激光冲击7050 铝合金表面“方形光斑”仿真研究

贾毕清

（淮安生物工程高等职业学校，江苏 淮安 223001）

激光冲击强化（LSP）是一种绿色且便捷的表面加工技术，其原理是利用纳秒级激光作用到金属表面的吸收层产生高能高压的冲击波，对材料产生强大的力学效应，从而使材料表面发生局部塑性形变，产生残余压应力并强化表层材料的微观组织，进而改善材料的表面性能。 罗开玉等[1]研究了激光冲击强化对316L 不锈钢熔覆层微观结构和性质的影响，杨聪等[2]研究了方形光斑激光冲击690 高强钢表面残余应应力的分布。本研究选用的7050 铝合金具有密度小、强度高及耐腐蚀性的特点， 广泛应用于航空航天领域，因此，合理强化其表面力学性能显得尤为重要。目前，激光冲击强化技术研究主要采用圆形光斑并利用仿真模拟与试验协同方式，探究不同激光参数对圆形光斑诱导材料表面残余应力的规律[3-5]，但比较不同光斑形状冲击材料表面后残余应力规律的研究鲜见报道，其得出的结果具有一定的局限性。 采用ANSYS/LSDYNA 软件进行有限元分析， 利用二元光学衍射技术， 对激光冲击7050 铝合金试样进行方形光斑冲击仿真，探究其诱导材料表面残余应力的规律，并与圆形光斑冲击相比较， 以期改善7050 铝合金的力学性能。

1 二元光学衍射转变方形光斑有限元模型的建立

1.1 建立模型

为了减少求解计算的时间，考虑到试样的几何形状及光斑形状的对称性，建立1/4 的三维模型，以5 mm×5 mm×1.5 mm 长方体作为求解对象。模型边界设置为相应对称边界，底面为全约束。 设置全局网格大小为0.1 mm，网格单元类型为solid164，并检查网格质量。 由于激光冲击过程具有高应变率特性，故选用Johnson-Cook（J-C）本构模型并赋予材料属性。 同时，因激光冲击过程中吸收层会吸收热量隔热，故忽略热效应。 其关系式简化为：

式（1）中： σ 为流动应力；A 为初始动态曲服强度，B 为应变硬化系数，n 为应变硬化指数，C 为应变硬化因子；ε 表示应变率，ε0表示准静态载荷下的应变率。

7050 铝合金J-C 模型所涉及的参数见表1。

表1 7050 铝合金J-C 模型相关参数Table 1 Relevant parameters of the 7050 aluminum alloy for J-C model

1.2 分析步及压力加载设置

根据冲击波在7050 铝合金内部的传播衰减及能量消散规律，将能量稳定趋于准静态的时间设置为动态求解时间，将分析步时间设置为4 000 ns。 Fabbro等建立的峰值压力与功率密度的压力经验公式为：

式（2）中：α 为效率系数，取 0.15；Z 为折合阻抗，取 0.296×106g/（cm2·s）；I 为激光功率密度（GW/cm2），模拟选取的冲击波压力根据激光功率密度而定。由于冲击波的横波效应导致激光冲击压力加载范围略大于光斑， 因此将加载区域增大至光斑长宽的1.2 倍，即边长为3 mm 的正方形。 压力加载时间根据激光器的脉宽而定，约为脉宽的2～3 倍。 由于激光器脉宽为10 ns，故设置加载时间为30 ns。 图1 为冲击波压力加载曲线。

图1 冲击波压力加载曲线Figure 1 Shock wave pressure loading curve

2 二元光学衍射转变方形光斑对残余应力场的影响

二元衍射转变方形光斑时7050 铝合金的残余应力如图2 所示。

图2 二元衍射转变方形光斑时7050 铝合金的残余应力图Figure 2 Residual stress diagram of 7050 aluminum alloy for binary diffraction-transformed square spot

从图2 可明显观察到光斑中心位置相对于边缘，其残余应力值减小， 且在方形光斑两边缘交界处达到最大应力。 为对比圆形光斑与方形光斑的表面残余应力， 特在方形光斑表面中心至边长的垂直距离上取若干连续单元，提取其残余应力数值并绘制曲线，如图3。

图3 二元衍射光斑转换前后的残余应力分布曲线Figure 3 Residual stress distribution curve before and after binary diffraction spot conversion

由图3 可知，二元衍射转换为方形光斑后，光斑中心位置残余应力为-10.1 MPa， 最大表面径向残余应力为-115.2 MPa，距离中心位置2.7 mm，两者差值达-105.1 MPa，与衍射前圆形光斑差值-172.9 MPa 相比略小，这说明二元衍射转换方形光斑可有效解决冲击表面中心残余应力缺失的问题。究其原因在于光斑通过二元衍射转换后，光斑边界处产生的冲击波到达光斑中心的顺序有了先后，从而抑制了冲击波在光斑中心同时汇聚的数量。但二元衍射也降低了冲击波的峰值压力，故其在优化效果上不如圆形光斑，需结合激光搭接技术进一步研究。

