激光噴丸強(qiáng)化高強(qiáng)鋼Q345B殘余應(yīng)力分布特性研究*

王昭宇 甘 進(jìn)* 汪 舟

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

疲勞破壞是船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物主要失效模式之一[1-3]，隨著船用高強(qiáng)鋼的使用率的逐年增加，高強(qiáng)鋼的焊接常常伴隨著較大的焊接殘余應(yīng)力，直接影響到船體結(jié)構(gòu)安全和使用壽命.對(duì)于焊接鋼結(jié)構(gòu)，影響疲勞強(qiáng)度的因素主要有結(jié)構(gòu)形式、載荷循環(huán)次數(shù)，以及應(yīng)力幅值等，在疲勞載荷作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋萌生與裂紋擴(kuò)展，裂紋達(dá)到臨界尺寸后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效.對(duì)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用表面強(qiáng)化工藝，調(diào)整局部區(qū)域應(yīng)力分布狀態(tài)，引入對(duì)局部結(jié)構(gòu)疲勞性能有益的殘余應(yīng)力分布，緩和該區(qū)域的應(yīng)力集中程度，有利于結(jié)構(gòu)整體疲勞壽命的提高.

激光噴丸是一項(xiàng)創(chuàng)新、高效的新型表面處理技術(shù)[4-5]，利用高能激光束在金屬表面產(chǎn)生GPa量級(jí)的沖擊波壓向金屬表面，使材料內(nèi)部形成塑性變形與結(jié)構(gòu)位錯(cuò)，可改變金屬內(nèi)原有的應(yīng)力分布狀態(tài)，形成可控的殘余應(yīng)力分布，在處理效果、加工精度、加工效率等方面有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì).通過ABAQUS有限元軟件分析激光噴丸時(shí)激光能量、沖擊次數(shù)，以及光斑布置方式對(duì)殘余應(yīng)力幅值和分布形式的影響規(guī)律，并通過與Q345B試件激光噴丸試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證激光噴丸仿真殘余應(yīng)力分布的準(zhǔn)確性.

1 仿真分析模型

1.1 沖擊波載荷模型

將激光對(duì)材料的作用簡(jiǎn)化為材料表面光力學(xué)效應(yīng)，并建立適當(dāng)力學(xué)模型描述沖擊波載荷隨時(shí)間與空間變化規(guī)律.現(xiàn)將載荷時(shí)間與空間變化項(xiàng)分離.

P(r,t)=PmaxI(r)F(t)

(1)

式中：P(r,t)為激光能量分布函數(shù)；Pmax為激光峰值能量；I(r)為激光能量隨空間變化的分布函數(shù)；F(t)為激光能量隨時(shí)間變化的分布函數(shù).

1) 激光載荷峰值壓強(qiáng) Fabbro等[6]以一維模型為基礎(chǔ)對(duì)激光沖擊時(shí)峰值脈沖壓強(qiáng)最大值進(jìn)行了估算，在對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)簡(jiǎn)化假設(shè)后，激光誘導(dǎo)沖擊波的瞬時(shí)沖擊壓應(yīng)力估算模型，表達(dá)式為

(2)

式中：a為熱能轉(zhuǎn)化系數(shù)，常用取值范圍在0.1～0.15；I0為激光功率密度，GW/cm2；Z為水與金屬折合聲阻抗值，g·cm-2·s-1.

2) 激光載荷時(shí)間分布項(xiàng) 沖擊波載荷值會(huì)在激光脈沖結(jié)束后自由衰減并持續(xù)一段時(shí)間，壓力上升沿約為一個(gè)激光脈寬，下降沿約為2～3個(gè)激光脈寬[7]，本文采用1∶3的設(shè)置方式設(shè)置時(shí)間曲線F(t).

3) 激光載荷空間分布項(xiàng) 激光沖擊波載荷的空間分布主要由激光光束能量分布特性決定，理想狀態(tài)下激光能量場(chǎng)為以光斑中央為中心向四周遞減的高斯分布形式，沖擊波載荷空間分布項(xiàng)可表示為

(3)

式中：r為節(jié)點(diǎn)距光斑中央的直線距離大小；R為光斑半徑值.

