激光沖擊7050 鋁合金表面“方形光斑”仿真研究

賈畢清

（淮安生物工程高等職業學校，江蘇 淮安 223001）

激光沖擊強化（LSP）是一種綠色且便捷的表面加工技術，其原理是利用納秒級激光作用到金屬表面的吸收層產生高能高壓的沖擊波，對材料產生強大的力學效應，從而使材料表面發生局部塑性形變，產生殘余壓應力并強化表層材料的微觀組織，進而改善材料的表面性能。 羅開玉等[1]研究了激光沖擊強化對316L 不銹鋼熔覆層微觀結構和性質的影響，楊聰等[2]研究了方形光斑激光沖擊690 高強鋼表面殘余應應力的分布。本研究選用的7050 鋁合金具有密度小、強度高及耐腐蝕性的特點， 廣泛應用于航空航天領域，因此，合理強化其表面力學性能顯得尤為重要。目前，激光沖擊強化技術研究主要采用圓形光斑并利用仿真模擬與試驗協同方式，探究不同激光參數對圓形光斑誘導材料表面殘余應力的規律[3-5]，但比較不同光斑形狀沖擊材料表面后殘余應力規律的研究鮮見報道，其得出的結果具有一定的局限性。 采用ANSYS/LSDYNA 軟件進行有限元分析， 利用二元光學衍射技術， 對激光沖擊7050 鋁合金試樣進行方形光斑沖擊仿真，探究其誘導材料表面殘余應力的規律，并與圓形光斑沖擊相比較， 以期改善7050 鋁合金的力學性能。

1 二元光學衍射轉變方形光斑有限元模型的建立

1.1 建立模型

為了減少求解計算的時間，考慮到試樣的幾何形狀及光斑形狀的對稱性，建立1/4 的三維模型，以5 mm×5 mm×1.5 mm 長方體作為求解對象。模型邊界設置為相應對稱邊界，底面為全約束。 設置全局網格大小為0.1 mm，網格單元類型為solid164，并檢查網格質量。 由于激光沖擊過程具有高應變率特性，故選用Johnson-Cook（J-C）本構模型并賦予材料屬性。 同時，因激光沖擊過程中吸收層會吸收熱量隔熱，故忽略熱效應。 其關系式簡化為：

式（1）中： σ 為流動應力；A 為初始動態曲服強度，B 為應變硬化系數，n 為應變硬化指數，C 為應變硬化因子；ε 表示應變率，ε0表示準靜態載荷下的應變率。

7050 鋁合金J-C 模型所涉及的參數見表1。

表1 7050 鋁合金J-C 模型相關參數Table 1 Relevant parameters of the 7050 aluminum alloy for J-C model

1.2 分析步及壓力加載設置

根據沖擊波在7050 鋁合金內部的傳播衰減及能量消散規律，將能量穩定趨于準靜態的時間設置為動態求解時間，將分析步時間設置為4 000 ns。 Fabbro等建立的峰值壓力與功率密度的壓力經驗公式為：

式（2）中：α 為效率系數，取 0.15；Z 為折合阻抗，取 0.296×106g/（cm2·s）；I 為激光功率密度（GW/cm2），模擬選取的沖擊波壓力根據激光功率密度而定。由于沖擊波的橫波效應導致激光沖擊壓力加載范圍略大于光斑， 因此將加載區域增大至光斑長寬的1.2 倍，即邊長為3 mm 的正方形。 壓力加載時間根據激光器的脈寬而定，約為脈寬的2～3 倍。 由于激光器脈寬為10 ns，故設置加載時間為30 ns。 圖1 為沖擊波壓力加載曲線。

圖1 沖擊波壓力加載曲線Figure 1 Shock wave pressure loading curve

2 二元光學衍射轉變方形光斑對殘余應力場的影響

二元衍射轉變方形光斑時7050 鋁合金的殘余應力如圖2 所示。

圖2 二元衍射轉變方形光斑時7050 鋁合金的殘余應力圖Figure 2 Residual stress diagram of 7050 aluminum alloy for binary diffraction-transformed square spot

從圖2 可明顯觀察到光斑中心位置相對于邊緣，其殘余應力值減小， 且在方形光斑兩邊緣交界處達到最大應力。 為對比圓形光斑與方形光斑的表面殘余應力， 特在方形光斑表面中心至邊長的垂直距離上取若干連續單元，提取其殘余應力數值并繪制曲線，如圖3。

圖3 二元衍射光斑轉換前后的殘余應力分布曲線Figure 3 Residual stress distribution curve before and after binary diffraction spot conversion

由圖3 可知，二元衍射轉換為方形光斑后，光斑中心位置殘余應力為-10.1 MPa， 最大表面徑向殘余應力為-115.2 MPa，距離中心位置2.7 mm，兩者差值達-105.1 MPa，與衍射前圓形光斑差值-172.9 MPa 相比略小，這說明二元衍射轉換方形光斑可有效解決沖擊表面中心殘余應力缺失的問題。究其原因在于光斑通過二元衍射轉換后，光斑邊界處產生的沖擊波到達光斑中心的順序有了先后，從而抑制了沖擊波在光斑中心同時匯聚的數量。但二元衍射也降低了沖擊波的峰值壓力，故其在優化效果上不如圓形光斑，需結合激光搭接技術進一步研究。

