激光功率密度对小孔构件残余应力场的影响

激光冲击强化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。以ABAQUS有限元软件为平台,研究了不同激光功率密度下7050-T7451铝合金小孔构件的残余应力的分布。结果表明,冲击表面残余压应力在X轴方向上0～6 mm区域内分布很均匀,能量的变化对它的影响不是很大,表面最大残余压应力都出现在孔边缘处,整个冲击区域残余应力差别不大,构件单面冲击下表面只有残余压应力,然而并不是随着峰值压力的增加为增加,这是由于未冲击表面的残余压应力是由板料变形引起的。构件厚度方向残余压应力的深度随着冲击波的峰值压力的增大而增大,同时也造成板料厚度中心靠近上表面处产生过大的残余拉应力,这对提高材料的抗疲劳性能是极为不利的。     

激光喷丸强化6061-T6铝合金板料的表面完整性研究

采用数值模拟和实验相结合的方法研究了6061-T6航空铝合金板料经激光喷丸强化后表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、残余应力、表面显微组织结构等表面完整性的变化.结果表明激光喷丸后,试样表面喷丸区域的粗糙度降低;激光喷丸过程中冲击波诱导表面显微组织发生变化,位错密度增加,从而使得硬度增加,表面抗塑性变形能力得到提高;受喷板料正反两面均呈现残余压应力分布,最大残余应力值位于喷丸区域表面,厚度方向残余压应力随深度增加而逐渐减小.数值模拟得到的表面微凹坑截面轮廓及残余应力分布与实验结果相一致,表明可以用数值模拟方法对表面完整性进行预测,为激光喷丸过程参数优化和表面质量有效控制提供依据.     

激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力,利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式,并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明,获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa~1.7GPa,随着载荷的增加,残余应力增加,当载荷在1.4GPa~1.6GPa时,最大残余压应力为125MPa左右;冲击载荷在1.8GPa时,出现轻微的残余应力洞现象;而在大于1.9GPa时,均出现明显的残余应力洞现象;载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。     

Fe-Ni恒弹合金激光冲击力学性能异化现象研究

为了研究激光冲击金属材料后,光斑中心区域材料力学性能异化现象,采用钕玻璃脉冲激光器产生的高能脉冲激光冲击强化型Fe-Ni恒弹合金(Ni42CrTiAl)材料。冲击后采用X射线应力仪对恒弹合金试样冲击区域表面进行了X射线衍射分析,测试了冲击区域残余应力分布情况。结果表明,在试样冲击区域产生了很高的残余压应力,且在光斑中心区域,残余应力值要略小于中心周围区域,出现了力学性能反弹现象。采用有限元模拟软件对冲击试验进行有限元模拟,进一步研究冲击诱导的残余应力分布情况;得到冲击区域有很高的残余压应力分布,且光斑中心区域的残余应力值小于其周围区域,模拟结果与测量结果一致。从冲击波运动、反射与逆向作用角度,探索了冲击区域中心出现的材料力学性能反弹现象的形成机理。这一结果对优化激光冲击强化过程和激光参量的选择是有帮助的。     

激光冲击次数对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢高周疲劳性能的影响

高周疲劳是航空发动机部件的主要故障之一。通过对1Cr11Ni2W2MoV不锈钢进行不同次数的激光冲击强化(LSP)处理,研究冲击次数对激光冲击强化材料高周疲劳性能的影响。对不同处理状态的试件进行常温振动疲劳试验,采用X射线衍射(XRD)应力分析仪、扫描电镜(SEM)、金相显微镜等手段研究冲击次数对材料组织和力学性能的影响。试验结果表明,随着LSP冲击次数的增加,1Cr11Ni2W2MoV不锈钢表面粗糙度增大,组织细化层厚度没有变化,残余应力梯度变小,残余压应力层深度增加,1次冲击后,残余压应力层深为1.8mm,3次冲击后为2.5mm。表面残余压应力随着冲击次数增加而逐渐趋于饱和,饱和值接近于-100%σ0.2。振动疲劳试验结果表明,疲劳寿命随着LSP次数增加而提高,但提高幅度减小。在σmax=640MPa应力水平下,1次冲击后试样疲劳寿命是未强化试样的3.8倍,3次冲击后试样疲劳寿命是未强化试样的5倍。经分析,多次冲击时的冲击波叠加效应使得冲击波传播到材料的更深层,从而使材料组织变形层和残余应力影响层更深,高周疲劳寿命提高更大。     

激光冲击AM50镁合金残余应力场的有限元分析

为了研究镁合金在激光冲击载荷作用下残余应力场的特征,采用实验测试和有限元分析的方法对激光冲击区的残余应力进行了研究.试验中使用Nd:glass脉冲激光对AM50镁合金表面进行冲击强化处理,当激光功率密度为3GW/cm2时,表面的残余压应力值高达-146MPa,残余压应力层深约0.8mm;用有限元分析软件ABAQUS对残余应力场进行数值计算,得到激光功率密度大于0.49GW/cm2时,将产生残余压应力,随着功率密度的增加,残余压应力值增加并趋于饱和;激光功率密度在1.95GW/cm2～3.06GW/cm2之间时,残余压应力值达到饱和.结果表明,实验测试数据与数值计算结果一致性较好,该结果可为激光冲击参量的优化提供理论依据.     

