超声冲击强化焊接接头及金属表面强化研究进展

工程机械零件及焊接结构在服役过程中常常因为表面发生磨损、腐蚀和疲劳断裂而失效,而失效形式与其表面加工质量、应力分布状态和表面性能等因素密切相关。超声冲击是一种利用超声波振动驱动冲击针高速撞击工件表面,使工件表面产生塑性变形和残余压应力的表面强化技术,具有效率高、加工精度高以及加工范围广等优势。概述了超声冲击处理技术在焊接接头处理、金属材料表面强化、激光熔覆–超声冲击复合处理以及超声冲击–化学处理复合强化等方面的研究现状及进展。在此基础上,重点综述了超声冲击处理Al、Mg合金及合金钢焊接接头残余应力、力学性能及抗疲劳性能的变化,归纳了传统金属材料以及新兴高熵合金表面超声冲击处理后的组织、微观亚结构及性能变化,总结了超声冲击对激光改性层组织性能的影响规律以及超声冲击预处理对离子渗氮/渗硫层形成及其性能的影响等。超声冲击处理明显降低了焊接接头的残余拉应力,有效提高其疲劳强度,使金属和涂层表面产生纳米化组织,显著提升材料的表面硬度、耐磨性能、耐蚀性能以及耐高温性能,从而延长工程构件的服役寿命。显然,超声冲击处理技术与表面涂层技术相结合,为工程零部件表面强化提供了新的思路。对于表面涂层,超声冲击...     

激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响(Ⅰ)

当短脉冲、高峰值功率密度 (>10 13 W /m2 )的激光辐射金属靶材时 ,就产生高温、高压等离子体 ,该等离子体受到约束层的约束时产生高强度应力波冲击金属表面并向内部传播 ,在材料表面产生应变硬化 ,称这种表面强化技术为激光冲击处理或激光喷丸。激光冲击处理可以提高材料表层硬度、强度 ,并获得比传统的喷丸技术更深的硬化层或残余压应力层 ,从而更有利于材料疲劳性能的提高 ,为研究激光冲击处理在焊后强化方面的应用 ,本文对 1.6 6mm厚的镍基高温合金GH30、1.2mm厚的奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti板材焊缝进行了激光冲击处理 ,对比了激光冲击处理试件和未经激光冲击处理试件焊逢的表层显微硬度、残余应力、抗拉强度和疲劳寿命 ,发现激光冲击处理能提高GH30氩弧焊焊接接头抗拉强度 12 % ,提高 1Cr18Ni9Ti等离子焊接接头疲劳寿命30 0 %以上。     

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。     

激光冲击处理对焊接接头力学性能的影响（I）

当短脉冲、高峰值功率密度（＞10^13W/m^2)的激光辐射金属靶材时,就产生高温、高压等离子体,该等离子体受到约束层的约束时产生高强度应力波冲击金属表面并向内部传播,在材料表面产生应变硬化,称这种表面强化技术为激光冲击处理或激光喷丸。激光冲击处理可以提高材料表层硬度、强度,并获得比传统的喷丸技术更深的硬化层或残余压应力层,从而更有利于材料疲劳性能的提高,为研究激光冲击处理在焊后强化方面的应用,本文对1．66mm厚的镍基高温合金GH30、1．2mm厚的奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti板材焊缝进行了激光冲击处理,对比了激光冲击处理试件和未激光冲击处理试件焊缝的表层显微硬度、残余应力、抗强度和疲劳寿命,发现激光冲击处理能提高GH30氩弧焊接接头抗拉强度12％,提高1Cr18Ni9Ti等离子焊接接头疲劳寿命300％以上。     

不同约束层材料对激光冲击强化表面完整性的影响

为了研究不同约束层材料对激光冲击强化表面完整性的影响,利用水层、K9玻璃、空气约束层(无约束层)、水膜与K9玻璃复合层作为激光冲击强化处理约束层材料,对6016-T6铝合金进行激光强化处理,并分别测量了冲击区表面几何形貌和表面残余应力。结果表明,约束层材料对激光冲击强化处理的效果影响很大,复合约束层强化效果最明显,表面残余压应力提高65%,水层次之,K9玻璃位列第三,空气约束层效果不明显。最后对不同约束层材料对激光冲击强化处理的作用机理进行了初步分析。     

