激光冲击强化残余应力的数值模拟研究

为了获得激光冲击强化诱导的残余应力场,采用数值模拟的方法,建立了单次激光冲击强化35CD4合金钢厚板2维轴对称有限元模型,对激光冲击过程中材料内部的能量变化、表面动态应力进行了分析,验证了显式动态求解时间选取的合理性,并讨论了模型网格单元尺寸、冲击压力空间分布模型选取对残余应力模拟结果的影响。结果表明,为了得到收敛的模拟结果,选用的网格单元尺寸应为0.03mm左右。单次圆斑激光冲击的残余应力计算结果与已知的实验测量结果吻合得较好。     

激光冲击强化残余应力场的数值仿真分析

有限元分析(FEM)是预测激光冲击强化处理(LSP)后材料的残余应力场、合理优化冲击参数非常有效的方法。通过对材料冲击响应过程的分析,建立了激光冲击强化处理的有限元分析模型,实现了激光冲击强化处理残余应力场的数值仿真。根据显式分析得到的材料内部各种能量变化过程,结合应力波理论,验证显式分析过程的正确性,提出显式分析求解时间的选择方法;分析了单次和多次冲击下材料内部的残余应力场分布,分析结果与实验结果非常接近。数值分析结果表明,表面残余应力在冲击区域内分布比较均匀,表层的残余应力梯度较小;多次重复冲击后,材料的残余压应力明显增加,残余压应力影响深度也显著加深;随着冲击次数的增加,材料的残余应力场趋于饱和。     

TC4钛合金激光搭接冲击强化的实验和数值模拟

为了研究激光搭接冲击时残余应力场的特征以及激光冲击参量对搭接区残余应力场的影响,采用高功率钕玻璃激光系统对TC4板进行了激光搭接冲击实验,同时利用有限元软件ANSYS对激光搭接冲击过程进行了模拟,残余应力场的数值模拟结果与实验结果取得较好的一致。结果表明,在不考虑各冲击参量之间交互作用的前提下,搭接区表面残余压应力值和残余压应力场深度随搭接率增加而增加,但达到一定阈值后,残压应力场深度会下降;搭接区表面残余压应力值和残余应力场深度会随着功率密度的上升而增加;在脉宽小于一定阈值条件下,搭接区表面残余压应力随脉宽增加而增加,超过阀值之后,表面残余压应力减小,但残余压应力层深度一直是随着脉宽的增加而增加。     

AM50镁合金激光冲击强化实验研究

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光(波长1054 nm,脉冲宽度23 ns)对AM50镁合金试样表面进行冲击强化处理,并对其表面形貌、微观组织、显微硬度、残余应力进行实验测试与分析。结果表明,在激光功率密度为3.1 GW/cm2的强脉冲激光作用下,试样表面留下光亮致密的微凹坑,凹坑深约27μm;表层材料发生高应变速率的塑性变形,材料内产生大量位错与孪晶,强化层深度约0.8 mm;冲击区的显微硬度明显增加,表层材料的显微硬度比基体约提高58%;冲击区表面存在残余压应力,数值高达-146 MPa。实验结果表明,激光冲击镁合金的强化效果明显。     

激光冲击强化的数值模拟研究

介绍了激光冲击强化的基本理论。采用ABAQUS仿真软件对45钢冲击强化的实例进行数值模拟,重点仿真分析了材料表面应力的分布和冲击区域中心节点的位移历史情况。讨论了在激光冲击三维仿真中中网格的划分、阻尼和率相关对仿真影响等关键问题。     

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。     

球铁曲轴零件的激光冲击强化

采用具有五轴联动数控工作台的高功率钕玻璃激光冲击强化系统，对球铁曲轴主轴颈和连杆轴颈的圆角部位实施冲击强化处理。实验中采用的激光波长为1.06 μm，脉宽为23 ns，脉冲能量为25～40 J。用流动的水帘作为激光冲击的约束层材料，硅酸乙酯作能量吸收层。对冲击后试件的残余压应力、硬度和耐磨性等进行了测量分析。结果表明，球铁曲轴经激光冲击强化后，受冲击部位没有明显的宏观变形，获得了较高的表面硬度和残余压应力，耐磨性比未冲击强化处理提高1.4倍，有效地提高和改善了曲轴的使用寿命。     

纯铜微尺度激光冲击强化过程数值模拟研究

借助ABAQUS软件建立了微尺度激光冲击强化(micro-scale laser shock peening,μLSP)过程的有限元模型,对T2纯铜的μLSP过程进行了数值模拟,分析了μLSP过程中纯铜的位移、塑性应变和等效应力的动态响应情况以及残余应力的分布规律。结果表明,冲击波作用到纯铜表面后,极短时间内便可达到纯铜的动态屈服极限。纯铜表面的位移影响区域直径约为激光光斑的2倍,并在27 ns时达到位移最大值约0.85μm。随着冲击波压力的加载,纯铜产生加工硬化,塑性应变和等效应力的最大值均出现在加载区域内部的近表层处,分别约为0.062 MPa和297 MPa。μLSP后纯铜表面激光辐照区域主要表现为残余压应力,最大值约为199 MPa,影响深度达40μm。在激光辐照区域表面边缘存在一定的残余拉应力,产生“残余应力洞”。同时,μLSP工艺试验结果与数值模拟结果基本一致,从而验证有限元模型的合理性与可靠性。     

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.     