整合后，激光沖擊波載荷公式可以很好的模擬任意時(shí)刻、任意位置沖擊載荷大小，為

(4)

1.2 仿真模型及邊界條件

單點(diǎn)激光噴丸模型尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，由于沖擊時(shí)載荷以原點(diǎn)為中心對(duì)稱分布，分別對(duì)XZ面與YZ面分別設(shè)置對(duì)稱邊界條件，外圍設(shè)置無限單元.

在模擬多點(diǎn)搭接激光噴丸時(shí)，模型尺寸設(shè)置為20 mm×20 mm×10 mm，由于多點(diǎn)激光噴丸加載具有先后順序差異破壞了模型對(duì)稱性，故不設(shè)置對(duì)稱面采用完整模型建模，同時(shí)在模型外層設(shè)置無限網(wǎng)格單元.

高強(qiáng)鋼Q345B作為激光噴丸研究對(duì)象，Q345B屬于低合金結(jié)構(gòu)鋼，加工后可獲得良好的強(qiáng)度、韌性、成形性和焊接性能，力學(xué)性能良好，低溫性能亦可，其主要力學(xué)特性見表1～2.

表1 Q345B力學(xué)性能

表2 Q345B JC模型參數(shù)

注：A-靜力屈服強(qiáng)度；B-應(yīng)變硬化模量；N-應(yīng)變硬化指數(shù)；C-應(yīng)變率.

2 激光噴丸設(shè)置方案對(duì)殘余應(yīng)力分布影響

2.1 激光脈沖能量

仿真時(shí)設(shè)置單點(diǎn)噴丸，脈沖寬度15 ns，光斑直徑4 mm，激光脈沖能量8,10,15,20 J作為對(duì)照組來研究不同激光能量對(duì)噴丸效果的影響，以脈沖能量10 J的x方向應(yīng)力結(jié)果為例，強(qiáng)化后結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力分布情況見圖1.

圖1 單點(diǎn)激光噴丸殘余應(yīng)力云圖

由Path-1、Path-2路徑的應(yīng)力結(jié)果可知，噴丸中心區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了深度約為0.6 mm、幅值約300 MPa的殘余壓應(yīng)力層，光斑半徑2 mm范圍內(nèi)殘余應(yīng)力分布較為均勻，峰值壓應(yīng)力302 MPa.由于材料內(nèi)部應(yīng)力重分配效應(yīng)，激光在沖擊區(qū)域產(chǎn)生殘余壓縮應(yīng)力使得在以光斑中心為中心的半徑約30 mm的半球形外圍空間內(nèi)產(chǎn)生了幅值為30 MPa的殘余拉應(yīng)力.

圖2為取Path-1，Path-2路徑，激光脈沖能量8，10，15，20 J的殘余應(yīng)力分布情況，由圖2a)可知，表面形成的最大殘余壓應(yīng)力值并不是隨載荷增大而線性增大，激光脈沖能量8，10，15，20 J沿x方向的最大殘余壓應(yīng)力值分別為289，302，301，289 MPa，20 J時(shí)最大殘余壓應(yīng)力值回縮.從分布形貌分析，脈沖能量8，10 J在光斑范圍內(nèi)(2 mm)的殘余壓應(yīng)力曲線衰減較快，15 J時(shí)光斑內(nèi)殘余壓應(yīng)力值曲線較為平穩(wěn)，20 J時(shí)光斑中心處應(yīng)力整體降低.

圖2 不同脈沖能量路徑殘余應(yīng)力分布

深度方向上，由圖2b)可知，脈沖能量8，10，15，20 J最大殘余應(yīng)力層深度分別為0.49，0.56，0.71，0.80 mm，隨著激光沖擊載荷的增加殘余應(yīng)力層深度也隨之增加，能量過飽和后脈沖能量20 J在深度方向上，殘余應(yīng)力水平有所下降.

