方形光斑多点激光冲击强化42CrMo钢表面残余应力和变形的数值模拟研究

2023-09-08孔垂江陈公领

现代制造技术与装备 2023年7期

张鑫孔垂江陈公领朱然刘冰

（1.单县能源有限公司，单县 274300；2.山东科技大学，青岛 266590；3.曹县科技创新服务中心，曹县 274400）

42CrMo钢属于超高强度钢，具有良好的综合力学性能及可加工性，在国内普遍用于制造采煤机和掘进机的截齿齿体。作业过程中，截齿工作环境恶劣，经常发生磨损失效，影响其使用寿命，同时降低了生产效率[1]。针对截齿齿体表面进行表面强化处理，可以延长截齿的疲劳寿命，降低成本。激光冲击强化技术是能够解决此类瓶颈难题的有效手段之一，采用短脉冲、高峰值功率密度的短脉冲激光穿过水层辐照金属零件表面，粘贴在金属表面的黑胶带吸收激光能量，在极短时间内与激光相互作用发生爆炸性气化，产生高温、高压等离子体。向外扩张时，由于受到约束层水的作用而产生高压冲击波压力，并作用于材料表层使其产生塑性应变，形成具有一定深度的残余应力，从而延长金属零部件的疲劳寿命[2]。

在以往的研究中，陈彬等针对回转支撑用钢42CrMo进行了圆形光斑激光冲击强化，分析了不同激光能量对表面凹坑深度、残余应力和硬度的影响。激光能量为5 J时，对应的最高硬度为709 HV[3]。张海东等分析了冷处理对42CrMo钢硬度和耐磨性的影响，结果经过深冷处理的42CrMo钢硬度为52.5 HRC，耐磨性能提升27.52%[4]。李凯针对42CrMo开展了摩擦磨损和电化学腐蚀实验，相比未处理试样，激光冲击后摩擦系数降低了39.1%，腐蚀速度较低[5]。李传君等研究发现，激光冲击强化可以提升42CrMo钢耐高温腐蚀性能，而残余应力幅值随着激光能量的增加而增加[6]。

激光冲击强化过程复杂，影响强化效果的因素较多，通过有限元模拟优化分析关键激光的工艺参数，指导实际工程应用。目前，国内外文献对于多点激光冲击强化的数值模拟，通过显式动态分析和隐式静态分析之间的反复迭代获取最终结果，工作量大，周期长[7-10]。同时，一般是针对圆形光斑进行数值模拟研究，方形光斑的激光冲击强化研究较少。

1 三维模型建立

1.1 激光冲击强化有限元模拟方法

改进的多点激光冲击强化有限元模拟方法包含两个显式动态分析步。对于前n-1个激光冲击波载荷的加载分析，设置较短的显式分析步时间，然后将前n-1步显示分析结果导入最后一个分析步中，作为初始状态的应力场。对于最后一个激光冲击波载荷设置较长的显式分析步时间，以此得到稳定的应力场分布[11]。

对于多点方形光斑的激光冲击波不同时刻、不同位置的加载，通过ABAQUS软件的用户子程序VDLOAD实现自动加载。研究不同工艺参数对激光冲击强化效果的影响时，只需改变用户子程序，提高了仿真效率[12]。方形光斑冲击强化的有限元模拟流程，如图1所示。

图1 激光冲击强化有限元模拟流程图

1.2 确定网格划分及材料性能参数

选取尺寸为25 mm×25 mm×3 mm的42CrMo合金方块，方形光斑尺寸为4 mm，光斑数量为25个，模型尺寸及冲击路径如图2所示。在激光加载区域选取有限单元，网格类型为C3D8R。在边界区域选取无限单元，网格类型为CIN3D8。表面网格划分尺寸为0.150 mm×0.150 mm，厚度方向网格尺寸为0.075 mm，网格划分后的模型如图3所示。

图2 方形光斑冲击区域及轨迹

图3 网格划分后的模型

激光冲击强化过程中，国内外学者大多使用J-C本构模型定义高应变率条件下材料的本构关系[13]。考虑激光冲击强化过程无明显的升温现象，J-C模型表达式可简化为

式中：ε为塑性应变为无量纲塑性应变率；A、B、n均为材料的应变硬化特征参数，其中A为屈服应力，B为硬化模量，n为应变强化指数；C为应变率强化参数，反映了应变率对材料性能的影响。

文中数值模拟选用的材料为42CrMo钢，材料参数如表1所示。

表1 42CrMo钢材料参数

1.3 加载冲击波压强

激光冲击波峰值压强的计算参考费比公式，即

式中：P为激光冲击波峰值压强，GPa；α为内能转化为热能的系数；I为脉冲激光功率密度，GW·cm-2；Z为约束层和靶材的折合声阻抗，g·cm-2·s-1。

42CrMo钢的声阻抗为3.96×106g·cm-2·s-1。根据已有学者的研究，冲击波峰值压强可表示为

参考冲击波压强随时间分布的研究成果，其随时间的变化曲线为高斯分布。数值模拟采用的冲击波压强随时间变化曲线，如图4所示。

图4 不同时刻冲击波压力变化曲线

1.4 确定显式分析步求解时间

激光冲击波峰值压强为2.5 GPa，求解时间为3×10-5s时，前24个方形光斑对42CrMo合金激光冲击得到的能量变化情况如图5所示。从图5可以看出，单个显式分析步内，材料的动能趋于零，塑性能达到饱和，材料内部应力状态已经趋于稳定，因此选取3×10-5s作为单个方形光斑的显式分析步求解时间。

图5 显式分析步能量变化曲线

2 冲击波峰值压强对表面残余应力和变形的影响

选取方形光斑尺寸为4 mm，光斑搭接率为50%，冲击次数为1次，激光冲击波压强分别为2.0 GPa、2.5 GPa、3.0 GPa。图6为不同冲击波压力作用下靶材表面残余应力分布曲线。可以看出，随着冲击波压强的增加，表面残余应力增大，不同条件下对应的残余应力幅值分别为-544.2 MPa、-684.8 MPa、-780.9 MPa。图7为不同冲击波压强作用下靶材表面变形分布曲线。可以看出，随着冲击波压强的增加，靶材表面变形增大，不同条件下对应的表面变形幅值分别为-4.51×10-4mm、-11.00×10-4mm、-20.30×10-4mm，表面变形波动值分别为3.2×10-4mm、6.4×10-4mm、11.3×10-4mm。这主要是由于冲击波压强超过材料的屈服强度时，材料发生塑性变形，在一定范围内，冲击波压强越大，塑性变形也就越大。