激光冲击强化对TC17表面形貌及残余应力场影响的有限元数值模拟研究

激光冲击强化是一种新型表面改性技术,能够在金属部件表面引入残余压应力提高其疲劳、耐磨和腐蚀性能。研究了不同能量脉冲激光(3,5和7 J)冲击强化对TC17钛合金材料表面形貌和最大塑性变形的影响并通过有限元数值模拟激光冲击强化过程。运用白光干涉仪表征试样表面三维形貌和表面塑性应变,采用有限元数值模拟验证表面塑性应变并研究表面和深度方向残余应力场分布规律。结果表明:实验法和有限元法测定试样表面塑性应变深度具有较高的一致性,3、5和7 J冲击下的最大残余应力分别为136.7、407.6和637.3 MPa,塑性影响层深度从约400μm增加到约1050μm。因此,增加激光冲击能量有益于提高残余应力场的大小和深度。     

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。     

激光冲击处理对奥氏体不锈钢薄板焊接接头表面残余应力的影响

利用激光冲击对AISI202奥氏体不锈钢薄板焊接接头进行了表面强化处理,采用X射线衍射法测定其激光冲击处理后的表面残余应力,分析了单次冲击和搭接冲击两种工艺下焊接接头表面残余应力场分布。结果表明,经搭接激光冲击处理后,AISI202焊接接头显微硬度提高了约50%,纵向残余压应力σx达到395 MPa,横向残余压应力σy达到456 MPa,显著增强表面残余压应力,并使得残余压应力趋向均匀。     

激光冲击690高强钢表面残余应力工艺优化模拟

为研究激光冲击对690高强钢表面残余应力尤其是"残余应力洞"的影响,在ANSYS/LSDYNA平台对690高强钢薄板经激光冲击后的残余应力进行模拟,优化光斑搭接率及激光功率密度。结果表明:采用搭接处理工艺,功率密度为1.98 GW/cm~2,在搭接率为33%、50%、66%时,激光冲击690高强钢表面最大残余压应力和光斑中心最小残余应力差值分别为275.6、241.6、238.3 MPa;搭接率的增加抑制了"残余应力洞";功率密度为2.77 GW/cm~2时,激光冲击表面残余应力优化结果最佳,达到211.0 MPa。     

基于计算机有限元分析的激光冲击强化钛合金疲劳性能研究

基于限元分析软件ABAQUS和MSC.Fatigue,建立了激光冲击TC17钛合金标准紧凑拉伸试样及其疲劳裂纹扩展的有限元分析模型。对不同区域下激光冲击强化TC17钛合金后的残余应力分布及疲劳裂纹扩展性能进行分析,进而探讨了残余应力场对疲劳裂纹扩展的影响。结果表明,激光冲击TC17钛合金经后,试样上下表面处理区域均呈现压应力分布,最大残余压应力达-473 MPa,残余压应力层深度达0.76 mm,同时,表面残余压应力随激光功率密度和冲击区域的增大,逐渐增大并达到饱和。相对于未冲击件,激光冲击使TC17试样疲劳寿命大幅延长,疲劳裂纹扩展速率显著降低;且随冲击区域的增大,疲劳寿命不断延长,表明激光冲击诱导的残余应力场对TC17钛合金疲劳裂纹扩展具有较好的抑制作用。     

激光冲击对热作模具钢残余应力场的影响规律研究

研究了激光脉冲能量、激光光斑直径等工艺参数对激光冲击H13热作模具钢表面及深度方向的残余应力大小和分布的影响,系统研究了激光冲击对H13热作模具钢的表面强化机理。结果表明,随激光脉冲能量和光斑直径的增加,沿X轴方向的表面残余压应力增加,但增加幅值逐渐减小,最大残余压应力可达700 MPa;深度方向的残余压应力也会增加,增幅也是逐渐变小。研究发现,激光冲击H13热作模具钢对沿X轴方向表面残余应力的影响范围与激光脉冲能量和激光光斑尺寸等参数无关。数值分析结果和实际结果吻合度很好,为H13热作模具钢性能的提高和改善提供了新方法。     

