高歡，李正陽，彭青，閆世興

（1.中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049；2.中國科學院力學研究所 先進制造工藝力學實驗室北京 100049；3.陸軍裝甲兵學院 再制造技術(shù)重點實驗室，北京100072）

殘余應力是航空構(gòu)件制造過程中需要解決的重要問題。從原材料的生產(chǎn)到復雜構(gòu)件的加工成形過程，由于外界載荷或加熱溫度的影響，導致材料內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的塑性變形，外載卸除后，殘存在材料內(nèi)部的塑性應變不可恢復，并且會制約材料內(nèi)部局部彈性變形的恢復，從而導致殘余應力的出現(xiàn)[1-3]。殘余應力嚴重影響航空結(jié)構(gòu)件的疲勞強度、尺寸穩(wěn)定性與后續(xù)加工變形等。由于飛機飛行環(huán)境復雜，在沿海和內(nèi)陸濕熱地區(qū)，加工過程所導致的表面殘余應力還會導致構(gòu)件出現(xiàn)應力腐蝕問題，這不僅會增加飛行安全隱患，甚至會導致重大安全事故[4-6]。

目前在飛機薄壁類零件的加工過程中，主要采用熱處理或機械處理方法來降低材料的殘余應力。對于飛機制造常用的可熱處理強化的鋁合金材料，低溫時效處理蠕變現(xiàn)象并不明顯，殘余應力的降幅很小。然而隨著溫度的提升和加熱時間的增長，則會導致析出相過于粗大，產(chǎn)生過時效現(xiàn)象，使得材料強度降低[7-8]。機械處理主要包括靜拉伸法、模冷壓法以及振動時效處理。對于簡單的結(jié)構(gòu)而言，加工后盡快進行拉伸作用施加塑性變形即可產(chǎn)生有效的殘余應力松弛[9-12]，然而拉伸僅限于恒定截面的幾何形狀，以確保均勻的塑性變形，對大型復雜形狀航空構(gòu)件并不適用。對于模冷壓法，通常也僅限于簡單的直線形狀，復雜的模鍛件處理則需要制造特殊的冷壓縮模具，增加制造成本[13]。振動時效處理可以有效提高材料性能，但是對于飛機薄壁結(jié)構(gòu)件而言，會大大降低其疲勞強度[14]。

針對上述應力調(diào)控方法在構(gòu)件形狀、尺寸、能耗、處理周期方面的局限性，本文基于激光輻照熱效應，提出一項新的應力調(diào)控技術(shù)——低功率密度激光應力調(diào)控技術(shù)。激光作為一種特種熱源，其優(yōu)點在于激光光強分布和掃描工藝可控性突出，對基體金屬的熱影響精確可控。目前，激光輻照熱效應主要應用于激光熱成形和激光輔助成形過程，其中前者是利用高能激光束對工件局部加熱，誘發(fā)材料內(nèi)部不均勻的熱應力，使板材產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需要的目標形狀。與激光熱成形不同，激光輔助成形過程旨在于給定溫度范圍內(nèi)，在彈性內(nèi)能集中區(qū)域建立較為均勻分布的溫度場，而且通過溫度快速升高，引起材料塑性流動性增強，實現(xiàn)彈性內(nèi)能向塑性功的快速轉(zhuǎn)化。上海交通大學石永軍[15]針對復雜曲面激光成形過程中存在的問題展開研究，采用實驗設(shè)計與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入分析了溫度梯度機理、增厚機理、屈曲機理以及耦合機理等主要的成形機理。此外為了提高板材成形精度，對激光工藝參數(shù)和加工路徑進行了優(yōu)化。鑒于我國目前只具備生產(chǎn)小型飛機的壓彎及噴丸等成形技術(shù)，在大飛機生產(chǎn)方面，進一步發(fā)展噴丸成形技術(shù)或時效成形技術(shù)，在自主使用方面仍然受制于國外知識產(chǎn)權(quán)的限制。為此，陳光南等[16-17]提出采用激光輔助成形方法，通過將激光能量引入工件難變形區(qū)域，誘導彈性內(nèi)能轉(zhuǎn)化為塑性功，顯著提升材料塑性變形能力。

