姜銀方，程志軍，丁 報，潘 禹，李 娟，金 華，王春輝

(江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

1 引言

激光沖擊強化是一種新型的材料表面強化技術(shù)。當高強度的激光脈沖作用在金屬靶材的吸收層上時，能量在短時間集聚，吸收層瞬間汽化產(chǎn)生膨脹的等離子體流［1－2］。進而產(chǎn)生一個高幅值、短脈寬的壓力脈沖。壓力脈沖以沖擊波的形式傳入金屬材料內(nèi)，材料隨后發(fā)生塑性變形，進而在變形區(qū)域產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力［3－4］。與傳統(tǒng)的機械噴丸相比，激光噴丸后試件表層的壓應(yīng)力層深度更大且試件表面的質(zhì)量更好，對試件表面的微觀形貌影響更小。這就為小孔件的表面強化提供了一個新的思路與方法，極具工程意義［5－6］。

現(xiàn)階段的大量研究結(jié)果表明:激光沖擊強化能有效改善金屬材料的應(yīng)力分布、微觀組織結(jié)構(gòu)與延緩裂紋擴展速率，從而提高零件的疲勞壽命。針對直徑小于3 mm的孔，采用冷擠壓工藝往往在冷擠壓過程中，芯棒發(fā)生斷裂而無法取出;此外與芯棒配套使用的襯套僅能使用一次，加工成本過高;再者冷擠壓的作用僅限于孔壁，孔周圍結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)并沒有得到改善。激光沖擊強化對這些特殊的結(jié)構(gòu)具有無法比擬的優(yōu)勢［3，7－8］。

在項目的研究過程中發(fā)現(xiàn):峰值壓力對激光沖擊強化的效果影響很大，特別是單面沖擊強化。采用低峰值壓力進行單面激光強化后會對試件的疲勞壽命產(chǎn)生一定的增益;而峰值壓力過大時，試件經(jīng)激光沖擊強化后壽命反而降低，出現(xiàn)負增益。為此本文通過ABAQUS有限元分析軟件對峰值壓力與載荷脈寬對小孔件孔壁方向上殘余應(yīng)力分布進行研究，通過建立激光沖擊強化有限元分析模型、選擇合適的有限元單元類型和材料模型，為零件經(jīng)高峰值壓力激光強化后疲勞壽命的降低提供理論依據(jù)［5］。

2 小孔件的疲勞失效

2．1 實驗條件

選取7050－T7451雙聯(lián)狗骨試樣為研究對象，試樣厚度為4 mm，激光噴丸強化試驗選用波長1064 nm，脈沖寬度為20 ns，重復頻率為5 Hz的釹玻璃脈沖激光器。所采用的激光脈沖能量為2～9 J，光斑直徑3 mm，強化2層。吸收層和約束層分別為0．12 mm的黑膠布、1～2 mm的去離子水。雙聯(lián)孔疲勞試樣如圖1所示，強化完成后在試樣上加工小孔，小孔直徑為2．6 mm。疲勞試驗采用拉－拉正弦波載荷軸向加載，應(yīng)力比R=0．1，試驗頻率為共振頻率f=70～80 Hz，孔位置最小截面處最大載荷為195 MPa。疲勞試驗分激光沖擊前后2組對比進行。

2．2 實驗結(jié)果

疲勞試驗完成后試件斷口形貌如圖2所示，強化前后試件的疲勞壽命與所承受的循環(huán)載荷次數(shù)如表1所示，實驗結(jié)果表明:當強化能量為2 J時，強化后試件的疲勞壽命有38．92%的增益。而當強化能量增大至8．5 J時，強化后試件的疲勞壽命反而下降，出現(xiàn)－32．27%負增益現(xiàn)象;如圖2所示，對完疲勞試驗后的斷口進行分析發(fā)現(xiàn):試件未經(jīng)處理時，斷口上疲勞源位于孔角;當強化能量為2 J時，斷口上疲勞源位于孔壁中部;當強化能量為8．5 J時，斷口上疲勞源進一步內(nèi)移，斷口上疲勞源距激光沖擊面3．16 mm。強化能量增大后試件的疲勞增益反而降低且斷口上疲勞源位置發(fā)生內(nèi)移，其原因很可能是強化能量過大使試件內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力變大，從而導致試件的疲勞壽命出現(xiàn)負增益?，F(xiàn)以有限元仿真的方法研究峰值壓力、載荷脈寬對強化后孔壁應(yīng)力分布的影響。