激光冲击强化对回转支承用钢42CrMo表面性能的影响

目的研究激光冲击强化对回转支承用钢42CrMo表面形貌、表面硬度、微观组织和残余应力的影响,为后续研究激光冲击强化技术在回转支承上的应用提供指导和依据。方法采用高功率短脉冲的强激光束对回转支承用钢42CrMo试样进行激光冲击处理,然后用共聚焦显微镜进行表面形貌观察,用维氏硬度计测量冲击前后试样的表面硬度,用扫描电子显微镜观察截面微观组织结构,最后运用ABAQUS模拟激光冲击后的残余应力场。结果光斑直径为3 mm,脉冲宽度为8 ns,激光能量为2、3、4、5 J的情况下,激光冲击后产生的微凹坑最大深度分别为2.17、3.54、4.67、6.07μm,材料表面最高硬度较基体分别提高了10.10%、12.58%、13.58%、17.38%,材料表面的最大残余压应力分别为-210、-384、-495、-508 MPa。观察微观组织发现,激光冲击后塑性变形区的板条马氏体长度和宽度较基体材料更小,且分布更加均匀。结论激光冲击强化回转支承用钢42CrMo后,会在材料表面产生微米级的凹坑,并在材料表面和一定深度方向上产生残余压应力。在一定参数范围内,凹坑最大深度、材料表面硬度和最大残余压应力均随激光能量的增大而增大。回转支承用钢42CrMo的激光冲击强化机理是板条状回火马氏体的细化。     

TC4合金在不同表面强化状态下的微动磨损性能研究

目的 研究喷丸(SP)及表面超声滚压(USRP)强化后摩擦系数、残余应力场及塑性应变场对TC4合金微动磨损性能的影响。方法 分别对TC4合金表面进行SP及USRP强化处理,通过试验测得强化前后的表面粗糙度、残余应力以及显微硬度。基于改进的Archard磨损方程,在ABAQUS有限元软件中建立微动磨损的二维柱面/平面接触模型,借助ABAQUS中的子程序SIGINI和HARDINI分别将残余应力场、塑性应变场引入到表征微动磨损的UMESHMOTION子程序中,从而探究表面强化后摩擦系数、残余应力场以及塑性应变场对平面微动磨损性能的影响。结果 原试样经SP强化后,表面粗糙度增加,而经USRP强化后,表面粗糙度得以改善。经SP和USRP强化后,试样的显微硬度分别为原试样的1.28倍和1.23倍。TC4合金经USRP处理后,最大残余应力为–550 MPa,而SP处理后为–380 MPa。引入残余应力场后,试样的磨损深度明显减少,相比原试样,USRP、SP试样的磨损深度分别降低15%、10%。引入塑性应变场后,TC4合金的磨损深度降低了约6%。结论 相同载荷条件下,摩擦系数越大,磨损越严重。磨损轮廓会随着摩擦系数的增大而逐渐往外侧偏移,接触中心区域的磨损深度也随着摩擦系数的增大而越来越深。塑性形变行为会随着摩擦系数的增加而变得明显,且最终会使得塑性变形的区域变得越来越大。引入残余应力场和塑性应变场后,磨损量均会减小,残余应力的影响更为显著。通过微动疲劳试验发现,加入微动磨损作用后,试样寿命显著降低,USRP试样的抗磨损性能最显著。     

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。     

7075铝合金不同表面强化工艺的对比试验研究

对7075高强铝合金试样进行传统的机械喷丸强化与新的激光冲击强化工艺试验,对比它们产生的表面粗糙度、表层显微硬度与残余应力场的分布特性与演变规律,分析喷丸强化工艺对试样在低应力幅下的疲劳寿命改善作用。结果表明,表层残余压应力场分布合理性及其应力松弛趋势是提高试样疲劳寿命的主要因素,机械喷丸同时引起可观的应力集中,需要制定合理的组合式喷丸工艺,以缩小与激光冲击强化间的差距。激光冲击强化可显著改善疲劳性能的最主要因素是具有高的表面残余压应力值,以及持续保持应力影响深度的能力。而机械喷丸主要是高的残余压应力峰值及其向材料内层转移的能力。     

