張 鑫 孔垂江 陳公領(lǐng) 朱 然 劉 冰

（1.單縣能源有限公司，單縣 274300；2.山東科技大學(xué)，青島 266590；3.曹縣科技創(chuàng)新服務(wù)中心，曹縣 274400）

42CrMo鋼屬于超高強(qiáng)度鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能及可加工性，在國內(nèi)普遍用于制造采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的截齒齒體。作業(yè)過程中，截齒工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常發(fā)生磨損失效，影響其使用壽命，同時降低了生產(chǎn)效率[1]。針對截齒齒體表面進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，可以延長截齒的疲勞壽命，降低成本。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是能夠解決此類瓶頸難題的有效手段之一，采用短脈沖、高峰值功率密度的短脈沖激光穿過水層輻照金屬零件表面，粘貼在金屬表面的黑膠帶吸收激光能量，在極短時間內(nèi)與激光相互作用發(fā)生爆炸性氣化，產(chǎn)生高溫、高壓等離子體。向外擴(kuò)張時，由于受到約束層水的作用而產(chǎn)生高壓沖擊波壓力，并作用于材料表層使其產(chǎn)生塑性應(yīng)變，形成具有一定深度的殘余應(yīng)力，從而延長金屬零部件的疲勞壽命[2]。

在以往的研究中，陳彬等針對回轉(zhuǎn)支撐用鋼42CrMo進(jìn)行了圓形光斑激光沖擊強(qiáng)化，分析了不同激光能量對表面凹坑深度、殘余應(yīng)力和硬度的影響。激光能量為5 J時，對應(yīng)的最高硬度為709 HV[3]。張海東等分析了冷處理對42CrMo鋼硬度和耐磨性的影響，結(jié)果經(jīng)過深冷處理的42CrMo鋼硬度為52.5 HRC，耐磨性能提升27.52%[4]。李凱針對42CrMo開展了摩擦磨損和電化學(xué)腐蝕實驗，相比未處理試樣，激光沖擊后摩擦系數(shù)降低了39.1%，腐蝕速度較低[5]。李傳君等研究發(fā)現(xiàn)，激光沖擊強(qiáng)化可以提升42CrMo鋼耐高溫腐蝕性能，而殘余應(yīng)力幅值隨著激光能量的增加而增加[6]。

激光沖擊強(qiáng)化過程復(fù)雜，影響強(qiáng)化效果的因素較多，通過有限元模擬優(yōu)化分析關(guān)鍵激光的工藝參數(shù)，指導(dǎo)實際工程應(yīng)用。目前，國內(nèi)外文獻(xiàn)對于多點激光沖擊強(qiáng)化的數(shù)值模擬，通過顯式動態(tài)分析和隱式靜態(tài)分析之間的反復(fù)迭代獲取最終結(jié)果，工作量大，周期長[7-10]。同時，一般是針對圓形光斑進(jìn)行數(shù)值模擬研究，方形光斑的激光沖擊強(qiáng)化研究較少。

1 三維模型建立

1.1 激光沖擊強(qiáng)化有限元模擬方法

改進(jìn)的多點激光沖擊強(qiáng)化有限元模擬方法包含兩個顯式動態(tài)分析步。對于前n-1個激光沖擊波載荷的加載分析，設(shè)置較短的顯式分析步時間，然后將前n-1步顯示分析結(jié)果導(dǎo)入最后一個分析步中，作為初始狀態(tài)的應(yīng)力場。對于最后一個激光沖擊波載荷設(shè)置較長的顯式分析步時間，以此得到穩(wěn)定的應(yīng)力場分布[11]。

對于多點方形光斑的激光沖擊波不同時刻、不同位置的加載，通過ABAQUS軟件的用戶子程序VDLOAD實現(xiàn)自動加載。研究不同工藝參數(shù)對激光沖擊強(qiáng)化效果的影響時，只需改變用戶子程序，提高了仿真效率[12]。方形光斑沖擊強(qiáng)化的有限元模擬流程，如圖1所示。

圖1 激光沖擊強(qiáng)化有限元模擬流程圖

1.2 確定網(wǎng)格劃分及材料性能參數(shù)

選取尺寸為25 mm×25 mm×3 mm的42CrMo合金方塊，方形光斑尺寸為4 mm，光斑數(shù)量為25個，模型尺寸及沖擊路徑如圖2所示。在激光加載區(qū)域選取有限單元，網(wǎng)格類型為C3D8R。在邊界區(qū)域選取無限單元，網(wǎng)格類型為CIN3D8。表面網(wǎng)格劃分尺寸為0.150 mm×0.150 mm，厚度方向網(wǎng)格尺寸為0.075 mm，網(wǎng)格劃分后的模型如圖3所示。

