LD31板料激光斜冲击成形后表面残余应力的实验研究

在曲面板料激光冲击成形时,很难满足每次都能法向垂直冲击,因此非常有必要进行激光斜冲击板料研究。文章采用钕玻璃激光器、脉冲能量约42J、脉冲宽度约23ns、脉冲功率≥1.2×109W、激光以30°斜冲击LD 31(6063)方形板料,冲击后板料最大变形点偏离试样中心3mm。采用X-350A型X射线应力测定仪、侧倾固定Ψ法和交相关法定峰,分别测量了板料沿激光冲击方向、板料空间分布的残余压应力,得出试样正反两面均是压应力,均小于100MPa,由于变形最大点与方形板料顶点连线长度大于垂直于边长方向,且经过变形最大点直线长度,其在厚度方向产生压应力2σ比较大,产生相同变形所需的力较大,所以产生的残余压应力也较大。在变形最大点与板料顶点最短连线之间的板料受到挤压,板料变厚,硬化严重,产生残余应力最大。     

基于APDL语言的本征应变法重构激光冲击强化后的残余应力场

激光冲击强化作为一种表面强化处理方式得到了广泛应用,此过程会在金属表层下方植入残余压应力,从而使金属的抗疲劳损伤能力和失效寿命大大提升,通过施加本征应变重构研究了激光冲击强化后金属内部的残余应力场.利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对单次激光冲击强化过程进行非线性显式动力学分析,将分析结果导入ANSYS/Mechanical模块进行静力分析,从而得到金属内部的残余应力分布.使用本征应变方法重构残余应力场时,首先将从后处理结果进行计算得到材料的本征应变分布,然后基于APDL语言对ANSYS进行二次开发,将得到的本征应变分布施加到相应节点上进行静力分析,应力平衡后得到的应力分布即为残余应力场.通过比较发现,该方法在测量点较少的情况下也能很好地重构残余应力场.     

激光冲击电火花堆焊焊缝表面的有限元模拟

为了探究激光冲击强化对电火花堆焊表面应力状况的影响,采用有限元分析软件ANSYS模拟电火花堆焊焊接过程,计算得出了焊接残余应力场的分布。在此基础上,利用ANSYS/LS-DYNA软件、进行了激光冲击堆焊焊缝表面的有限元模拟。结果显示:焊缝区域、热影响区域和基体残余应力经激光冲击处理都有明显的改善,焊缝区残余拉应力有效减少或消除。模拟结果与实验结果相吻合,这为有限元软件对焊接修复及激光处理工艺参数的优化提供了可靠的依据。     

薄板激光冲击强化残余应力场的数值模拟与试验

激光冲击强化会在材料表面形成深度达到1 mm的残余压应力,而对于厚度小于1 mm的薄板,由于冲击时应力波的反射和叠加,其残余应力场的分布肯定不同于厚板。文章采用4种冲击方式(单面冲击、底面约束情况下的单面冲击、双面非同时冲击以及双面同时对冲)对2024铝合金薄板(厚度为1 mm)进行激光冲击强化,并应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对其进行数值模拟,系统分析经过4种不同的冲击方式,得到薄板的变形以及残余应力的分布情况。结果表明,双面同时对冲方式能够使薄板两面都产生很大的残余压应力,而且不会出现弯曲变形,是理想的冲击方式。     

TC4钛合金激光冲击强化与喷丸强化的残余应力模拟分析

目的 通过对激光冲击强化和喷丸强化后的试样进行残余应力测试分析,得出两种工艺在残余应力形成机理、残余应力层深以及残余应力均匀性等方面的差异.方法 一方面采用有限元方法 模拟激光冲击强化及喷丸强化的过程,将材料在两种强化冲击下的响应进行对比,研究残余应力的形成过程,并对残余应力场的分布规律进行总结分析.另一方面,分别用两种强化技术处理TC4钛合金的表面,并用剥层X射线衍射实验测试材料表层的残余应力.最后将实验结果 与测试结果 进行对比,验证有限元模拟的有效性.结果 当这两种强化效果产生-500 MPa的表面平均残余应力时,激光冲击强化后的TC4钛合金表层残余压应力层深度可达0.6 mm以上,而喷丸强化后的TC4钛合金表层残余压应力层深度只有0.15 mm左右.结论 由于诱发材料塑性变形的机制不同,激光冲击强化往往能获得比喷丸强化更好的残余压应力深度,同时激光冲击强化的材料的表面残余应力分布也比喷丸强化的材料更均匀.     