基于Python的Abaqus二次开发在高温合金GH3039激光冲击强化中的应用

目的 提高高温合金GH3039激光冲击强化仿真建模的效率。方法 利用Python脚本语言对Abaqus进行二次开发,利用插件对高温合金GH3039激光冲击强化过程进行仿真分析。采用侧倾固定Ψ法,通过实验测量激光冲击强化后的残余应力,并对仿真结果进行验证,分析不同激光工艺参数作用下高温合金GH3039表面和深度方向残余应力的分布规律。结果 仿真插件界面简洁,操作性强,结果准确。在其他参数不变的情况下,残余压应力受到光斑尺寸的影响较大。相较于光斑直径为4、2 mm,在光斑直径为6 mm时,其中心位置残余压应力分别提高了4.3%、53%。随着光斑尺寸的增大,表面残余压应力增大,且变化梯度减小,深度方向的残余压应力增大。随着激光能量的增加,表面残余压应力增大,且变化梯度增大,残余压应力峰值位于中心区域附近,在激光能量为6、7、8 J时,残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.67、0.82 mm,深度方向残余压应力层增厚。随着冲击次数的增加,冲击区域表面残余压应力平均值高于单次冲击,且波动梯度增大,冲击1、2、3次后残余压应力层的平均厚度分别为0.55、0.71、0.85 mm,深度方向残余压应力层深度增大。结论 利用Python脚本语言对ABAQUS进行二次开发,提高了仿真建模的效率,可为快速预测不同激光工艺参数下高温合金GH3039残余应力的分布规律提供参考。     

Ti2AlNb金属间化合物喷丸强化残余应力模拟分析与疲劳寿命预测

目的 研究经喷丸强化处理后Ti2AlNb材料表层残余应力的分布特征,并预测残余应力对材料疲劳性能的影响规律。方法 通过贴应变片逐层钻孔法,对使用喷丸强化处理后的Ti2AlNb试样进行残余应力测试分析,得到引入残余应力场各方面的测试数据,结合ABAQUS数值模拟方式,对比分析试验与模拟残余应力场结果,获取材料的最终残余应力梯度。利用FE-SAFE软件,通过叠加残余应力场的方式,预测喷丸强化前后试样的疲劳寿命。结果 在文中加工参数下,实验测试和软件模拟结果的重合度良好。喷丸强化可在Ti2AlNb金属间化合物靶材内引入300 MPa左右的最大残余压应力,深度达到了0.12 mm左右。材料表面塑性应变分布不均匀,且造成的塑性应变距表面深度可达0.1 mm。通过喷丸强化引入残余压应力,预测的Ti2AlNb材料疲劳极限可提高12%,高低周疲劳寿命均有明显的延寿效果。结论 验证了有限元数值模拟此材料喷丸强化的准确性和可靠性,得到了Ti2AlNb材料喷丸强化的残余应力场。由于塑性变形诱发机制的限制,喷丸造成塑性应变分布不均匀,塑性应变层深小于残余压应力层深。此外,强化后材料的疲劳性能显著提高,疲劳极限有可观的提升,且高低周疲劳均有较好的延寿效果。     

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。     

激光冲击强化对7050铝合金小孔结构残余应力和疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化对7050 T7451铝合金小孔结构显微硬度、残余应力和疲劳性能的影响。结果表明:当激光能量为30 J、光斑直径ø4 mm,冲击2次时,7050 T7451铝合金显微硬度显著提高,表层硬度相对于母材提高约12%且硬化层深度可达1 mm;残余压应力幅值超过300 MPa,影响深度可达约1 mm,明显大于喷丸强化残余应力影响层深度。激光冲击诱导的残余压应力可提高疲劳裂纹的萌生抗力,其较深的残余压应力层则有利于延长裂纹的扩展寿命。激光冲击强化后小孔结构疲劳寿命相对于母材提高了4.7~17.6倍,且其疲劳寿命增益及稳定性明显优于喷丸强化。     

