一种用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法

摘要

本发明提供了一种用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法，包括如下步骤：建立激光冲击强化孔的有限元模型；仿真计算；根据激光冲击工艺参数，确定激光加载曲线；设定冲击轨迹路线；启动仿真计算模块；启动开孔有限元模拟；对激光冲击的作用区域进行激光冲击强化仿真，然后在冲击中心区域实施开孔模拟；改变激光冲击工艺参数，重复上面步骤；绘制孔壁表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线；制备试样，对试样进行激光冲击强化处理和开孔；测量试样开孔处的表面残余应力统计分析；估算孔壁实际的残余应力峰值。本发明可以根据孔角附近激光冲击强化表面残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线，通过测量孔角附近的表面残余应力。

说明书

技术领域

本发明涉及材料强化处理的理化分析领域，尤其涉及一种用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法。

背景技术

对于正确依据材料性能和激光冲击强度效应，调整激光冲击参数使材料达到最佳冲击效果，具有重要的意义。但是，小孔构件的强化效果与普通表面的强化不同，材料表面的强化，无法确定小孔构件的强化效果；或者说材料冲击表面的强化不一定带来小孔构件的强化，或可能因为此时孔壁产生弱化而产生寿命的副增益；因此研究小孔构件孔壁的应力分布，在冲击强化冲击表面的同时，强化孔壁成为必要；但孔壁残余应力测量困难，而且难以采用现有方法对小孔构件冲击强化效果进行表征。

有文献报道，对于光发射中光谱的测量，从激光冲击强化过程中产生的等离子体所辐射的光谱来反应激光冲击质量是否理想，并把工件材料的光谱成分和吸收层的光普成分和实际测得的光谱进行比对。

有文献报道，使用PVDF压电膜传感器对工件冲击波进行测量时，使用声发射传感器并结合该经验公式能得出工件内冲击波相对幅值，并估算出工件中残余压应力值及工件中冲击波相对幅值，对激光冲击强化进行质量评估。

有文献报道，冲击坑容积法使用光学轮廓仪对冲击点的轮廓进行测量，生成单个冲击点的容积数据，以此来反应强化的质量。冲击压力的测量主要使用放置在工件背面的压电石英计或是PVDF压电薄膜进行测量。

有文献报道，由于空气中等离子体冲击波的速度远高于空气中声波的传播速度，因此，冲击引起的冲击波传播速度越快，冲击波飞行到传感器的时间越短，说明更高能量的等离子体对工件做功，冲击效果越好。

以上的在线检测方法虽然有效地解决了激光冲击强化效果的表征问题，但是对于小孔构件的强化效果无法预测；研究表明小孔构件的强化效果与孔壁的残余应力分布密切相关，但是小孔孔壁的应力测量非常困难，或者说不可能检测。

目前测量激光冲击强化残余应力分布方法主要是依靠X射线残余应力测试仪检测，这种检测方法无法检测孔壁方向上的残余应力分布，如需检测，需要将试样剖开，这不但对试样进行破坏，无法用于实际，而且比较繁琐，实验费用昂贵，精确度也不高，因此工艺过程控制困难，在一定程度上限制了激光冲击强化的发展和应用。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法，可以根据孔角附近激光冲击强化表面残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线，通过测量孔角附近的表面残余应力，来表征小孔构件激光冲击强化效果。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法，包括如下步骤：

S01：建立激光冲击强化孔的有限元模型；具体为定义试样几何模型，经单元选择，网格划分，设定激光冲击的作用区域，选择材料本构模型和参数，施加边界约束条件；

S02：仿真计算；根据激光冲击工艺参数，确定激光加载曲线；设定冲击轨迹路线；启动仿真计算模块；

S03：启动开孔有限元模拟；对激光冲击的作用区域进行激光冲击强化仿真，然后在冲击中心区域实施开孔模拟；

S04：改变激光冲击工艺参数，重复S01-S03；

S05：提取不同激光工艺参数下仿真结果的残余应力分布，绘制孔壁表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线；

