激光噴丸強化高強鋼Q345B殘余應力分布特性研究*

王昭宇 甘 進* 汪 舟

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學汽車工程學院2) 武漢 430070)

0 引 言

疲勞破壞是船舶與海洋工程結構物主要失效模式之一[1-3]，隨著船用高強鋼的使用率的逐年增加，高強鋼的焊接常常伴隨著較大的焊接殘余應力，直接影響到船體結構安全和使用壽命.對于焊接鋼結構，影響疲勞強度的因素主要有結構形式、載荷循環次數，以及應力幅值等，在疲勞載荷作用下，結構應力集中區域容易產生裂紋萌生與裂紋擴展，裂紋達到臨界尺寸后導致結構整體失效.對結構中關鍵節點采用表面強化工藝，調整局部區域應力分布狀態，引入對局部結構疲勞性能有益的殘余應力分布，緩和該區域的應力集中程度，有利于結構整體疲勞壽命的提高.

激光噴丸是一項創新、高效的新型表面處理技術[4-5]，利用高能激光束在金屬表面產生GPa量級的沖擊波壓向金屬表面，使材料內部形成塑性變形與結構位錯，可改變金屬內原有的應力分布狀態，形成可控的殘余應力分布，在處理效果、加工精度、加工效率等方面有其獨特優勢.通過ABAQUS有限元軟件分析激光噴丸時激光能量、沖擊次數，以及光斑布置方式對殘余應力幅值和分布形式的影響規律，并通過與Q345B試件激光噴丸試驗對比驗證激光噴丸仿真殘余應力分布的準確性.

1 仿真分析模型

1.1 沖擊波載荷模型

將激光對材料的作用簡化為材料表面光力學效應，并建立適當力學模型描述沖擊波載荷隨時間與空間變化規律.現將載荷時間與空間變化項分離.

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

(1)

式中：P(r,t)為激光能量分布函數；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；F(t)為激光能量隨時間變化的分布函數.

1) 激光載荷峰值壓強 Fabbro等[6]以一維模型為基礎對激光沖擊時峰值脈沖壓強最大值進行了估算，在對模型進行相關簡化假設后，激光誘導沖擊波的瞬時沖擊壓應力估算模型，表達式為

(2)

式中：a為熱能轉化系數，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) 激光載荷時間分布項 沖擊波載荷值會在激光脈沖結束后自由衰減并持續一段時間，壓力上升沿約為一個激光脈寬，下降沿約為2～3個激光脈寬[7]，本文采用1∶3的設置方式設置時間曲線F(t).

3) 激光載荷空間分布項 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，理想狀態下激光能量場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可表示為

(3)

式中：r為節點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

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

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

高強鋼Q345B作為激光噴丸研究對象，Q345B屬于低合金結構鋼，加工后可獲得良好的強度、韌性、成形性和焊接性能，力學性能良好，低溫性能亦可，其主要力學特性見表1～2.

表1 Q345B力學性能

表2 Q345B JC模型參數

注：A-靜力屈服強度；B-應變硬化模量；N-應變硬化指數；C-應變率.

2 激光噴丸設置方案對殘余應力分布影響

2.1 激光脈沖能量

仿真時設置單點噴丸，脈沖寬度15 ns，光斑直徑4 mm，激光脈沖能量8,10,15,20 J作為對照組來研究不同激光能量對噴丸效果的影響，以脈沖能量10 J的x方向應力結果為例，強化后結構表面殘余應力分布情況見圖1.

圖1 單點激光噴丸殘余應力云圖

由Path-1、Path-2路徑的應力結果可知，噴丸中心區域內產生了深度約為0.6 mm、幅值約300 MPa的殘余壓應力層，光斑半徑2 mm范圍內殘余應力分布較為均勻，峰值壓應力302 MPa.由于材料內部應力重分配效應，激光在沖擊區域產生殘余壓縮應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產生了幅值為30 MPa的殘余拉應力.

圖2為取Path-1，Path-2路徑，激光脈沖能量8，10，15，20 J的殘余應力分布情況，由圖2a)可知，表面形成的最大殘余壓應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力值分別為289，302，301，289 MPa，20 J時最大殘余壓應力值回縮.從分布形貌分析，脈沖能量8，10 J在光斑范圍內(2 mm)的殘余壓應力曲線衰減較快，15 J時光斑內殘余壓應力值曲線較為平穩，20 J時光斑中心處應力整體降低.

