122(在 上层黑色带处看到)处发源。当来自目标和水表面的两个气泡116、120合并 时，目标表面气泡116内的能量被释放，因此在其塌缩之际没有次生冲击事件 或气蚀事件。

在目标表面等离子体/蒸气气泡的塌缩之际次生冲击事件的生成所需要的 条件被例示于图7中。每个数据点表示对受控水层厚度以及功率强度(单位为 GW/cm²)的实验观测。次生冲击事件的出现或不出现由图8中的图例所指示的 数据点的类型表示。次生冲击或气蚀事件的出现或不出现是根据通过影像图光 学配置进行的视觉观察来确定的，影像图光学配置允许通过图像密度梯度中的 变化来观察到冲击现象。

从图8可清楚地看到水层厚度是能够决定激光脉冲之后次生冲击事件的出 现或不出现的重要参数。LSP期间采用的功率强度的典型范围从1至10 GW/cm²，图8清楚地示出对于该功率强度范围，在使用1.7J的激光脉冲时， 在这些静态测试条件下，当水层大于11或12mm时，次生冲击事件应当发生。 然而，当使用更强的激光脉冲时，预期该水层厚度增加。

该观察结果对LSP领域可能具有有益的影响，结果，根据本发明的发明涉 及对水层的精确控制。该发明特别地涉及一种用于执行LSP处理的系统，对于 静态和动态条件两者(即在水层是通过连续水流被产生的时侯)，该系统确保 次生冲击事件都发生。

第一气泡振荡周期

在向覆盖了充分厚的水层的目标发射了高强度激光脉冲之后生成的等离 子体/蒸气气泡将首先扩张，然后在上述特定条件下塌缩。如上所述，等离子体 /蒸气气泡的塌缩也可被称为气蚀事件，且与高量值压力相关联，该压力足以导 致穿过目标材料和水约束层的冲击生成。应当理解，在单个激光脉冲之后，等 离子体/蒸气气泡的生长和塌缩导致次生冲击事件。该等离子体/蒸气气泡典型 地持续扩张并接着收缩，并以被称为气泡振荡的方式回弹。第一气泡扩张并收 缩的时间持续期被称为第一气泡振荡周期。如上所述，在激光照射之际，原始 或初始冲击波将按LSP处理中预期的那样被生成。然后，取决于水约束配置， 气蚀事件可导致附加的或次生冲击事件。由该次生冲击事件生成的等离子体/ 蒸气气泡的属性依赖于各种方面，诸如气泡能量、介质密度、介质比热、水压 力、以及诸如举例来说存在表面之类的其他边界条件。就次生的等离子体/蒸气 气泡行为而言，每个气泡振荡的大小和持续时间与气泡能量直接相关。

第一气泡振荡周期与气泡能量直接相关的事实对于LSP处理来说具有一 定的重要性。该第一气泡振荡周期可因此是激光-材料交互效率的直接指标。发 明人因此确定需要对第一气泡振荡周期的重要性进行调查研究，因为这是使用 广泛的可能测量技术来简单量化的质量。

LSP的可靠且可重复的处理中所涉及的一些挑战是由于未计入的能量损失 引起的，即缺少对输送到目标表面的实际能量的控制或知识。鉴于作为激光冲 击喷丸影响的原因的初始压力脉冲也与输送到目标表面的实际能量直接相关 的事实，第一气泡振荡周期可提供与LSP处理期间生成的压力有关的有价值信 息。典型地，未计入的损失包括击穿现象或甚至是激光光学元件的损坏的发生 (由于激光光学元件是消耗品，因此这是不可避免的)。LSP处理期间空气或 水的污染可进一步降低激光束在照射预期目标之前所传播穿过的媒介的介电 阈值。在例如由于传播媒介的污染而发生损失的这样一种情况下，对LSP处理 期间这样的损失的检测将会难以监控。然而，如果存在气蚀事件或次生冲击事 件的出现，则对第一气泡振荡周期的监控可以是一种用于获得关于每个激光脉 冲期间输送的实际能量的信息的简单方法。

发明人进行的试验调查研究针对确定第一气泡振荡周期与LSP处理期间 输送到目标的能量的关系。该调查研究涉及利用高速成像技术通过影像图光学 配置对物理冲击现象的视觉观察，即生成的第一和第二冲击。在调查研究期间， 在静态水箱中使用各种水层配置，而输送到目标的激光脉冲的功率强度被控 制。然后对不同配置和功率强度记录第一气泡振荡周期。再次，调查研究中所 使用的功率强度的与典型LSP处理的范围相同，即1至10GW/cm²。

