姜銀方，丁 報，程志軍，李 娟，潘 禹，金 華，王春輝

激光噴丸范圍對小孔構(gòu)件殘余應(yīng)力場的影響

姜銀方，丁 報，程志軍，李 娟，潘 禹，金 華，王春輝

（江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013）

為了研究不同激光噴丸范圍下7050-T7451鋁合金小孔構(gòu)件殘余應(yīng)力場的變化規(guī)律，采用ABAQUS有限元分析軟件對激光噴丸過程進行理論分析和數(shù)值仿真，分析了材料激光噴丸后表面及孔壁的殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明，隨著噴丸范圍的增大，表面殘余壓應(yīng)力范圍增大，沖擊區(qū)域外圍的殘余拉應(yīng)力由52MPa變?yōu)?44MPa；孔壁的應(yīng)力分布隨噴丸范圍的增加而變差，中間最差應(yīng)力由壓應(yīng)力38MPa變?yōu)槔瓚?yīng)力49MPa；在一定的噴丸范圍內(nèi)，激光噴丸范圍的增加使表面壓應(yīng)力范圍變大而使孔壁應(yīng)力分布變差。對于激光噴丸強化小孔構(gòu)件，應(yīng)控制噴丸范圍，兼顧板料表面及小孔孔壁的殘余應(yīng)力分布，以提高小孔構(gòu)件的抗疲勞性能。

激光技術(shù)；噴丸范圍；殘余應(yīng)力；小孔構(gòu)件

引 言

緊固孔是飛機構(gòu)件上典型的應(yīng)力集中細節(jié)，其在循環(huán)載荷下的疲勞壽命影響著整機的疲勞壽命［1］。激光噴丸強化技術(shù)是利用激光誘導(dǎo)的沖擊波壓力來實現(xiàn)強化［2］。與傳統(tǒng)的機械噴丸相比，激光噴丸強化技術(shù)有加工柔性大、工藝易于控制、無污染，激光沖擊后試樣表面質(zhì)量更好，殘余壓應(yīng)力層更深等優(yōu)點。參考文獻［3］中的研究表明，激光噴丸強化能明顯提高7050-T7451鋁合金的疲勞壽命。目前，小直徑緊固孔的強化問題一直未得到很好的解決，因此，激光噴丸強化技術(shù)為小直徑緊固孔的強化問題提供了新的解決思路，系統(tǒng)研究激光噴丸工藝對小孔疲勞壽命的影響，有著極其重大的意義［4-5］。

目前的研究表明，影響激光噴丸強化效果的因素眾多，如開孔先后、光斑形狀、光斑大小、搭接率、沖擊路徑、單面沖、雙面沖、正反面沖擊循環(huán)次數(shù)及次序、噴丸范圍、功率密度、能量、脈寬等。WU等人運用量綱分析的方法獲得了影響沖擊強化效果的主控因素，并給出了塑性區(qū)深度及最大殘余壓應(yīng)力與峰值壓力、壓力持續(xù)時間、光斑半徑的關(guān)系［6］。ZOU等人的研究表明先強化后開孔比先開孔后強化更能提高小孔的疲勞壽命［7］。作者研究了激光功率密度對對小孔構(gòu)件殘余應(yīng)力場的影響［8］。ZHOU等人研究了約束層和吸收層對鋁合金激光噴丸強化效果的影響［9］。

目前，關(guān)于激光噴丸范圍對7050鋁合金小孔構(gòu)件殘余力場的影響的研究很少，各文獻中關(guān)于激光噴丸強化的光斑分布差異很大。HUANG等人研究了不同激光噴丸區(qū)域?qū)?061-T6鋁合金的裂紋擴展的影響［10］。ZHANG等人將板材看作無限薄板，為使孔表面獲得最好的殘余應(yīng)力，限定噴丸范圍為孔直徑的3倍［11］。對于一定厚度的板材來說，厚度因素影響著板料表面及厚度方向上的殘余應(yīng)力分布，故板料厚度不能忽視。

