光斑模型對激光沖擊成形性能的影響*

唐振州 姜銀方 李志飛 方 磊

（江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江 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）、短脈沖（10－9s級）的強激光作用于覆蓋在金屬板材表面上的能量轉換體，轉換體和金屬板料相接觸一側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，爆炸時形成動量脈沖，并產生向金屬成形方向的應力波，板料在這種應力波的作用下產生塑性變形。能量轉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生的熱能轉成機械能（沖擊波壓力），并提高激光能量的利用率，保護工件表面不受到激光的熱損傷。通過選擇激光脈沖能量、沖擊軌跡和作用區域的脈沖次數，在數控系統控制下，可實現板料的局部或大面積成形。它具有加工范圍廣、集板料成形和強化于一體等許多優勢，克服了采用傳統模具進行冷擠壓成形的方法中存在生產準備時間長、柔性差、模具費用大且適合低碳鋼等薄板成形等不足，適應現代市場產品快速更新的要求。但是，其沖擊成形區高低不平，存在不均勻性的缺點［2－3］，如圖 2［4］所示。基于此，本文提出了通過環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比，初步論證了利用環形光斑模型的優越性。

2 激光沖擊處理試驗

試驗所用激光器為Nd:YAG脈沖激光器，激光沖擊參數:功率密度1.2～3.2 GW/cm2，波長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。

實驗選用厚度為0.3 mm的3003－H16鋁合金薄板，選擇此種材料，首先因為此材料成形性能較好，便于成形;其次，由于激光光斑直徑有限，所以試樣尺寸很小，導致只能采用密度較小的網格印制，而3003－H16材料材質軟，方便印制網格。經驗證，由激光沖擊處理試驗得到的各項數值與通過下述模擬得到的數值非常吻合，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本構模型參數［6］

3 激光沖擊成形有限元模型的建立

3．1 Johnson－Cook本構模型的建立

由于板料激光沖擊成形是一個高度非線性的瞬時動態事件，而Johnson－Cook模型可以較好地描述金屬材料的加工硬化效應、應變率效應和溫度軟化效應對材料屈服強度的影響，因此選用ABAQUS/Explicit中自有的Johnson－Cook模型對其模擬。

Johnson－Cook的本構關系形式如下［5］:

3．2ABAQUS 建模要點

單元選擇和網格劃分: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，材料對瞬態、高壓沖擊的響應十分劇烈，對網格尺寸的要求比常規的有限元分析嚴格。合理選擇板料不同區域的網格尺寸，對于提高分析效率和分析準確性十分重要。材料沖擊區域附近應力波幅值大、作用強烈，為了準確地反映應力波波前傳輸特性，沖擊區域附近的網格需要更加細化。

邊界條件定義:激光沖擊成形過程中邊界條件的處理對整個分析過程來說是比較重要的一環。這在多點、多次沖擊的時候尤為重要。實際在激光沖擊成形過程中，邊緣板料沿板料面內的自由度沒有限制，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，經過試驗研究發現，板料在徑向方向的變形尺寸很小，這樣在模擬的時候就可以對邊界條件進行簡化處理，即可以將壓邊圈壓住部分的自由度全部限制住，這對最后的變形結果影響不大，由于模型是對稱的，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，為完成對沖擊波載荷的設置，首先要確定激光誘導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，即作用時間短（ns級）、壓力大（GPa級），因此激光誘導產生沖擊波的機理比較復雜，用軟件來模擬激光沖擊波的產生還比較困難。本文在模擬中，將沖擊波簡化為作用在沖擊區域內的壓力載荷，然后將其直接作用在板料表面上。

對強激光沖擊靶材所產生的沖擊波壓力的估算，許多學者已經進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，Fabbro［7］等建立了激光沖擊波傳播的一維模型，并對靶材表面的沖擊波峰值壓力進行了估算:

式中:P為沖擊波峰值壓力，GPa;α為內能轉化為熱能的系數，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可以簡化為

3．3．2 沖擊波載荷的時間分布及加載方式

根據激光脈沖的作用時間和實驗記錄的脈沖信號，可以將激光誘導的沖擊波載荷按照激光脈沖信號的分布，采取分段逐次逼近的辦法來實現激光脈沖載荷的加載。由于激光沖擊波壓力值在整個作用時間內并不相等，是隨著時間的變化而變化的，先是上升，隨后衰減，大致呈現為一個準高斯分布形式（圖4）。

根據Fabbro等人的研究結果，激光誘導的沖擊波的作用時間大約為激光脈寬的2～3倍。因此，在進行成形過程的有限元模擬時，對于激光脈沖的作用時間可按照激光脈寬的3倍來確定。實驗采用的激光脈寬τ=23 ns，這樣每一次沖擊加載的作用時間就為70 ns左右，模擬時取為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板料的成形效果時，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，即同時考慮沖擊波壓力隨作用時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，即在整個光斑作用區域，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形分布，其中，在環形中心線處的壓力最大，此處的壓力即為峰值壓力，沿環形中心線兩側徑向的壓力逐漸減小，近似服從高斯分布。ABAQUS提供了預先定義載荷曲線的命令，可以方便地定義瞬態變化載荷，即可以用Amplitude來預先定義一個隨時間變化的曲線，然后定義曲線最高點處所代表峰值壓力的大小，在進行模擬運算時，ABAQUS軟件利用插值運算法計算出任意時間點處的載荷大小，然后將相應的值加載到有限元模型中去。

4 不同光斑模型對成形性能的影響

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，通過施加環形分布的光斑模型后，底部輪廓形狀發生了顯著的變化。

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，通過改變環形光斑的內外徑大小，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制造技術，其成形技術、工藝，以及裝置的開發與應用，必將是鈑金行業的一場具有重要意義的技術革命。具有廣闊的應用前景和潛在的、巨大的經濟效應和社會效益。例如，在航空航天工業方面的應用。宇航工業的生產特點是:產品型號更迭頻繁、批量不大、零件的形狀復雜多樣、精度要求高、尺寸穩定性要求高、材料的高度大、加工困難。由于這些特點，促使宇航工業特別重視也迫切需求高能的新加工方法，而通過采用環形分布的光斑模型進行激光沖擊成形恰好適應了這種要求。

5 結語

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

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

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［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］．中國激光，2005（32）:135－138．

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［6］莊笜．ABAQUS非線性有限元分析與實例［M］．北京:科學出版社，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．