本文采用鋁合金板材，通過四點彎曲加卸載獲得集中分布的殘余應力，選擇合適的激光工藝參數(shù)進行激光掃描，使得材料內(nèi)部殘余彈性應變能轉(zhuǎn)化為塑性功，殘余應力快速釋放。采用X 射線衍射法測量激光加載前后表面不同位置殘余應力的變化情況，同時對激光處理前后的材料微觀組織形貌進行觀察分析，并對激光功率與應力分布變化、微觀組織之間的關(guān)系進行討論，以期為后續(xù)激光調(diào)控殘余應力技術(shù)工藝優(yōu)化提供可靠的實驗數(shù)據(jù)參考和理論支撐。

1 實驗

1.1 材料

采用2 mm 厚的航空用2A12 鋁合金板材，其化學成分見表1。材料表面帶有包鋁層，試樣尺寸為70 mm×5 mm×2 mm。對試樣進行四點彎曲加載，加載示意圖如圖1 所示。其中支座跨距為60 mm，壓頭跨距為40 mm，加載位移為8 mm，使材料內(nèi)部局部屈服，產(chǎn)生塑性變形。移除壓頭卸載后，試樣表面產(chǎn)生局部集中分布的殘余應力。為了研究激光功率對應力集中區(qū)域的消減作用以及對材料微觀組織的影響，選擇初始狀態(tài)相同的3 個鋁合金彎曲試樣，其中1#試樣采用67 W 激光功率進行掃描，2#試樣在95 W下進行掃描，3#試樣保持初始狀態(tài)。

表1 2A12 鋁合金化學成分Tab.1 Composition of 2A12 aluminum alloy wt.%

圖1 四點彎曲加載示意Fig.1 Sketch of four-point bending test

1.2 實驗方法及測試

四點彎曲所造成的殘余應力主要集中于加載段，因此激光掃描方向與彎曲主應力方向一致（圖2 中y軸正方向），掃描段與試樣加載段重合。為了簡化激光參數(shù)篩選過程，本文在給定光斑大小和掃描速度的前提下，對激光功率進行了篩選。由于2A12 鋁合金試件只有5 mm 寬，為了使光斑均勻輻照試件表面，同時防止光斑邊緣熱效應可能燒毀測溫熱電偶，因此確定選用外徑為4 mm、內(nèi)徑為2.6 mm 的環(huán)形光斑。激光掃描速度越小，材料表面與中心層的溫差就越小，因此選用較小的掃描速度（1.25 mm/s）。一般來說，加熱溫度低于材料初始再結(jié)晶溫度時，不會發(fā)生組織變化。以2A12 鋁合金和包鋁層材料的再結(jié)晶溫度作為上限，對激光功率進行了篩選，選取57、61、64、67、95、115 W 等6 組功率進行測溫實驗。實驗采用光纖激光器和環(huán)形光斑對彎曲試樣上表面進行激光掃描。掃描前，用酒精擦拭干凈試樣表面的油污，并烘干，其目的是防止油污等影響材料表面對激光的吸收。為了驗證激光輻照消減殘余應力方法可行，并在功率變化范圍內(nèi)對比較低功率和較高功率作用分別對殘余應力分布、材料微觀組織的影響，最終選擇出2 組去應力工藝參數(shù)（見表2）。在試樣外表面，沿中心線間隔均布的5 個點上（點間距5 mm），用高溫膠粘結(jié)熱電偶，采用HOIKI 溫度數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測激光掃描過程中試樣外表面溫度的變化情況。

圖2 激光掃描路徑Fig.2 Laser scanning path

表2 激光應力調(diào)控工藝參數(shù)Tab.2 Laser processing parameters for residual stress relaxing

為了對比激光作用前后殘余應力分布的變化情況，在試樣加載段上下兩表面各選取5 個點作為應力測試點（如圖3 所示，圖3a 為彎曲試樣內(nèi)表面（以下稱a 面），圖3b 為彎曲試樣外表面（以下稱b 面））。各測試點間距為5 mm，其中測試點3 和8 分別為a面和b 面的中心點，熱電偶絲膠接在測試點1 和5。為試驗兩種激光掃描工藝，準備了尺寸和加工條件完全相同的兩個試樣（分別為1#試樣和2#試樣）。采用X-350A 型X 射線應力檢測儀測定激光處理前后兩個試樣沿彎曲應力主方向（圖2 中試樣上紅色箭頭所指y 向）的表面殘余應力，測量方法參照GB/T 7704—2017《無損檢測 X 射線應力測定方法》，定峰方法采用交相關(guān)法。2θ 掃描起始角為143°，2θ 掃描終止角為134°，2θ 掃描步距為0.10°，計數(shù)時間為0.5 s，X 光管高壓為20 kV，光管電流為5.0 mA，衍射晶面為Al(311)。