图9至11例示出在分别对于15mm、30mm和45mm的水层厚度进行调查 研究期间获得的结果。三种不同的水层被测试，以便确定穿过指定厚度的水造 成的损失的程度。在分别例示出15mm、30mm和45mm测试的结果的图9至 11中，标绘指数趋势线，因为具有气泡周期随内能的变化被预期根据指数律变 化。应注意，尽管第一气泡振荡周期将随内能变化，但是在试验调查研究期间 考虑了激光脉冲的功率强度。功率强度是LSP处理期间的主导参数，且本质上 将确定从中生成等离子/蒸气气泡的表面和水汽化的程度，且因此是内能的指 标。在图9至11中，所测试的每个功率强度由6个数据点表示。从这些图可 看到每个功率强度的6个数据点对于较低的功率强度(即介于0.5和3.5GW/cm²之间)而言重叠，而对于较高的功率强度(即3.5和10GW/cm²之间)而言分 散。

图9至11中的全部数据点被组合成图12中所例示出的单个图表，使得三 种不同水层厚度的数据点被例示于单个图表中。图13仅集中在一直到3.1 GW/cm²的功率强度范围。考虑每个功率强度的6个不同数据点，从图13中可 看到介于0和大约3.5之间的低功率强度(尤其是3.1GW/cm²)的可重复性远 比更高功率强度的可重复性高。

尽管对于与功率强度有关的第一气泡振荡周期预期来说，预期的趋势是明 显的，但是在更高的功率强度处存在较大程度的偏差。这些偏差可归因于观察 到的介电击穿。如在这些试验上所述，没有使用激光窗口来约束水层，且因此 介电击穿发生在空气/水交界面处。

图14再次例示出使用30mm水层对于各种能量的单束激光冲击的第一气 泡振荡周期。图14中所表示的数据就是图11中所表示的同样的数据。

由于入射激光能量被划分成各种机理，诸如初始冲击波能量、气蚀气泡能 量以及谱发射，因此入射激光能量的仅一小部分被转换成气泡能量。如果假设 入射激光能量的一恒定部分被转换成气泡能量，则来自入射脉冲的气泡能量的 部分可被估计。当按照激光能量的分数来表示气泡能量并将曲线拟合于图6的 数据时，已发现对于因子为0.32的激光能量到气泡能量的转换，最佳拟合收敛。

设想了通过使用根据本发明的执行LSP的系统和方法，由于空气/水交界 面消除的结果，对于高得多的功率强度可获得与一直到大约3.8GW/cm²的功率 强度相同的可重复性。从图6中所例示的结果，发明人确定通过测量第一气泡 振荡周期，数据中的分散可被检测到，以便于确定在LSP处理中是否发生任何 击穿事件。第一气泡振荡周期因此可能是开发处理诊断时的有价值的工具。

LSP处理内的介电击穿

R.Fabbro等人：J.Appl.Phys.(应用物理学杂志)68,775-784(1990)先 前已经提及在LSP处理期间，击穿现象(由于对目标不可预测且不可靠的能量 输送而因此是不希望的)首先在水表面(即空气/水交界面)处开始。在他们的 简要调查研究期间，对于1064nm激光，在大约2GW/cm²处，首先观察到在水 表面处的等离子体形成。

在试验调查研究期间，发明人通过对第一气泡振荡周期的确定所需的冲击 现象的视觉观察，作出了类似发现。图15是空气/水交界面处等离子体生成的 描绘，借此由于所使用的影像图观察技术，冲击波的传播是显而易见的。在图 15中，水层和空气分别由数字126和128指示出，而空气/水交界面由数字130 指示出。在图15的表示的范围中，冲击波132的传播以及等离子体134的生 成是清晰可见的。

等离子体的形成以及所导致的冲击波减少了可被输送到目标表面的能量 的量，且因此减少了第一气泡振荡周期。介电击穿事件是已知的随机事件，且 本质上是由图9至14中的数据点的分散所表示的第一气泡振荡周期与功率强 度的关系中所发现的大偏差的直接原因。

应注意到，图15的图像以及为图9至14的第一气泡振荡周期所获得的数 据点是通过单个激光脉冲的发射而被获得的。调查研究然后被扩展以包括激光 重复工作的事件，因为工业LSP处理将采用对目标的顺序发射激光冲击来覆盖 大的处理面积。图16是来自上述图14的激光冲击0.1秒之后的第二激光脉冲 冲击的等离子生成的描绘，即以10Hz的激光重复率。鉴于这两张附图的图像 是在同一测试中获得的事实，图16的试验条件与图15的完全相同。因此，相 同的参考标号在图15和16中指示相同的特征。