3 激光冲击参数对残余应力的影响

3.1 激光功率密度对残余应力的影响

为了对比不同激光功率密度冲击下试样表面残余应力的分布， 分别对 1.98，2.77，4.07 GW/cm2不同激光功率密度冲击下的模型进行残余应力分析，如图4 所示。

由图 4 可知， 在 1.98，2.77，4.07 GW/cm2激光功率密度下，激光冲击后材料表面最大残余应力值分别为-98.4，-172.6，-289.9 MPa，光斑中心位置的残余应力分别为-5.6，-11.4，-23.6 MPa，其差值分别为-92.8，-161.12，-266.3 MPa。 模型表面与光斑中心的残余应力最大差值位置均在2.6 mm 处， 且差值随着功率密度的增加而增大，即在其他条件不变的基础上，增大激光功率密度会使材料表面的残余应力随之增大，材料表面残余应力均显示出相同的的变化趋势，但残余应力曲线总体呈下移趋势。 可见，随着冲击压力的增加，光斑边缘的表面波增强，向光斑中心汇聚的能量变大，导致材料反向塑性变形增大，从而导致材料表面残余应力出现变化。

图4 1.98，2.77，4.07 GW/cm2 不同激光功率密度冲击下的材料残余应力曲线图Figure 4 The residual stress curve of the material under the impact of the three laser power densities of 1.98，2.77，4.07 GW/cm2

3.2 激光脉宽对材料表面残余应力影响

不同脉宽条件下激光冲击7050 铝合金表面径向残余应力的分布曲线如图5 所示。

图5 3 种激光束脉冲下的残余应力对比Figure 5 Comparison of residual stresses under three laser beam pulses

从图 5 可知，10，20，30 ns 脉宽下光斑中心的残余应力分别为-4.33，-12.4，18.9 MPa， 最大残余应力值分别为-112.6，-185.1，-234.4 MPa，其差值分别为-108.27，-172.7，-215.5 MPa；材料表面的残余应力曲线趋势基本相同，均在0.5 mm 位置处存在波动；靠近光斑中心位置时材料表面残余应力逐步变大，与光斑中心残余应力的差值也逐步增大， 并在2.6 mm 处达到峰值；在其他条件不变的基础上，增大激光束脉宽会使材料表面的残余应力随之增大，且残余应力曲线整体呈下降趋势，其原因在于随着脉宽的增加，激光冲击作用的持续时间变长，材料表面的稀疏波强度和卸载时材料反向塑性变形随之增大，进而导致残余应力变化趋势增大。 但如果脉宽过大，则会使材料受激光冲击时间过长，导致材料被蚀穿，从而破坏材料表面、降低材料表面质量。

4 方形光斑搭接率对残余应力场的影响

鉴于二元光学衍射的方形光斑优化效果不如圆形光斑，可采用二元光学衍射处理和激光搭接处理相结合的方法，对7050 铝合金表面进行复合处理，探究搭接工艺对方形光斑激光冲击效果的影响。不同搭接率下二元光学衍射方形光斑对7050 铝合金表面残余应力场的影响见图6。

图6 不同搭接率下二元光学衍射方形光斑处理工艺后的7050 铝合金表面残余应力场Figure 6 Surface residual stress field of 7050 aluminum alloy after binary optical diffraction square spot processing at different lap rates

由图6 可知，在不同搭接率下，二元光学衍射后7050 铝合金的残余应力分布规律较为类似， 且表面残余应力表现出良好的均匀性，但是随着搭接率的提高，残余应力场分布曲线整体向左偏移，产生这种偏移的实质是随着光斑搭接率的增大，激光冲击压力加载区域变小，重复冲击区域变大。 分别测得搭接率为33%，50%，66%时光斑中心的残余压应力值分别为-17.2，-17.3，-16.9MPa， 残余压应力的最大值分别为-317.4，-308，-327.2MPa，其差值分别为-300.2，-290.7，-310.3MPa，无明显变化差异。 这说明采用二元光学衍射和搭接处理的复合工艺对残余应力场的影响较小，二元光学衍射和搭接率的复合工艺与单独两者的处理工艺相比没有显著的优化效果。

5 结语

采用ANSYS/LS-DYNA 软件进行有限元分析，利用二元光学衍射技术， 对激光冲击7050 铝合金试样进行方形光斑冲击仿真，探究其诱导材料表面残余应力的规律，结果表明：

1） 通过二元光学衍射将圆形光斑转变为方形光斑，可有效减小残余应力洞的产生，但相较于圆形光斑，方形光斑冲击后整体残余应力值偏小。

2） 模拟试验表明， 随着冲击峰值压力和脉宽的增加， 激光冲击波到达光斑边界的强度随之增加，使光斑中心位置的残余应力缺失更加明显。

3） 采用二元光学衍射和搭接处理相结合的工艺方法对7050 铝合金表面进行激光冲击数值仿真发现，在33%，50%，66%搭接率下，最大残余压应力和中心位置残余压应力之间的差值变化不大，这说明二元光学衍射和搭接处理相结合的工艺方法并不能有效反映其对残余应力场的影响，与两者单独工艺处理方法相比不存在优势。