单面激光冲击孔壁残余应力与疲劳失效

姜银方，程志军，丁 报，潘 禹，李 娟，金 华，王春辉

(江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013)

1 引言

激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术。当高强度的激光脉冲作用在金属靶材的吸收层上时，能量在短时间集聚，吸收层瞬间汽化产生膨胀的等离子体流［1－2］。进而产生一个高幅值、短脉宽的压力脉冲。压力脉冲以冲击波的形式传入金属材料内，材料随后发生塑性变形，进而在变形区域产生残余压应力［3－4］。与传统的机械喷丸相比，激光喷丸后试件表层的压应力层深度更大且试件表面的质量更好，对试件表面的微观形貌影响更小。这就为小孔件的表面强化提供了一个新的思路与方法，极具工程意义［5－6］。

现阶段的大量研究结果表明:激光冲击强化能有效改善金属材料的应力分布、微观组织结构与延缓裂纹扩展速率，从而提高零件的疲劳寿命。针对直径小于3 mm的孔，采用冷挤压工艺往往在冷挤压过程中，芯棒发生断裂而无法取出;此外与芯棒配套使用的衬套仅能使用一次，加工成本过高;再者冷挤压的作用仅限于孔壁，孔周围结构的应力状态并没有得到改善。激光冲击强化对这些特殊的结构具有无法比拟的优势［3，7－8］。

在项目的研究过程中发现:峰值压力对激光冲击强化的效果影响很大，特别是单面冲击强化。采用低峰值压力进行单面激光强化后会对试件的疲劳寿命产生一定的增益;而峰值压力过大时，试件经激光冲击强化后寿命反而降低，出现负增益。为此本文通过ABAQUS有限元分析软件对峰值压力与载荷脉宽对小孔件孔壁方向上残余应力分布进行研究，通过建立激光冲击强化有限元分析模型、选择合适的有限元单元类型和材料模型，为零件经高峰值压力激光强化后疲劳寿命的降低提供理论依据［5］。

2 小孔件的疲劳失效

2．1 实验条件

选取7050－T7451双联狗骨试样为研究对象，试样厚度为4 mm，激光喷丸强化试验选用波长1064 nm，脉冲宽度为20 ns，重复频率为5 Hz的钕玻璃脉冲激光器。所采用的激光脉冲能量为2～9 J，光斑直径3 mm，强化2层。吸收层和约束层分别为0．12 mm的黑胶布、1～2 mm的去离子水。双联孔疲劳试样如图1所示，强化完成后在试样上加工小孔，小孔直径为2．6 mm。疲劳试验采用拉－拉正弦波载荷轴向加载，应力比R=0．1，试验频率为共振频率f=70～80 Hz，孔位置最小截面处最大载荷为195 MPa。疲劳试验分激光冲击前后2组对比进行。

2．2 实验结果

疲劳试验完成后试件断口形貌如图2所示，强化前后试件的疲劳寿命与所承受的循环载荷次数如表1所示，实验结果表明:当强化能量为2 J时，强化后试件的疲劳寿命有38．92%的增益。而当强化能量增大至8．5 J时，强化后试件的疲劳寿命反而下降，出现－32．27%负增益现象;如图2所示，对完疲劳试验后的断口进行分析发现:试件未经处理时，断口上疲劳源位于孔角;当强化能量为2 J时，断口上疲劳源位于孔壁中部;当强化能量为8．5 J时，断口上疲劳源进一步内移，断口上疲劳源距激光冲击面3．16 mm。强化能量增大后试件的疲劳增益反而降低且断口上疲劳源位置发生内移，其原因很可能是强化能量过大使试件内部的残余拉应力变大，从而导致试件的疲劳寿命出现负增益。现以有限元仿真的方法研究峰值压力、载荷脉宽对强化后孔壁应力分布的影响。

图1 双联孔疲劳试样Fig．1 Double fatigue specimen with central hole

表1 激光处理前后试样疲劳寿命Tab．1 Fatigue life before and after LSP

图2 激光冲击前后断口形貌Fig．2 Fatigue fracturemorphology of specimen before or after LSP

3 孔壁残余应力峰值分析

3．1 有限元模型

为了研究峰值压力与载荷脉宽对小孔件孔壁应力分布的影响，在此用ABAQUS软件对其进行仿真研究。模拟过程中采用7050－T7451铝合金，材料的相关参数如表2所示。模型的几何尺寸为28×28×4(长×宽×厚)。网格类型为显式线性缩减积分单元C3D8R，该单元为8节点六面体实体单元，可进行大应变、塑性、高应变等分析。强化过程中采用圆形光斑，相邻光斑搭接率为L/D=1/2(L为相邻冲击移动距离，D为光斑直径)。光斑数量为4×4，以条冲的方式进行冲击强化如图3所示，完成16个圆形光斑的强化称之为强化1层。

表2 7050－T7451铝合金参数［1］Tab．2 Thematerial properties of 7050－T7451 aluminum alloy

图3 强化路径Fig．3 The path of laser shock

在激光强化过程中，激光诱导产生的等离子体峰值压力高达几GPa，且作用时间短、应变率达到106～107s－1，此时材料的力学响应区别于静载［5］。由于强化实验中采用流动水作为约束层，在此不考虑温度这一因素的影响。对材料的本构模型(Johnson－Cook模型)加以简化，简化后表达式为:

表3 Johnson－Cook模型材料特性参数［1］Tab．3 Themodel prarmeter of Johnson － Cook

在这里对光斑直径为3 mm条件下，峰值压力为 2．0 GPa、2．5 GPa、3．0 GPa、3．5 GPa、4．0 GPa 不同的参数组合进行研究，研究的目标路径与三维模型如图4所示。

图4 目标路径位置Fig．4 The location of target path

3．2 计算结果与分析

3．2．1 峰值压力对孔壁最大拉应力的影响

图5表示在光斑直径为3 mm条件下，不同峰值压力下强化3层后目标路径的应力分布。从图中可以看出随着峰值压力的逐渐增大，冲击面表层的残余压应力层深度逐渐增加。由2．0 GPa下的 0．43 mm 逐渐增加至 4．0 GPa下的 1．81 mm。在压应力层深度增加的同时，零件内部的拉应力随之增加，由的23 MPa增加至96 MPa，最大拉应力出现的位置由原先的0．8 mm处逐渐内移至距冲击面2．67 mm深处，这就很好地解释了前述实验中峰值压力增大后零件的疲劳寿命降低且断口处疲劳源发生内移这一现象。压应力层深度的增加有益于增加零件的疲劳寿命，而零件内部的拉应力的增加会降低零件的疲劳寿命。过大的峰值压力会使零件内的拉应力过大对零件的疲劳寿命产生负增益。

图5 峰值压力对孔壁应力分布的影响Fig．5 The influence of peak pressure to the stress distribution

3．2．2 载荷脉宽对孔壁最大拉应力的影响

载荷脉宽的影响因素有很多，诸如:吸收层的材料与厚度、约束层的材料与厚度、以水为约束层时水的流速、激光器的使用状态等。当激光参数不同时，载荷脉宽对孔壁残余应力分布的影响也有很大区别。在这里简要对其加以叙述。

载荷光脉宽的增加能有效的增加强化后试件表层的残余压应力层深度，但在增加压应力层深度的同时零件内部的残余拉应力也会随之改变。当峰值压力不同时，载荷脉宽对孔壁残余分布的影响也有很大差异。

图6 脉宽对应力分布的影响Fig．6 The influence of pulse width to the stress distribution

图6 分别为 2．0、3．0、4．0 GPa 下，载荷脉宽对孔壁残余应力分布的影响。当峰值压力为2．0 GPa时，如图6(a)所示，随着脉宽的逐渐增加，孔壁上的残余压应力层深度与孔壁上的最大拉应力都随之增加，最大拉应力由原先的20 MPa增大至90 MPa，残余压应力所处位置由原先表层0．6 mm处内移至2．5 mm 深处;当峰值压力为3．0 GPa时，如图6(b)所示，随着脉宽的逐渐增加，残余压应力层深度随之增加，此时孔壁上的最大拉应力随之下降;当峰值压力为4．0 GPa时，如图6(c)所示，随着脉宽的逐渐增加，残余压应力层深度随之增加，此时孔壁上的最大拉应力逐渐降低至0，整个孔壁上几乎都是残余压应力。脉宽对孔壁上应力分布的影响与峰值压力密切相关。

当峰值压力过高时，不同的载荷脉宽在孔壁上产生的残余应力分布区别很大。从应力分布的角度上讲，为了避免在孔壁上产生过大的残余压应力，应采用低峰值压力、低脉宽或高峰值压力、高脉宽的参数进行强化。实际上零件经高峰值压力、高脉宽的激光束强化后产生剧烈的弯曲变形并使零件表面的粗糙度急剧增加，进一步造成应力集中现象。激光冲击强化并不能因此产生增益。激光冲击后如何降低零件的变形与粗糙度的增加，有待进一步深入研究。

综上所述，在制定单面激光强化工艺参数时，当载荷脉宽较低时，宜采用较低峰值压力的激光参数进行强化，同时尽可能减小因激光冲击导致零件强化区域的表面质量。

4 结论

在不同参数下对材料进行多层强化冲击，对孔壁的应力分布进行分析后得出以下结论:

(1)小孔件经激光冲击强化后最终的断口上的疲劳源由原先的孔角位置转移至零件内部，以低峰值压力强化后试件断口上的疲劳源距冲击面较近，峰值压力较大时断口上的疲劳源距冲击面较远，这与激光冲击强化后孔壁上的最大拉应力及其所在位置密切相关，同时说明:小孔件经激光冲击强化后的疲劳寿命并非都会增加，在制定激光强化工艺参数时强化能量并非越大越好;

(2)当载荷脉宽较低时，增大峰值压力会使孔壁上残余压应力层深度随之增加，在压应力层深度增加的同时孔壁上的残余拉应力也随之增大，最大拉应力出现的位置也会随之发生内移，与实验中峰值压力增大后零件的疲劳寿命降低且断口处疲劳源发生内移这一现象相吻合;

(3)当峰值压力不同时，载荷脉宽对孔壁上残余应力的影响差异很大，峰值压力较小时，载荷脉宽越大，在孔壁上产生的拉应力越大，当峰值压力很大时，载荷脉宽越大，在孔壁上产生拉应力反而越小，甚至出现整个孔壁上均为压应力现象;

(4)在现有的条件下仍无法很好地解决高峰值压力、高载荷脉宽强化后造成零件变形、强化表面质量下降等问题，针对特定结构仅能采取单面激光强化时，建议采用低峰值压力、小载荷脉宽进行冲击强化，避免零件强化后疲劳寿命出现负增益现象。

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