飞机受损件激光喷丸残余应力调控研究

张俊豪 程秀全 夏琴香† 程思竹

(1．华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640； 2．广州民航职业技术学院 飞机维修工程学院，广东 广州 510403)

7075铝合金因具备高比强度、延展性、韧性等优点而被作为上翼皮、梁肋等零件材料广泛应用于航天航空领域[1]。飞机上的7075铝合金服役在湿热、盐雾、紫外线等恶劣环境，易发生腐蚀损伤。对于一些受到轻度腐蚀损伤的结构件可经过打磨经表面强化修复后继续使用[2]。在表面强化技术中，激光喷丸以强化效果突出、可控性好等优势而备受关注，并且逐渐在飞机零件的强化和修复中得到大量应用[3]。激光喷丸通过引爆涂覆在试样表面的吸收层材料而产生瞬时高压冲击波作用于材料，使试样表面发生塑性变形并形成表面残余压应力层，残余压应力是激光喷丸效果的重要评价指标之一[4]。

激光喷丸产生的残余应力值的大小与激光喷丸参数息息相关，如搭接率通过影响光斑的重叠程度进而使重合区域塑性变形更加充分，残余应力增加。因此，可通过调控激光喷丸参数的方法实现对残余应力场的控制。而激光喷丸参数与残余应力之间的关系，则是进行残余应力调控的前提。德国Helmholtz-Zentrum Geesthacht材料研究所Kallien等[5]以AA2024-T3铝合金为研究对象，分析了搭接率和激光能量对残余应力分布特征的影响。结果表明，随着搭接率、激光能量的增加，残余应力在数值上也随之增加。江苏大学Luo等[6]对不同搭接率激光喷丸下的LY2铝合金残余应力分布进行研究。结果表明，增加搭接率可提高残余压应力水平并提高残余应力均匀性；但同时激光喷丸产生的凹坑深度也会增加。王昭宇等[7]研究了激光喷丸参数对残余应力分布的影响。结果表明，随着搭接率的增加，残余压应力值增大。帅高鹏[8]对飞机受损件激光喷丸残余应力进行了研究，得到了单点激光喷丸参数对残余应力的影响规律。然而，目前国内外学者的研究主要针对光斑点数较少的情况；且对试样进行激光喷丸强化时，对同一个试样往往采取固定的激光喷丸参数，没有根据试样受载情况(如试样受到拉伸载荷时在圆角处出现应力集中、横截面积小的位置应力比其他位置大)对试样各个位置的残余应力进行灵活调控；这样的激光喷丸策略使得应力集中以及横接面积小的位置依然是试样最容易发生疲劳断裂的位置。

残余应力与零件载荷相互作用后形成均匀的应力场，这是飞机受损件激光喷丸修复时良好效果的体现。文中以7075-T6铝合金飞机受损件为研究对象，基于ABAQUS软件建立了多点激光喷丸有限元模型；通过单因素法建立残余应力与搭接率的拟合关系式并提出采用非均匀搭接率下的激光喷丸激光方法进行残余应力调控；基于此，对获得飞机受损件激光喷丸修复效果进行了研究，对于飞机受损件修复技术的完善和提高飞机持续适航性具有重要的理论价值和实践意义。

1 有限元模型的建立与验证

激光喷丸过程中，吸收层吸收激光能量后发生小范围爆炸，爆炸产生的冲击波在约束层的约束下作用于靶材。环氧树脂柔性约束层和复合黑色胶带吸收层适用于飞机受损件激光喷丸修复过程，具有无污染、不影响周围零件等优势[9]。通过对冲击波压力进行数学描述，可将复杂的激光喷丸过程简化为冲击波压力作用下的材料动态响应过程。激光喷丸冲击波的数学描述包括空间分布和时间分布。冲击波压力空间分布满足[10- 11]：

(1)

式中，x、y为以激光光斑中心为原点的坐标系坐标值，P为点(x，y)处的冲击波压力值，ε为激光能量转化为热能的系数，一般取0.1[12]。Z为金属靶材及约束层的折合声阻抗(吸收层约束层对冲击波压力的影响体现在此参数上)，R为激光光斑半径，I0为激光功率密度。

激光喷丸引起的冲击波压力除了在空间上呈现高斯分布之外,在时间上也具有特殊的波形,如图1所示,加载在试样表面的冲击波压力波形满足梯形分布,包含了升压阶段、平稳阶段和降压阶段(对应图1中的I阶段、II阶段、III阶段)。