从图16可清楚地看到击穿在空气/水交界面130之前发生，如对图15中的 单束激光冲击所见那样。该击穿的原因归因于在每个激光冲击生成的压力脉冲 后被向外喷射到空气中的雾化的水微滴。由于对高激光强度的吸收，这些小的 水微滴充当击穿起始点。这对于工业LSP处理来说具有重大关系，因为激光典 型地是按重复模式运行的，从而薄水层典型地被采用且水喷射比图15和16的 配置(包括具有大约15mm厚度的水层)中的水喷射严重得多。

为了观察典型LSP处理期间的水微滴喷射，高速摄影被使用来捕捉以 1064nm、10Hz运行激光且采用大约0.8mm的薄水层时的结果。尽管图16中所 示的图像序列示出在下一激光冲击在0.1秒内命中目标之前不存在大的水微 滴，但是可从实际视频观察到雾化的水微滴形式的非常细微的水雾。从这种高 速成像显而易见的一重要特征是通过水喷雾喷嘴施加的薄水层的恢复需要确 切的时间。如上所述，一直到目标区域被均匀且层状的水层厚度充分覆盖为止 的该持续时间是显著的，因为这本质上限制了LSP处理期间可操作的重复率。 图18示出由激光脉冲撞击目标生成的压力脉冲所产生的水层破裂。在图18被 拍摄的时候，目标没有被水充分覆盖。

例示实施例的描述

参考附图(其中相同的数字指示相同的特征)，用于根据本发明的第一实 施例对目标执行激光冲击喷丸(LSP)的系统的一非限制性示例由参考标号10 指示出。

系统10已被专门开发，以通过在LSP处理中正被处理的零部件的表面102 上施加厚液体层来引起强次生冲击波或气蚀事件。

系统10包括用于生成并向目标传输激光脉冲的设备，目标在图19中由数 字100指示出。用于生成和传输激光脉冲的设备在图19中未被例示出，但是 典型地是能够传输诸如举例来说1064nm和532nm脉冲的激光脉冲的激光器。 在使用中，激光器将典型地输送激光脉冲的连续流以便产生激光束，激光束由 图19中的数字12指示出。激光生成设备能够生成具有介于大约0.5和100 GW/cm²之间的强度的激光脉冲，尤其是介于大约0.5和10GW/cm²之间。

在使用中，激光束12穿过对入射激光透明的固态媒介14。在图19的所例 示出的实施例中，固态媒介14采用通过紧固件18连接到主体16的激光窗口 的形式。紧固件18允许激光窗口14在需要时被替换。

系统10进一步包括用于向LSP处理中正被处理的零部件的表面102提供 液体(较佳地为水)的液体源(在附图中未示出)。在该较佳实施例中，液体 采用水的形式，以便在正被处理的零部件100的表面102的区域上产生水层。 水典型地通过入口20被馈入或提供至系统10的主体16中，并通过至少一个 出口从体排出。在图18的实施例中，系统10具有两个出口22.1和22.2，在使 用中它们是上出口和下出口。从图19中应当清楚地看到出口22.1和22.2仅仅 采用零部件100的表面102与主体16之间创建的通道的形式。出口22.1和22.2 的大小因此可通过将系统的主体16移向和移离零部件100(尤其是其表面102) 来被控制。

仍然参考图19，可看到液体流路径24安排在入口20与出口22.1和22.2 之间。液体流路径24流经系统10的主体16中形成的液体腔室26。液体腔室 26以及因此液体流路径24的至少一部分被夹在激光窗口14与目标或零部件的 表面102之间，使得在使用中，在激光冲击喷丸处理期间，水与激光窗口以及 正被处理的零部件的表面102直接接触。应当清楚地看到这种安排或配置在激 光脉冲(即激光束12)的行进路径中消除了任何空气/水交界面，从而减少了 激光束12的介电击穿。

在使用中，水被提供至液体流路径24与液体腔室26中，这在正被处理的 表面102的区域上产生了具有恒定厚度的水层，以便在激光脉冲撞击目标之后 生成的等离子体气泡塌缩之际通过水层中的气蚀引起次生冲击事件。从对上面 讨论的试验结果的描述，应到清楚地看到水层必须足够厚以便于确保次生冲击 波发生。基于试验结果，发明人已确定大约5mm的水层厚度(较佳地为至少 大约10mm)将导致次生冲击波。