激光冲击调整5B05铝合金残余应力状态的模拟仿真

开展了激光冲击波调整表面残余应力(主应力)状态的模拟仿真与实验研究。以ABAQUS为平台,建立了激光冲击5B05铝合金的有限元分析模型,研究了激光冲击参数对5B05铝合金激光冲击处理残余应力场的影响。模拟结果表明:随着冲击次数的增加,表层残余压应力逐渐增大,当冲击次数为3次时,增加并不明显,说明表面峰值残余压应力趋于饱和;在冲击压力一定的条件下,表面残余应力随光斑直径增大而增大,半径增加至一定程度后表面峰值残余压应力增幅会达到最小,基本保持不变。通过实验与模拟结果对比发现,尽管实验值与模拟结果存在一定的误差,但总体趋势一致,说明建立有限元模拟模型结构有效可行。     

激光喷丸成形中的残余应力

通过对激光喷丸成形(LPF)中残余应力场分布的研究,找出单点喷丸残余应力分布形式,以及单点多次、多点不同路径喷丸中后续冲击对前次冲击残余应力分布的影响规律。对准确控制残余应力分布,获得激光喷丸后所需的板料形状具有指导意义。利用钕玻璃高功率脉冲激光对厚度为1.2 mm的LY12CZ硬铝合金进行了单点激光喷丸,用X衍射应力测定仪考察了单点冲击后材料表面及深度方向的残余应力,用厚度为2 mm 的6061-T6铝合金板料进行三列窄条激光喷丸变形实验。以ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件为平台,建立了具有一定精度的激光喷丸过程中冲击波压力的加载模型,对板料的变形过程进行了数值模拟, 分别考察了不同激光能量,板料尺寸,冲击路径等工艺参数对残余应力场分布的影响。实验结合数值模拟探索激光喷丸的主要参数和残余应力场之间的相互关系。     

准分子激光对钛搪瓷打标的研究

用308nm准分子激光对钛搪瓷进行了打标实验,在适当的功率密度下,获得了精细可见的标记.该能量密度远低于红外激光对陶瓷类材料打标的能量密度,也比基于汽化刻蚀原理用紫外激光对陶瓷材料打标的能量密度低得多.通过实验得出了打标的阈值和优选参数,对准分子激光作用变色的机理进行了分析.     

准分子激光对钛搪瓷打标的研究

用308nm准分子激光对钛搪瓷进行了打标实验,在适当的功率密度下,获得了精细可见的标记.该能量密度远低于红外激光对陶瓷类材料打标的能量密度,也比基于汽化刻蚀原理用紫外激光对陶瓷材料打标的能量密度低得多.通过实验得出了打标的阈值和优选参数,对准分子激光作用变色的机理进行了分析.     

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。     

铝合金小孔件单双面激光冲击强化效果研究

为了研究单双面激光冲击对7050-T7451铝合金小孔件的影响,采用ABAQUS有限元软件分析了单双面强化的残余应力分布,并对比分析了残余应力曲线和单双面强化断口间的对应关系。结果表明,双面强化的残余压应力比单面强化大120MPa,且正反面应力分布更合理;单面强化后疲劳源群位置距强化面达2.54mm,偏离了尺寸中心,而双面强化的疲劳源群大致位于尺寸中心;经单双面激光冲击强化后,试样的疲劳增益分别提高了53.3%和156.2%。该研究对单双面激光冲击强化的参量选择具有一定的指导意义。     

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。     

40Cr钢表面激光复合强化机理研究

利用NEL2500A轴向快速流动CO3激光器对40Cr钢进行了激光淬火处理，又利用Nd：YAG激光器对40Cr钢的淬火马氏体强化区进行了激光冲击强化处理，选用K9玻璃为约束层。处理结果表明，40Cr钢的复合强化处理区与激光淬火强化处理区相比，马氏体区表面发生了超塑性形变，马氏体发生了细化和碎化，位错密度大大增高，各项机械性能都得到了大幅提高，其中，硬度提高了10．9％，耐磨性提高了100%，尤其是材料内部残余应力全部变成了残余压应力，表面最大残余应力达到-372MPa。     

激光喷丸A356铝合金的热稳定性实验研究

为了研究激光喷丸技术对A356铝合金热稳定性能的影响,采用Nd:YAG激光器对其进行表面激光喷丸处理及将各试样进行220℃退火试验处理的方法,从微观组织、显微硬度及残余应力等方面进行理论分析和实验验证,取得了一系列实验数据。结果表明,激光喷丸处理能够有效提高A356铝合金的热稳定性能,且在材料表面诱导了较大残余压应力,显微硬度和位错密度得到显著提高,晶粒明显细化;退火后,激光喷丸试样的表面残余压应力下降了30.68%,位错密度从1.63°降到1.51°,显微硬度下降19.42%,表层晶粒尺寸有所长大,但较基体而言,其晶粒尺寸长大幅度较小。这一结果对于拓展激光喷丸技术和A356铝合金的应用领域是有帮助的。     

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。