激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析

基于激光冲击强化LY12CZ航空铝合金的试验,采用显式动力学有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击诱发的残余应力场进行数值模拟。对模拟中的关键问题,如加载历史、本构关系、网格划分、求解时间等进行了处理。对激光冲击强化后,冲击区表面和深度方向上的残余应力分布特点进行了分析。研究表明,在最佳激光峰值压力下, LY12CZ航空铝合金经激光冲击后,金属表面产生深度为0.5 mm的残余压应力。模拟和试验结果相比,分布规律具有一致性,最大残余应力相差10.2 %。获得的结果将为激光冲击强化过程的控制,和进一步的实验研究提供理论依据。     

搭接率对 AISI 202 焊接接头激光冲击应力分布的影响

目的 研究光斑搭接率对激光冲击处理后残余应力分布的影响。 方法 采用不同的光斑搭接率对 AISI202 不锈钢焊接接头进行激光冲击处理,利用 X 射线衍射法测定激光冲击强化后的残余应力。结果 随着光斑搭接率的增加, 残余应力场得到增强, 并且应力分布更加均匀。 搭接率由 50% 增加到80% ,平均横向残余压应力增加了 20% ,波动减少了 30% ;平均纵向残余压应力增加了 30% ,波动减少了13% 。 结论 提高光斑搭接率可以优化激光冲击处理后焊接接头的应力分布。     

轮齿激光冲击诱导残余应力的数值模拟

采用波长为1064 nm,脉冲宽度为23 ns,光斑半径为5 mm,单次脉冲能量为40 J的激光对渐开线直齿圆柱轮齿齿面进行了激光冲击强化处理,并借助ANSYS/LS-DYNA软件模拟了残余应力场的形成过程;随后运用有限元方法研究了激光脉冲参数对轮齿根部残余应力的影响。结果表明,激光冲击强化后,在轮齿表面及深度方向上通过数值模拟获得的残余应力与实验测量值得到了较好的吻合;对轮齿齿根进行激光冲击强化时,选用脉宽为25 ns、高斯波形的激光加载能够获得较理想的残余应力分布;同时激光冲击强化对圆角半径较小的齿根效果更明显。     

2024-T351铝合金方形光斑激光喷丸残余应力场数值模拟

为了分析激光喷丸作用后,以2024-T351铝合金为代表的高强航空铝合金材料表面和内部残余应力的分布情况,并为后续板料激光喷丸变形分析打下基础,在ABAQUS软件平台上,构建了一种方形光斑激光冲击的有限元计算模型,对方形光斑激光冲击诱导的残余应力场进行了数值模拟,分析了在无搭接和搭接率为25%的两种情况下,激光冲击产生的残余应力场在空间上的分布特征,发现冲击坑中心处残余压应力值较大且均匀性较好,边缘处出现了较大的拉应力且应力梯度较大。通过进行无搭接的激光喷丸实验和X射线衍射应力测试实验,验证了有限元模型的有效性。试件表面形貌通过激光位移传感器进行了测量观察。     

激光冲击强化对AISI202不锈钢焊接接头残余应力的影响

采用两种冲击方式对AISI202不锈钢焊接接头表面进行激光冲击强化处理,利用X射线应力仪测试了激光冲击强化处理后焊接接头的残余应力,研究了单面和双面激光冲击对残余应力分布的影响,分析了残余压应力的形成机理。结果表明,双面激光冲击强化处理效果明显优于单面冲击方式,双面冲击方式能够使试样正反面都获得很大的残余压应力,并且反面的残余压应力水平高于正面,同时使得正反两面残余压应力分布趋于均匀。     

激光冲击强化提高TC4叶片振动疲劳性能

针对典型钛合金TC4进行激光冲击强化(LSP)参数设计,对强化后残余应力分布规律进行测量,应用透射电子显微镜对强化后表层微观组织进行观察,对有无LSP钛合金叶片进行不同应力水平下的振动疲劳对比试验。研究表明,TC4钛合金LSP最佳功率密度为3.5GW/cm2,LSP在材料表层产生高数值的残余压应力场,表面残余应力可达-610MPa,最大值约-650MPa位于距离表面100μm处。LSP在钛合金表层产生纳米晶,纳米晶尺寸在几个至几十纳米。钛合金叶片LSP后疲劳极限由430 MPa提高至560 MPa,升高30%;在560MPa应力水平下,中值疲劳寿命提高为原来的200%以上;LSP在钛合金表层产生的残余压应力场和纳米晶共同作用显著提高了钛合金叶片的抗疲劳性能。     

