單面激光沖擊孔壁殘余應力與疲勞失效

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。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，吸收層瞬間汽化產生膨脹的等離子體流［1－2］。進而產生一個高幅值、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，材料隨后發生塑性變形，進而在變形區域產生殘余壓應力［3－4］。與傳統的機械噴丸相比，激光噴丸后試件表層的壓應力層深度更大且試件表面的質量更好，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］。

現階段的大量研究結果表明:激光沖擊強化能有效改善金屬材料的應力分布、微觀組織結構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，孔周圍結構的應力狀態并沒有得到改善。激光沖擊強化對這些特殊的結構具有無法比擬的優勢［3，7－8］。

在項目的研究過程中發現: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生一定的增益;而峰值壓力過大時，試件經激光沖擊強化后壽命反而降低，出現負增益。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，為零件經高峰值壓力激光強化后疲勞壽命的降低提供理論依據［5］。

2 小孔件的疲勞失效

2．1 實驗條件

選取7050－T7451雙聯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載荷次數如表1所示，實驗結果表明: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－32．27%負增益現象;如圖2所示，對完疲勞試驗后的斷口進行分析發現:試件未經處理時，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生內移，其原因很可能是強化能量過大使試件內部的殘余拉應力變大，從而導致試件的疲勞壽命出現負增益。現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力分布的影響。

圖1 雙聯孔疲勞試樣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，材料的相關參數如表2所示。模型的幾何尺寸為28×28×4(長×寬×厚)。網格類型為顯式線性縮減積分單元C3D8R，該單元為8節點六面體實體單元，可進行大應變、塑性、高應變等分析。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［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，激光誘導產生的等離子體峰值壓力高達幾GPa，且作用時間短、應變率達到106～107s－1，此時材料的力學響應區別于靜載［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［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 計算結果與分析

3．2．1 峰值壓力對孔壁最大拉應力的影響

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。在壓應力層深度增加的同時，零件內部的拉應力隨之增加，由的23 MPa增加至96 MPa，最大拉應力出現的位置由原先的0．8 mm處逐漸內移至距沖擊面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生內移這一現象。壓應力層深度的增加有益于增加零件的疲勞壽命，而零件內部的拉應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的拉應力過大對零件的疲勞壽命產生負增益。

圖5 峰值壓力對孔壁應力分布的影響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、激光器的使用狀態等。當激光參數不同時，載荷脈寬對孔壁殘余應力分布的影響也有很大區別。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力層深度，但在增加壓應力層深度的同時零件內部的殘余拉應力也會隨之改變。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，孔壁上的殘余壓應力層深度與孔壁上的最大拉應力都隨之增加，最大拉應力由原先的20 MPa增大至90 MPa，殘余壓應力所處位置由原先表層0．6 mm處內移至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，殘余壓應力層深度隨之增加，此時孔壁上的最大拉應力隨之下降;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，殘余壓應力層深度隨之增加，此時孔壁上的最大拉應力逐漸降低至0，整個孔壁上幾乎都是殘余壓應力。脈寬對孔壁上應力分布的影響與峰值壓力密切相關。

當峰值壓力過高時，不同的載荷脈寬在孔壁上產生的殘余應力分布區別很大。從應力分布的角度上講，為了避免在孔壁上產生過大的殘余壓應力，應采用低峰值壓力、低脈寬或高峰值壓力、高脈寬的參數進行強化。實際上零件經高峰值壓力、高脈寬的激光束強化后產生劇烈的彎曲變形并使零件表面的粗糙度急劇增加，進一步造成應力集中現象。激光沖擊強化并不能因此產生增益。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時，當載荷脈寬較低時，宜采用較低峰值壓力的激光參數進行強化，同時盡可能減小因激光沖擊導致零件強化區域的表面質量。

4 結論

在不同參數下對材料進行多層強化沖擊，對孔壁的應力分布進行分析后得出以下結論:

(1)小孔件經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移至零件內部，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力及其所在位置密切相關，同時說明:小孔件經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力層深度隨之增加，在壓應力層深度增加的同時孔壁上的殘余拉應力也隨之增大，最大拉應力出現的位置也會隨之發生內移，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生內移這一現象相吻合;

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

(4)在現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、強化表面質量下降等問題，針對特定結構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負增益現象。

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