激光冲击处理技术的应用研究

激光冲击处理(又称激光喷丸)技术是利用强脉冲激光导致的压力冲击波在金属材料表层产生应变硬化的一种新型表面强化技术。本文介绍激光冲击技术的发展简况,在约束模式下激光导致冲击波的基本理论模型,常用航空金属材料处理后力学性能的变化,分析了激光冲击处理技术在航空制造技术方面的应用,特别针对提高结构疲劳性能的需求,提出了激光冲击处理技术需要解决的工艺问题及其发展动向。     

基于ABAQUS的激光冲击波诱导残余应力场的有限元模拟

激光冲击处理(LSP)(或激光喷丸强化)是利用激光冲击波压力对材料表面实施强化处理的一种新型表面处理技术。经激光冲击后，残余压应力在材料表面和深度方向上的分布和大小是评价激光冲击效果的一个重要指标，而有限元模拟(FEM)是预测激光冲击处理后残余应力场分布和大小的一种有效方法。在利用ABAQUS软件对激光冲击处理6061-T6铝合金进行数值分析时，讨论了有限元模型、材料性能、冲击加载方式、分析时间等关键问题的处理方法，并分析了激光冲击后残余应力场的分布特点，最后利用有限元模拟考察了激光冲击次数对残余应力场的影响。     

激光冲击强化诱导的残余应力场分析

激光冲击强化是一种新兴的现代表面处理技术,它利用激光产生的高幅冲击波在冲击区诱导出有益的残余压应力,从而达到强化材料的目的。在分析了激光冲击强化的基本原理和残余应力的形成过程后,探讨了残余应力的计算模型,同时对激光冲击强化后,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。研究表明在激光冲击强化过程中,存在最佳的冲击波峰值压力;经激光冲击后,金属表面产生很深的残余压应力,且冲击区的残余压应力在表面和深度方向上都基本为均匀分布。     

激光冲击GH625高温合金抗疲劳性能研究

为了研究激光冲击处理对GH625高温合金抗疲劳性能的影响，采用激光冲击强化技术处理厚度为2 mm的GH625高温合金板材。分析了GH625高温合金激光冲击处理前后的微观组织、物相组成、残余应力、断口、疲劳寿命等方面的变化。结果表明：与母材相比，激光冲击处理后试样的表层晶粒细化；试样的表层残余应力状态发生改变，由原始的拉应力(5 MPa～16 MPa)变为压应力(-526 MPa),激光冲击后的残余压应力影响深度可达1.5 mm;激光冲击试样的疲劳寿命是母材试样的3.05倍。表层晶粒细化、残余压应力和加工硬化是激光冲击强化技术提升GH625抗疲劳性能的重要原因。     

激光强化冲击技术中涂层厚度的理论研究

在激光冲击强化技术中,充当能量转换体的涂层厚度问题是影响激光冲击强化效果的关键技术之一。许多研究者认为激光冲击强化处理技术中的涂层应有一个最佳值。涂层过厚,剩余涂层会对激光冲击波产生损耗;涂层过薄,又使金属表面产生气化,二者均会影响激光冲击强化效果。本文从激光与涂层相互作用的物理机理,研究推导了激光冲击涂层的理论厚度计算公式,并从工件表面状态、涂层和约束层等相关环境因素出发,讨论了它们对涂层厚度理论计算的影响,得到了具体工况条件下激光冲击涂层厚度的理论估算公式。     

激光冲击强化区的残余应力测试分析

用高重复率钕玻璃激光器,对QT700-2进行了激光冲击强化处理,利用X-350A残余应力测试仪对QT700-2激光冲击强化区残余应力进行了测试,结果显示经激光冲击处理后试件表面具有较高的残余压应力,可达-200Mpa以上;分析了表面残余应力及沿层深方向残余应力的分布情况。对激光冲击强化处理技术的实际工程应用具有指导性意义。     

微尺度激光冲击强化的影响因素分析

微尺度激光冲击处理技术通过将常规激光冲击处理的激光光斑从毫米量级缩小到微米量级,为提高金属微结构的可靠性提供了一种可能途径.为了分析微尺度激光冲击处理的特点,探究激光脉冲功率密度、冲击次数等因素对冲击效果的影响,利用ABAQUS仿真软件对激光冲击强化铝合金6061-T6的过程进行了仿真研究,分析了激光冲击处理的基本原理,着重讨论了激光冲击处理过程中几种参数对残余应力场的影响,分析了微尺度激光冲击处理后金属表层残余应力分布的基本特点.结果表明,单次微尺度激光冲击处理后,材料表面存在局部的拉应力,但可以通过多次冲击予以消除.     

镍-钴合金杆料激光冲击强化的实验和数值模拟

为了开发能有效提高火花塞使用寿命的新工艺,借助于激光冲击强化装置,实验研究了对材料为Ni-Co合金的火花塞中心电极表面的激光冲击强化处理;探讨了不同的冲击次数、不同的入射激光能量对冲击强化区残余应力、塑性变形、硬度的影响;并用ABAQUS软件进行了有限元模拟。实验测量与仿真结果均表明,利用激光冲击强化技术,冲击区域材料的位错密度得到了进一步提高;并在强化区表面产生了渴望的残余压应力;火花塞中心电极的表面硬度也得到了显著提高。经过随车使用实验,证明经过激光冲击强化后的火花塞其平均使用寿命比未受强化的火花塞提高了近1倍,表明激光冲击强化技术不失为提高火花塞使用寿命的一种好的工艺方法。     

