激光喷丸、激光冲击强化之功率密度

激光喷丸（激光冲击强化）是将高能量密度、高聚焦、短脉冲激光（λ=1053nm）辐照金属零件表面，表层金属（或吸收层）在高功率密度激光的作用下瞬间形成等离子体爆炸，爆炸冲击波在约束层的束缚下向金属零件内部传递，使表层晶粒产生压缩塑性变形，在零件表层较厚范围内获得残余压应力、晶粒细化等表面改性效果。

冲击波对金属的作用效果除与金属材料本身的物理性能有关，还与透明约束层和激光的功率密度有关，即激光功率密度的高低直接影响着表面改性效果。在对零部件进行强化前，工程师需要根据强化需求设计激光冲击工艺，通过选择合适的激光能量、光斑面积、脉冲宽度来控制作用在金属表面的激光斑点功率密度。当激光冲击强化其他工艺参数不变的情况下，随着功率密度的增加，冲击波峰值压力增加。

下面为激光冲击功率密度计算公式：

Energy为单个脉冲激光的能量；

Pulse width为脉冲激光的脉宽；

Laser spot area为光斑面积。

通过公式我们可以看出，调节激光冲击时的脉冲能量、脉宽、光斑面积可以改变激光冲击的功率密度，改变激光能量是改变功率密度最简单的方法之一。提高功率密度带来的效果有：

·增加表面残余压应力水平

·增加压应力的深度

·增大表层晶粒应变程度

需要注意的是，我们在计算激光冲击的功率密度时，需要考虑激光束与目标表面的夹角因素，这个角度影响了激光束在目标表面的实际形状，选用实际光斑的面积计算功率密度更加准确。