S06：制备试样，对试样进行激光冲击强化处理，将强化后的试样进行开孔；

S07：测量试样开孔处的表面残余应力，进行统计分析；

S08：根据表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线，估算孔壁实际的残余应力峰值。

进一步，所述S01步骤中所述网格划分的类型为显式线性缩减积分单元C3D8R；所述网格划分过程为在三坐标轴上光斑半径2倍长度区域进行网格细化。

进一步，所述材料本构模型选用Johnson-Cook模型；所述施加边界条件为施加对称约束。

进一步，所述S05包括如下步骤：

S05.1：提取不同激光工艺参数下模型表面的残余应力，并取距离孔壁Amm处的残余应力值作为模型表面残余应力的仿真值；

S05.2：提取不同激光工艺参数下孔壁的残余应力，并将孔壁上最大的残余应力值作为孔壁应力峰值的仿真值；

S05.3：根据不同激光工艺参数下模型表面的残余应力与孔壁应力峰值，用平滑的曲线绘制出表面残余应力与孔壁应力峰值之间的关系。

进一步，所述S07包括如下步骤：

S07.1：在试样表面距离孔壁Amm处围绕着孔中心取至少5个点，测量其残余应力值；

S07.2：用数理统计的方法分析残余应力值，取置信度为95％的范围内的这组数据中的中值为残余应力值。

进一步，所述A为不大于3mm。

进一步，所述S08具体为：根据S07中测量出的表面残余应力，对照S05中获得的孔壁表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线，得出试样孔壁应力峰值的估计值。

进一步，所述试样的材料为铝合金，所述激光冲击工艺参数中的激光功率密度分别为2.83GW/cm²-10.62GW/cm²，激光冲击波载荷峰值压力分别为2.3GPa-4.5GPa。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法，该方法操作简便、检测效率高，解决了孔壁残余应力测量困难，难以采用现有方法对冲击强化效果进行表征等问题。

2.本发明所述的用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法，对选择工艺参数，优化工艺过程提供了为有效的方法。

3.本发明所述的用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法，结合在线监测的物理量的变化，及其与表面残余应力的对应关系，可以实现在线监测和实时控制。

附图说明

图1为本发明所述的试样的示意图。

图2为本发明所述的试样的激光冲击区域的位置图。

图3为本发明所述的试样模拟状态下，残余应力数据提取路径图。

图4为本发明所述的S06步骤得出的孔壁残余应力峰值与表面残余应力的关系图。

图5为本发明所述不同激光功率密度下试样疲劳寿命的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种用激光冲击强化孔壁的应力峰值检测方法，包括如下步骤：

S01：建立激光冲击强化孔的有限元模型；具体为定义试样几何模型，经单元选择，网格划分，设定激光冲击的作用区域，选择材料本构模型和参数，施加边界约束条件；

S02：仿真计算；根据激光冲击工艺参数，确定激光加载曲线；设定冲击轨迹路线；启动仿真计算模块；

S03：启动开孔有限元模拟；对激光冲击的作用区域进行激光冲击强化仿真，然后在冲击中心区域实施开孔模拟；

S04：改变激光冲击工艺参数，重复S01-S03；

S05：提取不同激光工艺参数下仿真结果的残余应力分布，绘制孔壁表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线；具体如下：

S05.1：提取不同激光工艺参数下模型表面的残余应力，并取距离孔壁Amm处的残余应力值作为模型表面残余应力的仿真值；

S05.2：提取不同激光工艺参数下孔壁的残余应力，并将孔壁上最大的残余应力值作为孔壁应力峰值的仿真值；

S05.3：根据不同激光工艺参数下模型表面残余应力与孔壁应力峰值，用平滑的曲线绘制出表面残余应力与孔壁应力峰值之间的关系。

S06：制备试样，对试样进行激光冲击强化处理，将强化后的试样进行开孔；

S07：测量试样开孔处的表面残余应力，进行统计分析；具体如下：

S07.1：在试样表面距离孔壁Amm处围绕着孔中心取至少5个点，测量其残余应力值；

S07.2：用数理统计的方法分析残余应力值，取置信度为95％的范围内的这组数据中的中值为残余应力值。

S08：根据表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线，估算孔壁实际的残余应力峰值。具体为：根据S07中测量出的表面残余应力，对照S05中获得的孔壁表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线，得出试样孔壁应力峰值的估计值。