研究对象为7075-T6铝合金，材料模型采用Johnson-Cook本构模型[13]。模型参数通过拉伸试验获得。表达式为：

图1 冲击波压力的时间分布

(2)

式中，σ为应力，εp为应变。

建立冲击波压力模型后，采用VDLOAD子程序实现激光冲击波压力的加载。采用C3D8R单元进行网格划分并根据模型形状进行分区，如图2所示。曲面件模型划分为5个区域，平面件划分为3个区域。激光喷丸时将与冲击面相对的面固定。

(a)曲面模型

(b)平面模型

模型建立后，通过对比模拟得到的残余应力值和试验测量得到的应力值，平均相对误差为4.47%(如图3所示，曲线为模拟值，带误差棒的数据点表示试验值)，验证了模型的可靠性。

图3 模拟结果与实验结果对比

2 残余应力调控手段分析

试样上某点的残余应力受到该点附近区域的激光喷丸参数直接影响。因此，通过控制激光喷丸参数可以实现对残余应力的调控[14]。当试样上的所有位置的残余应力都受到控制，形成预设的残余应力场，这一过程即为激光喷丸残余应力调控。

残余应力调控通过激光喷丸参数的连续变化获得变化的残余应力场，而常见的激光喷丸参数包括搭接率、光斑能量、冲击次数、光斑直径、激光入射角等[15]。在激光喷丸试验中，光斑能量调整时较为费时(需要先将激光器停止后再调整输入电压方能实现光斑能量的调整)，冲击次数作为调整参数时，可能会因多次激光喷丸导致试样表面损伤；过大的激光入射角会在冲击面引入残余拉应力和降低残余压应力，可调角度范围较小。搭接率的调整则仅需要通过机器人预先编写运动点轨迹，属于容易调整且对残余应力影响效果较明显的参数。因此本文通过改变搭接率来控制目标位置的残余应力大小。图4是通过搭接率调控残余应力流程图。

激光喷丸参数对残余应力的影响规律是残余应力调控的基础。本文通过调节搭接率实现残余应力调控，因此需要获得残余应力与搭接率的关系。由于激光光斑具有一定的面积，在调控过程中需将激光光斑近似为一个点，这需采用一定面积内平均应力来近似代替中心点的残余应力。基于单因素法进行10组激光喷丸模拟(冲击波峰值压力为2.6 GPa，冲击次数为1次，入射角为0°，激光光斑直径为2 mm，搭接率范围为0%～45%并且每间隔5%作为一组)建立搭接率-残余应力之间的关系，如图5所示。采用多项式对模拟得到的搭接率-残余应力数据点进行拟合，得到以下方程式：

图4 非均匀搭接率法调控激光喷丸残余应力流程

f(x)=-2.915 08x-141.270 73

(3)

图5 平均应力曲线多项式拟合结果

通过式(3)可以获得在不同搭接率时激光喷丸所能产生的残余应力数值。通过控制每个光斑与周围光斑的搭接率，在激光喷丸后构建预期的残余应力场。图6为调控时光斑位置的示意图，图中云图表示需要构建的预期残余应力场(应力为绝对值形式)，剖面线框的应力值可以通过搭接率-残余应力关系进行调控，如图6所示。根据需要获得的残余应力数值，结合式(3)，可得到所需的搭接率参数，利用变化的搭接率，实现对构件表面的应力进行调控。

(a)调控点1

(b)调控点2

(c)调控点3

3 激光喷丸残余应力调控结果分析

3.1 拉压循环载荷下试样应力分布

飞机结构件在服役过程中会受到疲劳载荷的作用，其中最为典型的形式为拉压循环载荷。在循环载荷的作用下，试样上的应力分布为不均匀状态，表现为横截面积越小的位置应力越大，并且越靠近圆弧缺口的位置应力越大，如图7所示。图7中的区域1为整个试样受力最大的区域，对其应力云图进行局部放大(如图8所示)，应力的分布随着X坐标值的增加而先增加后减小，随着Y坐标值的增加而先增加后减小。区域1的应力云图在三维上呈现马鞍面分布，如图9所示。试样上这种均匀的应力可以通过激光喷丸产生的非均匀残余压应力进行抵消，而非均匀的残余应力场可以通过残余应力调控进行设计。

