錢紹祥，殷曉中，王 琦，劉 波，冷承業(yè)

（1.鎮(zhèn)江高等?？茖W校機械工程系，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

激光沖擊處理對小孔構件殘余應力場的影響

錢紹祥1，2，殷曉中1，王 琦1，劉 波1，冷承業(yè)1

（1.鎮(zhèn)江高等?？茖W校機械工程系，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

采用高功率Nd：glass激光器對LY12CZ鋁合金小孔構件表面進行激光沖擊強化處理，并對沖擊區(qū)域進行殘余應力場的測試與分析。結果顯示，在激光功率密度為1.75 GW／cm2和光斑直徑為6 mm的強激光沖擊作用下，沖擊區(qū)域產生了殘余壓應力場，層深約1.2 mm，表面最大殘余應力為-57 MPa，厚度方向上最大殘余應力為-36 MPa。優(yōu)化后的激光沖擊處理工藝參數能夠獲得較好的殘余應力場。

激光沖擊處理；小孔構件；LY12CZ鋁合金；殘余應力

在飛機構件的制造過程中，為了聯結的需要使得復雜的零件表面存在大量的小孔結構。由于孔結構屬于典型的應力集中部位，極易在交變載荷作用下從孔邊緣處萌生疲勞裂紋和微動磨損裂紋，從而降低零件的疲勞強度，因此，孔結構的強化是確保飛機構件安全性和可靠性的關鍵。目前，每架飛機均采用孔結構強化技術并作為技術要求進入了設計規(guī)范和設計手冊［1］。國內外廣泛使用冷擠壓、干涉螺紋和噴丸強化等工藝提高孔結構的疲勞性能［2-3］，但由于通路和可達性的問題，對于直徑小于4 mm的小孔強化很難實現。激光沖擊處理（Laser Shock Processing，LSP）是利用納秒級強脈沖激光誘導的高壓沖擊波在金屬材料表層產生應變強化，在其他傳統強化工藝難以處理的部位獲得較好的綜合表面性能［4-5］。國內外學者對孔結構進行了大量的激光沖擊處理實驗和探討，但大多是從處理后的試樣進行疲勞強度實驗研究，沒有從激光沖擊處理工藝參數優(yōu)化以獲得更好的殘余壓應力場的角度來研究［6-8］。由于激光沖擊強化提高金屬部件疲勞性能的主要因素之一是在金屬部件表層形成較大、較深的殘余壓應力場，因此本實驗通過對Φ2 mm的LY12CZ鋁合金小孔進行激光沖擊處理，通過選擇優(yōu)化合理的工藝參數，以期獲得更好的孔周殘余應力場的分布，使其達到工藝要求的應力范圍，從而有利于提高小孔構件的疲勞強度。

1 實驗

試驗材料采用LY12CZ鋁合金，其化學成分（wt%）為：Cu 4.14，Mg 1.44，Mn 0.50，Fe 0.29，Si0.18，Ti＜0.05，Zn＜0.20，Ni＜0.05，Al余量；其動態(tài)屈服強度σH為541 MPa，抗拉強度σb為460 MPa。在材料中心處加工1個2 mm的鉚釘孔以模擬材料的實際工況，LSP實驗采用高功率Nd：glass激光器，選用K9玻璃為約束層，厚度4 mm，表面涂86-1黑漆為激光沖擊的吸收層，厚度約0.2 mm。

采用X-350A型X射線應力儀對小孔進行殘余應力測試，使用側傾固定Ψ法，Ψ分別取0°，15°，25°和45°，鉻靶Kα特征輻射，應力測試晶面為（420），應力常數為k=-71 MPa／（C°），掃描起始角及終止角分別為170°和120°。

2 工藝參數的優(yōu)化

激光沖擊處理工藝參數對強化效果有著直接的影響，工藝參數主要包括激光功率密度、光斑形狀與尺寸、脈沖寬度、光斑搭接率、強化次數、約束層和吸收層狀態(tài)。而激光功率密度、光斑直徑、脈沖寬度將直接影響單點單次激光沖擊處理后的強化效果，三者之間的關系為