具体实施例如下：

S01：建立激光冲击强化孔的有限元模型；具体为定义试样几何模型，经单元选择，网格划分，设定激光冲击的作用区域，选择材料本构模型和参数，施加边界约束条件；

在模拟软件ABAQUS中以Y轴为模型的厚度方向，X-Z平面为激光冲击平面创建长方型小块的几何模型，所述网格划分的类型为显式线性缩减积分单元C3D8R，网格划分过程为在三坐标轴上光斑半径2倍长度区域进行网格细化；所述网格划分过程为在三坐标轴上光斑半径2倍长度区域进行网格细化；所述材料本构模型选用Johnson-Cook模型；所述施加边界条件为施加对称约束。

S02：仿真计算；根据激光冲击工艺参数，确定激光加载曲线；设定冲击轨迹路线；启动仿真计算模块；设定激光参数对有限元模型进行模拟冲击，所述激光参数如下：激光的输出波长为10.6um，脉宽为20ns，激光冲击光斑为圆形光斑，直径为2.6mm，所用激光冲击波载荷压力为2.3GPa，冲击区域如图2所示。得到冲击后有限元模型。

S03：启动开孔有限元模拟；对激光冲击的作用区域进行激光冲击强化仿真，然后在冲击中心区域实施开孔模拟；

S04：改变激光冲击工艺参数，即激光冲击波载荷压力依次选择2.6GPa、3GPa、3.5GPa、4.5GPa，然后重复S01-S03；

S05：提取不同激光工艺参数下仿真结果的残余应力分布，绘制孔壁表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线；具体如下：

S05.1：提取不同激光工艺参数下模型表面的残余应力，并取距离孔壁Amm处的残余应力值作为孔表面残余应力的仿真值，A不小于3mm或者A为不小于冲击范围边长的30％；本实施例为在模型表面每隔0.5mm测一个点，得到表面残余应力分布，如图3路径1所示，并取距离孔壁0.5mm处的残余应力值作为孔表面残余应力的仿真值；

S05.2：提取不同激光工艺参数下孔壁的残余应力，并将孔壁上最大的残余应力值作为孔壁应力峰值的仿真值；

S05.3：根据不同激光工艺参数下孔表面残余应力与孔壁应力峰值，用平滑的曲线绘制出表面残余应力与孔壁应力峰值之间的关系。如图4所示，当表面残余应力达到-450MPa左右时，开始趋于稳定，因此可以认定达到强化效果。从图4中可以看出，随着冲击波载荷压力的不断增大，表面残余压应力不断增大，但随着冲击波载荷压力不断增大，增速有所减缓，而孔壁残余应力峰值呈现先增大后减小的趋势，当载荷压力为3GPa时，残余拉应力达到最大，当载荷压力为4.5GPa时，孔壁全为残余压应力。

