激光冲击处理对小孔构件残余应力场的影响

钱绍祥，殷晓中，王 琦，刘 波，冷承业

（1.镇江高等专科学校机械工程系，江苏镇江 212003；2.江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013）

激光冲击处理对小孔构件残余应力场的影响

钱绍祥1，2，殷晓中1，王 琦1，刘 波1，冷承业1

（1.镇江高等专科学校机械工程系，江苏镇江 212003；2.江苏大学机械工程学院，江苏镇江 212013）

采用高功率Nd：glass激光器对LY12CZ铝合金小孔构件表面进行激光冲击强化处理，并对冲击区域进行残余应力场的测试与分析。结果显示，在激光功率密度为1.75 GW／cm2和光斑直径为6 mm的强激光冲击作用下，冲击区域产生了残余压应力场，层深约1.2 mm，表面最大残余应力为-57 MPa，厚度方向上最大残余应力为-36 MPa。优化后的激光冲击处理工艺参数能够获得较好的残余应力场。

激光冲击处理；小孔构件；LY12CZ铝合金；残余应力

在飞机构件的制造过程中，为了联结的需要使得复杂的零件表面存在大量的小孔结构。由于孔结构属于典型的应力集中部位，极易在交变载荷作用下从孔边缘处萌生疲劳裂纹和微动磨损裂纹，从而降低零件的疲劳强度，因此，孔结构的强化是确保飞机构件安全性和可靠性的关键。目前，每架飞机均采用孔结构强化技术并作为技术要求进入了设计规范和设计手册［1］。国内外广泛使用冷挤压、干涉螺纹和喷丸强化等工艺提高孔结构的疲劳性能［2-3］，但由于通路和可达性的问题，对于直径小于4 mm的小孔强化很难实现。激光冲击处理（Laser Shock Processing，LSP）是利用纳秒级强脉冲激光诱导的高压冲击波在金属材料表层产生应变强化，在其他传统强化工艺难以处理的部位获得较好的综合表面性能［4-5］。国内外学者对孔结构进行了大量的激光冲击处理实验和探讨，但大多是从处理后的试样进行疲劳强度实验研究，没有从激光冲击处理工艺参数优化以获得更好的残余压应力场的角度来研究［6-8］。由于激光冲击强化提高金属部件疲劳性能的主要因素之一是在金属部件表层形成较大、较深的残余压应力场，因此本实验通过对Φ2 mm的LY12CZ铝合金小孔进行激光冲击处理，通过选择优化合理的工艺参数，以期获得更好的孔周残余应力场的分布，使其达到工艺要求的应力范围，从而有利于提高小孔构件的疲劳强度。

1 实验

试验材料采用LY12CZ铝合金，其化学成分（wt%）为：Cu 4.14，Mg 1.44，Mn 0.50，Fe 0.29，Si0.18，Ti＜0.05，Zn＜0.20，Ni＜0.05，Al余量；其动态屈服强度σH为541 MPa，抗拉强度σb为460 MPa。在材料中心处加工1个2 mm的铆钉孔以模拟材料的实际工况，LSP实验采用高功率Nd：glass激光器，选用K9玻璃为约束层，厚度4 mm，表面涂86-1黑漆为激光冲击的吸收层，厚度约0.2 mm。

采用X-350A型X射线应力仪对小孔进行残余应力测试，使用侧倾固定Ψ法，Ψ分别取0°，15°，25°和45°，铬靶Kα特征辐射，应力测试晶面为（420），应力常数为k=-71 MPa／（C°），扫描起始角及终止角分别为170°和120°。

2 工艺参数的优化

激光冲击处理工艺参数对强化效果有着直接的影响，工艺参数主要包括激光功率密度、光斑形状与尺寸、脉冲宽度、光斑搭接率、强化次数、约束层和吸收层状态。而激光功率密度、光斑直径、脉冲宽度将直接影响单点单次激光冲击处理后的强化效果，三者之间的关系为

其中I0为激光功率密度，E为激光脉冲能量，f为脉冲宽度，D为光斑直径。由式（1）可知，增大激光能量，或降低脉冲宽度和光斑面积，都会使得功率密度变大，增加等离子体冲击波的强度，从而在冲击区域形成不同的残余应力状态，因此，在进行激光冲击强化处理前应对这3个参数进行优化。

2.1 激光功率密度

材料强化的直接动力来源是激光诱导产生的等离子体冲击波，而激光诱导产生的冲击波压力P与功率密度I0近似成正比［9-10］，简化为

可见，调节激光功率密度的大小，实质上是调整激光冲击波的压力。为了使材料表层发生塑性变形，获得有益的残余应力场，一方面，必须使激光诱导的冲击波峰值压力大于靶材的动态屈服强度，另一方面，为了避免材料发生层裂，激光冲击波的峰值压力不能大于靶材的动态抗拉强度。

激光诱导的冲击波压力P小于材料的σH时，材料只发生弹性形变，当P在σH与2σH之间时，塑性形变随冲击波峰值压力的增加呈线性增加，并有弹性回复；当P在2σH与2.5σH之间时，塑性形变达到饱和；当P大于2.5σH时，表面将产生卸载波，在一定程度上会降低金属表面残余压应力［11］。因此，对于LY12CZ铝合金，冲击波压力P最佳范围为1.08 GPa≤P≤1.35 GPa，可得最佳的激光功率密度范围为1.12 GW／cm2≤P≤1.75 GW／cm2。激光冲击处理小孔周边时，由于小孔的存在，不利于靶材表层的塑性形变，影响冲击强化效果，需要对最佳激光功率密度范围进行修正。

