方形光斑激光冲击690高强钢表面残余应力分布模拟

为研究方形光斑激光冲击690高强钢表面残余应力的分布,在ANSYS/LSDYNA平台进行了二元光学衍射方形光斑激光冲击690高强钢薄板的残余应力分布模拟,并对其不同光斑搭接率处理工艺研究,得出了几种工艺下激光冲击690高强钢表面残余应力分布的云图和二元衍射光斑转换前后的残余应力分布曲线。结果表明,采用二元衍射光斑工艺进行激光冲击对于消除残余应力洞有较好效果;在33%、50%、66%这3种典型的搭接率下,二元光学衍射光斑周围区域残余应力分布比较均匀,且不同搭接率下的最大残余压应力和光斑中心最小残余压应力均相互接近,所以二元衍射光斑激光冲击690高强钢无需搭接处理。     

激光冲击7050铝合金表面“残余应力洞”的模拟

采用显式动力学分析软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击加载过程进行模拟,通过调整激光冲击参数,探究其对7050铝合金表面形成"残余应力洞"的影响;将模拟结果与X射线应力分析仪测得的试验结果进行对比,并分析两者的误差来源。结果表明,激光功率密度、脉宽的增加会加剧"残余应力洞"现象,光斑直径的增加会抑制"残余应力洞"现象;当激光功率密度为1.98 GW/cm~2时,模拟与试验有较好的一致性;当激光功率密度提高至2.77 GW/cm~2时,激光能量的增强加剧了冲击区域近表面的塑性变形,引发了模拟与试验的误差;当激光功率密度进一步提高至4.07 GW/cm~2时,冲击区域近表面会形成亚晶粒,甚至晶粒细化形成纳米晶,使冲击区域表面残余应力均匀分布。     

激光冲击对690高强钢表面完整性的影响

为研究激光冲击处理对690高强钢表面完整性的影响,采用不同功率密度的脉冲激光冲击690高强钢试样,借助光学轮廓仪、X射线应力仪、硬度计和透射电镜,测试分析激光冲击前后690高强钢试样的表面三维形貌、硬度、残余应力和微观组织的变化。结果表明:不同功率密度的激光冲击后,690钢的表面粗糙度增大;随着激光功率密度的增加,试样表面轮廓的最大高度R_y从1.814 μm增至3.247 μm。不同功率密度的激光冲击后,试样残余应力均值由－122 MPa增加至－296 MPa,显微硬度的均值由277 HV0.1 增加至355 HV0.1。与未进行激光冲击强化试样相比,激光冲击处理使690高强钢试样表层晶粒不断细化,且功率密度越大表层晶粒尺寸越小。     

搭接次数对40Cr钢激光冲击残余应力分布的影响

利用Nd:YAG激光器对40Cr表面进行不同光斑搭接率的激光冲击强化处理。采用XRD-350A型X射线衍射仪对冲击后表面不同搭接区域的残余应力进行分析。结果表明:激光冲击后的表面残余压应力明显大于未冲击的表面残余压应力。当光斑搭接率为50%时,测得的最小残余压应力为基体的3.3倍。随光斑搭接率的增加,不同搭接区域表面的平均残余压应力随之增加。搭接率50%时表面平均残余压应力为搭接率30%时表面平均残余压应力的1.36倍。随着搭接次数的增加,表面残余压应力也随之增加,而增幅随之减小。     

光斑搭接率对1Cr11Ni2W2MoV钢激光冲击强化性能的影响

对1Cr11Ni2W2MoV马氏体不锈钢进行了不同光斑搭接率下的激光冲击强化处理,并对不同部位的表面残余应力和显微硬度进行了测试,研究了光斑搭接率对激光冲击强化效果的影响.结果显示,随着光斑搭接率的增加,残余压应力和显微硬度均有所提高,不同部位残余压应力和显微硬度值的波动明显减小,搭接率由50%增加到75%,残余压应力波动减少60%,显微硬度波动减少65%.因此提高光斑搭接率可以优化冲击光斑周围的残余应力和硬度分布.     

