關(guān)于厚板小孔構(gòu)件激光沖擊與超聲擠壓復(fù)合強(qiáng)化的研究

1、 關(guān)于厚板小孔構(gòu)件激光沖擊與超聲擠壓復(fù)合強(qiáng)化的研究 摘要：飛機(jī)上存在成千上萬個(gè)鏈接孔、緊固孔等，而小孔結(jié)構(gòu)是典型的應(yīng)力集中細(xì)節(jié)，易在疲勞載荷下失效，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅，因此提高小孔構(gòu)件的抗疲勞性能意義重大。新加坡zheng h.y等對超聲振動輔助飛秒激光打微孔的復(fù)合加工方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)超聲振動的引入比單純的激光加工對小孔壁面的光潔度有較大的改善。本文將對厚板小孔構(gòu)件的超聲擠壓和激光沖擊兩種強(qiáng)化進(jìn)行分析，并對其超聲擠壓及激光沖擊復(fù)合強(qiáng)化后的疲勞特性進(jìn)行仿真研究。關(guān)鍵詞：厚板小孔；超聲振動；激光沖擊處理；有限元分析；力學(xué)特性0.引言傳統(tǒng)小孔構(gòu)件強(qiáng)化方法有機(jī)械噴丸強(qiáng)化，干涉配合，滾

2、壓強(qiáng)化等，激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)（lsp）是國際上迅速發(fā)展起來的一種新型表面強(qiáng)化技術(shù)，通過激光誘發(fā)的沖擊波使材料表面產(chǎn)生彈塑性變形，從而在表面引入一定的殘余壓應(yīng)力場，使材料的抗疲勞性能得以提高。該技術(shù)具有非接觸、形變小、不存在熱影響區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。但對于厚板，由于孔壁中部難以受到激光沖擊的影響而導(dǎo)致強(qiáng)化效果相對較差。超聲振動擠壓技術(shù)是在冷擠壓的基礎(chǔ)上加上超聲振動，能有效降低冷擠壓過程中的摩擦力，從而減小拉拔力，使芯棒不易斷裂，使得芯棒擠壓強(qiáng)化3mm 以下的小孔成為可能，但擠壓后的孔壁應(yīng)力分布不均勻，孔壁中部壓應(yīng)力較高，而孔角依然比較薄弱。將上述兩種小孔強(qiáng)化方法復(fù)合在一起，取長補(bǔ)短，是一種新的強(qiáng)化工藝，使得

3、厚板小孔構(gòu)件也達(dá)到很好的強(qiáng)化效果。1.激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)1.1 激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)原理激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)，是用高功率密度、短脈沖的激光通過透明約束層，由于能量沉積的時(shí)間很短，只有納米級，所以強(qiáng)化材料在受到龐大能量沖擊時(shí)會瞬間氣化為高能等離子體。在被約束層，等離子體迅速膨脹，從而形成超高壓的沖擊波，反向作用于材料，改變材料微觀組織，提高材料的抗疲勞性能、表面硬度以及耐磨性。1.2激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)殘余應(yīng)力分析根據(jù)爆炸轟擊波模型分析，約束層有利于形成較大的壓應(yīng)力。激光沖擊波照射材料表面產(chǎn)生正應(yīng)力，在正應(yīng)力的作用下，材料發(fā)生塑性變形，進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。根據(jù)彈性力學(xué)理論，只有激光沖擊波應(yīng)力大于材料的彈性極限時(shí)

4、，才會發(fā)生塑性變形和殘余應(yīng)力。 等人多次試驗(yàn)研究后，對金屬表面的塑性變形量 進(jìn)行計(jì)算：式中： -材料彈性應(yīng)力極限 -拉曼系數(shù)p-沖擊波壓力。當(dāng)p 時(shí)，材料發(fā)生可以恢復(fù)的彈性形變；當(dāng)時(shí)，材料仍會發(fā)生一部分彈性形變；當(dāng)，塑性形變逐漸變大接近飽和；當(dāng)時(shí)，材料則會因?yàn)楸砻嫘遁d波的形成，降低殘余正應(yīng)力。根據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，最佳的峰值壓力應(yīng)該取在23倍的彈性極限范圍內(nèi)，此時(shí)激光沖擊強(qiáng)化效果最佳。2.超聲擠壓強(qiáng)化技術(shù)2.1超聲擠壓強(qiáng)化技術(shù)原理在小孔冷擠壓強(qiáng)化的過程中，芯棒直徑大于孔徑，此時(shí)孔壁會發(fā)生一定的塑性變形，而較遠(yuǎn)處的材料則會產(chǎn)生彈性變形，彈性變形層對塑性變形層進(jìn)行反向加載，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。而在超聲擠壓強(qiáng)化中