其中I0為激光功率密度，E為激光脈沖能量，f為脈沖寬度，D為光斑直徑。由式（1）可知，增大激光能量，或降低脈沖寬度和光斑面積，都會使得功率密度變大，增加等離子體沖擊波的強度，從而在沖擊區(qū)域形成不同的殘余應力狀態(tài)，因此，在進行激光沖擊強化處理前應對這3個參數進行優(yōu)化。

2.1 激光功率密度

材料強化的直接動力來源是激光誘導產生的等離子體沖擊波，而激光誘導產生的沖擊波壓力P與功率密度I0近似成正比［9-10］，簡化為

可見，調節(jié)激光功率密度的大小，實質上是調整激光沖擊波的壓力。為了使材料表層發(fā)生塑性變形，獲得有益的殘余應力場，一方面，必須使激光誘導的沖擊波峰值壓力大于靶材的動態(tài)屈服強度，另一方面，為了避免材料發(fā)生層裂，激光沖擊波的峰值壓力不能大于靶材的動態(tài)抗拉強度。

激光誘導的沖擊波壓力P小于材料的σH時，材料只發(fā)生彈性形變，當P在σH與2σH之間時，塑性形變隨沖擊波峰值壓力的增加呈線性增加，并有彈性回復；當P在2σH與2.5σH之間時，塑性形變達到飽和；當P大于2.5σH時，表面將產生卸載波，在一定程度上會降低金屬表面殘余壓應力［11］。因此，對于LY12CZ鋁合金，沖擊波壓力P最佳范圍為1.08 GPa≤P≤1.35 GPa，可得最佳的激光功率密度范圍為1.12 GW／cm2≤P≤1.75 GW／cm2。激光沖擊處理小孔周邊時，由于小孔的存在，不利于靶材表層的塑性形變，影響沖擊強化效果，需要對最佳激光功率密度范圍進行修正。

2.2 脈沖寬度

激光沖擊處理的過程中，通過調節(jié)激光束脈沖的持續(xù)時間控制沖擊波壓力的作用時間，通常沖擊波壓力的作用時間是激光脈沖寬度的2～3倍［12］，所以較小的脈沖寬度可以獲得較大的表面殘余應力，但會影響靶材的強化深度。通常，為了獲得較好的強化深度，會選擇較大的脈沖寬度，而過大的脈沖寬度會燒蝕靶材的表面，從而降低強化效果，因此，激光沖擊強化所需的脈沖寬度一般在幾納秒到幾十納秒之間。

2.3 光斑直徑

光斑的尺寸對殘余應力的分布影響較大，較大光斑以平面波的形式傳遞沖擊波，能量衰減速度慢，從而增大殘余壓應力層的深度，而較小的光斑以近似球面波的形式傳遞沖擊波。為了降低機械加工形成的孔周殘余拉應力，根據文獻［13］，最佳激光沖擊強化的光斑直徑為小孔直徑d的3倍，即D=3d。

選擇光斑直徑為6 mm恒定，通過改變激光脈沖能量E和激光脈寬f調整沖擊波壓力。根據2004年美國頒布的激光沖擊強化規(guī)范（SAE-LSP）①Laser peening aerospacematerial specification.SAE Aerospace.2004，8，ASM2546.，對于一般航空材料，E選擇范圍為1～12 J，所以實驗采用優(yōu)化后的激光工藝參數為：E為11 J，D為6 mm，f為23 ns，I0為1.75 GW／cm2。

3 結果與討論

由于孔是激光沖擊處理的中心區(qū)域，沖擊區(qū)域產生塑性變形，孔的內表面沒有約束，材料會向光斑中心產生一定的微小位移。從圖1中可以看出：

圖1 從孔邊緣起表面殘余應力的分布

1）在X，Y方向上的最大殘余壓應力-57 MPa，產生在靠近孔邊緣0.5 mm附近處，而不是孔周邊緣處，這是由于激光沖擊波使得光斑中心處受到的沖擊壓力最大，孔的邊緣產生的沖擊載荷最大，但是孔的內部處于無約束狀態(tài)，不能形成有效的壓縮，削弱了孔周邊緣處的殘余壓應力值。

