光斑模型對(duì)激光沖擊成形性能的影響*

唐振州 姜銀方 李志飛 方 磊

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

1 激光沖擊成形原理

金屬板料激光沖擊成形的基本原理如圖1［1］，將高功率密度（109W/cm2級(jí)）、短脈沖（10－9s級(jí)）的強(qiáng)激光作用于覆蓋在金屬板材表面上的能量轉(zhuǎn)換體，轉(zhuǎn)換體和金屬板料相接觸一側(cè)的薄層因吸收能量而汽化，汽化后的蒸氣急劇吸收激光能量形成等離子體而爆炸，爆炸時(shí)形成動(dòng)量脈沖，并產(chǎn)生向金屬成形方向的應(yīng)力波，板料在這種應(yīng)力波的作用下產(chǎn)生塑性變形。能量轉(zhuǎn)換體兼有能量吸收層和約束層雙重功能，其主要作用是把激光束產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)成機(jī)械能（沖擊波壓力），并提高激光能量的利用率，保護(hù)工件表面不受到激光的熱損傷。通過選擇激光脈沖能量、沖擊軌跡和作用區(qū)域的脈沖次數(shù)，在數(shù)控系統(tǒng)控制下，可實(shí)現(xiàn)板料的局部或大面積成形。它具有加工范圍廣、集板料成形和強(qiáng)化于一體等許多優(yōu)勢(shì)，克服了采用傳統(tǒng)模具進(jìn)行冷擠壓成形的方法中存在生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、柔性差、模具費(fèi)用大且適合低碳鋼等薄板成形等不足，適應(yīng)現(xiàn)代市場(chǎng)產(chǎn)品快速更新的要求。但是，其沖擊成形區(qū)高低不平，存在不均勻性的缺點(diǎn)［2－3］，如圖 2［4］所示?；诖?，本文提出了通過環(huán)形光斑模型改善板料成形性能的方法，并將此光斑模型與均布和高斯光斑模型加以對(duì)比，初步論證了利用環(huán)形光斑模型的優(yōu)越性。

2 激光沖擊處理試驗(yàn)

試驗(yàn)所用激光器為Nd:YAG脈沖激光器，激光沖擊參數(shù):功率密度1.2～3.2 GW/cm2，波長(zhǎng)1.06 μm，脈沖寬度23 ns，頻率0.1 Hz，光斑直徑8 mm。流水為約束層，厚1 mm;鋁箔為吸收層，厚0.1 mm。

實(shí)驗(yàn)選用厚度為0.3 mm的3003－H16鋁合金薄板，選擇此種材料，首先因?yàn)榇瞬牧铣尚涡阅茌^好，便于成形;其次，由于激光光斑直徑有限，所以試樣尺寸很小，導(dǎo)致只能采用密度較小的網(wǎng)格印制，而3003－H16材料材質(zhì)軟，方便印制網(wǎng)格。經(jīng)驗(yàn)證，由激光沖擊處理試驗(yàn)得到的各項(xiàng)數(shù)值與通過下述模擬得到的數(shù)值非常吻合，故采用下述的激光沖擊成形有限元模擬方法。

表1 3003H16鋁合金 Johnson－Cook本構(gòu)模型參數(shù)［6］

3 激光沖擊成形有限元模型的建立

3．1 Johnson－Cook本構(gòu)模型的建立

由于板料激光沖擊成形是一個(gè)高度非線性的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)事件，而Johnson－Cook模型可以較好地描述金屬材料的加工硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響，因此選用ABAQUS/Explicit中自有的Johnson－Cook模型對(duì)其模擬。

Johnson－Cook的本構(gòu)關(guān)系形式如下［5］:

3．2ABAQUS 建模要點(diǎn)

單元選擇和網(wǎng)格劃分:由于在激光沖擊成形過程中使用的金屬板料為薄板，其厚度遠(yuǎn)小于另外二維尺寸，因此在模擬過程中采用殼體單元，采用的單元類型為S4R。在激光沖擊成形中，材料對(duì)瞬態(tài)、高壓沖擊的響應(yīng)十分劇烈，對(duì)網(wǎng)格尺寸的要求比常規(guī)的有限元分析嚴(yán)格。合理選擇板料不同區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，對(duì)于提高分析效率和分析準(zhǔn)確性十分重要。材料沖擊區(qū)域附近應(yīng)力波幅值大、作用強(qiáng)烈，為了準(zhǔn)確地反映應(yīng)力波波前傳輸特性，沖擊區(qū)域附近的網(wǎng)格需要更加細(xì)化。