激光冲击强化对激光焊接件气蚀行为的影响

采用高能激光束对厚板激光焊接件进行激光冲击强化(LSP)处理,并利用X射线衍射仪(XRD)、显微硬度仪、高精度电子天平和扫描电镜(SEM)观察分析手段研究了激光冲击强化对激光焊接件抗气蚀性能的影响。试验结果表明,增加激光冲击强化脉冲能量气蚀后,激光焊接件马氏体强度相对提高、马氏体剥落得到抑制,表面和横截面硬度增加,累积质量损失和表面气蚀破坏面积减小。随着激光能量的增加,马氏体晶粒细化,气蚀后表面起伏组织变浅、变疏,表面裂纹萌生扩展得到减缓抑制,因此激光焊接件抗气蚀性能增强。另外,激光焊接件焊缝区的抗气蚀性能优于热影响区(HAZ)的抗气蚀性能。     

激光冲击强化技术的发展和应用

激光冲击强化(又称激光喷丸)(LSP)通过强激光诱导的冲击波在金属材料表层引入残余压应力,从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展,是一种新型的金属表面强化技术.介绍了激光冲击强化的机理和特点以及国内外的发展现状.着重分析了该技术在应用推广中亟待解决的设备研制、工艺改进等关键问题.总结了激光冲击强化技术在改善金属疲劳性能方面的应用前景.     

激光冲击参数对残余应力场影响的三维数值模拟

数值模拟是预测激光冲击残余应力场、研究激光冲击参数对残余应力场影响的一种有效方法。采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理(LSP)40Cr钢残余应力场进行三维数值模拟;建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析(FEA)模型,实现了激光冲击处理40Cr钢残余应力场的数值模拟;模拟研究了激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸对40Cr钢残余应力场的影响。数值模拟结果表明,残余应力模拟值与实测值之间有着较好的一致性;在激光脉冲持续时间一定的条件下,要想获得最大的表面残余压应力,存在一个最佳的激光功率密度;在激光功率密度一定并且脉宽大于45ns的情况下,表面残余压应力随激光脉冲持续时间的增加而减小;在激光功率密度、激光脉冲持续时间一定的条件下,表面残余压应力随光斑直径增大而增大。     

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。     

AISI 8620合金钢激光冲击强化层摩擦学特性

采用高能量激光束对AISI 8620合金钢表面进行冲击强化,利用CETR UMT-2摩擦磨损试验机对激光冲击试样表面进行磨损试验,并用扫描电子显微镜观察磨痕表面的形貌,研究激光冲击强化技术对AISI 8620合金钢耐磨损性能的影响。结果表明,激光冲击在AISI 8620合金钢表层形成残余压应力层,虽然残余压应力会降低氧化磨损和粘着磨损的抗性,但是会增加疲劳磨损的抗性,使AISI 8620合金钢试样的耐磨性提高1倍,多次冲击耐磨性能会更好。随着载荷的增加,激光冲击的AISI 8620合金钢试样的平均摩擦系数呈现先缓慢减小后缓慢增加的趋势。     

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。     

激光斜冲击强化曲轴

激光加工连杆轴颈与曲柄连接处圆角区域曲面时、激光光束不能保证与曲面上每点切线方向始终是垂直的,这个过程就是激光斜冲击强化过程.本文用江苏大学激光技术研究所生产的YAG激光器,斜冲击强化连杆轴颈与曲柄连接处圆角区域.冲击后在受冲击区域显微硬度比未冲击区域提高了65%-75%左右,残余应力比未冲击区域提高了80%-100%左右,使用寿命提高了150%.而这种显微硬度和残余压应力的提高对提高材料的疲劳寿命、抗磨损能力和抗腐蚀能力等表面机械性能都是有益的.激光斜冲击曲轴连杆轴颈与曲柄处圆角,残余应力和显微硬度提高最大处为圆角中心处,而这个位置正是易产生疲劳裂纹处,而圆角边缘处是疲劳强度非敏感区,对裂纹的产生影响不大.     

微尺度下激光冲击金属材料的特性分析

为了提高微光机电系统产品的可靠性,采用微米尺度的激光冲击处理能够改善金属及金属薄膜材料的机械性能。而微米尺度的激光冲击处理与毫米尺度的激光冲击处理在理论分析、处理过程中的材料特性、适用理论等方面存在着较大的不同。对微尺度效应、材料的弹塑性理论、材料非线性进行了理论分析与探讨。对于等离子体的物理发展过程及空间结构,提出了旋转椭球体模型,这一结果对进一步研究、建立微尺度激光冲击强化等离子体三维模型奠定了理论基础。