基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化

《现代设计理论与方法》
基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化
班级机械工程
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基于ABAQUS的激光冲击金属表面强化
一、激光冲击金属表面强化的国内外现状
金属材料的失效形式主要是于材料表面的疲劳、腐蚀和磨损,所以材料表面的结构和性能直接影响着材料的综合性能。

激光冲击强化是利用短脉冲( 一般在5 0s n以内)、高功率密度的激光通过透明约束层，作用于金属表面所涂覆或帖附的吸收层上，吸收层吸收激光能量后迅速气化。

形成稠密的高温、高压等离子体，该等离子体继续吸收激光能量后急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。

当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。

激光作用结束后，由于冲区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。

激光冲击的研究可以追溯到1963年，White首先发现了激光诱发冲击波现象[5l,这一发现为激光冲击技术的应用拉开了序幕。

目前激光冲击强化在美国已历经三十多年的发展，技术逐渐成熟。

2000年以来,高能激光冲击强化技术研究水平有了新突破,应用领域有了新的拓展,其中一些成果受到世人瞩目。

利弗莫尔(livemore)实验室在YMP研究计划中进行了304不锈钢的耐腐蚀实验,证实激光冲击后的不锈钢试样耐腐蚀性能获得了极大提高。

高能束激光冲击技术可用于核废料储存容器焊缝的处理,以及改善核反应器的安全性与可靠性,延长反应器零件的工作时间,从而使沸水反应器和压力水反应器具有更长的服役时间和更低的运行成本。

日本东芝为了将激光冲击处理技术用于核反应堆中型芯零件和焊接构件焊缝的强化,专门设计了激光冲击伸缩强化头,可深入内壁实施强化。

我国对激光冲击处理技术的研究始于上世纪90年代。

中国科技大学、华中科技大学、南京航空航天大学等单位在这方面已做了大量的基础研究,但还没有工化应用。

1991年我国高功率(109w/cm2)激光装置通过鉴定,激光冲击强化的研究才真正开始。

1993年,在国家有关部门支持下,中国科技大学与南京航空航天大学、成都飞机设计研究所等单位合作,采用特制的激光冲击处理实验装置,对激光冲击进行了一系.列的研究,有效地强化了碳钢、合金钢及镍基高温合金钢。

“九
五”期间,北京航空制造工程研究所在北京航空航天大学、中国科学技术大学等单位协助下,进行了Tc4、GH3o、Icr18Ni好i、2024、1420等材料的激光冲击处理试验,在钦合金、不锈钢等材料上取得了很好的试验效果。

北京航空制造研究所对2.5m们。

厚的铝合金2024T-62板材铆钉孔激光冲击强化后铆接,发现激光冲击处理能稳定提高铆接结构疲劳寿命(经历的完整谱块数)约80%。

高温合金GFOO板材缺口疲劳试件(应力集中系数kt=2.85),在最大应力水平凡昭=334MPa,R二0.1情况下,激光冲击处理后疲劳寿命提高400%以上;铝合金、高温合金、高强钢等典型材料裂纹扩展速率大幅降低,在强化效果明显的区域下降尤为明显,这种特性对抑制裂纹萌生更为有利。

GH30氢弧焊焊缝激光冲击处理后,焊缝表面显微硬度提高40%,抗拉强度提高12%以上,表面残余拉应力转化为残余压应力。

二、目前研究存在问题、难点、研究趋势
首先就实质的被加工工件而言，在激光冲击加工过程中如何使其对激光的能量利用率达到最大，以及在冲击加工过程中被加工工件的变形量的影响因素等等。

虽然激光冲击强化技术在诸多领域得到了应用，但要在实际工程中得到广泛运用还有许多问题要解决，比如提高改变性能的各种影响因素，高性能的激光冲击装置，廉价且容易操作的无损检测手段等。

此外，目前国内外普遍采用的透明约束层为光学玻璃、厚度约为1 ~3mm的水帘和柔性贴膜。

玻璃类约束层对激光冲击波的约束最好，但其加工适应性差。

无法满足形状比较复杂的局部冲击区域；另外，玻璃在冲击波的作用下回发生碎裂，故仅适应于激光单次冲击，不能重复使用。

水因其成本低、柔性好、可循环使用和对复杂曲面的适用性强等优点而被广泛使用，但约为1 ~3mm的水帘厚度在实际的操作过程当中很难控制，且厚度约为1 ~3mm的水帘刚性不足，对冲击波的约束效果不佳，削弱了激光冲击强化效果。

针对现有的激光冲击强化方法的不足及存在的问题，有必要对现有的激光冲击强化法进行革新来解决传统的强化方法前后预处理工艺繁琐、光学系统复杂以及辅助装置过多的缺点。

目前，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的激光与智能能量场制造团队正在研究一种利用谐振腔形成复合冲击波的激光冲击强化
方法，其主要目的是着重解决冲击波的祸合效率提高问题，以及约束层的可控性
问题，预期达到的有益效果是将等离子体冲击波的能量利用率提高到5 0 % 以
上，解决目前常用约束层加工适应性差、不能重复使用、厚度不易控制和刚性不
足等问题。