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。     

激光冲击对电火花修复SiCp/Cu复合材料裂纹力学性能的影响

利用钕玻璃激光冲击强化设备对经电火花堆焊修复的 SiCp/Cu 复合材料裂纹进行了激光冲击强化处理,研究了激光冲击强化处理对电火花堆焊修复裂纹的影响.用 X 射线应力仪测定了沿垂直焊缝方向表面残余应力的分布状况,用微机控制电子万能试验机测量拉伸性能,用显微硬度计测试了焊缝表面的显微硬度.结果表明,当激光脉冲能量为 35J,激光光斑直径为 5mm 时,激光冲击强化处理可以减小或消除焊缝表面残余拉应力,提高经电火花堆焊修复的 SiCp/Cu 复合材料裂纹试样的抗拉强度,还可以提高堆焊焊缝表面显微硬度.

Abstract：

The crack of SiCp/Cu composite weld restored by electro-spark overlaying was processed by Nd: glass laser, and effects of laser shock processing on the electro-spark overlaying weld crack were analyzed. Surface welding residual stress distribution alone the transverse direction of the weld was investigated by X-ray diffraction techniques, the tensile strength of the weld was investigated by strength test, and the micro-hardness distribution of the weld surface was measured with a micro-hardness tester. The results show that when laser power is 35 J and laser spot diameter is 5 mm, the laser shock processing can reduce the welding residual stresses,which even change from the tensile stress into compressive stress,and improve the tensile strength and the hardness of SiCp/Cu composite weld restored by electro-spark overlaying.     

激光冲击选区强化对2024铝合金叶片振动响应特性的影响

目的 探究激光冲击强化技术对2024铝合金叶片振动性能的影响,并探寻最理想的冲击参数.方法 运用Johnson-Cook动态塑性本构模型模拟激光冲击选区强化过程,对强化后的2024航空铝合金叶片的振动特性进行分析.将2024铝合金在激光冲击强化过程中产生的残余应力场和梯度密度分布导入模型,量化激光冲击强化对2024铝合...     

TC17钛合金激光冲击温强化机制的研究

目的提高材料在交变载荷和高温下的疲劳性能,稳定材料的位错结构,增加位错的钉扎效果,使激光诱导的残余压应力更加稳定,有效地抑制强化效果的高温失稳。方法通过提高温度发生动态应变时效(DSA),并与激光冲击温强化(WLSP)结合,使得材料表面形成更深的残余应力层和纳米级沉淀相。对TC17钛合金温控激光冲击强化后的显微硬度、残余应力等性能进行了初步探索。结果经200℃的WLSP后,TC17钛合金的显微硬度可达385HV,相比未强化时提高了18.48%,相比于室温的LSP提高了4.62%。深度方向的残余压应力幅值呈现先增大后减小的趋势,200℃时残余应力达到-236 MPa,相比于常温强化提高了14.56%。观察微观组织发现,位错结构的稳定性和位错密度得到提高。结论激光冲击温强化(WLSP)技术提高了材料表面残余压应力层的高温稳定性,有利于抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,有效地提高了高温条件下残余应力和表面强度的稳定性。该技术操作相对简单,无污染,残余应力高温维稳效果显著。     

FEM simulation of residual stresses induced by laser shock with overlapping laser spots

The finite element method is presented to attain the numerical simulation of the residual stresses field in the material treated by laser shock processing. The distribution of residual stresses generated by a single laser shock with square and round laser spot is predicted and validated by experimental results. With the Finite Element Method （FEM） model, effects of different overlapping rates and impact sequences on the distribution of residual stresses are simulated. The results indicate that： （1） Overlapping laser shock can increase the compressive residual stresses. However, it is not effective on the growth of plastically affected depth; （2） Overlapping rate should be optimized and selected carefully for the large area treatment. Appropriate overlapping rate is beneficial to obtain a homogeneous residual stress field; （3） The impact sequence has a great effect on the residual stress field. It can greatly attenuate the phenomenon of the “residual stress hole” to obtain a homogeneous residual stress field.