激光冲击强化对2524铝合金疲劳寿命的影响

目的探索激光冲击工艺参数对2524铝合金疲劳寿命的影响。方法开展不同激光能量、不同冲击次数下的激光冲击强化实验,测试其残余应力和表面硬度,并进行裂纹扩展实验和显微组织观察。结果激光冲击强化能显著提高材料的表面硬度,且材料的硬度值随着冲击能量和冲击次数的增加而递增,但硬度增长率随冲击次数增多而降低。激光冲击强化在试样表层形成较大的残余压应力,使用6.25 J的激光能量冲击1次,最大残余压应力可达-222MPa,并且残余压应力随着激光能量和冲击次数增加而增加,但冲击强化次数存在阈值。相较于未冲击试样,激光冲击1次的试样的疲劳寿命提升32%,冲击2次的疲劳寿命提升41%。对试样断口进行微观形貌观察,在裂纹长度为28 mm处,未冲击试样、激光冲击1次和冲击2次试样的疲劳条带间距分别为1.06、0.628、0.488μm,裂纹扩展速率分别为1.06×10^-3、6.28×10^-4、4.88×10^-4 mm/N。结论激光冲击强化能显著提高2524铝合金的表面硬度,并在表面产生较大的残余压应力。激光冲击强化能够有效迟滞2524-T3铝合金的疲劳裂纹扩展速率,进而有效延长疲劳寿命。     

新型光斑搭接对平顶激光冲击钛合金力学性能的影响

针对平顶光束的特点,为简化工艺,提高加工效率,提出了一种简化加工过程的搭接率工艺方法。采用一种纵向25%、横向56.5%的搭接率工艺,并对该搭接率下的残余应力、显微硬度、高周疲劳极限等力学性进行验证,对比其与传统50%搭接率下的性能差异。结果表明：在新型搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面产生的残余压应力均值为-564.5 MPa,影响深度达0.82 mm;在传统搭接率下,表面产生的残余压应力均值为-559.2 MPa,影响深度达0.81 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面重叠次数多的位置,显微硬度平均值分别为570.9和562.6 HV_0.3,重叠次数少的显微硬度平均值分别为432.1和453.4 HV_0.3;钛合金截面上的硬化层深度均为0.4 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶光束冲击钛合金的疲劳极限分别为256.3和264.6 MPa。基于平顶光束,与传统工艺相比,简化的新型搭接率工艺可以获得较好的力学性能,并提高加工效率,降低加工成本。     

Introduction of compressive residual stresses in Ti-6Al-4V simulated airfoils via laser shock processing

Ti-6Al-4V (Ti-64) simulated airfoils were laser shock processed with two laser power densities (4 and 9 GW/²) for each of three pulse repetition treatments (1, 3, and 5 shocks/spot). The microstructural effects of laser shock processing (LSP) on the Ti-64 were studied via scanning electron microscopy (SEM). Ultrasonic nondestructive inspection (NDI) was conducted to ensure that the LSP treatments resulted in no internal damage to the simulated airfoils. In-depth residual stress and cold work measurements were made using x-ray diffraction. No substantial changes due to LSP were found in the microstructure, and no internal damage was detected during NDI or metallographic sectioning. It was found that the in-depth residual stress and cold work states induced by LSP were a function of laser power density and pulse repetition. It was possible to induce compressive residual stresses in the direction most critical for the prevention of fatigue-crack growth throughout the thickness of the simulated airfoil leading edge.     

GH4133镍基高温合金激光冲击强化研究

为了研究激光冲击强化技术在高温部件上应用的可行性,研究了GH4133镍基高温合金激光冲击后强化效果的热稳定性。分别采用激光冲击强化、激光冲击强化加保温的方法进行处理,并利用SEM、显微硬度和残余应力的测试方法分析了温度对激光冲击处理后GH4133材料微观组织和力学性能的影响。通过冲击强化后涡轮叶片的高温疲劳试验验证强化效果的热稳定性,并分析其高温下的强化机制。结果表明,激光冲击强化可以在GH4133镍基高温合金表层产生较大残余压应力,细化晶粒;并且在温度作用下,激光冲击GH4133合金形成的细化晶粒在析出相的钉扎作用下具有较好的热稳定性。另一方面残余压应力的应力集中减小,分布均匀。两者的共同作用提高了强化效果的热稳定性,有利于疲劳性能的提高。     