圖3 應力測試點分布Fig.3 Distribution of stress test points: a) surface a, b) surface b

為了分析激光作用對材料微觀組織的影響，在3組試樣中心位置垂直激光掃描方向（圖2 中x 方向）截取小塊試樣制備金相試片，依次按400#、800#、1200#、2000#砂紙進行預研磨，然后進行機械拋光。最后采用Keller 試劑浸蝕（1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O），吹干后，置于55XA 型光學顯微鏡下進行金相觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光輻照前彎曲成形件殘余應力分布

試樣加載過程中，a 面受壓，b 面受拉，較大的加載位移導致材料發(fā)生部分塑性變形。假設(shè)材料符合理想彈塑性要求，彎曲加載引起的沿y 向的應力分布如圖4a 所示，在薄板橫截面上出現(xiàn)部分塑性區(qū)時卸載。這相當于把加載彎矩數(shù)值相等、方向相反的另一彎矩加于板上[18]，它引起的應力分布如圖4b 所示，兩者的應力分布疊加，即為彎曲卸載后的應力分布，如圖4c 所示。最終，a 面為殘余拉應力，b 面為殘余壓應力，殘余應力測試結(jié)果見表3。試樣a、b 面的殘余應力呈不對稱分布，是因為所選用的材料為軋制鋁板，材料沿軋制方向被拉長，沿厚度方向，材料的殘余應力分布為表面受壓、中心受拉[19]。軋制殘余應力與四點彎曲卸載后的殘余應力疊加導致a 面的拉應力值減小，b 面的殘余壓應力值增大。

圖4 殘余應力形成示意Fig.4 Formation of residual stress: a) positive moment loading; b) reverse moment unloading; c) residual stress distribution after unloading

表3 彎曲試樣初始殘余應力σy 測量值Tab.3 Initial residual stress measurement σy of bending sample MPa

2.2 不同激光功率作用下鋁合金表面殘余應力分布變化規(guī)律

為了提高2A12 硬鋁合金的抗腐蝕性能，通常需要進行包鋁處理，即純鋁板放在經(jīng)過銑面的坯錠兩面，借助于熱軋焊合形成包鋁層。金相觀察顯示，包鋁層厚度均約為50 μm，僅占板材厚度的4%左右。對于層壓復合材料而言，基材厚度占比越大，在外力作用下，材料沿厚度方向的應力分布越均勻[20]。因此可以認為，在彎曲過程中，包鋁層與基體之間的應力分布是連續(xù)的，不存在階躍。X 射線衍射對于鋁合金的有效透入深度約為25 μm[21]，因此表3 的測量值為包鋁層的殘余應力。

對于四點彎曲卸載后的試樣，在激光輻照作用下，應力集中區(qū)域溫度迅速升高，導致材料內(nèi)部位錯運動阻力減小，屈服強度降低，材料塑性流動性增強[22]。溫度較高的部位將產(chǎn)生應力松弛，彈性應變能逐步轉(zhuǎn)化為塑性功，殘余應力明顯消減。純鋁的屈服強度較低，經(jīng)過加工硬化處理的純鋁屈服強度為150 MPa左右[23]。隨著激光輻照，材料表面溫度升高，包鋁層的屈服極限快速下降，低于材料受到的固有殘余應力，導致應力集中區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，殘余應力得到釋放。

表4、表5 分別是1#、2#試樣各測點殘余應力值在不同激光功率下處理前后的變化。通過對比表中的殘余應力消減百分比，特別是兩組試樣b 面應力測試點6—10 的壓應力消減百分比，可以看出，隨著激光功率提升至95 W，激光功率密度增大。2#試樣b 面的熱作用增強，導致受熱區(qū)域材料的屈服極限下降量增大。b 面局部集中的壓縮彈性內(nèi)能更多的轉(zhuǎn)化為塑性功，殘余壓應力消減百分比大幅度提高，最大達到了77.25%。相比于低功率，整體提升了30%左右。