本文中以ABAQUS有限元軟件為平臺，研究了不同激光噴丸范圍下7050-T7451鋁合金小孔構(gòu)件殘余應(yīng)力場的分布。

1 不同激光噴丸范圍下小孔構(gòu)件疲勞性能的差異

以往的試驗表明［4］：激光噴丸強化處理能較好地提高小孔構(gòu)件的壽命。但在疲勞試驗中發(fā)現(xiàn)，不同激光噴丸區(qū)域的小孔構(gòu)件的疲勞壽命分布有較大的差異。當(dāng)噴丸區(qū)域如同圖1中雙聯(lián)疲勞試件的激光噴丸區(qū)域時，試驗的結(jié)果表明，更多的情況其疲勞壽命產(chǎn)生負增益。因此，研究不同激光噴丸范圍下小孔構(gòu)件的殘余應(yīng)力場對于小孔構(gòu)件的激光強化工藝優(yōu)化與改進都有著重要的意義。

Fig.1 Experimental specimen of 7050-T7451 aluminum and peening area

2 有限元數(shù)值模型

為了研究不同激光噴丸范圍對小孔構(gòu)件殘余力場的影響，本文中采用ABAQUS為有限元分析軟件。模擬中采用ABAQUS／Explicit分析動態(tài)加載過程，采用ABAQUS／Standard求解器分析靜力回彈過程；網(wǎng)格類型選用C3D8R，網(wǎng)格劃分采用沖擊區(qū)域及沖擊邊緣細，板料周邊粗的劃分方法。

仿真選用的材料為7050-T7451航空鋁合金，材料參量見表1，由于激光噴丸強化主要是力效應(yīng)（見圖2），故本構(gòu)關(guān)系為簡化的John-Cook本構(gòu)關(guān)系：

式中，A是屈服強度，B是強化模量，ε是塑性應(yīng)變是應(yīng)變率，C是應(yīng)變率敏感系數(shù)，n是硬化指數(shù)。7050-T7451鋁合金John-Cook本構(gòu)關(guān)系的參量見表2。

Table 1 Material parameters of 7050-T7451 aluminum alloy

Fig.2 Schematic diagram of laser peening

Table 2 Materail parameters of Johnson-Cook mode

本次激光沖擊模擬的條件是激光脈寬30ns，板料尺寸為28mm×28mm×6mm。光斑直徑為4mm以及搭接率為50%，激光沖擊路徑為排沖3×3，4×4，5×5，6×6，7×7，8×8，其對應(yīng)的噴丸區(qū)域大小分別為8mm×8mm，10mm×10mm，12mm×12mm，14mm× 14mm，16mm×16mm，18mm×18mm。沖擊沖擊方式為雙面單沖，正面沖擊強化2次后反面再沖擊強化兩次，殘余應(yīng)力測量路徑見圖3。

Fig.3 Path of residual stress measurement

3 結(jié)果與分析

圖4顯示了激光沖擊下，F(xiàn)面殘余應(yīng)力的分布曲線，應(yīng)力分布情況都是離孔中心1.3mm開始算起?？梢钥吹?，噴丸范圍的增大引起表面壓應(yīng)力范圍的增大，由排沖3×3時的5mm增至排沖8×8時的10mm，未沖擊區(qū)域的殘余拉應(yīng)力逐漸增大。

Fig.4 Surface residual stress distribution under different laser peening area

由于光斑分布的差異，將圖4所述的6種噴丸范圍分為兩大組，一組為排沖3×3，5×5，7×7，另一組為排沖4×4，6×6，8×8?？梢钥闯觯涸诳走吘壐浇?，排沖3×3時的殘余應(yīng)力小于排沖5×5和7×7時，而在排沖4×4，6×6，8×8這3種情況下，孔邊緣附近的殘余壓應(yīng)力分布相近，分析認(rèn)為可能有兩種原因?qū)е拢海?）由于噴丸范圍過小，沖擊區(qū)域的邊緣效應(yīng)影響到了孔邊緣的應(yīng)力分布；（2）沖擊的光斑個數(shù)較少，相當(dāng)于減少了沖擊次數(shù)，使殘余壓應(yīng)力降低。