激光冲击强化对不锈钢焊接接头拉伸性能的影响

利用激光冲击强化对12Cr2Ni4A不锈钢焊接接头进行处理,比较了激光冲击一次和二次前后焊接接头拉伸性能、显微硬度和表面残余应力.结果表明,12Cr2Ni4A 焊接试件经过二次激光冲击强化后,显微硬度提高了50%,抗拉强度由818.5 MPa提升至863.8 MPa,并且断裂区域由焊接热影响区转移至基体处,焊接试件的拉...     

Effects of laser shock processing on stress corrosion cracking susceptibility of AZ31B magnesium alloy

Laser shock processing (LSP) is a new technique for strengthening metals. The effects of LSP on the stress corrosion cracking (SCC) susceptibility of AZ31B magnesium (Mg) alloy were investigated. Water-immersed specimens of AZ31B magnesium alloy were shocked by Q-switched Nd: glass laser with a wavelength of 1064 nm. A fine-grained structure with an average sub-grain size of 5.8 μm was obtained after four laser impacts. Residual stress distribution as a function of depth was assessed by using X-ray diffraction technology. It was observed that with increasing the number of laser impacts, the compressive residual stress near the surface increased. The depth of the compressive residual stress induced by LSP exceeded 0.8 mm from the surface. SCC test in 1 wt.% NaOH solution showed that LSP retarded the SCC initiation and growth in AZ31B Mg alloy.     

激光冲击消除焊接残余应力

对现有焊接残余应力的理论进行分析,讨论激光冲击处理消除焊接残余应力的可行性,认为短脉冲高峰值功率密度的激光冲击焊接接头产生的等离子体冲击波,可使焊接接头表面产生塑性应变,能有效消除焊接残余拉应力。文章设计了激光冲击强化12Cr2Ni4A钢焊接接头试验,通过选择不同焊接材料和焊接方式,设计了4种焊接状态,分别进行激光冲击强化。试验结果表明,激光冲击强化均能消除氩弧焊和等离子焊等焊接方式的焊接残余拉应力,改善焊接接头表面的力学分布,在选用NAK80焊材和等离子体焊方式时,形成的残余压应力幅值高达884MPa,极大提升了焊接接头的力学性能。     

激光冲击强化对7050-T7451铝合金残余应力和力学性能的影响

对7050-T7451铝合金试样进行激光冲击强化,研究不同激光功率密度和冲击次数对铝合金残余应力和性能的影响。试验结果表明:激光冲击强化可以有效提高试样表面显微硬度,且硬度随着冲击次数的增加而增大,最高达172 HV0.05,较未强化试样提高了17%,硬度影响层深度可达750 μm。当激光功率密度为7.28 GW/cm²时,激光冲击1次后试样表面粗糙度为0.279 μm,比原始磨削表面的粗糙度下降了22.5%,随着冲击次数的增加,表面粗糙度逐渐增大,但均小于原始表面粗糙度。激光冲击强化可以大幅提高试样表面残余压应力,当激光功率密度为7.28 GW/cm²、冲击3次时残余压应力最大,可达－227.0 MPa。当激光功率密度为4.37 GW/cm²、冲击3次时,激光冲击强化可以有效提高试样的疲劳寿命(大于10⁶次),相比未强化试样提高2.3倍。激光冲击强化后表面残余压应力和显微硬度大幅提升可以有效抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,从而提升7050-T7451铝合金的抗疲劳性能。     

激光冲击强化对紧固孔疲劳寿命的影响(英文)

研究激光冲击对航空铝合金LY12CZ紧固孔疲劳特性的影响,孔的直径为d3 mm。利用X射线衍射法测量残余应力,对试件进行疲劳断裂实验,并用扫描电子显微镜(SEM)观察试件疲劳断口的微观特征。结果表明:激光冲击会在紧固孔端面形成残余压应力,冲击试件的疲劳寿命是未冲击的3.5倍。通过断口的观察和比较发现,冲击后试件的疲劳裂纹源于次表层,而不是源于试件表层,冲击后疲劳断口快速扩展区的疲劳条纹间距比未冲击试件疲劳断口快速扩展区的疲劳条纹间距要小。另外,在冲击试件断裂区的韧窝明显比未冲击的要大,这与冲击时材料内发生塑性变形有关。