2.2 噴丸次數(shù)

在仿真參數(shù)選取上，2.1計(jì)算得出的最優(yōu)參數(shù)，光斑直徑4 mm，脈沖能量15 J，計(jì)算單點(diǎn)噴丸重復(fù)次數(shù)1～5次后應(yīng)力結(jié)果.計(jì)算后Path-1,Path-2上的殘余應(yīng)力分布見圖3.

圖3 不同沖擊次數(shù)路徑殘余應(yīng)力分布

隨著單點(diǎn)連續(xù)噴丸次數(shù)的增加，光斑內(nèi)殘余壓應(yīng)力的最大值也相應(yīng)增加，單點(diǎn)重復(fù)1～5次噴完后殘余壓應(yīng)力最大值分別對(duì)應(yīng)301，403，442，465，478 MPa.由圖3b)可知，由Path2方向殘余應(yīng)力分布可以看出單點(diǎn)重復(fù)1～5次噴丸時(shí)殘余應(yīng)力層深度分別為0.71，0.88，1.02，1.1，1.19 mm，從深度方向可以看出多次噴丸才提高殘余應(yīng)力層深度的同時(shí)也帶來應(yīng)力過飽和現(xiàn)象，最大殘余應(yīng)力出現(xiàn)于材料次表面，深度約0.2 mm.

2.3 光斑布置方案

選擇脈沖能量15 J，光斑直徑4 mm，脈沖寬度15 ns的單點(diǎn)單次噴丸來研究光斑布置方案，出于對(duì)實(shí)際加工效果與處理效率的考慮，分別設(shè)置搭接率為0%，25%，50%，75%的3×3噴丸對(duì)照組.為了綜合考慮噴丸區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力，提取Path-3，Path-4兩條路徑殘余應(yīng)力值作為參考，見圖4.

圖4 0%搭接率殘余應(yīng)力

圖5為各搭接率Path-3，Path-4路徑上的殘余應(yīng)力曲線.

圖5 不同搭接率Path-4殘余應(yīng)力

搭接率0%的布置方式在噴丸區(qū)域形成最大殘余拉應(yīng)力值為355 MPa，在Path-3上形成了較為穩(wěn)定的幅值約320 MPa的殘余壓應(yīng)力，但在Path-4上對(duì)角光斑中間存在較大未覆蓋激光能量區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)殘余壓應(yīng)力水平在2.5 mm范圍內(nèi)從325 MPa驟降至88 MPa，未覆蓋激光能量區(qū)域影響了整體區(qū)域內(nèi)應(yīng)力穩(wěn)定性.

隨著搭接率的增大，25%搭接率最大殘余拉應(yīng)力值提高到了395 MPa，在Path-3上最大殘余應(yīng)力值為362 MPa，在Path-4中可以看出光斑間未覆蓋沖擊載荷區(qū)域縮小使壓應(yīng)力在1 mm范圍內(nèi)驟降至198 MPa，激光光斑的搭接排布使得最大應(yīng)力幅值與壓應(yīng)力穩(wěn)定性提高.

50%搭接率下最大殘余壓應(yīng)力幅值約440 MPa，Path-3上最大殘余應(yīng)力值為420 MPa.Path-4上應(yīng)力幅值約400 MPa，但由于在區(qū)域內(nèi)光斑完全覆蓋，Path-4中曲線中央處大幅度的應(yīng)力驟降峰已消失，Path-4路徑應(yīng)力穩(wěn)定性高.

75%搭接率下殘余應(yīng)力最大幅值為492 MPa，Path-3路徑下應(yīng)力幅值約420 MPa，由于相鄰光斑間距較小，橫向應(yīng)力覆蓋面積有所降低，整體呈單峰形式分布.Path-4路徑下最大應(yīng)力幅值約450 MPa.

3 Q345B激光噴丸試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

激光噴丸所用試樣采用線切割加工，所有試件保持尺寸、力學(xué)性能相同，試件尺寸為100 mm×100 mm×10 mm.

激光噴丸試驗(yàn)在上海交通大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括型號(hào)SGR-15-50Nd：YAG激光器、注水引流管、數(shù)控機(jī)械臂.