圖2 方形光斑沖擊區(qū)域及軌跡

圖3 網(wǎng)格劃分后的模型

激光沖擊強(qiáng)化過程中，國內(nèi)外學(xué)者大多使用J-C本構(gòu)模型定義高應(yīng)變率條件下材料的本構(gòu)關(guān)系[13]?？紤]激光沖擊強(qiáng)化過程無明顯的升溫現(xiàn)象，J-C模型表達(dá)式可簡化為

式中：ε為塑性應(yīng)變?yōu)闊o量綱塑性應(yīng)變率；A、B、n均為材料的應(yīng)變硬化特征參數(shù)，其中A為屈服應(yīng)力，B為硬化模量，n為應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)；C為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)，反映了應(yīng)變率對材料性能的影響。

文中數(shù)值模擬選用的材料為42CrMo鋼，材料參數(shù)如表1所示。

表1 42CrMo鋼材料參數(shù)

1.3 加載沖擊波壓強(qiáng)

激光沖擊波峰值壓強(qiáng)的計算參考費比公式，即

式中：P為激光沖擊波峰值壓強(qiáng)，GPa；α為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能的系數(shù)；I為脈沖激光功率密度，GW·cm-2；Z為約束層和靶材的折合聲阻抗，g·cm-2·s-1。

42CrMo鋼的聲阻抗為3.96×106g·cm-2·s-1。根據(jù)已有學(xué)者的研究，沖擊波峰值壓強(qiáng)可表示為

參考沖擊波壓強(qiáng)隨時間分布的研究成果，其隨時間的變化曲線為高斯分布。數(shù)值模擬采用的沖擊波壓強(qiáng)隨時間變化曲線，如圖4所示。

圖4 不同時刻沖擊波壓力變化曲線

1.4 確定顯式分析步求解時間

激光沖擊波峰值壓強(qiáng)為2.5 GPa，求解時間為3×10-5s時，前24個方形光斑對42CrMo合金激光沖擊得到的能量變化情況如圖5所示。從圖5可以看出，單個顯式分析步內(nèi)，材料的動能趨于零，塑性能達(dá)到飽和，材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此選取3×10-5s作為單個方形光斑的顯式分析步求解時間。

圖5 顯式分析步能量變化曲線

2 沖擊波峰值壓強(qiáng)對表面殘余應(yīng)力和變形的影響

選取方形光斑尺寸為4 mm，光斑搭接率為50%，沖擊次數(shù)為1次，激光沖擊波壓強(qiáng)分別為2.0 GPa、2.5 GPa、3.0 GPa。圖6為不同沖擊波壓力作用下靶材表面殘余應(yīng)力分布曲線。可以看出，隨著沖擊波壓強(qiáng)的增加，表面殘余應(yīng)力增大，不同條件下對應(yīng)的殘余應(yīng)力幅值分別為-544.2 MPa、-684.8 MPa、-780.9 MPa。圖7為不同沖擊波壓強(qiáng)作用下靶材表面變形分布曲線。可以看出，隨著沖擊波壓強(qiáng)的增加，靶材表面變形增大，不同條件下對應(yīng)的表面變形幅值分別為-4.51×10-4mm、-11.00×10-4mm、-20.30×10-4mm，表面變形波動值分別為3.2×10-4mm、6.4×10-4mm、11.3×10-4mm。這主要是由于沖擊波壓強(qiáng)超過材料的屈服強(qiáng)度時，材料發(fā)生塑性變形，在一定范圍內(nèi)，沖擊波壓強(qiáng)越大，塑性變形也就越大。

圖6 沖擊波峰值壓強(qiáng)對表面殘余應(yīng)力的影響

圖7 沖擊波峰值壓強(qiáng)對表面變形的影響

3 采煤機(jī)截齒表面的激光沖擊強(qiáng)化

在ABAQUS中建立采煤機(jī)截齒三維模型（見圖8），并對其表面進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化數(shù)值模擬，激光沖擊波壓強(qiáng)為2.5 GPa，方形光斑尺寸為4 mm，光斑搭接率為50%。

圖8 截齒三維模型

激光沖擊后，截齒表面殘余應(yīng)力分布如圖11所示。沿著如圖9所示路徑提取殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，表面形成的殘余應(yīng)力分別為-454.80 MPa、-462.78 MPa、-428.70 MPa、-311.40 MPa和-353.10 MPa。由此可見，截齒表面形成了殘余應(yīng)力，可以提高其疲勞壽命。

圖9 截齒表面殘余應(yīng)力（單位：MPa）

4 結(jié)語

隨著沖擊波峰值壓強(qiáng)的增加，表面殘余應(yīng)力和表面變形增大，表面變形分布不均勻性增大。針對采煤機(jī)截齒進(jìn)行激光沖擊強(qiáng)化處理，證明在其表面形成了殘余應(yīng)力，進(jìn)而延長了零件的疲勞壽命。