在图19中所例示的系统10的实施例中，水层的厚度是从主体16的在使 用中最远离目标或零部件100的一端到零部件的接触表面102确定的。图19 中的数字28表示出水层的厚度。在系统的该特定实施例中，水层厚度是由液 体腔室26的长度30以及主体16的末端与正被处理的零部件100的接触表面 102之间的间隙32的长度来确定的。水层的厚度因此是可调整的，且具有等于 液体腔室26的长度30的最小厚度。最大水层厚度是由主体16与零部件100 的接触表面102之间的间隙32的长度确定的。为了获得通过液体流路径24的 所希望的水流速，主体16与零部件100的接触表面102之间的间隙长度32将 典型地介于0.1至10毫米之间。

在使用中，激光束12传播穿过激光窗口14和液体腔室26。水被泵送穿过 液体腔室26并通过系统10的主体16与目标或零部件100的接触表面102之 间的间隙排出。本质上，在激光窗口14和目标100之间将没有空气，而只有 水。鉴于激光束12传播穿过的所有交界面都是稳定的，波束散射将被消除。

根据本发明的系统的另一实施例被例示于图20中，其中该系统由参考标 号40指示出。根据第二实施例的系统40类似于系统10，且在附图中相同的数 字指示相同的特征。第一和第二实施例之间的主要差异在于第二实施例的水出 口不位于在使用中正被处理的零部件100的接触表面102处。从图19可看到 系统40具有定义了单个出口44的主体42，在使用中水通过该单个出口被排出。 在系统40的该第二实施例中，水层厚度28实质上等于液体腔室26的长度30。

根据本发明的系统的又一实施例被例示于图21中，其中该系统由参考标 号50指示出。根据第二实施例的系统50再次类似于系统10，且再次相同的数 字指示相同的特征。

在系统50的该第三实施例中，激光窗口被透镜52替代。当使用诸如系统 的第一和第二实施例中那样的激光窗口时，水腔26需要足够长使得入射到激 光窗口上的聚焦的波束不超出其损伤阈值。然而，已发现更希望将水腔长度30 保持得尽可能短，但仍然足以获得次生冲击波或气蚀事件，以便最小化水传输 损耗。因此，如图21中所例示的系统50的第三实施例的配置解决了水传输损 耗的问题，因为入射到透镜52上的激光束并不聚焦且因此较不容易损伤。结 果，系统50的配置允许它利用具有短焦距的透镜52，使得水腔长度30以及因 此传输损耗被保持到最小。

在该第三实施例中，系统50包括主体54，该主体54定义了将水馈入液体 腔室26中的两个入口56.1和56.2。从图21可看到液体入口56.1和56.2位于 液体腔室26的相对侧。设想了水入口56.1和56.2可在主体26中相对于彼此 径向安置。

根据本发明的系统的又一实施例被例示于图21中，其中该系统由参考标 号60指示出。再次，相同的数字指示相同的特征。

根据本发明的第四实施例的系统60包括定义了内腔64的主体62。如图 22中所示，内腔64被提供在位于主体62的端部区域中的两个激光窗口66.1 和66.2之间。在两个高功率激光窗口66.1和66.1之间创建一排空区域，以试 图防止激光脉冲在达到窗口66.2(在使用中，窗口66.2与水层接触)之前在空 气中的等离子体击穿。在试验调查研究期间，发明人确定了空气击穿典型地发 生在离目标大约50至100mm处。因此，在对系统60的该第四实施例的测试 期间，使用长度大约为300mm的排空区域。该排空区域也可被称为真空腔， 且可排空空气，或用诸如氮气之类的另一种气体填充然后排空。

在图22中可看到液体流路径被安排成使得液体流基本上与在使用中正在 LSP处理中被处理的目标100的接触表面102平行。在系统60中，通过与入口 70靠得很近的喷嘴68将水输送到液体流路径。由于液体流路径基本上与零部 件100的接触表面102平行，入口70与出口72对齐，在使用中水通过出口72 排出。入口70和出口72因此是基本相等的大小。类似于根据本发明的第一实 施例的系统10，通过将主体62移向或移离零部件100的表面102，出口72以 及因此入口70的大小是可调整的。应到理解，通过改变主体62与零部件100 的接触表面102之间的间隙的长度，激光束12传播通过的水层的厚度被调整。 水层的厚度再次由参考标号28例示出，且被定义为激光窗口66.2与零部件100 的接触表面102之间的距离。已发现介于大约5mm和大约10mm之间的水层 厚度28导致次生冲击事件发生。

