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。     

激光冲击强化处理40Cr钢的实验研究

利用Nd∶YAG激光器 ,对 4 0Cr钢进行了激光冲击强化处理。激光冲击强化参数 :激光波长 1 0 6 μm ,脉冲时间为 2 3ns,功率为 16～ 2 0J,功率密度为 2 0GW /cm2 左右 ,光斑直径为 7mm。选用K9玻璃为约束层 ,外形尺寸为 19mm× 4mm ;86 1墨漆为吸光涂层 ,厚度为 0 0 2 5mm。利用HVS 10 0 0显微硬度计和X 35 0残余应力测试仪 ,对 4 0Cr钢激光冲击强化区的显微硬度和残余应力进行了测试 ,结果表明 ,4 0Cr钢经激光冲击强化后 ,强化区表面硬度提高了 30 % ,冲击强化区中心最大残余应力达 - 4 5 0MPa。此外 ,利用H 80 0透射电镜对激光冲击强化区的显微组织进行了观察和分析 ,在强化区显微组织内发现了相变马氏体、初生马氏体和高位错密度     

激光冲击强化产业化关键问题及应用前景

1 引言 激光冲击强化技术即利用强激光诱导的冲击波力学效应进行表面处理的先进技术,它能有效地改善材料的机械性能,特别是能显著地延长材料的疲劳寿命并提高抗应力抗腐蚀性能.     

激光冲击范围对小孔构件疲劳性能的影响

激光冲击强化能够有效地提高孔结构零件的疲劳寿命。试验中采用较大的冲击区域范围对试样进行激光冲击强化后,发现试样的疲劳寿命降低甚至出现负增益。为此采用有限元分析和试验的方法,研究单面激光冲击范围对铝合金小孔件残余应力场以及疲劳寿命的影响。研究结果表明:激光冲击范围的增大,导致试样沿孔壁方向的应力分布变差,并且残余压应力影响层的深度降低;同时对疲劳拉伸后试样的断口观察发现,随着冲击范围的增大,疲劳裂纹源的位置也随之发生内移。因此对于小孔构件的激光冲击强化,应严格控制激光冲击范围以提高小孔构件的抗疲劳性能。     

激光冲击强化对K4030合金叶片疲劳性能的影响

为研究激光冲击强化对K4030合金叶片疲劳性能的影响,对K4030合金片进行了激光冲击强化,并对强化后的试样进行了表面粗糙度、残余应力、微观组织和显微硬度测试,对叶片进行了复合疲劳试验。测试结果表明,冲击强化前后试样的表面粗糙度没有明显变化;试样在距离材料表面1 mm的深度内产生大于450 MPa的残余压应力;试样冲击强化区内晶界处的晶粒得到了细化;试样在距离表面0.8 mm深度内的显微硬度得到了提高,且表面的显微硬度提高了16%。疲劳试验结果表明,激光冲击强化可显著提高K4030合金叶片的复合疲劳安全寿命。     

激光冲击强化对K417材料振动疲劳性能的影响

为研究激光冲击强化(LSP)对镍基高温合金振动疲劳强度的影响,使用流水约束层和铝箔涂层,利用波长为532 nm,脉宽为10 ns,能量为1.5 J,冲击光斑尺寸为1.6 mm的YAG激光器对K417试件进行了激光冲击强化处理.使用升降法测试比较了冲击处理试件和未处理试件的振动疲劳强度.结果表明,试件经激光冲击强化后振动疲劳强度由106.5 MPa提高到285.5 MPa,疲劳性能大大提高.对激光冲击强化后的试件断口分析结果表明激光冲击的强化作用抑制了裂纹在试件表层的萌生和扩展,从而提高了材料的振动疲劳强度.     

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。     

激光冲击强化铝合金焊接接头的性能

以水为透明约束层,采用调Q(脉冲高峰值功率)的YAG激光对A6061-T6铝合金熔化极惰性气体保护焊接接头焊趾附近进行了激光冲击强化,并对比研究了A6061-T6铝合金焊接接头在激光冲击强化与焊态下的性能。试验结果表明,激光冲击强化的铝合金焊接接头与焊态下的相比,其冲击强化区的维氏硬度得到明显提高,焊接接头疲劳寿命得到较大幅提升;焊态下的试样疲劳断口位于焊缝或焊缝近旁,激光冲击强化下的试样疲劳断口位于基体金属上;激光冲击强化后在材料近表面获得了较大的残余压应力,其最大值约为-145MPa;与基体金属相比,激光冲击强化后的表面粗糙度增大。     

碳钢的激光冲击强化研究

利用高功率密度(GW/cm2)短脉冲(ns)激光对45碳钢进行了激光冲击处理,观察了激光冲击处理后45碳钢显微组织和结构的变化,并用扫描电镜对疲劳断口形貌进行了分析。试验结果表明:激光冲击强化能有效地阻止疲劳裂纹的萌生和扩展,45碳钢的疲劳寿命得到较大提高。     

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。     

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。     

激光冲击处理的残余应力场形成机理及影响因素分析

激光冲击处理是利用激光诱导的高幅冲击波对材料表面实施改性的一种新技术。经激光冲击后,金属表面存在一定形式分布的残余压应力,残余压应力的存在能明显提高金属抵抗疲劳的能力。本文分析了激光冲击处理的基本原理和残余应力的形成过程,着重讨论了激光冲击处理过程中各种参数对残余应力场的影响,从而能更好的理解激光冲击处理后金属表层残余应力的分布特点,以及各种工艺参数对残余应力影响的一般规律。     

小能量激光冲击处理提高铝合金疲劳寿命的研究（Ⅱ）

研究了高功率密度激光冲击处理对Ｌｙ１２ＣＺ铝合金的硬度、微观亚结构及断口的影响，结果表明铝合金疲劳寿命的提高是由于材料冲击区域强度和硬度的增加及残余压应力的存在。     

双面激光同时冲击AM50镁合金板料的厚度分析

在双面激光同时冲击金属薄板过程中,板料厚度是影响其冲击强化效果的重要因素。利用ABAQUS软件对双面激光同时冲击不同厚度的AM50镁合金板料进行模拟,系统研究了板料厚度对双面激光同时冲击强化效果的影响机理,对比分析了不同模型沿表面径向和轴向的残余应力分布。结果表明,在激光光斑直径、脉冲宽度、峰值压力不变的情况下,随着板料厚度增大,模型内部的残余压应力分布渐趋均匀和有规律,残余压应力影响深度逐渐变深,当板料厚度达到某一阈值后,两者都达到饱和。在激光峰值压力1600MPa、光斑半径3mm和压力脉冲宽度57ns工艺参数下,双面激光同时冲击AM50镁合金薄板的理想厚度为4mm及以上。     

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。