3.2 試驗(yàn)過程

根據(jù)仿真模擬得到計(jì)算結(jié)果，設(shè)置Nd：YAG激光器激光參數(shù)為脈沖能量15 J、光斑直徑4 mm、脈寬15 ns、重復(fù)頻率1 Hz.主要通過試驗(yàn)獲得激光噴丸后金屬材料表面殘余應(yīng)力分布特征，并與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.分別設(shè)置單點(diǎn)單次、單點(diǎn)兩次、單點(diǎn)三次與10×10光斑50%搭接率激光噴丸試驗(yàn).

試驗(yàn)開始前使用砂紙打磨材料表面，去除表面氧化層并降低加工引起的殘余應(yīng)力影響.打磨完成后使用乙醇擦拭，靜置風(fēng)干.試驗(yàn)后試件表面形貌見圖6.由于Q345B彈性模量與屈服強(qiáng)度較大，激光噴丸對(duì)試件表面形貌與粗糙度影響較小.

圖6 激光噴丸后試件表面

3.3 殘余應(yīng)力測(cè)量

采用PROTO-XRD型X射線殘余應(yīng)力檢測(cè)儀測(cè)量試件表面殘余應(yīng)力值.測(cè)量范圍與激光噴丸光斑尺度相近，單點(diǎn)與多點(diǎn)光斑殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)圖設(shè)置見圖7，典型測(cè)量結(jié)果報(bào)告見圖8.

圖7 殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)示意圖

圖8 典型殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)報(bào)告

單點(diǎn)單次噴丸后光斑中點(diǎn)與邊緣殘余應(yīng)力值分別約為-282，-229 MPa，與仿真值相比誤差分別為6.3%與27.2%；單點(diǎn)兩次噴丸試件中點(diǎn)與邊緣殘余應(yīng)力值分別約為-388，-317 MPa，與仿真值相比誤差約為3.4%與24.3%；單點(diǎn)五次噴丸后光斑中點(diǎn)與邊緣殘余應(yīng)力值分別約為-395，-381 MPa，與仿真值相比誤差約為9.2%與13.3%.光斑中點(diǎn)測(cè)點(diǎn)仿真與試驗(yàn)吻合度較高，邊緣測(cè)點(diǎn)處誤差稍大.

光斑覆蓋范圍內(nèi)殘余應(yīng)力值分別為-362，-388，-356，-379，-376，-391，-364 MPa，將測(cè)量結(jié)果與3×3搭接組仿真結(jié)果對(duì)比，總體誤差約為7.6%，結(jié)果表明，激光噴丸可以在試件表面植入可控穩(wěn)定的殘余壓應(yīng)力層，殘余應(yīng)力數(shù)值與仿真計(jì)算結(jié)果相比誤差較小.

4 結(jié) 束 語

本文利用Abaqus有限元軟件，對(duì)激光噴丸優(yōu)化高強(qiáng)鋼Q345B殘余應(yīng)力場(chǎng)效果與相關(guān)工藝參數(shù)設(shè)置進(jìn)行模擬.并通過XRD殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)量Q345B激光噴丸試件表面殘余應(yīng)力分布狀態(tài).

仿真結(jié)果表明，激光脈沖能量與噴丸次數(shù)的在一定范圍內(nèi)提高都會(huì)增大噴丸區(qū)域殘余壓應(yīng)力幅值，但參數(shù)設(shè)置存在最優(yōu)值，過高的脈沖能量或噴丸次數(shù)會(huì)導(dǎo)致光斑中央處應(yīng)力幅值減小，并影響噴丸區(qū)域整體的應(yīng)力穩(wěn)定性.當(dāng)利用激光噴丸處理大片區(qū)域時(shí)，應(yīng)使用激光搭接保證噴丸區(qū)域內(nèi)光斑全部覆蓋， 50%搭接率的布置方案可獲得較為理想的殘余應(yīng)力場(chǎng).

試驗(yàn)研究表明，激光噴丸可以有效地在金屬結(jié)構(gòu)表面植入殘余壓應(yīng)力層，多光斑相互覆蓋可以提高殘余應(yīng)力水平.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相比誤差較小，數(shù)值仿真結(jié)果可以用于模擬實(shí)際激光噴丸強(qiáng)化效果.