3 激光沖擊參數對殘余應力的影響

3.1 激光功率密度對殘余應力的影響

為了對比不同激光功率密度沖擊下試樣表面殘余應力的分布， 分別對 1.98，2.77，4.07 GW/cm2不同激光功率密度沖擊下的模型進行殘余應力分析，如圖4 所示。

由圖 4 可知， 在 1.98，2.77，4.07 GW/cm2激光功率密度下，激光沖擊后材料表面最大殘余應力值分別為-98.4，-172.6，-289.9 MPa，光斑中心位置的殘余應力分別為-5.6，-11.4，-23.6 MPa，其差值分別為-92.8，-161.12，-266.3 MPa。 模型表面與光斑中心的殘余應力最大差值位置均在2.6 mm 處， 且差值隨著功率密度的增加而增大，即在其他條件不變的基礎上，增大激光功率密度會使材料表面的殘余應力隨之增大，材料表面殘余應力均顯示出相同的的變化趨勢，但殘余應力曲線總體呈下移趨勢。 可見，隨著沖擊壓力的增加，光斑邊緣的表面波增強，向光斑中心匯聚的能量變大，導致材料反向塑性變形增大，從而導致材料表面殘余應力出現變化。

圖4 1.98，2.77，4.07 GW/cm2 不同激光功率密度沖擊下的材料殘余應力曲線圖Figure 4 The residual stress curve of the material under the impact of the three laser power densities of 1.98，2.77，4.07 GW/cm2

3.2 激光脈寬對材料表面殘余應力影響

不同脈寬條件下激光沖擊7050 鋁合金表面徑向殘余應力的分布曲線如圖5 所示。

圖5 3 種激光束脈沖下的殘余應力對比Figure 5 Comparison of residual stresses under three laser beam pulses

從圖 5 可知，10，20，30 ns 脈寬下光斑中心的殘余應力分別為-4.33，-12.4，18.9 MPa， 最大殘余應力值分別為-112.6，-185.1，-234.4 MPa，其差值分別為-108.27，-172.7，-215.5 MPa；材料表面的殘余應力曲線趨勢基本相同，均在0.5 mm 位置處存在波動；靠近光斑中心位置時材料表面殘余應力逐步變大，與光斑中心殘余應力的差值也逐步增大， 并在2.6 mm 處達到峰值；在其他條件不變的基礎上，增大激光束脈寬會使材料表面的殘余應力隨之增大，且殘余應力曲線整體呈下降趨勢，其原因在于隨著脈寬的增加，激光沖擊作用的持續時間變長，材料表面的稀疏波強度和卸載時材料反向塑性變形隨之增大，進而導致殘余應力變化趨勢增大。 但如果脈寬過大，則會使材料受激光沖擊時間過長，導致材料被蝕穿，從而破壞材料表面、降低材料表面質量。

4 方形光斑搭接率對殘余應力場的影響

鑒于二元光學衍射的方形光斑優化效果不如圓形光斑，可采用二元光學衍射處理和激光搭接處理相結合的方法，對7050 鋁合金表面進行復合處理，探究搭接工藝對方形光斑激光沖擊效果的影響。不同搭接率下二元光學衍射方形光斑對7050 鋁合金表面殘余應力場的影響見圖6。

圖6 不同搭接率下二元光學衍射方形光斑處理工藝后的7050 鋁合金表面殘余應力場Figure 6 Surface residual stress field of 7050 aluminum alloy after binary optical diffraction square spot processing at different lap rates

由圖6 可知，在不同搭接率下，二元光學衍射后7050 鋁合金的殘余應力分布規律較為類似， 且表面殘余應力表現出良好的均勻性，但是隨著搭接率的提高，殘余應力場分布曲線整體向左偏移，產生這種偏移的實質是隨著光斑搭接率的增大，激光沖擊壓力加載區域變小，重復沖擊區域變大。 分別測得搭接率為33%，50%，66%時光斑中心的殘余壓應力值分別為-17.2，-17.3，-16.9MPa， 殘余壓應力的最大值分別為-317.4，-308，-327.2MPa，其差值分別為-300.2，-290.7，-310.3MPa，無明顯變化差異。 這說明采用二元光學衍射和搭接處理的復合工藝對殘余應力場的影響較小，二元光學衍射和搭接率的復合工藝與單獨兩者的處理工藝相比沒有顯著的優化效果。

5 結語

采用ANSYS/LS-DYNA 軟件進行有限元分析，利用二元光學衍射技術， 對激光沖擊7050 鋁合金試樣進行方形光斑沖擊仿真，探究其誘導材料表面殘余應力的規律，結果表明：

1） 通過二元光學衍射將圓形光斑轉變為方形光斑，可有效減小殘余應力洞的產生，但相較于圓形光斑，方形光斑沖擊后整體殘余應力值偏小。

2） 模擬試驗表明， 隨著沖擊峰值壓力和脈寬的增加， 激光沖擊波到達光斑邊界的強度隨之增加，使光斑中心位置的殘余應力缺失更加明顯。

3） 采用二元光學衍射和搭接處理相結合的工藝方法對7050 鋁合金表面進行激光沖擊數值仿真發現，在33%，50%，66%搭接率下，最大殘余壓應力和中心位置殘余壓應力之間的差值變化不大，這說明二元光學衍射和搭接處理相結合的工藝方法并不能有效反映其對殘余應力場的影響，與兩者單獨工藝處理方法相比不存在優勢。