S06：如图1所示，制备试样，对试样进行激光冲击强化处理，将强化后的试样进行开孔；

试样采用铝合金材料，采用由计算机控制系统、高功率激光器、自动喷水装置及工作台组成的激光冲击强化实验装置进行激光冲击强化。具体如下：

用酒精清洗试样的表面，在其表面覆盖0.1mm的铝箔吸收层以增强对激光能量的吸收，将试样固定在工作台的夹具上，以使试样表面能与激光器发出的激光束相对；由计算机控制系统控制自动喷水装置向铝箔吸收层表面喷水，从而在铝箔吸收层表面形成1-2mm的水膜，作为激光冲击强化时的约束层；接着由计算机控制系统控制工作台按照设定的“S”型激光光斑冲击轨迹来移动；由计算机控制系统控制高功率激光器向铝箔吸收层发出激光束，所述激光束穿过水膜而辐照于铝箔吸收层，从而在金属材料表面产生残余压应力层，冲击区域与仿真一致；最后将试样从工作台的夹具上拿下来，去除铝箔吸收层；总共冲击的试样有10个(每种激光功率密度有2个试样)；其中激光功率密度分别为2.83GW/cm²、3.77GW/cm²、4.71GW/cm²、5.65GW/cm²和10.62GW/cm²。完成冲击试验后，采用钻-扩-铰的开孔工艺，在试样冲击区和为冲击区所对应的位置各开一个小孔，为排除孔加工工艺对残余应力分布和疲劳寿命的影响，要求加工后孔的粗糙度小于0.2，开孔后还需对试样进行去毛刺处理。

S07：测量试样开孔处的表面残余应力，进行统计分析；具体如下：

S07.1：在试样表面距离孔壁Amm处围绕着孔中心取至少5个点，测量其残余应力值；A不小于3mm或者A为不小于冲击范围边长的30％；

本实施具体为：采用X-350A型X射线应力测试仪对在室温条件下不同功率密度激光冲击的试样进行表面残余应力检测，每种功率密度选取两根试样，其检测点的选取与本发明方法中检测残余应力中相同，为试样表面距离孔壁1mm处，每个试样测量5个点，并取可信度为95％的范围内的一组数据中的中值为测量值。经测量，激光功率密度分别为2.83GW/cm²、3.77GW/cm²、4.71GW/cm²、5.65GW/cm²和10.62GW/cm²冲击后的试样所对应的表面残余应力分别为-285.4MPa、-350.4MPa、-425.5MPa、-469.3MPa和-488.5MPa。除此之外，表面残余应力的无损检测还可以使用超声法、磁性法、声压大小法等一些方法。当工艺参数的增加，表面残余应力测量值处于一个稳定的值时，并且测量的表面残余压应力对应的应力峰值为压应力或接近零时，也即达到了冲击强化效果。

S07.2：用数理统计的方法分析残余应力值，取置信度为95％的范围内的这组数据中的中值为残余应力值。

S08：根据表面理论的残余应力与孔壁应力峰值的关系曲线，估算孔壁实际的残余应力峰值。具体为：

如图4所示，当功率密度为2.83GW/cm²时，孔壁残余应力峰值为60MPa；当功率密度为3.77GW/cm²时，孔壁残余应力峰值为75MPa；当功率密度为4.71GW/cm²时，孔壁残余应力峰值为157MPa；当功率密度为5.65GW/cm²时，孔壁残余应力峰值为62MPa；当功率密度为10.62GW/cm²时，孔壁残余应力峰值为-65MPa。

S09：疲劳验证试验；

将不同功率密度下两根开孔后的试样按照金属材料轴向加载疲劳试验方法以HB5287-1996标准进行拉-拉疲劳试验，疲劳试验在室温下进行，试验中疲劳试验机的型号为Zwick Roell/Amsler 100HFP 5100，试验过程中的最大应力为195MPa，应力比R＝0.1，频率为20Hz。然后算出不同功率密度下疲劳增益的平均值，绘制出疲劳寿命增益与功率密度的关系曲线，如图5所示。从图5中可以看出，当功率密度为4.71GW/cm²时，试样的疲劳寿命增益有明显下降的走势，这与该功率密度下孔壁较大的残余应力峰值相对应，说明在误差的范围内，利用本发明所述的激光冲击强化小孔孔壁残余应力峰值的检测方法的模拟结果和实验结果有较好的一致性，表明该检测方法可靠性和准确性较好，因此只需测量表面残余应力，就能根据关系曲线估算出残余应力峰值，从而可以高效、便捷的检测孔壁残余应力峰值，避免小孔的破坏。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。