2）在X，Y方向上殘余應力的分布隨著離孔邊緣距離的增大，殘余壓應力值逐漸變小，當距離在1.7 mm附近時，殘余應力衰減到零。因為圓形光斑是中心對稱，激光沖擊產生的應力波是關于距離沖擊中心半徑的函數，近似服從高斯分布，隨著離光斑中心位置距離的增大，沖擊波能量逐漸衰減。另外，材料內部材質的不均勻，各點硬度值不一定相同，在一定程度上影響殘余壓應力的變化。

3）在光斑作用區(qū)域的邊緣處產生殘余拉應力分量，主要是因為激光沖擊區(qū)域產生的類似Rayleigh波、切應變波等表面稀疏波向光斑中心處匯聚，產生中心匯聚效應，且光斑邊緣處的曲率最大，表面稀疏波的強度較大，形成的局部反向加載最厲害，從而產生反向塑性形變，削弱了先前塑性波形成的殘余壓應力場，使得激光沖擊處理后在光斑邊緣處產生殘余拉應力。

由圖2可知，孔邊緣殘余壓應力層深約為1.2 mm，厚度方向上殘余壓應力最大值為-36 MPa；隨著厚度的增加，殘余壓應力衰減得很快。因為激光沖擊波在金屬材料內部的傳播過程中按指數規(guī)律衰減，激光誘導的應力波在靶材表面最強，材料表面的強化效果最好，隨著應力波向材料內部的傳播，沖擊壓力不斷下降，金屬材料發(fā)生反向彈性應變，從而發(fā)生塑性卸載，對材料的強化效果逐漸減弱，所以隨表面距離的增加，材料內的殘余壓應力值逐漸減少。

圖2 孔曲面厚度方向殘余應力的分布

4 結論

采用高功率Nd：glass脈沖激光器沖擊處理Φ2 mm的LY12CZ鋁合金小孔，優(yōu)化后的工藝參數為激光功率密度為1.75 GW／cm2，光斑直徑6 mm，脈沖寬度23 ns。實驗結果表明：

1）激光沖擊處理可以消除小孔由于機械加工所形成的殘余拉應力，并產生殘余壓應力。

2）優(yōu)化后的工藝參數可獲得了較好的殘余應力場，最大表面殘余應力能達到-57 MPa，厚度方向上最大殘余應力為-36 MPa，殘余壓應力層深約1.2 mm，有效的改善了孔周邊殘余應力場的分布，提高了小孔結構的疲勞強度。

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〔責任編輯：盧 蕊〕

Effects of the residual stress field on hole com ponents by laser shock processing

QIAN Shao-xiang1，2，YIN Xiao-zhong1，WANG Qi1，LIU Bo1，LENG Cheng-ye1
（1.Mechanic Engineering Department，Zhenjiang College，Zhenjiang 212003，China；2.College of Mechanic Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212003，China）

The surface of LY12CZ aluminum alloy hole componentwas treated with Nd：glasss laser，and its residual stress was tested and analyzed.In the impact of laser shock processing using the laser power density of 1.75 GW／cm2and spot diameter of6mm，the shocked area produced compressive residual stresswith its deepness about 1.2mm.Themaximum surface residual stress is-57MPa and themaximum residual stress in the thickness direction is-36MPa.The optimization of LSP technological parameters can obtain good residual stress field.

laser shock processing（LSP）；hole components；LY12CZ aluminum alloy；residual stress

TG665

A

1008-8148（2014）04-0061-03

2014-05-16

國家自然科學基金資助項目（51179076）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目（CXLX13-640）；鎮(zhèn)江高專科研團隊建設項目（ZJCKYTD05）

錢紹祥（1977—），男，江蘇泰興人，講師，博士生，主要從事激光沖擊強化研究；殷曉中（1975—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，副教授，主要從事機械設計研究。