三、研究方案
根据上述因素，此次研究针对激光冲击加工过程中对零件变形量的影响因素进行
研究，此次分别对能量、光斑直径、冲击次数、板材厚度进行一个综合的研究对
其影响因素。

本实验选用紫铜作为试样，其方案如下：
1、改变激光能量：
能量为0.5J、IJ、1.5J、2J，光斑直径为1mm，凹模孔径为4mm,板材厚度为0.05mm
2、改变光斑直径
光斑直径为1mm、1.4mm、1.8mm、2.2mm，凹模孔径为4mm,板材厚度为0.02mm
能量为0.5J
3、改变冲击次数
冲击次数为1、2、3、4，凹模孔径为4mm,光斑直径为1mm，能量为1J，板
材厚度为0.05
4 板材厚度
板材厚度为0.02mm、0.03mm、0.05mm、0.1mm，凹模孔径为4mm,光斑直径为
为1mm，能量为2J
四、各种影响因素对激光冲击加工的影响仿真结果
3D展示图
X方向截图 Y方向截图
根据不同的实验方案其结果曲线图如下：
1、激光能量
光斑直径为1mm，凹模孔径为4mm,板材厚度为0.05mm
能量为0.5J、IJ、1.5J、2J、
X方向Y方向
2、光斑直径
光斑直径为1mm、1.4mm、1.8mm、2.2mm，凹模孔径为4mm,板材厚度为0.02mm 能量为0.5J
X方向Y方向
3、冲击次数
冲击次数为1、2、3、4，凹模孔径为4mm,光斑直径为1mm，能量为1J，板材厚度为0.05
X方向Y方向
4、板材厚度
板材厚度为0.02mm、0.03mm、0.05mm、0.1mm，凹模孔径为4mm,光斑直径为为1mm，能量为2J
X方向Y方向
总结：
1激光能量
由图可以看出，当激光能量为0.5J时，深度方向上的塑性变形量并不明显，但是当激光能量发生改变时，试样的最大变形量由几十微米增大到几百微米，为使金属板材发生一定的塑性变形，激光能量有一个合理的范围，其大小存在两个阈值，一是激光能量应高于一定数值，以使等离子体爆轰波压力高于金属的动态屈服极限，使板材发生塑性变形；二是激光能量超过某一数值时，工件有可能出现破裂现象，说明过高的激光能量使板材塑性变形超过成形极限。

在本实验中对0.05mm厚的紫铜采用激光器的最大能量2J时，板材并未出现破坏。

因此，激光冲击微细塑性成形处理工艺中需要选择适当的激光能量，并非越大越好。

2 光斑直径
图给出了当激光光斑直径变化时，板材变形量的变化趋势。

从图中可以看出，激光光斑对试样冲击成形效果的影响较为复杂。

由于激光光斑直径对变形量的影响也有两种情况，一是当激光功率密度远大于激光冲击板材变形所需的阈值时，激光有效作用面积对板材的变形量的影响起主要作用，随光斑直径的增大而增加；二是当激光功率密度非常接近激光冲击板材变形所需的阈值时，激光功率密度对板材的变形量的影响起主导作用，在脉冲能量一定的情况下，光斑直径越大，变形量却越小。

这是主要是因为随着激光光斑直径的增大，激光的有效作用面积增大，能量密度却变低，从而导致板材的变形困难。

而本次实验激光诱导的冲击波压力远远大于T2紫铜的动态屈服强度，所以随着光斑直径的增大，板材的变形量也增大。

3 冲击次数
从图中可以看出，随着冲击次数的增加，板材的影响区域基本未发生变化，而深度方向上的塑性变形量增大。

如果冲击次数继续增加，板材可能出现破坏现象。

扫描电镜下观察多次冲击后试样表面已有较多的微观裂纹及空洞，经过硬度测试表明，成形后金属板材表面的硬度比基体有一定的增加。

说明试样在经激光冲击成形后，金属表面发生硬化现象，这将导致后续变形比之前要困难。

4 板材厚度
随着板厚的增加，成形深度随之减小。

这种现象可以从流动应力尺寸效应的角度解释：随着板材厚度的增加，流动应力随之提高，故成形难度也随之提高，所以成形深度减小。

另外，板材厚度越大，微细塑性变形功也越大，所以在相同的激光能量下，成形深度逐渐减小。

根据板材变形时的压力和其它参数的关系式P∝LtW，其中L为变形区域的周长，t为板材厚度，W为变形量，在激光参数基本不变的情况下，激光诱导的冲击波压力基本不变，可以视为常量。

变形区域的周长由激光光斑直径决定，也视为常量，这样板材厚度t和变形量W之间就呈现反比的关系。

综上所述，在激光冲击加工中激光器的性能、辅助装置、约束层等对实验结果有很大的影响，但同时合理的选择激光能量、光斑直径、冲击次数、板材厚度对提高材料性能起着重要的作用。