TA1钛薄板激光冲击成形实验及数值模拟

采用最大输出激光脉冲能量为12.5 J的Thales Laser激光器,对TA1纯钛薄板进行激光冲击成形,并运用激光共聚焦扫描显微镜、透射电镜和有限元模拟等方法对冲击表层的残余应力和微观结构进行分析。结果表明:功率密度为6.11 GW/cm~2时,单次冲击成形效果更好;多次冲击工艺更适合于较小的功率密度3.06 GW/cm~2。冲击断口由大量的韧窝、少量的撕裂棱和层裂组成,断口呈韧性断裂,破裂表现为减薄机制和层裂机制。冲击层存在大量的孪晶、位错墙、周期性波纹等结构。激光冲击使钛薄板表面引入高幅值的残余压应力,呈"W"形分布,多次冲击中心区易形成残余拉应力。     

E690高强钢表面激光冲击微造型的模拟与试验

为研究冲击次数对E690高强钢表面激光冲击微造型、表面残余应力和微观组织的影响,采用有限元软件ABAQUS模拟试样表面成型过程,使用7.96 GW/cm²的脉冲激光冲击E690高强钢试样,采用光学轮廓仪测量试样表面三维形貌,利用X射线应力分析仪测量激光冲击微凹坑表面的残余应力并提取半高宽值,利用TEM观察冲击区域的微观组织形貌。结果表明,使用7.96 GW/cm²的脉冲激光冲击试样1~4次,深度在10~40 μm呈增加趋势,在深度方向对比试样表面三维形貌的模拟结果和测试结果,误差范围合理;激光冲击2次及以上,试样测点各方向残余压应力测试值趋于一致;半高宽值逐渐增大,冲击4次与冲击3次的半高宽值趋于相等;冲击2次后试样的TEM像和电子衍射图表明微凹坑表面形成了纳米晶。     

316L不锈钢的低能量激光冲击强化工艺

以316L不锈钢作为模型材料,系统研究了低能量高重频激光冲击强化工艺。建立了激光光斑覆盖率概念,对于直径d为0.4~0.8 mm 间的光斑,其饱和覆盖率在6~7之间。在此饱和覆盖率条件下,机械手移动速率v与光斑直径d的匹配关系为v=70d。最大残余压应力随着光斑直径的减小而增大,当光斑直径d为0.4 mm时获得最大残余压应力为662 MPa,残余压应力影响层深度为565 μm。激光冲击强化区域表面粗糙度未明显增加,但与未冲击区域存在一定高度台阶。在1.59 GW/cm²激光功率密度下,该台阶高度为23 μm。     

激光冲击E690高强钢Ostwald熟化现象的试验研究

目的 研究功率密度对激光冲击E690高强钢表面Ostwald熟化现象的影响。方法 根据理论分析激光冲击金属材料与产生调幅分解的内在联系,提出因激光冲击强化产生 Ostwald熟化现象所需要的条件。使用场发式透射电镜(TEM)获取激光冲击E690高强钢试样表面微观组织结构和选区电子衍射花样,观测不同功率密度的TEM形貌相中晶粒尺寸的变化特征,以及Ostwald熟化现象验证。结果 通过TEM形貌像可以看出,E690高强钢基材是由铁素体层与渗碳体层交替重叠组成的珠光体形貌,在激光冲击强化作用下,发生了晶粒细化,薄层渗碳体逐渐消失,电子衍射花样逐渐呈圆环状变化。当激光功率密度上升至4.07 GW/cm²时,持续细化的材料发生粗化,出现调幅分解组织,选区电子衍射花样中出现卫星斑,E690高强钢表面发生了Ostwald熟化现象。当激光功率密度达到5.09 GW/cm²,E690高强钢表层产生了纳米晶。结论 较弱和较强的功率密度都不能使脱溶物到达发生Ostwald熟化机制的临界半径,Ostwald熟化现象与纳米晶相邻出现。     