发动机1Cr11Ni2W2MoV叶片激光冲击强化的应用研究

激光冲击强化是一种新型表面处理技术,利用高功率激光束冲击金属零件表面,在零件表面形成较大的残余压应力,可有效改善零件的疲劳性能。以发动机1Cr11Ni2W2MoV叶片为研究对象,对其进行了激光冲击强化处理,研究强化处理对材料的微观组织和疲劳性能的影响。研究结果表明:相比未处理试样,激光冲击强化在1Cr11Ni2W2MoV叶片材料表层形成较大的残余压应力,表层晶粒更为细化,叶片的疲劳寿命提高1.7倍。     

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。     

Research on Laser Peening of TC21 Titanium Alloy with High Energy Laser

激光喷丸,又称为激光冲击强化(LSP),是一种新型表面处理技术,通过在材料表面诱导强烈塑性变形、产生高密度位错,产生较深的残余压应力,来提高材料的表面性能。采用LSP技术应用高能激光处理TC21钛合金。对材料的显微硬度、表面轮廓、冲击区表面粗糙度、残余应力进行了试验研究。结果表明:处理后,材料的显微硬度得到较大提高,冲击表面轮廓与冲击光斑大小直接相关,冲击区表面粗糙度(R a)不超过0.8μm,处理后,材料表面残余压应力水平得到了大幅度提高。经过LSP处理后,改善了材料的综合性能。     

激光冲击强化对Ti-6Al-4V合金表面完整性及疲劳性能的影响

研究了激光冲击强化处理对Ti-6Al-4V合金表面完整性及疲劳性能的影响。采用表面粗糙度仪、显微硬度计和X射线衍射残余应力仪分别对激光冲击强化前后Ti-6Al-4V合金表面完整性进行了表征。在PQ-6旋转弯曲疲劳试验机上测试了经激光冲击强化处理的Ti-6Al-4V合金107周次条件下的疲劳极限,用扫描电镜分析了疲劳断口形貌,探讨激光冲击强化机制。结果表明,激光功率密度越大,表面粗糙度越小,表面残余压应力和表面硬度值越大,残余压应力层和硬化层深度越深;与原始试样相比,激光冲击强化试样的疲劳极限提高了33.3%,原因是激光冲击强化可以显著降低合金表面的粗糙度,改善合金的表面完整性,产生深层的残余压应力场和表面硬化层,将疲劳裂纹源由表层转移到次表层,有效地抑制了疲劳裂纹的萌生和扩展,从而提升合金的疲劳抗力。     

激光冲击处理对LY12CZ铝合金残余应力的影响

利用激光冲击波对LY12CZ铝合金表面进行了冲击处理,用X衍射法测试了其冲击后的残余应力.实验结果表明,LY12CZ铝合金原始状态的残余应力表现为拉应力,其均值为110～120 MPa,合理地选择约束层的材料与厚度、能量吸收层的材料、激光光斑参数与模式,冲击处理后的残余应力值为-50±8 MPa,达到了工艺要求的残余应力值范围(-40-60 MPa),实现了对LY12CZ铝合金表面残余应力的控制,有利于提高其表面涂层的结合强度.     

强激光冲击诱导铝合金中的空位现象分析

利用输出波长为1064 nm、脉冲宽度为20 ns的钕玻璃YAG激光,对2A02铝合金进行了表面冲击试验。通过对激光冲击处理试样的HREM高分辨像观察,分析了激光冲击2A02铝合金材料微结构中的空位现象。结果表明,考察区域在激光冲击超高应变率作用下,在形成大量位错的同时,伴随形成相应的空位;空位片成为激光冲击超高应变率形变条件下铝合金基体中的特征微结构;空位和位错的重组作用加剧了点阵畸变,引起的第三类内应力和纳晶化提高了激光冲击表面的硬度和残余压应力。     

激光冲击强化的影响参数与发展应用

激光冲击强化是一种先进表面技术,其利用激光诱导形成的等离子冲击波对金属材料进行强化,因具有强化效果更佳、可操控性更强和适用性更好等技术优势,得到了越来越广泛的应用与研究,对提高部件的疲劳性能和延长材料使用寿命具有重要作用。简要介绍了激光冲击强化技术的发展概况,分别从激光工艺参数、约束层与吸收保护层、冲击角度等影响参数进行了重点分析与总结。激光工艺参数是影响强化效果的最重要因素,选取最佳的激光功率密度、最优的光斑搭接率、适当的冲击次数以及合适的脉冲宽度可以明显提高强化效果。针对不同的材料形态,应选取合适的约束层和吸收保护层,提高激光透光率的同时防止材料表面烧蚀。此外还需考虑激光冲击强化的冲击角度,选择合适的冲击角度,能够对复杂的结构进行强化。综合考虑激光冲击强化的影响参数,可为得到最佳激光冲击强化效果提供重要的理论参考。     