激光冲击波诱发的钢材料残余应力的估算

依据激光冲击强化处理时被处理材料表层产生残余应力这一事实,应用弹塑性力学理论,对激光冲击强化处理过程中材料表层强化产生的残余应力进行了理论分析。并结合实验数据,用数学拟合方法给出了激光冲击处理金属材料表层残余应力估算的经验公式。结果表明该公式估算值与实验测试值有着很好的一致性。同时分析了剪切应力、数学建模、弹性模量、泊松比、残余应力的实验数据处理等对理论估算公式的影响。     

激光冲击强化金属材料时的热传导

根据金属材料表面激光冲击强化的特点，建立了激光冲击的一维温度场数学模型，推导出了计算金属表面达到汽化温度所需的时间、金属表面的汽化速度及汽化层厚度这三个实用的公式，它们对实际的激光冲击强化处理具有理论上的指导意义。     

单次激光冲击下板料变形的理论分析

金属板料的激光冲击成形(LSF)技术是利用高能激光诱导的高幅冲击波的力效应，而非热效应。它是在激光冲击强化基础上拓展出的又一崭新的研究领域。根据爆轰波和爆炸气体动力学理论，建立了板料激光冲击成形中，激光-能量转换体-靶材系统的冲击波压力的物理模型和理论估算式。通过对激光冲击波载荷作用下板料变形过程的理论分析，建立激光冲击板料变形的数学模型，得到板料变形量与加工系统中各种参数之间的相互关系，为加工过程中各种参数的合理优化，板料变形过程的有效控制，实现大面积金属板料的激光冲击成形提供了理论依据。     

激光冲击处理钛合金

介绍了激光冲击处理(LSP)的特点和应用情况，研究了激光冲击处理对钛合金表面轮廓、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明，经激光冲击处理后效果十分明显，钛合金获得光斑大小的凹坑，凹陷值10～20 μm，残余应力最大可达-600 MPa以上，表面残余应力水平与高强度喷丸相当，但塑性变形程度明显大于喷丸;合适的激光参数和搭接率可以获得光滑平整的冲击区，双光束冲击处理涡轮叶片后有明显冲击痕迹和残余压应力，并且没有发现变形和裂纹。     

受控激光喷丸强化技术

介绍了一种利用强脉冲激光诱导产生的冲击波压力来进行金属表面改性的新技术——受控激光喷丸强化技术，可以大幅度提高金属材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力，但疲劳寿命和抗应力腐蚀能力并不总随着喷丸强度的提高而线性增加。最佳的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力常出现在特定的残余压应力水平和分布下，也即取决于喷丸参数的最佳组合。由于激光喷丸中工艺参数对喷丸后工件表层的残余应力场有决定性的影响，如何依据已给的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力来合理确定喷丸强化的工艺参数成为目前主要的研究方向。受控激光喷丸的机理与残余应力的形成过程密切相关。首先在理论上研究了影响残余应力分布的激光喷丸工艺参数，如激光功率密度、脉冲宽度、光斑直径等，以及这些参数和残余应力层深度的关系。然后采用QT700-2试样进行激光喷丸强化对比实验，对激光喷丸后的残余应力场大小及其分布进行了无损检测。结果表明，在激光喷丸强化工件时，残余压应力层厚度存在一个最佳值，此时金属表面的疲劳性能和抗应力腐蚀性最优，喷丸工艺参数也达到一个最佳组合。     

脉冲激光冲击LY12CZ铝合金成形的实验和数值模拟

激光冲击板料变形是利用高能脉冲激光和材料相互作用诱导的高幅冲击波的力效应使板料产生塑性变形的新技术。本文利用钕玻璃强激光对厚度为1,2mm的LY12CZ铝合金板料进行了激光单点冲击成形的实验。利用ABAQUS软件对激光单点冲击成形过程进行了数值模拟,探讨了激光冲击次数和板料成形之间的关系,得出它们之间的关系曲线,为激光多点冲击成形奠定了基础,以及为实现板料复杂形状的激光冲击成形提供理论依据。     

激光冲击处理对铝锂合金力学性能的影响

采用1420铝锂合金板材制作成中心圆孔疲劳试件和金相试件进行激光冲击处理，通过冲击区外观电镜扫描、疲劳实验和显微硬度测试，结果发现，经激光冲击处理后，铝锂合金表面没有受强脉冲激光和冲击波的破坏，而显微硬度明显提高，疲劳性能大幅度改善，激光冲击处理后的强化区与光斑相当，深度约为1mm。     

脉冲激光冲击LD31薄板变形的实验和数值模拟

激光冲击板料变形是利用高能脉冲激光和材料相互作用诱导的高幅冲击波的力效应使板料产生塑性变形的新技术 ,本文利用Nd :Glass脉冲激光对厚度为 0 .8mm的LD31薄板进行激光冲击变形实验。所用激光参数为 :脉冲能量 15～ 30J,脉冲宽度 2 5ns ,光斑直径Φ8mm。利用ABAQUS软件对激光冲击下板料的变形过程进行了数值模拟 ,建立了激光冲击波加载的数学模型 ,探索激光冲击的主要参数和板料变形之间的相互关系 ,为激光冲击变形工艺参数的优化、板料变形的理论分析 ,实现大面积金属板料的柔性激光冲压成形提供依据。     

激光冲击波技术用于材料加工的研究进展

随着高功率短脉冲激光器技术的日益成熟,高能激光和材料相互作用产生高幅冲击波技术的应用研究日趋广泛。本文介绍利用激光诱导冲击波技术在金属材料表面改性和成形方面的最新研究成果,综述了激光冲击强化、激光冲击成形和激光喷丸成形技术的机理、特点、工业应用及今后的发展趋势。