圖1 雙聯(lián)孔疲勞試樣Fig．1 Double fatigue specimen with central hole

表1 激光處理前后試樣疲勞壽命Tab．1 Fatigue life before and after LSP

圖2 激光沖擊前后斷口形貌Fig．2 Fatigue fracturemorphology of specimen before or after LSP

3 孔壁殘余應(yīng)力峰值分析

3．1 有限元模型

為了研究峰值壓力與載荷脈寬對小孔件孔壁應(yīng)力分布的影響，在此用ABAQUS軟件對其進行仿真研究。模擬過程中采用7050－T7451鋁合金，材料的相關(guān)參數(shù)如表2所示。模型的幾何尺寸為28×28×4(長×寬×厚)。網(wǎng)格類型為顯式線性縮減積分單元C3D8R，該單元為8節(jié)點六面體實體單元，可進行大應(yīng)變、塑性、高應(yīng)變等分析。強化過程中采用圓形光斑，相鄰光斑搭接率為L/D=1/2(L為相鄰沖擊移動距離，D為光斑直徑)。光斑數(shù)量為4×4，以條沖的方式進行沖擊強化如圖3所示，完成16個圓形光斑的強化稱之為強化1層。

表2 7050－T7451鋁合金參數(shù)［1］Tab．2 Thematerial properties of 7050－T7451 aluminum alloy

圖3 強化路徑Fig．3 The path of laser shock

在激光強化過程中，激光誘導產(chǎn)生的等離子體峰值壓力高達幾GPa，且作用時間短、應(yīng)變率達到106～107s－1，此時材料的力學響應(yīng)區(qū)別于靜載［5］。由于強化實驗中采用流動水作為約束層，在此不考慮溫度這一因素的影響。對材料的本構(gòu)模型(Johnson－Cook模型)加以簡化，簡化后表達式為:

表3 Johnson－Cook模型材料特性參數(shù)［1］Tab．3 Themodel prarmeter of Johnson － Cook

在這里對光斑直徑為3 mm條件下，峰值壓力為 2．0 GPa、2．5 GPa、3．0 GPa、3．5 GPa、4．0 GPa 不同的參數(shù)組合進行研究，研究的目標路徑與三維模型如圖4所示。

圖4 目標路徑位置Fig．4 The location of target path

3．2 計算結(jié)果與分析

3．2．1 峰值壓力對孔壁最大拉應(yīng)力的影響

圖5表示在光斑直徑為3 mm條件下，不同峰值壓力下強化3層后目標路徑的應(yīng)力分布。從圖中可以看出隨著峰值壓力的逐漸增大，沖擊面表層的殘余壓應(yīng)力層深度逐漸增加。由2．0 GPa下的 0．43 mm 逐漸增加至 4．0 GPa下的 1．81 mm。在壓應(yīng)力層深度增加的同時，零件內(nèi)部的拉應(yīng)力隨之增加，由的23 MPa增加至96 MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置由原先的0．8 mm處逐漸內(nèi)移至距沖擊面2．67 mm深處，這就很好地解釋了前述實驗中峰值壓力增大后零件的疲勞壽命降低且斷口處疲勞源發(fā)生內(nèi)移這一現(xiàn)象。壓應(yīng)力層深度的增加有益于增加零件的疲勞壽命，而零件內(nèi)部的拉應(yīng)力的增加會降低零件的疲勞壽命。過大的峰值壓力會使零件內(nèi)的拉應(yīng)力過大對零件的疲勞壽命產(chǎn)生負增益。

圖5 峰值壓力對孔壁應(yīng)力分布的影響Fig．5 The influence of peak pressure to the stress distribution

3．2．2 載荷脈寬對孔壁最大拉應(yīng)力的影響

載荷脈寬的影響因素有很多，諸如:吸收層的材料與厚度、約束層的材料與厚度、以水為約束層時水的流速、激光器的使用狀態(tài)等。當激光參數(shù)不同時，載荷脈寬對孔壁殘余應(yīng)力分布的影響也有很大區(qū)別。在這里簡要對其加以敘述。

載荷光脈寬的增加能有效的增加強化后試件表層的殘余壓應(yīng)力層深度，但在增加壓應(yīng)力層深度的同時零件內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力也會隨之改變。當峰值壓力不同時，載荷脈寬對孔壁殘余分布的影響也有很大差異。