表4 低功率（67 W）激光處理前后1#試樣不同位置殘余應力變化情況Tab.4 Distribution of residual stress on points of sample 1 after laser scanning with low power（67 W）

表5 高功率（95 W）激光處理前后2#試樣不同位置殘余應力變化情況Tab.5 Distribution of residual stress on points of sample 2 after laser scanning with high power（95 W）

圖5 直觀展示了試樣1、2 所有測試點殘余應力值在激光處理后的變化趨勢。由圖5 可見，在激光處理后，兩組試樣10 個測試點的表面殘余應力總體都有所松弛，即殘余應力值有所降低。對比圖5a、b 可以明顯觀察到，隨著激光功率的增大，2#試樣表面殘余應力基本被完全去除。

圖5 激光處理后試樣表面殘余應力分布Fig.5 Residual stress distribution of two samples after laser scanning: a) sample 1; b) sample 2

2.3 激光輻照對材料微觀組織的影響

熱電偶測得的點1 和點5 的溫度隨時間的變化曲線如圖6 所示。可以看出，各點的溫度都隨著激光掃描，快速上升至最大值，而后逐漸下降。由于鋁合金熱導率較高，試樣厚度只有2 mm，可以認為，試樣a 面測得的溫度基本上就是b 面的溫度。由于激光應力調(diào)控實驗采用單向單次掃描方式，所以每一個點對應的只有單次熱循環(huán)，各點的溫度曲線對應單一峰值溫度。激光單次掃描完成后，由于沒有入射激光而開始冷卻，試樣的整體溫度都呈現(xiàn)快速下降趨勢。對比圖6a、b 發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的增大，材料表面接收的熱量增大，導致2#試樣測溫點5 的峰值溫度迅速增大到220 ℃，相比1#試樣相同位置測溫點的峰值溫度提高了60 ℃左右。

圖6 激光應力調(diào)控過程中不同試樣測溫點溫度變化Fig.6 Temperature vs. time for samples during laser scanning: a) sample 1; b) sample 2

一般來說，峰值溫度低于再結(jié)晶溫度，材料不會發(fā)生組織變化?；谇捌诘臏y溫實驗，采用6 組不同的激光功率掃描彎曲試樣表面，通過溫度數(shù)據(jù)采集儀測得溫度峰值隨激光功率的變化曲線，如圖7 所示。結(jié)果表明，在光斑大小和掃描速度不變的前提下，當激光功率低于115 W 時，激光熱作用所導致的材料表面峰值溫度低于 2A12 鋁合金的初始再結(jié)晶溫度（290 ℃）[24]，同時也低于工業(yè)純鋁初始再結(jié)晶溫度（380 ℃）[25]，材料不會發(fā)生相變。

應力調(diào)控實驗中，較高功率（95 W）下，激光輻照的峰值溫度為220 ℃，因此試樣在激光應力調(diào)控過程中不會發(fā)生相變。激光作用前后，試樣橫截面金相組織照片（白亮區(qū)域為包鋁層）如圖8 所示。對比圖8a、b、c 可以看出，激光輻照并未導致材料內(nèi)部產(chǎn)生相變，但是晶粒有所拉長。這是由于激光輻照表面（b面，如圖4c 中所示）主要受到殘余壓應力的作用，它的釋放必然會導致壓縮塑性變形，而殘余應力作為一種內(nèi)平衡力，使垂直于激光掃描方向受到拉應力作用，因此沿該方向產(chǎn)生拉伸變形，試樣橫截面的晶粒被拉長。

圖7 測溫過程中峰值溫度隨激光功率的變化曲線Fig.7 Peak temperature vs. laser power during laser scanning

圖8 激光處理前后試樣橫截面的金相組織Fig.8 Microstructure before and after laser scanning: a) sample 3, no laser scanning; b) sample 1, laser scanning with 67 W; c)sample 2, laser scanning with 95 W