邊界條件定義:激光沖擊成形過程中邊界條件的處理對(duì)整個(gè)分析過程來說是比較重要的一環(huán)。這在多點(diǎn)、多次沖擊的時(shí)候尤為重要。實(shí)際在激光沖擊成形過程中，邊緣板料沿板料面內(nèi)的自由度沒有限制，壓邊圈的存在只是限制了板厚方向的自由度;由于單次激光沖擊下板料的變形量在mm級(jí)，經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，板料在徑向方向的變形尺寸很小，這樣在模擬的時(shí)候就可以對(duì)邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即可以將壓邊圈壓住部分的自由度全部限制住，這對(duì)最后的變形結(jié)果影響不大，由于模型是對(duì)稱的，建成的有限元模型示意圖如圖3所示。

3．3 沖擊波載荷設(shè)置

3．3．1 激光沖擊波峰值載荷大小

激光沖擊成形有限元模擬中，為完成對(duì)沖擊波載荷的設(shè)置，首先要確定激光誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力的大小。由于激光沖擊加載本身的特殊性，即作用時(shí)間短（ns級(jí)）、壓力大（GPa級(jí)），因此激光誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波的機(jī)理比較復(fù)雜，用軟件來模擬激光沖擊波的產(chǎn)生還比較困難。本文在模擬中，將沖擊波簡(jiǎn)化為作用在沖擊區(qū)域內(nèi)的壓力載荷，然后將其直接作用在板料表面上。

對(duì)強(qiáng)激光沖擊靶材所產(chǎn)生的沖擊波壓力的估算，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究。為提高激光沖擊波峰值壓力而廣泛采用透明約束層模式，基于此，F(xiàn)abbro［7］等建立了激光沖擊波傳播的一維模型，并對(duì)靶材表面的沖擊波峰值壓力進(jìn)行了估算:

式中:P為沖擊波峰值壓力，GPa;α為內(nèi)能轉(zhuǎn)化為熱能的系數(shù)，取 α=0.25;I0為入射激光功率密度，GW/cm2;Z為靶材與水約束層的合成沖擊波聲阻抗，g/（cm2·s）。定義為

對(duì)于約束層水和靶材鋁合金，其聲阻抗分別為:

則沖擊波峰值壓力P可以簡(jiǎn)化為

3．3．2 沖擊波載荷的時(shí)間分布及加載方式

根據(jù)激光脈沖的作用時(shí)間和實(shí)驗(yàn)記錄的脈沖信號(hào)，可以將激光誘導(dǎo)的沖擊波載荷按照激光脈沖信號(hào)的分布，采取分段逐次逼近的辦法來實(shí)現(xiàn)激光脈沖載荷的加載。由于激光沖擊波壓力值在整個(gè)作用時(shí)間內(nèi)并不相等，是隨著時(shí)間的變化而變化的，先是上升，隨后衰減，大致呈現(xiàn)為一個(gè)準(zhǔn)高斯分布形式（圖4）。

根據(jù)Fabbro等人的研究結(jié)果，激光誘導(dǎo)的沖擊波的作用時(shí)間大約為激光脈寬的2～3倍。因此，在進(jìn)行成形過程的有限元模擬時(shí)，對(duì)于激光脈沖的作用時(shí)間可按照激光脈寬的3倍來確定。實(shí)驗(yàn)采用的激光脈寬τ=23 ns，這樣每一次沖擊加載的作用時(shí)間就為70 ns左右，模擬時(shí)取為70 ns。

3．3．3 沖擊波載荷光斑模型及加載方式

本文在討論激光沖擊對(duì)板料的成形效果時(shí)，將激光沖擊波壓力的空間分布分為3種光斑模型分別討論，即同時(shí)考慮沖擊波壓力隨作用時(shí)間和光斑模型的變化，3種光斑模型分別如圖5～7所示。在圖5所示的光斑模型下，激光沖擊波的空間分布為均勻分布，即在整個(gè)光斑作用區(qū)域，沖擊波壓力都是相同的;在圖7所示的光斑模型下，激光沖擊波的空間分布為高斯分布，沖擊波壓力分布服從高斯分布公式［8］。