5、，根據(jù)超聲振動的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，超聲高頻振動作用下，正在變形的原子產(chǎn)生受迫振動，使得原本偏離位置的原子重新復(fù)位，提高材料的塑性。2.2超聲擠壓強(qiáng)化后材料力學(xué)特性分析姜銀方等人 通過仿真模擬研究，對接觸力和摩擦力進(jìn)行了對比分析，得出結(jié)論：各階段的摩擦力、接觸力變化規(guī)律基本趨于一致，超聲擠壓強(qiáng)化過后的摩擦力、接觸力的平均值都小于傳統(tǒng)擠壓強(qiáng)化，同時(shí)，在擠壓強(qiáng)化過程中施加超聲振動后，接觸力和摩擦力均會隨著時(shí)間的增加而減小。3.超聲擠壓與激光沖擊復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)3.1復(fù)合強(qiáng)化對應(yīng)力分布的影響（a） （b） （c）強(qiáng)化后孔壁路徑殘余應(yīng)力狀態(tài)超聲擠壓強(qiáng)化是通過對孔壁施壓，使得較遠(yuǎn)處材料對孔壁進(jìn)行反向加載，在

6、孔壁附近形成殘余壓應(yīng)力，延長小孔使用壽命，如圖（a）所示，孔壁中部產(chǎn)生較大的殘余壓應(yīng)力，而孔角的殘余應(yīng)力較小，且不對稱。激光沖擊強(qiáng)化使材料表面發(fā)生塑性變形，試樣表面產(chǎn)生一定高度的壓應(yīng)力，進(jìn)而提高小孔疲勞性能。但是如圖（b）所示，孔壁中部會出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，使得沿孔厚方向，應(yīng)力呈現(xiàn)“壓-拉-壓”的狀態(tài)，孔壁中部成為薄弱地區(qū)。此時(shí)，根據(jù)應(yīng)力疊加理論分析，若將兩種強(qiáng)化方式結(jié)合，則如圖（c）所示，小孔整個(gè)孔壁呈現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，提高抗疲勞性能。3.2復(fù)合強(qiáng)化有限元結(jié)果分析3.2.1仿真過程本文使用abaqus有限元分析軟件模擬鋁合金結(jié)構(gòu)孔的復(fù)合強(qiáng)化。首先定義材料屬性：工作芯棒采用 ，彈性模量e=210gpa

7、，泊松比為0.3；小孔構(gòu)件采用航空鋁7050-t7451，泊松比為0.33，彈性模量e=69gpa。定義接觸對：本文強(qiáng)化過程采用的接觸類型為剛體-柔體接觸，即定義工作芯棒的外表面（主面）和7050-t7451鋁的內(nèi)表面為接觸面（從面），允許按壓過程中產(chǎn)生相對滑移，摩擦因數(shù) 。劃分網(wǎng)格：為了分析強(qiáng)化后的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，所以定義越靠近孔邊緣部分，網(wǎng)格越精細(xì)。3.2.2復(fù)合強(qiáng)化影響因素分析通過調(diào)試仿真軟件的各類參數(shù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)影響復(fù)合強(qiáng)化效果因素有很多，例如通過改變激光脈寬，發(fā)現(xiàn)在峰值壓力2gpa時(shí)，不同脈寬下復(fù)合強(qiáng)化后的拉應(yīng)力峰均出現(xiàn)在距孔壁中部一定深度處，并且隨脈寬的增加而減小，而孔壁中部的

8、殘余拉應(yīng)力值以及孔角處的殘余壓應(yīng)力值則隨著脈寬的增加而增加；通過改變振幅后發(fā)現(xiàn)，除了孔角處的應(yīng)力存在微小差異，表面殘余應(yīng)力分布曲線基本重合，即芯棒振幅對復(fù)合強(qiáng)化后的效果沒有明顯的影響。4.結(jié)束語本文借助abaqus有限元分析及彈塑性力學(xué)原理，對超聲擠壓強(qiáng)化與激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了理論分析，并對其復(fù)合強(qiáng)化進(jìn)行了仿真模擬，得出結(jié)論：在激光沖擊強(qiáng)化后加入超聲擠壓，能夠有效平衡孔壁中部的殘余拉應(yīng)力；增大脈寬會使孔壁中部的殘余拉應(yīng)力增大，而增大振幅對復(fù)合強(qiáng)化后的效果沒有影響?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1李鑫. 小孔結(jié)構(gòu)激光沖擊與超聲復(fù)合強(qiáng)化及抗疲勞研究d.江蘇大學(xué),2019.2姜銀方,劉委,趙勇,李鑫,李旭.小孔構(gòu)件超聲擠壓