圖5顯示了噴丸范圍排沖3×3情況的正反面表面殘余應(yīng)力對比，F(xiàn)面為第1次的沖擊面，R面為第1次的沖擊背面。從圖中可以看出，F(xiàn)面的殘余應(yīng)力分布明顯優(yōu)于R面。每幅圖可以分為3個情況：（1）沖擊區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布；（2）沖擊區(qū)域邊緣及其附近的應(yīng)力分布；（3）沖擊區(qū)域外的應(yīng)力分布。對于沖擊區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)面的殘余壓應(yīng)力大于R面，兩者的差值從100MPa到140MPa不等；沖擊區(qū)域邊緣及其附近，這時F面和R面的應(yīng)力差異逐漸減?。粵_擊區(qū)域外，F(xiàn)面和R面的殘余應(yīng)力分布較為接近，兩者的差值不到40MPa。以圖5a為例作說明，F(xiàn)面的應(yīng)力分布整體優(yōu)于R面。表面1.3mm（即孔邊緣位置）到3.5mm范圍內(nèi)，F(xiàn)面的殘余應(yīng)力均大于R面，差值均在100MPa以上。表面3.5mm到6.5mm范圍內(nèi)，F(xiàn)面和R面的應(yīng)力差值從100MPa下降到20MPa，F(xiàn)面和R面的應(yīng)力差異逐漸減小。表面6.5mm到14mm，F(xiàn)面和R面的應(yīng)力分布較為接近，F(xiàn)面和R面的應(yīng)力差值在20MPa以下。雙面沖擊兩表面殘余應(yīng)力的差異是由于先沖擊F面，后沖擊R面，沖擊強化R面時，增加了沖擊背面（即F面）的殘余壓應(yīng)力。

Fig.5 Contrast of residual stress distribution of front and backward surface

圖6為不同沖擊噴丸范圍下，板件厚度方向的殘余應(yīng)力分布，可以看出：當(dāng)噴丸范圍由8mm× 8mm增加為18mm×18mm過程中，厚度方向的應(yīng)力分布逐漸變差，厚度2.75mm處的殘余應(yīng)力由排沖3×3時的－38MPa變?yōu)?×7時的42MPa，排沖4× 4時的－48MPa變成排沖8×8時的49MPa。對于厚度方向2.75mm處的應(yīng)力分布，排沖3×3和4× 4、排沖5×5和6×6、排沖7×7和8×8的殘余應(yīng)力值差異很小，不足20MPa。從圖中可以看出，每組厚度方向上的殘余應(yīng)力分布較為接近，差異主要表現(xiàn)在曲線兩端部（即孔口邊緣處），排沖4×4，6×6，8×8的應(yīng)力分布分別好于排沖3×3，5×5，7×7，這可能是光斑分布的差異造成的。

綜合板件表面及厚度方向上的殘余應(yīng)力分布可以看出：噴丸范圍增大時，表面的殘余壓應(yīng)力范圍增大，而厚度方向上的殘余應(yīng)力分布逐漸變差，孔壁中間處的殘余殘余壓應(yīng)力減小或拉應(yīng)力增加。對于小孔構(gòu)件來說，為了提高其疲勞壽命，孔口及其附近表面區(qū)域、孔壁處的殘余應(yīng)力分布應(yīng)均要考慮，而噴丸范圍的影響對兩者顯然是相反的，故在強化時應(yīng)兼顧板料表面及小孔孔壁的殘余應(yīng)力分布，選取合理的噴丸范圍。

Fig.6 Residual stress distribution along inner hole wall

4 結(jié) 論

（1）板料表面的殘余應(yīng)力分布，噴丸范圍的增大引起表面殘余壓應(yīng)力范圍的增大，未沖擊區(qū)域的殘余拉應(yīng)力逐漸增大。沖擊區(qū)域內(nèi)先沖擊的表面殘余應(yīng)力要優(yōu)于后沖擊的，兩者差異在100MPa～140MPa之間，應(yīng)力差異在沖擊邊緣為40MPa～100MPa，而在未沖擊區(qū)域逐漸變小，小于40MPa。

（2）構(gòu)件厚度方向殘余壓應(yīng)力的深度，隨著噴丸范圍的增大，厚度方向的應(yīng)力分布逐漸變差，孔壁中間處的殘余壓應(yīng)力減小或拉應(yīng)力增加。

（3）綜合板件表面及厚度方向上的殘余應(yīng)力分布，噴丸范圍的影響對兩者是相反的，故在強化時應(yīng)兼顧板料表面及小孔孔壁的殘余應(yīng)力分布，選取合理的噴丸范圍。

［1］ SHEN Y Y，ZHAIW J.Cold extrusion family introduction of FTI’s reinforcement techniques of holes［J］.Civil Aircraft Design and Research，1998（1）：1-7（in Chinese）.

