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(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 223001）

激光沖擊強(qiáng)化（LSP）是一種綠色且便捷的表面加工技術(shù)，其原理是利用納秒級(jí)激光作用到金屬表面的吸收層產(chǎn)生高能高壓的沖擊波，對(duì)材料產(chǎn)生強(qiáng)大的力學(xué)效應(yīng)，從而使材料表面發(fā)生局部塑性形變，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力并強(qiáng)化表層材料的微觀(guān)組織，進(jìn)而改善材料的表面性能。 羅開(kāi)玉等[1]研究了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)316L 不銹鋼熔覆層微觀(guān)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，楊聰?shù)萚2]研究了方形光斑激光沖擊690 高強(qiáng)鋼表面殘余應(yīng)應(yīng)力的分布。本研究選用的7050 鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高及耐腐蝕性的特點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，因此，合理強(qiáng)化其表面力學(xué)性能顯得尤為重要。目前，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)研究主要采用圓形光斑并利用仿真模擬與試驗(yàn)協(xié)同方式，探究不同激光參數(shù)對(duì)圓形光斑誘導(dǎo)材料表面殘余應(yīng)力的規(guī)律[3-5]，但比較不同光斑形狀沖擊材料表面后殘余應(yīng)力規(guī)律的研究鮮見(jiàn)報(bào)道，其得出的結(jié)果具有一定的局限性。 采用ANSYS/LSDYNA 軟件進(jìn)行有限元分析， 利用二元光學(xué)衍射技術(shù)， 對(duì)激光沖擊7050 鋁合金試樣進(jìn)行方形光斑沖擊仿真，探究其誘導(dǎo)材料表面殘余應(yīng)力的規(guī)律，并與圓形光斑沖擊相比較， 以期改善7050 鋁合金的力學(xué)性能。

1 二元光學(xué)衍射轉(zhuǎn)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(jì)算的時(shí)間，考慮到試樣的幾何形狀及光斑形狀的對(duì)稱(chēng)性，建立1/4 的三維模型，以5 mm×5 mm×1.5 mm 長(zhǎng)方體作為求解對(duì)象。模型邊界設(shè)置為相應(yīng)對(duì)稱(chēng)邊界，底面為全約束。 設(shè)置全局網(wǎng)格大小為0.1 mm，網(wǎng)格單元類(lèi)型為solid164，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量。 由于激光沖擊過(guò)程具有高應(yīng)變率特性，故選用Johnson-Cook（J-C）本構(gòu)模型并賦予材料屬性。 同時(shí)，因激光沖擊過(guò)程中吸收層會(huì)吸收熱量隔熱，故忽略熱效應(yīng)。 其關(guān)系式簡(jiǎn)化為：

式（1）中： σ 為流動(dòng)應(yīng)力；A 為初始動(dòng)態(tài)曲服強(qiáng)度，B 為應(yīng)變硬化系數(shù)，n 為應(yīng)變硬化指數(shù)，C 為應(yīng)變硬化因子；ε 表示應(yīng)變率，ε0表示準(zhǔn)靜態(tài)載荷下的應(yīng)變率。

7050 鋁合金J-C 模型所涉及的參數(shù)見(jiàn)表1。

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

1.2 分析步及壓力加載設(shè)置

根據(jù)沖擊波在7050 鋁合金內(nèi)部的傳播衰減及能量消散規(guī)律，將能量穩(wěn)定趨于準(zhǔn)靜態(tài)的時(shí)間設(shè)置為動(dòng)態(tài)求解時(shí)間，將分析步時(shí)間設(shè)置為4 000 ns。 Fabbro等建立的峰值壓力與功率密度的壓力經(jīng)驗(yàn)公式為：

式（2）中：α 為效率系數(shù)，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(jù)激光功率密度而定。由于沖擊波的橫波效應(yīng)導(dǎo)致激光沖擊壓力加載范圍略大于光斑， 因此將加載區(qū)域增大至光斑長(zhǎng)寬的1.2 倍，即邊長(zhǎng)為3 mm 的正方形。 壓力加載時(shí)間根據(jù)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(shè)置加載時(shí)間為30 ns。 圖1 為沖擊波壓力加載曲線(xiàn)。

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

2 二元光學(xué)衍射轉(zhuǎn)變方形光斑對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響

二元衍射轉(zhuǎn)變方形光斑時(shí)7050 鋁合金的殘余應(yīng)力如圖2 所示。

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

從圖2 可明顯觀(guān)察到光斑中心位置相對(duì)于邊緣，其殘余應(yīng)力值減小， 且在方形光斑兩邊緣交界處達(dá)到最大應(yīng)力。 為對(duì)比圓形光斑與方形光斑的表面殘余應(yīng)力， 特在方形光斑表面中心至邊長(zhǎng)的垂直距離上取若干連續(xù)單元，提取其殘余應(yīng)力數(shù)值并繪制曲線(xiàn)，如圖3。

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

由圖3 可知，二元衍射轉(zhuǎn)換為方形光斑后，光斑中心位置殘余應(yīng)力為-10.1 MPa， 最大表面徑向殘余應(yīng)力為-115.2 MPa，距離中心位置2.7 mm，兩者差值達(dá)-105.1 MPa，與衍射前圓形光斑差值-172.9 MPa 相比略小，這說(shuō)明二元衍射轉(zhuǎn)換方形光斑可有效解決沖擊表面中心殘余應(yīng)力缺失的問(wèn)題。究其原因在于光斑通過(guò)二元衍射轉(zhuǎn)換后，光斑邊界處產(chǎn)生的沖擊波到達(dá)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(shí)匯聚的數(shù)量。但二元衍射也降低了沖擊波的峰值壓力，故其在優(yōu)化效果上不如圓形光斑，需結(jié)合激光搭接技術(shù)進(jìn)一步研究。