2.2 脉冲宽度

激光冲击处理的过程中，通过调节激光束脉冲的持续时间控制冲击波压力的作用时间，通常冲击波压力的作用时间是激光脉冲宽度的2～3倍［12］，所以较小的脉冲宽度可以获得较大的表面残余应力，但会影响靶材的强化深度。通常，为了获得较好的强化深度，会选择较大的脉冲宽度，而过大的脉冲宽度会烧蚀靶材的表面，从而降低强化效果，因此，激光冲击强化所需的脉冲宽度一般在几纳秒到几十纳秒之间。

2.3 光斑直径

光斑的尺寸对残余应力的分布影响较大，较大光斑以平面波的形式传递冲击波，能量衰减速度慢，从而增大残余压应力层的深度，而较小的光斑以近似球面波的形式传递冲击波。为了降低机械加工形成的孔周残余拉应力，根据文献［13］，最佳激光冲击强化的光斑直径为小孔直径d的3倍，即D=3d。

选择光斑直径为6 mm恒定，通过改变激光脉冲能量E和激光脉宽f调整冲击波压力。根据2004年美国颁布的激光冲击强化规范（SAE-LSP）①Laser peening aerospacematerial specification.SAE Aerospace.2004，8，ASM2546.，对于一般航空材料，E选择范围为1～12 J，所以实验采用优化后的激光工艺参数为：E为11 J，D为6 mm，f为23 ns，I0为1.75 GW／cm2。

3 结果与讨论

由于孔是激光冲击处理的中心区域，冲击区域产生塑性变形，孔的内表面没有约束，材料会向光斑中心产生一定的微小位移。从图1中可以看出：

图1 从孔边缘起表面残余应力的分布

1）在X，Y方向上的最大残余压应力-57 MPa，产生在靠近孔边缘0.5 mm附近处，而不是孔周边缘处，这是由于激光冲击波使得光斑中心处受到的冲击压力最大，孔的边缘产生的冲击载荷最大，但是孔的内部处于无约束状态，不能形成有效的压缩，削弱了孔周边缘处的残余压应力值。

2）在X，Y方向上残余应力的分布随着离孔边缘距离的增大，残余压应力值逐渐变小，当距离在1.7 mm附近时，残余应力衰减到零。因为圆形光斑是中心对称，激光冲击产生的应力波是关于距离冲击中心半径的函数，近似服从高斯分布，随着离光斑中心位置距离的增大，冲击波能量逐渐衰减。另外，材料内部材质的不均匀，各点硬度值不一定相同，在一定程度上影响残余压应力的变化。

3）在光斑作用区域的边缘处产生残余拉应力分量，主要是因为激光冲击区域产生的类似Rayleigh波、切应变波等表面稀疏波向光斑中心处汇聚，产生中心汇聚效应，且光斑边缘处的曲率最大，表面稀疏波的强度较大，形成的局部反向加载最厉害，从而产生反向塑性形变，削弱了先前塑性波形成的残余压应力场，使得激光冲击处理后在光斑边缘处产生残余拉应力。

由图2可知，孔边缘残余压应力层深约为1.2 mm，厚度方向上残余压应力最大值为-36 MPa；随着厚度的增加，残余压应力衰减得很快。因为激光冲击波在金属材料内部的传播过程中按指数规律衰减，激光诱导的应力波在靶材表面最强，材料表面的强化效果最好，随着应力波向材料内部的传播，冲击压力不断下降，金属材料发生反向弹性应变，从而发生塑性卸载，对材料的强化效果逐渐减弱，所以随表面距离的增加，材料内的残余压应力值逐渐减少。

图2 孔曲面厚度方向残余应力的分布

4 结论

采用高功率Nd：glass脉冲激光器冲击处理Φ2 mm的LY12CZ铝合金小孔，优化后的工艺参数为激光功率密度为1.75 GW／cm2，光斑直径6 mm，脉冲宽度23 ns。实验结果表明：

1）激光冲击处理可以消除小孔由于机械加工所形成的残余拉应力，并产生残余压应力。

2）优化后的工艺参数可获得了较好的残余应力场，最大表面残余应力能达到-57 MPa，厚度方向上最大残余应力为-36 MPa，残余压应力层深约1.2 mm，有效的改善了孔周边残余应力场的分布，提高了小孔结构的疲劳强度。

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〔责任编辑：卢 蕊〕

Effects of the residual stress field on hole com ponents by laser shock processing

QIAN Shao-xiang1，2，YIN Xiao-zhong1，WANG Qi1，LIU Bo1，LENG Cheng-ye1
（1.Mechanic Engineering Department，Zhenjiang College，Zhenjiang 212003，China；2.College of Mechanic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212003，China）

The surface of LY12CZ aluminum alloy hole componentwas treated with Nd：glasss laser，and its residual stress was tested and analyzed.In the impact of laser shock processing using the laser power density of 1.75 GW／cm2and spot diameter of6mm，the shocked area produced compressive residual stresswith its deepness about 1.2mm.Themaximum surface residual stress is-57MPa and themaximum residual stress in the thickness direction is-36MPa.The optimization of LSP technological parameters can obtain good residual stress field.

laser shock processing（LSP）；hole components；LY12CZ aluminum alloy；residual stress

TG665

A

1008-8148（2014）04-0061-03

2014-05-16

国家自然科学基金资助项目（51179076）；江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目（CXLX13-640）；镇江高专科研团队建设项目（ZJCKYTD05）

钱绍祥（1977—），男，江苏泰兴人，讲师，博士生，主要从事激光冲击强化研究；殷晓中（1975—），男，江苏镇江人，副教授，主要从事机械设计研究。