彎曲殘余應力的本質(zhì)是塑性變形部分與彈性部分相互制約的結(jié)果，是材料內(nèi)部晶格畸變的一種體現(xiàn)形式[26]。通過X 射線衍射測得的鋁合金(311)晶面的衍射峰半高寬（The full width at half maximum，F(xiàn)WHM），試樣初始衍射峰半高寬記為βi，激光處理后的衍射峰半高寬用βu表示，分別對1#、2#試樣激光處理前后的半高寬進行作差比較，差值記做Δβ。結(jié)果表明（見表6），激光處理后半高寬β 明顯下降，隨著激光功率的增大，Δβ 增大。半高寬變化通?？梢杂脕肀碚鞑牧衔⒂^組織變化[27]（如微觀應變和晶粒衍射尺寸），由于X 射線衍射角范圍較小，僅就單一峰位的半高寬進行對比分析，謝勒公式計算位錯密度變化不再適用。根據(jù)Dunn 等人[28]的研究可知，位錯密度ρ 與半高寬β 之間的關(guān)系式為：

式中：ρ(hkl)為不同晶面的位錯密度；β(hkl)為衍射峰的半高寬；b 為材料的伯格斯矢量。通過式（1）計算位錯密度的變化，如圖9 所示。由圖9 可知，位錯密度在激光作用下明顯降低。對比圖9a、b 可以看出，隨著激光功率的增大，試樣表面的位錯密度分布呈現(xiàn)出隨激光功率增大而降低的趨勢。主要原因是：激光功率增大，試樣溫度升高，熱激活過程增強，位錯發(fā)生滑移攀升；同時，臨界剪應力增大，滑移系增加，位錯的滑動阻力減小，變形抗力減小[29-30]；溫度越高，原子的熱振動越劇烈，振動幅度增大，加快了處于畸變晶格的高能量原子回復到平衡位置的速度，使晶格畸變減少，位錯密度降低幅度增大。

表6 1#和2#試樣激光處理前后半高寬β 變化Tab.6 FWHM of various points on sample 1 and 2 after laser treatment with low power (67 W)

圖9 激光處理前后位錯密度變化Fig.9 Dislocation density of samples before and after laser scanning: a) sample 1; b) sample 2

殘余應力消除的本質(zhì)途徑有2 種：一種是通過施加外力或溫度等外界因素，使處于彈性應力狀態(tài)的部分產(chǎn)生塑性變形，釋放殘余應力，減少材料內(nèi)部的殘余彈性內(nèi)能；另一種就是給材料以足夠能量，使內(nèi)部發(fā)生畸變的不穩(wěn)定原子振動加劇，回到平衡位置，從而實現(xiàn)晶格畸變的減少。晶格畸變與材料微觀應力相關(guān)，晶格排列變化必然會引起微觀應力重新分布。由于微觀應力與表征微觀組織變化的半高寬之間呈一定的比例關(guān)系[31]，因此可以通過實驗所測得的半高寬來計算微觀應力值，具體公式見式（2）。

式中：σ 為微觀應力；β 為衍射峰的半高寬；θ為布拉格角；E 為彈性模量。通過X 射線衍射測得鋁合金(311)晶面的衍射峰半高寬變化Δβ，Δβ 隨激光功率的增大而增大。根據(jù)表6 可知，在高功率作用下，半高寬變化最大為0.067°。將Δβmax代入公式（2），即可計算出激光掃描前后微觀應力變化的最大值僅為7.65 MPa，因此第二種應力消除機制在激光應力調(diào)控過程中不占主導作用。

3 結(jié)論

1）由于溫度升高，激光加熱區(qū)域金屬材料屈服極限大大降低，材料塑性流動性增強。該區(qū)域的殘余應力值一旦超出屈服極限，就會使得材料發(fā)生塑性變形，殘余應力得到釋放，驗證了激光應力調(diào)控技術(shù)的可行性。

2）隨著激光功率增大，材料表面的熱作用增強，表面溫升加快，材料屈服極限下降幅值增大，導致材料內(nèi)部壓縮彈性內(nèi)能更多地轉(zhuǎn)化為塑性功，殘余壓應力消減百分比大幅度提高，達到77.25%左右。

3）根據(jù)包鋁2A12 硬鋁合金相變溫度，在給定激光掃描速度為1.25 mm/s，光板外徑為4 mm，內(nèi)徑為2.6 mm 的前提下，采用低于115 W 的激光功率進行殘余應力調(diào)控處理，不會使2A12 鋁合金薄板發(fā)生組織變化。

4）激光消減殘余應力過程產(chǎn)生熱效應的同時，會使表面原子吸收能量增加，振動加劇，振動幅度增大，加快了處于畸變晶格的高能量原子回復到平衡位置的速度，使晶格畸變減少，位錯密度降低，隨著激光功率增加，位錯密度下降幅度增大。