对激光束12的空气击穿的主要贡献因素首先是功率强度，其次是诸如举 例来说压力、质量以及湿度之类的空气特性。空气质量典型地是由其中存在的 灰尘颗粒或水微滴的量来确定的。在试验调查研究期间，最初假设功率强度被 良好地控制，因为能量输入、光斑大小、以及脉冲持续时间都被量化。因此， 一种解决方案力图通过诸如传输媒介中的改进之类的其他手段来减少激光束 12的空气击穿概率。已知空气击穿阈值随空气压力的减少或对另一种媒介的使 用而显著增加。

通过在系统60中使用真空腔，激光束12传播穿过该腔室而不是穿过环境 空气。该系统60的一重要因素是在激光窗口66.2与零部件100的接触表面102 之间泵入大量水，足以完全在波束的路径中消除任何空气。系统60中所使用 的激光窗口66.1和66.2是被设计用于1064nm的专门的高功率窗口(N-BK7 熔融石英)。由于在试验测试期间这些窗口66.1和66.2将被暴露于极高的功 率强度，因此采取了小心的措施来确保它们工作在它们的损伤阈值之下。关注 点之一是，在激光束12传播穿过第一窗口66.1然后穿过真空64时折射率的变 化将改变光斑大小，从而改变第二窗口66.2处的入射功率强度。因此，使用ccd 相机来对穿过腔室64的光斑大小进行测试，其中N.D.过滤器被置于腔室之前。 这示出光斑大小的迅速减小。腔室然后被通风以允许空气进入，以便确定该效 应是否是由真空造成的。然而，仍然实现了小的光斑大小。然后通过完全移除 真空腔来重复该测试，但是仍然保持小的光斑大小。这是极其重要的发现，因 为这暗示出通过使用离激光窗口的距离来进行光斑大小确定是无效的。在进行 了关于“透镜性能”为何改变的某些进一步的调查研究之后，得出的结论是存在 偏离激光的显著波束发散。

用于根据本发明执行LSP处理的系统的上述实施例解决了通过使用喷嘴 来施加厚水层一般遇到的问题。现有技术的这些问题典型地是空气-水交界面效 应的结果，诸如水层表面中导致波束散射的波纹。根据本发明的系统的各种实 施例还解决了现有技术在实现厚水层的均匀且可重复实现时具有的困难，这些 困难取决于诸如水流速、水喷嘴离目标的距离、与激光撞击相比的水射流撞击 的高度、以及水射流碰撞与目标的角度之类的因素。从根据本发明的系统的各 种实施例的描述应到清楚地看到所有实施例都允许对水层厚度的精确控制以 及消除空气-水交界面效应，诸如空气-水界面处的击穿以及水微滴喷射/喷洒。 尤其是，根据本发明的系统的所有实施例被设计成确保在每个激光脉冲之后发 生强次生冲击波或气蚀事件。

如上所述，本发明的目的之一是提供一种水约束配置，其中出于生成次生 冲击事件的目的，水层厚度可被精确地控制。在LSP处理期间，重要的是具有 可重复的功率强度的激光脉冲用每一个激光脉冲照射目标。然而，LSP的本质 是以高功率强度运行，从而汽化以及等离子体形成仅在目标表面处是需要的。 在目标表面之前发生的任何汽化或等离子体形成都将被认为是击穿出现。击穿 事件本质上有些随机，且对于入射照射来说是高度吸收的。有必要实现对目标 100的接触表面102的可重复的功率强度输送，在LSP处理期间这是可实现的， 因为由激光脉冲的冲击生成的且作为目标中的压缩残余应力的产生的原因的 压力脉冲正比于入射功率强度的平方根。因此，为了实现贯穿LSP的均匀且受 控的压缩残余应力状态，要求可重复的功率强度。

鉴于在次生冲击事件或气蚀事件发生时第一气泡振荡周期与从入射功率 强度到等离子体能量转换过程(以及因此与压力生成)高度相关的事实，它可 用作为输送到目标的功率强度的指标。输送到目标100的功率强度中的任何减 少都将表现为第一气泡振荡周期中的变化。功率强度中的减少可能是由于某种 类型的能量损失原因(诸如举例来说空气中的击穿、对光学器件的损伤或污染) 的结果。