［2］ WANG JM，ZHOUQ L，JIANG Y F，et al.Numerical simulation of sheet deformation by hollow laser shock［J］.Laser Technology，2012，36（6）：727-730（in Chinese）.

［3］ CHARLESM，TAOW，LIN Y，et al.Laser shock processing and its effects on micro-structure and properties of metal alloys：a review［J］.International Journal of Fatigue，2002，24（10）：1021-1036.

［4］ PEYRE P，F(xiàn)ABBRO R，MERRIEN P，et al.Laser shock processing of aluminum alloys application to high cycle fatigue behavior［J］.Materials Science and Engineering，1996，A210（1／2）：102-113.

［5］ LUONG H，HILLM R.The effects of laser peening and shot peening on high cycle fatigue in 7050-T7451 aluminum alloy［J］.Materials Science and Engineering，2010，A527（3）：699-707.

［6］ WU XQ，HUANG C G，SONGH W.Parameters analysis of residual stress induced by laser shock processing［J］.Chinese Journal of Lasers，2010，37（10）：2632-2637（in Chinese）.

［7］ ZOU Sh K，CAO ZW.Laser peening of aluminum alloy7050 with fastener holes［J］.Chinese Optics Letters，2008，6（2）：116-119.

［8］ JIANG Y F，ZHANG JW，JING R，et al.Analysis of the residual stress field in hole specimen by laser shock processing with different power density［J］.Laser＆Infrared，2012，42（8）：866-869（in Chinese）.

［9］ ZHOU JZh，ZHOU M，XIAO A M.Study of the effects of overlay thickness and flexibility on laser shock processing［J］.Applied Laser，2002，22（1）：7-9（in Chinese）.

［10］ HUANG Sh，ZHOU JZh，SHENG J，et al.Effects of laser peening with different coverage areas on fatigue crack growth properties of 6061-T6 aluminum alloy［J］.Tribology International，2013，47：292-299.

［11］ ZHANG H，YU Ch Y，WU H X，et al.Laser shock processing of small hole［J］.Acta Armamentarii，2001，22（3）：330-333（in Chinese）.

Effect of laser peening area on residual stress field in small-hole specimens

JIANGYinfang，DINGBao，CHENGZhijun，LIJuan，PANYu，JINHua，WANGChunhui
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

To investigate the effect of different laser peening area on the residual stress field in a hole specimen of 7075-T7451 aluminum alloy，the process of laser peening and residual stress distribution of the hole specimen were simulated by finite element analysis software ABAQUS.The results show that both the compressive stress of surface residual and the tensile stress of unshocked area increase as laser peening area becomes bigger，the tensile stress of unshocked area changes from 52MPa to 344MPa.The residual stress distribution along inner hole wall turns out to be worse with the increase of laser peening area，the value of the worst stress along the hole inner wall changes from the compressive stress 38MPa to the tensile stress49MPa.Within a certain range of laser peening area，the increase of laser peening area enlarges surface compressive stress coverage and makes residual stress distribution of inner hole wall worse.For laser peening of a hole specimen，it is important to control laser peening area and the surface residual stress distribution along hole inner wall，in order to improve the fatigue resistance.

laser technique；laser peening area；residual stress；hole specimen

TG665

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.02.012

1001-3806（2014）02-0201-04

國家自然科學(xué)基金資助項目（51075193）

姜銀方（1962-），男，教授，主要從事激光加工技術(shù)、激光沖擊技術(shù)、板料塑性成形理論、表面工程技術(shù)等方面的教學(xué)和研究。

E-mail：yfjiang＠m(xù)ail.ujs.edu.cn

2013-06-28；

2013-07-25