圖2 不同脈沖能量路徑殘余應力分布

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，殘余應力水平有所下降.

2.2 噴丸次數

在仿真參數選取上，2.1計算得出的最優參數，光斑直徑4 mm，脈沖能量15 J，計算單點噴丸重復次數1～5次后應力結果.計算后Path-1,Path-2上的殘余應力分布見圖3.

圖3 不同沖擊次數路徑殘余應力分布

隨著單點連續噴丸次數的增加，光斑內殘余壓應力的最大值也相應增加，單點重復1～5次噴完后殘余壓應力最大值分別對應301，403，442，465，478 MPa.由圖3b)可知，由Path2方向殘余應力分布可以看出單點重復1～5次噴丸時殘余應力層深度分別為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力層深度的同時也帶來應力過飽和現象，最大殘余應力出現于材料次表面，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的單點單次噴丸來研究光斑布置方案，出于對實際加工效果與處理效率的考慮，分別設置搭接率為0%，25%，50%，75%的3×3噴丸對照組.為了綜合考慮噴丸區域內的應力，提取Path-3，Path-4兩條路徑殘余應力值作為參考，見圖4.

圖4 0%搭接率殘余應力

圖5為各搭接率Path-3，Path-4路徑上的殘余應力曲線.

圖5 不同搭接率Path-4殘余應力

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

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

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

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

3 Q345B激光噴丸試驗

3.1 試驗設備

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

激光噴丸試驗在上海交通大學機械與自動化實驗室進行，實驗系統包括型號SGR-15-50Nd：YAG激光器、注水引流管、數控機械臂.

3.2 試驗過程

根據仿真模擬得到計算結果，設置Nd：YAG激光器激光參數為脈沖能量15 J、光斑直徑4 mm、脈寬15 ns、重復頻率1 Hz.主要通過試驗獲得激光噴丸后金屬材料表面殘余應力分布特征，并與仿真計算結果進行對比.分別設置單點單次、單點兩次、單點三次與10×10光斑50%搭接率激光噴丸試驗.

試驗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力影響.打磨完成后使用乙醇擦拭，靜置風干.試驗后試件表面形貌見圖6.由于Q345B彈性模量與屈服強度較大，激光噴丸對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 殘余應力測量

采用PROTO-XRD型X射線殘余應力檢測儀測量試件表面殘余應力值.測量范圍與激光噴丸光斑尺度相近，單點與多點光斑殘余應力測點圖設置見圖7，典型測量結果報告見圖8.

圖7 殘余應力測點示意圖

圖8 典型殘余應力測點報告

單點單次噴丸后光斑中點與邊緣殘余應力值分別約為-282，-229 MPa，與仿真值相比誤差分別為6.3%與27.2%；單點兩次噴丸試件中點與邊緣殘余應力值分別約為-388，-317 MPa，與仿真值相比誤差約為3.4%與24.3%；單點五次噴丸后光斑中點與邊緣殘余應力值分別約為-395，-381 MPa，與仿真值相比誤差約為9.2%與13.3%.光斑中點測點仿真與試驗吻合度較高，邊緣測點處誤差稍大.

光斑覆蓋范圍內殘余應力值分別為-362，-388，-356，-379，-376，-391，-364 MPa，將測量結果與3×3搭接組仿真結果對比，總體誤差約為7.6%，結果表明，激光噴丸可以在試件表面植入可控穩定的殘余壓應力層，殘余應力數值與仿真計算結果相比誤差較小.

4 結 束 語

本文利用Abaqus有限元軟件，對激光噴丸優化高強鋼Q345B殘余應力場效果與相關工藝參數設置進行模擬.并通過XRD殘余應力測試儀測量Q345B激光噴丸試件表面殘余應力分布狀態.

仿真結果表明，激光脈沖能量與噴丸次數的在一定范圍內提高都會增大噴丸區域殘余壓應力幅值，但參數設置存在最優值，過高的脈沖能量或噴丸次數會導致光斑中央處應力幅值減小，并影響噴丸區域整體的應力穩定性.當利用激光噴丸處理大片區域時，應使用激光搭接保證噴丸區域內光斑全部覆蓋， 50%搭接率的布置方案可獲得較為理想的殘余應力場.

試驗研究表明，激光噴丸可以有效地在金屬結構表面植入殘余壓應力層，多光斑相互覆蓋可以提高殘余應力水平.實驗結果與仿真結果相比誤差較小，數值仿真結果可以用于模擬實際激光噴丸強化效果.