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。     

激光冲击强化对TC17钛合金微观组织和力学性能的影响

针对航空发动机TC17钛合金叶片易受外来物打伤实际问题,需要进一步提高叶片的疲劳强度。对板状TC17钛合金进行不同激光功率密度下的激光冲击,分别利用X射线衍射仪、透射电子显微镜、残余应力测试仪和显微硬度计分别对激光冲击前后TC17钛合金的组织和力学性能进行了观察和测试,再选取强化效果较好的功率密度为4 GW/cm2时对叶片强化后进行振动疲劳试验。结果表明:TC17钛合金在不同功率密度激光冲击后,表面组织产生大量高密度位错和纳米晶,随着功率密度的增大,晶粒细化程度越大;残余应力值和显微硬度都随深度增加而减小,表面显微硬度提高了20%,并形成800μm左右的硬度影响层;而功率密度为4 GW/cm2时提高幅度最大,HV0.1硬度为4310 MPa,表面残余压应力达到628.2 MPa,且残余应力在280和450℃下具有较好的热稳定性;TC17钛合金叶片在4 GW/cm2参数下强化后,其振动疲劳寿命提高了2倍。     

激光冲击功率密度对W18Cr4V钢表面性能影响的研究

采用波长1.06μm、脉宽20 ns的钕玻璃激光对W18Cr4V高速钢进行强化。研究了激光功率密度对W18Cr4V钢强化层显微硬度和残余应力的影响。结果表明:经激光冲击强化后的W18Cr4V钢奥氏体晶粒细化,细晶强化作用显著;不同的激光功率密度都能在冲击区横截面上形成由表及里的显微硬度梯度和一定深度的残余压应力层。随功率密度的提高,硬度峰值和最大残余压应力增大,硬化层和残余压应力层的深度增加。当采用3.6 GW/cm~2的功率密度时,表面硬度峰高达1125 HV0.1,表面残余压应力最大值约-220 MPa,并可获得0.8 mm左右的硬化层和1.4 mm左右的残余压应力层。     

激光冲击E690高强钢表面应变预测模型的建立

利用ABAQUS有限元软件对激光冲击波加载E690高强钢表面应变及应力变化过程进行仿真,分析了在不同冲击波压力下塑性形变与应力云图的关系,建立了激光冲击E690高强钢表面应变预测模型,并设计试验验证了该模型的准确性。结果表明,激光冲击下E690高强钢的动态响应遵循Hugoniot弹性极限公式,激光脉冲诱导的冲击波在E690高强钢表面引起的塑性形变与其表面的残余压应力成正相关,试验结果与仿真结果具有较好的一致性。     

激光冲击强化对W6Mo5Cr4V2高速钢材料表面性能的影响

目的研究激光冲击强化处理对W6Mo5Cr4V2(M2)高速钢材料表面性能的影响机理,探讨激光冲击强化处理可否作为提高M2高速钢刀具使用寿命的一种手段。方法以铝箔作为表面吸收层、流水作为约束层,采用高功率钕玻璃激光冲击系统对M2高速钢试样进行激光冲击强化处理,然后用砂纸对试样表面打磨,用研磨膏抛光表面,用硝酸酒精溶液浸蚀金相试样。分别用金相显微镜和扫描电镜对被冲击试样强化层的微观组织进行观察及分析,用显微硬度计测量激光冲击前后试样表层材料的显微硬度,用X射线应力测定仪测量激光冲击后试样表面的残余应力。结果当采用的激光波长为1064 nm、激光能量为9 J、光斑直径为3 mm、脉宽12 ns、激光功率密度为12.7 GW/cm~2时,M2高速钢材料强化层中的奥氏体晶粒显著细化,形成位错马氏体与孪晶马氏体的混合组织,M2试样表面硬度较激光冲击处理前提高约6.67%左右。试样表面获得了约1.0 mm深的残余压应力层,最大残余压应力在表层,约为-155 MPa。结论激光冲击强化处理在一定程度上改善了M2高速钢材料的表面性能,有利于提高M2高速钢刀具的切削性能与使用寿命。     

激光喷丸参数对7075铝合金残余应力分布影响规律的数值分析

为了研究不同激光喷丸参数对残余应力分布的影响规律,较快获取期望的残余应力分布,通过利用有限元软件ABAQUS对激光喷丸过程进行数值模拟,完成了7075航空铝合金靶材在不同冲击波峰值压力、冲击次数、光斑大小及搭接率等工艺参数下的数值模拟。模拟结果表明:随着峰值压力的增加,材料表面残余压应力也增加,当峰值压力增大到一定值时,材料表面残余压应力达到最大;当峰值压力一定时,材料表面及内部残余压应力随光斑大小及冲击次数的增加而增加;随着光斑搭接率的增加,材料表面残余压应力增大,且随着搭接率的增加,表面残余压应力的波动逐渐减小。     