式中:P（t）為沖擊波峰值壓力;為激光光斑的半徑值;r為離激光束中心的距離。

在圖7所示的光斑模型下，激光沖擊波的空間分布為環(huán)形分布，其中，在環(huán)形中心線處的壓力最大，此處的壓力即為峰值壓力，沿環(huán)形中心線兩側(cè)徑向的壓力逐漸減小，近似服從高斯分布。ABAQUS提供了預(yù)先定義載荷曲線的命令，可以方便地定義瞬態(tài)變化載荷，即可以用Amplitude來預(yù)先定義一個(gè)隨時(shí)間變化的曲線，然后定義曲線最高點(diǎn)處所代表峰值壓力的大小，在進(jìn)行模擬運(yùn)算時(shí)，ABAQUS軟件利用插值運(yùn)算法計(jì)算出任意時(shí)間點(diǎn)處的載荷大小，然后將相應(yīng)的值加載到有限元模型中去。

4 不同光斑模型對(duì)成形性能的影響

如圖8所示，在能量相同（30 J）條件下，利用高斯分布的光斑模型，激光沖擊試樣的成形底部輪廓呈“V”型，很不均勻;把光斑模型調(diào)整為均布后，成形深度有所增加，但底部輪廓形狀幾乎沒有改觀;然而，通過施加環(huán)形分布的光斑模型后，底部輪廓形狀發(fā)生了顯著的變化。

如圖9所示，在相同峰值壓力（2.4 GPa）作用下，底部輪廓形狀變得更加平整了，這說明通過改變峰值壓力的大小，可以提高環(huán)形分布光斑模型下板料底部輪廓形狀的均勻程度。

如圖10，在相同峰值壓力下，通過改變環(huán)形光斑的內(nèi)外徑大小，也可以提高板料底部輪廓的平整度。

激光沖擊波成形作為一種快速敏捷的塑性成形的先進(jìn)制造技術(shù)，其成形技術(shù)、工藝，以及裝置的開發(fā)與應(yīng)用，必將是鈑金行業(yè)的一場(chǎng)具有重要意義的技術(shù)革命。具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的、巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效益。例如，在航空航天工業(yè)方面的應(yīng)用。宇航工業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)是:產(chǎn)品型號(hào)更迭頻繁、批量不大、零件的形狀復(fù)雜多樣、精度要求高、尺寸穩(wěn)定性要求高、材料的高度大、加工困難。由于這些特點(diǎn)，促使宇航工業(yè)特別重視也迫切需求高能的新加工方法，而通過采用環(huán)形分布的光斑模型進(jìn)行激光沖擊成形恰好適應(yīng)了這種要求。

5 結(jié)語

本文針對(duì)激光沖擊成形存在不均勻性的缺點(diǎn)，提出了采用環(huán)形光斑模型改善板料成形性能的方法，結(jié)果表明:通過施加環(huán)形分布的光斑模型后，底部輪廓形狀明顯變得相對(duì)平整;增加峰值壓力可以提高成形深度;通過改變環(huán)形光斑的內(nèi)外徑大小，也可以提高板料底部輪廓的平整度。說明了利用環(huán)形光斑模型改善激光沖擊成形性能的潛力。

［1］Peyre P，F(xiàn)abbro R．Laser shock processing:a review of the physics and applications［J］．Optical and Quantum Electronics，1995（27）:1213 －1229．

［2］Hackel L，Harris F．Contour forming of metals by laser peening［P］．US Patent Specification 6，410，884，2003．

［3］Hackel L．Laser peening and laser peenforming:new tools for inducing surface stress［J］．Light Metal Age，2003（61）:30 － 31．

［4］周建忠，張永康，周明，等．單次激光沖擊下板料變形的理論分析［J］．中國(guó)激光，2005（32）:135－138．

［5］Johnson G R，Cook W H．Proceedings of the Seventh International Symposium on Ballistics［C］．Hague，Netherlands，1983:541 －547．

［6］莊笜．ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例［M］．北京:科學(xué)出版社，2005．

［7］Fabbro R，Peyre P，Berthe L，et al．Physics and applications of lasershock processing［J］．Laser Appl，1998（10）:265 －279．

［8］Zhang W，Yao Y L，Noyan I C．Microscale laser shock peening of thin films，Part 1:experiment，modeling and simulation［J］．Journal of Manufacturing Science and Engineering，Transactions of the ASME，2004（126）:10－17．