圖6 脈寬對應(yīng)力分布的影響Fig．6 The influence of pulse width to the stress distribution

圖6 分別為 2．0、3．0、4．0 GPa 下，載荷脈寬對孔壁殘余應(yīng)力分布的影響。當峰值壓力為2．0 GPa時，如圖6(a)所示，隨著脈寬的逐漸增加，孔壁上的殘余壓應(yīng)力層深度與孔壁上的最大拉應(yīng)力都隨之增加，最大拉應(yīng)力由原先的20 MPa增大至90 MPa，殘余壓應(yīng)力所處位置由原先表層0．6 mm處內(nèi)移至2．5 mm 深處;當峰值壓力為3．0 GPa時，如圖6(b)所示，隨著脈寬的逐漸增加，殘余壓應(yīng)力層深度隨之增加，此時孔壁上的最大拉應(yīng)力隨之下降;當峰值壓力為4．0 GPa時，如圖6(c)所示，隨著脈寬的逐漸增加，殘余壓應(yīng)力層深度隨之增加，此時孔壁上的最大拉應(yīng)力逐漸降低至0，整個孔壁上幾乎都是殘余壓應(yīng)力。脈寬對孔壁上應(yīng)力分布的影響與峰值壓力密切相關(guān)。

當峰值壓力過高時，不同的載荷脈寬在孔壁上產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布區(qū)別很大。從應(yīng)力分布的角度上講，為了避免在孔壁上產(chǎn)生過大的殘余壓應(yīng)力，應(yīng)采用低峰值壓力、低脈寬或高峰值壓力、高脈寬的參數(shù)進行強化。實際上零件經(jīng)高峰值壓力、高脈寬的激光束強化后產(chǎn)生劇烈的彎曲變形并使零件表面的粗糙度急劇增加，進一步造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。激光沖擊強化并不能因此產(chǎn)生增益。激光沖擊后如何降低零件的變形與粗糙度的增加，有待進一步深入研究。

綜上所述，在制定單面激光強化工藝參數(shù)時，當載荷脈寬較低時，宜采用較低峰值壓力的激光參數(shù)進行強化，同時盡可能減小因激光沖擊導致零件強化區(qū)域的表面質(zhì)量。

4 結(jié)論

在不同參數(shù)下對材料進行多層強化沖擊，對孔壁的應(yīng)力分布進行分析后得出以下結(jié)論:

(1)小孔件經(jīng)激光沖擊強化后最終的斷口上的疲勞源由原先的孔角位置轉(zhuǎn)移至零件內(nèi)部，以低峰值壓力強化后試件斷口上的疲勞源距沖擊面較近，峰值壓力較大時斷口上的疲勞源距沖擊面較遠，這與激光沖擊強化后孔壁上的最大拉應(yīng)力及其所在位置密切相關(guān)，同時說明:小孔件經(jīng)激光沖擊強化后的疲勞壽命并非都會增加，在制定激光強化工藝參數(shù)時強化能量并非越大越好;

(2)當載荷脈寬較低時，增大峰值壓力會使孔壁上殘余壓應(yīng)力層深度隨之增加，在壓應(yīng)力層深度增加的同時孔壁上的殘余拉應(yīng)力也隨之增大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置也會隨之發(fā)生內(nèi)移，與實驗中峰值壓力增大后零件的疲勞壽命降低且斷口處疲勞源發(fā)生內(nèi)移這一現(xiàn)象相吻合;

(3)當峰值壓力不同時，載荷脈寬對孔壁上殘余應(yīng)力的影響差異很大，峰值壓力較小時，載荷脈寬越大，在孔壁上產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大，當峰值壓力很大時，載荷脈寬越大，在孔壁上產(chǎn)生拉應(yīng)力反而越小，甚至出現(xiàn)整個孔壁上均為壓應(yīng)力現(xiàn)象;

(4)在現(xiàn)有的條件下仍無法很好地解決高峰值壓力、高載荷脈寬強化后造成零件變形、強化表面質(zhì)量下降等問題，針對特定結(jié)構(gòu)僅能采取單面激光強化時，建議采用低峰值壓力、小載荷脈寬進行沖擊強化，避免零件強化后疲勞壽命出現(xiàn)負增益現(xiàn)象。

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