高频率Nd∶YLF平顶激光冲击对TC6钛合金表面应力及微变形的影响

为了研究高频率条件下激光冲击强化对TC6钛合金表面应力和变形的影响规律,采用Nd∶YLF平顶激光在10 Hz重复频率条件下对TC6钛合金试样进行了激光冲击强化试验,并分析了激光能量和冲击次数对试样表面残余应力和表面变形的影响。采用XL-640型X射线应力测定仪测量冲击前后TC6钛合金试样表面残余应力,利用Contour GT-X3型白光干涉仪测量试样的三维形貌和表面粗糙度。结果表明,对于Nd∶YLF平顶激光冲击强化,应优选30%的光斑搭接率,50%搭接率易引起试样表面烧蚀;随着激光能量和冲击次数的增加,试样表面残余应力、表面变形及表面粗糙度都有所增加;对于单光斑非搭接区域,试样表面变形的变化梯度较为平缓,光斑搭接区域,试样表面变形近似呈现“V”形变化。此研究为Nd∶YLF平顶激光冲击强化在钛合金材料上的应用提供了一定的技术参考。     

飞机钛合金接耳孔边激光冲击强化 应力场优化与试验研究

目的 钛合金关键承力接耳孔边疲劳断裂是影响飞机飞行安全的重难点问题,采用激光冲击强化技术对TC4钛合金小孔件进行强化,提高其疲劳寿命。方法 开展TC4钛合金小孔件单点有无填充、多点搭接激光冲击强化有限元数值模拟研究,确定最优强化工艺,并设计带双孔疲劳试样,进行疲劳试验验证。 结果 直径3 mm光斑单点激光冲击强化的有效范围仅为1.9 mm。孔内有填充,最内圈光斑圆心距孔边0.75 mm时,单光斑激光冲击强化孔边残余应力场分布均匀,且不会引入残余拉应力。双面依次强化会使先强化面残余压应力值略高于后强化面。46.5%径向搭接率下,孔边多点搭接激光冲击强化应力场均匀性优于36.5%和56.5%径向搭接率。强化后,试样的疲劳寿命得到提升,提升效果随最大加载力的减小而显著增大。断口分析表明,强化后,孔边裂纹源位置向深度方向移动,疲劳裂纹扩展区的疲劳条带间距明显减小。结论 最优强化工艺为：周向搭接率56.5%,径向搭接率46.5%,最内圈光斑圆心距孔边0.75 mm,孔填充双面同时强化。激光冲击强化在孔边表面引入600~800 MPa的残余压应力,模拟件疲劳寿命提升了6.98%~60.96%。     

激光冲击参数对7050铝合金残余应力场的影响

采用仿真与试验结合的方法,研究了激光冲击参数(光斑直径、激光特性以及峰值压力)对7050合金残余应力场形成机制的影响。结果表明:平顶光加载ø2、ø3和ø4 mm光斑时,最优峰值压力为1500 MPa;高斯光加载时,ø2 mm光斑峰值压力优解为1500 MPa,ø3 mm光斑峰值压力优解为2000 MPa,ø4 mm光斑峰值压力优解为3000 MPa;当峰值压力为1500 MPa时,平顶光冲击后所得最大残余压应力较高斯光增加约10%;当峰值压力大于2000 MPa时,平顶光冲击后的最大残余压应力值受表面汇聚波影响数值较高斯光小。平顶光冲击时,峰值压力实际优解与理论优解保持一致,为1500 MPa;高斯光冲击时,峰值压力实际优解随光斑直径的增加逐渐增加;峰值压力超过2000 MPa后,残余压应力不再有显著增加,且残余应力洞等应力缺陷更容易出现。     

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。     

激光冲击诱导的残余应力洞数值建模仿真分析

通过建立ANSYS/LS-DYNA有限元仿真模型,对激光冲击处理后靶材的残余应力场进行了有效的预测,对隐式分析前后模型的表面形貌进行了分析,对不同激光冲击参数下激光冲击强化产生的残余应力洞进行了分析。结果表明,增加峰值压力、冲击次数和光斑直径虽然可以改善激光冲击强化效果,增加最大残余应力,但同时也会增大残余应力洞现象,使用方形光斑可以有效减弱残余应力洞现象。