3 激光沖擊參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3.1 激光功率密度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

為了對(duì)比不同激光功率密度沖擊下試樣表面殘余應(yīng)力的分布， 分別對(duì) 1.98，2.77，4.07 GW/cm2不同激光功率密度沖擊下的模型進(jìn)行殘余應(yīng)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(yīng)力值分別為-98.4，-172.6，-289.9 MPa，光斑中心位置的殘余應(yīng)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(yīng)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(chǔ)上，增大激光功率密度會(huì)使材料表面的殘余應(yīng)力隨之增大，材料表面殘余應(yīng)力均顯示出相同的的變化趨勢(shì)，但殘余應(yīng)力曲線(xiàn)總體呈下移趨勢(shì)。 可見(jiàn)，隨著沖擊壓力的增加，光斑邊緣的表面波增強(qiáng)，向光斑中心匯聚的能量變大，導(dǎo)致材料反向塑性變形增大，從而導(dǎo)致材料表面殘余應(yīng)力出現(xiàn)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(yīng)力曲線(xiàn)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(duì)材料表面殘余應(yīng)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(yīng)力的分布曲線(xiàn)如圖5 所示。

圖5 3 種激光束脈沖下的殘余應(yīng)力對(duì)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(yīng)力分別為-4.33，-12.4，18.9 MPa， 最大殘余應(yīng)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(yīng)力曲線(xiàn)趨勢(shì)基本相同，均在0.5 mm 位置處存在波動(dòng)；靠近光斑中心位置時(shí)材料表面殘余應(yīng)力逐步變大，與光斑中心殘余應(yīng)力的差值也逐步增大， 并在2.6 mm 處達(dá)到峰值；在其他條件不變的基礎(chǔ)上，增大激光束脈寬會(huì)使材料表面的殘余應(yīng)力隨之增大，且殘余應(yīng)力曲線(xiàn)整體呈下降趨勢(shì)，其原因在于隨著脈寬的增加，激光沖擊作用的持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，材料表面的稀疏波強(qiáng)度和卸載時(shí)材料反向塑性變形隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)增大。 但如果脈寬過(guò)大，則會(huì)使材料受激光沖擊時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致材料被蝕穿，從而破壞材料表面、降低材料表面質(zhì)量。

4 方形光斑搭接率對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響

鑒于二元光學(xué)衍射的方形光斑優(yōu)化效果不如圓形光斑，可采用二元光學(xué)衍射處理和激光搭接處理相結(jié)合的方法，對(duì)7050 鋁合金表面進(jìn)行復(fù)合處理，探究搭接工藝對(duì)方形光斑激光沖擊效果的影響。不同搭接率下二元光學(xué)衍射方形光斑對(duì)7050 鋁合金表面殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響見(jiàn)圖6。

圖6 不同搭接率下二元光學(xué)衍射方形光斑處理工藝后的7050 鋁合金表面殘余應(yīng)力場(chǎng)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(xué)衍射后7050 鋁合金的殘余應(yīng)力分布規(guī)律較為類(lèi)似， 且表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)出良好的均勻性，但是隨著搭接率的提高，殘余應(yīng)力場(chǎng)分布曲線(xiàn)整體向左偏移，產(chǎn)生這種偏移的實(shí)質(zhì)是隨著光斑搭接率的增大，激光沖擊壓力加載區(qū)域變小，重復(fù)沖擊區(qū)域變大。 分別測(cè)得搭接率為33%，50%，66%時(shí)光斑中心的殘余壓應(yīng)力值分別為-17.2，-17.3，-16.9MPa， 殘余壓應(yīng)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(wú)明顯變化差異。 這說(shuō)明采用二元光學(xué)衍射和搭接處理的復(fù)合工藝對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響較小，二元光學(xué)衍射和搭接率的復(fù)合工藝與單獨(dú)兩者的處理工藝相比沒(méi)有顯著的優(yōu)化效果。

5 結(jié)語(yǔ)

采用ANSYS/LS-DYNA 軟件進(jìn)行有限元分析，利用二元光學(xué)衍射技術(shù)， 對(duì)激光沖擊7050 鋁合金試樣進(jìn)行方形光斑沖擊仿真，探究其誘導(dǎo)材料表面殘余應(yīng)力的規(guī)律，結(jié)果表明：

1） 通過(guò)二元光學(xué)衍射將圓形光斑轉(zhuǎn)變?yōu)榉叫喂獍?，可有效減小殘余應(yīng)力洞的產(chǎn)生，但相較于圓形光斑，方形光斑沖擊后整體殘余應(yīng)力值偏小。

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

3） 采用二元光學(xué)衍射和搭接處理相結(jié)合的工藝方法對(duì)7050 鋁合金表面進(jìn)行激光沖擊數(shù)值仿真發(fā)現(xiàn)，在33%，50%，66%搭接率下，最大殘余壓應(yīng)力和中心位置殘余壓應(yīng)力之間的差值變化不大，這說(shuō)明二元光學(xué)衍射和搭接處理相結(jié)合的工藝方法并不能有效反映其對(duì)殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響，與兩者單獨(dú)工藝處理方法相比不存在優(yōu)勢(shì)。