图7 试样在拉压循环载荷作用下的应力分布

图8 区域1应力云图局部放大图

图9 区域1循环应力分布

3.2 残余应力调控效果

由于区域1应力分布具有对称性，因此为了提高有限元模拟效率，仅需对其1/4的面积进行应力调控获得激光喷丸光斑位置，而其余3/4的面积的光斑分布则可通过对称关系获得。根据第2节的应力调控方法，确定激光喷丸光斑位置，如图10所示。光斑搭接率在X轴方向上的变化从36%降低至27%，Y轴方向上的变化从36%降低至25%。根据激光喷丸强化原理，在图10的搭接率处理下，残余应力值随着X、Y轴坐标值增加而减小。

图10 非均匀搭接率的激光光斑分布

图11为区域1平行于X轴的对称线上(路径1)的循环应力、固定搭接率激光喷丸残余应力以及按照图10所示的搭接率进行激光喷丸后得到的残余应力的对比。固定搭接率所产生的残余压应力只能在某个值附近波动，基本属于平稳状态。非均匀搭接率所产生的残余压应力能够较好地跟随外载荷的特点而变化。叠加后的应力值基本在±15 MPa范围内波动(如图12所示)。

图11 路径1上3种应力对比

图12 非均匀搭接率激光喷丸残余应力与循环应力叠加

图13为图11的三维模式，由图13可知，通过残余应力调控，可实现构建具有一定面积的可与最大循环应力抵消的残余应力场(图中平滑曲面为最大循环应力，波动曲面为残余应力绝对值)。

通过搭接率的调节(在图10的基础上将X轴方向搭接率由36%→27%调整为44%→37%；将Y轴方向搭接率由36%→25%调整为44%→36%)，还可以使抵消后的应力呈现压应力状态，如图14所示。确保了需要压应力的场合。对图14中的残余应力进行曲线拟合，拟合方程如下：

f(x)=-0.102 9x2+267.3

(4)

循环应力方程如下：

f(x)=-0.117 1x2+244.8

(5)

通过对比式(4)和式(5)，可知残余压应力绝对值比循环应力约大22.5 MPa。这意味着当残余应力和最大循环拉应力叠加后，试样整体上仍处于-22.5 MPa的压应力状态，这有益于试样的抗腐蚀性能和疲劳性能，从而使试样寿命得到更大的提升。

图13 残余应力绝对值与最大循环应力

图14 残余应力调控结果

对于受损件，也可用非均匀搭接率方法进行应力调节。除了获得能与循环应力抵消的残余应力场之外，还可以根据受损件形状特点实现残余应力均匀化分布。打磨后的腐蚀受损件模型由平面、凸圆弧面、斜面、凹圆弧面组成。在正常的激光喷丸处理后，其残余应力将出现凹圆弧面>斜面、平面>凸圆弧面的情况，如图15所示。图16为通过调整搭接率得到的残余应力曲线与固定搭接率得到的残余应力曲线的对比。由图16可知，变搭接率得到的残余应力更为均匀。

图15 受损件上表面对称轴残余应力

图16 受损件均匀搭接率与非均匀搭接率的残余应力分布

4 结论

文中对基于非均匀搭接率下的7075-T6铝合金飞机受损件激光喷丸强化残余应力调控进行了研究，主要结论如下：

(1)受损件具有的复杂表面形状使固定搭接率激光喷丸后残余压应力呈现凹圆弧面>凸圆弧面的情况。考虑受损件表面形状，通过非均匀搭接率法进行残余应力调控后，可使受损件在无外载残余应力均匀分布，避免了应力集中现象。

(2)基于冲击波压力空间上高斯分布和时间上梯形分布特点，构建出激光喷丸冲击波压力模型。通过VDLOAD子程序激光冲击波压力加载于靶材上，构建出7075-T6飞机受损件激光喷丸有限元模型；模拟获得的残余压应力与试验测量值相对误差为4.47%，验证了有限元模型的准确性。

(3)提出通过非均匀搭接率对激光喷丸后残余应力进行调控的方法。基于单因素模拟获得残余应力与搭接率之间的拟合关系式，以此作为残余应力调控时的非均匀搭接率激光光斑位置设计依据。

(4)通过残余应力调控，可实现对试样残余应力场的精确设计。激光喷丸处理后，试样表面产生经过调控的残余应力场，当拉应力疲劳载荷作用于试样时，残余应力场与疲劳载荷应力场相互抵消，试样表面应力趋于0(即试样表面处于近似无受力的状态)，应力的波动范围为0±15 MPa。