激光冲击成形AZ31镁合金微观结构和性能的研究

采用最大输出激光脉冲能量为12.5 J的Thales Laser激光器对AZ31镁合金交叉轧制薄板进行激光冲击成形(LSF),在此基础上研究和分析了激光冲击表面结构和电化学特性。结果表明:LSF属于厚度减薄机制,失效形式具有韧性断裂和脆性断裂混合特征;LSF内凹面出现了纹理清晰的周期性波纹结构,波纹间距为纳米级,伴随着激光冲击强化效应和微观结构改变,镁合金耐腐蚀性得到提高。     

Investigation on the non-homogeneity of residual stress field induced by laser shock peening

Laser shock peening can impart compressive residual stresses in the target material, which is an innovative surface treatment technique similar to shot peening. But when laser intensity exceeds a threshold, the lower residual stress at the center of the laser shocked zone compared to those away from the center will be induced. This phenomenon is closely related to the rapid and complex response of target material during the treatment. A complete numerical model, as an effective way to investigate the shock-solid interaction, is conducted to simulate the process and is experimentally validated by the surface deformation of target material subjected to multiple impacts. Dynamic responses of target material including surface displacements, stresses and strains, are analyzed in detail based on the model. The residual stress drop at the center is found to be induced by the reverse plastic loading due to the boundary effect of laser shock. And adopting square laser spots should attenuate the simultaneous focalization of release waves and decrease the residual stress drop.     

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。     

激光参数对Ti6Al4V钛合金激光冲击成形的影响

研究在Ti6Al4V合金激光冲击成形过程中,不同激光参数对板料弯曲角及表层硬度的影响。结果表明:当激光功率密度小于3GW/cm2时,弯曲角随着激光功率密度线性增加,激光功率密度超过3GW/cm2时,由于表面熔化现象的出现,弯曲角出现减小的趋势;板料弯曲角随冲击次数的增加也呈线性增长,但弯曲阻力的增加使得弯曲角的增长速度逐渐减慢;随着激光功率密度的增加,材料表面冲击区的硬度增高,表面硬化层的显微硬度最高达HV490,硬化层厚度约为1.0mm。     

Effects of laser shock processing on stress corrosion cracking susceptibility of AZ31B magnesium alloy

Laser shock processing (LSP) is a new technique for strengthening metals. The effects of LSP on the stress corrosion cracking (SCC) susceptibility of AZ31B magnesium (Mg) alloy were investigated. Water-immersed specimens of AZ31B magnesium alloy were shocked by Q-switched Nd: glass laser with a wavelength of 1064 nm. A fine-grained structure with an average sub-grain size of 5.8 μm was obtained after four laser impacts. Residual stress distribution as a function of depth was assessed by using X-ray diffraction technology. It was observed that with increasing the number of laser impacts, the compressive residual stress near the surface increased. The depth of the compressive residual stress induced by LSP exceeded 0.8 mm from the surface. SCC test in 1 wt.% NaOH solution showed that LSP retarded the SCC initiation and growth in AZ31B Mg alloy.     

Laser Shock Processing of Metal Sheet and Welded Joints

LASER shock processing uses tense pulse laserinduced the impulsive wave to generate strainhardening,which show dislocation and twin in thesurface of metal in microscope and improvement ofhardness and residual compress stress.LSP can gainmore highly and more deep compressive residualstress layer than those in the case of conventionalpeening,LSP can also keep the smooth surface,whichis more benefit for the improvement of fatigueproperties.With the shocked zone controlled by laser spot,LSPhav…     

Numerical simulation and experimentation of micro scale laser bulge forming

Micro scale laser bulge forming is a high strain rate micro-forming technique, which employs the shock wave pressure induced by a laser pulse to deform thin metals to 3D configurations. The process holds promise for fast setup, well-controlled, high efficiency and precision of fabrication of complex miniaturized devices. In this paper, micro scale laser bulge forming of pure copper was investigated using both numerical and experimental methods. A finite element model was proposed to simulate the dynamic deformation of the shocked material, and the simulation results were validated by experiments. With the verified model, the deformation mechanism of the transient forming process was characterized through the evolution of equivalent plastic strain rate and the distributions of strains and residual stresses. In addition, the effects of laser energy, die diameter and sample thickness on the forming behavior of copper foils were studied. The experimental and numerical simulation results show that with an increase of sample thickness, the deformation depth decreases, while it becomes larger as the enhancement of laser energy. The shock forming process is not very sensitive to the diameter of the die, indicating that it is feasible for micro products in a wide dimension range.