为了监视激光脉冲的功率强度以及尤其是输送到目标100的接触表面102 的能量，根据本发明的系统包括用于检测并记录第一气泡振荡周期的手段。当 次生冲击事件发生时，每个激光脉冲生成两个强压力脉冲。这两个强压力脉冲 之间的时间差构成了第一气泡振荡周期。图23示出在LSP处理的一段短的时 间段上取得的压力-时间历史的预期记录的示意表示的示例。在图23中，激光 脉冲撞击零部件100的接触表面102而生成的初始压力脉冲由参考标号80例 示出，而气蚀事件生成的次生压力脉冲由参考标号82指示出。应当理解每一 对初始和次生压力脉冲80和82都是单个激光脉冲撞击接触表面102的结果。 因此，在图23中，第二和第三对初始和次生压力脉冲80和82表示第二和第 三激光脉冲撞击接触表面102。第一和第二激光脉冲的初始压力脉冲之间的时 间差表示激光周期T，而同一激光脉冲生成的初始压力脉冲80与次生压力脉冲 之间的时间持续期86表示第一气泡振荡周期。

根据本发明的系统可包括广泛的不同类型的测量仪器与技术来确定第一 气泡振荡周期86。通过上面的描述应清楚，在从原始激光脉冲和气蚀事件两者 生成压力脉冲之后，冲击波或声波将传播穿过约束媒介(在较佳实施例中是水) 以及目标材料(是金属)两者。因此，诸如水中听音器之类的测量仪器可被放 置在水腔内，或者替代地一换能器可被放置在正被处理的零部件100上。还设 想了可被使用来确定第一气泡振荡周期86的光学测量仪器。视觉方法可与上 述试验调查研究期间进行的影像图可视化背后的原理相类似。

尽管通过根据本发明的各种实施例的系统的上述描述，对目标或零部件 100执行LSP处理的方法应当是清楚的，但是为了清楚起见再次简要描述。该 方法包括提供诸如能够生成并传输激光脉冲的Nd:YAG激光器之类的设备的步 骤。目标100被置于激光路径中，使得目标的接触表面102被激光脉冲冲击。 对入射激光透明的固态媒介被置于激光路径中，以便允许激光脉冲在撞击目标 100的接触表面102之前穿过该固态媒介。在较佳实施例中，该固态媒介可以 是激光窗口或透镜，或者甚至是两者的组合。

所述方法进一步包括将液体(较佳地为水)提供至被安排在所述固态媒介 与目标100的接触表面102之间的液体流路径中，使得液体与所述固态媒介以 及所述目标直接接触，以在所述激光脉冲的行进路径中消除任何空气-液体交界 面。水以受控的方式被提供至液体流路径中，以便在正被处理的目标100的接 触表面102的区域上产生恒定厚度的水层，从而在激光脉冲撞击目标之后生成 的等离子体气泡塌缩之际，通过液体层中的气蚀引发次生冲击事件。

水层中的气蚀事件被检测，作为监视正被输送到接触表面102的激光脉冲 的功率强度和能量的手段。该步骤包括检测并记录第一气泡振荡周期以便确定 在激光脉冲撞击目标100之后生成的等离子体气泡的气泡能量。关于第一气泡 振荡周期和气泡能量所获得的信息然后可被用于确定施加在目标100的接触表 面102上的激光脉冲的压力。应理解，根据本发明的方法允许在LSP处理期间 对输送到目标100的能量的精确监控。通过检测并记录第一气泡振荡周期以及 使用该信息来确定正被输送到目标100的能量，就无需尝试并确定本发明的系 统的能量损失。根据本发明的系统和方法允许使用气蚀事件的第一气泡振荡周 期的LSP处理诊断技术，来确定在LSP处理期间正被输送到目标的能量。确定 正被输送到目标的能量的量的能力是根据本发明的系统和方法相比于已知系 统和方法的显著优点。

从根据本发明的系统和方法的上述描述应清楚地看到它们是被专门设计 以通过对水层厚度的控制来引起次生冲击事件或气蚀事件。本发明的系统还消 除了任何空气-水交界面，使得在LSP处理中不涉及水喷射或喷洒。发明人相 信这是非常有益的，因为由于水层恢复而造成的对激光的可运行重复速率的限 制被消除。当使用本发明的系统和方法时，激光脉冲能以比现有技术系统高得 多的频率向目标冲击。水-空气交界面的消除进一步防止喷射出的水微滴充当水 层之前的空气媒介的击穿的潜在起始点。这是使用现有技术的水射流或喷雾喷 嘴不可实现的另一优点。