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激光冲击强化技术的理论模型及参数优化研究

来源:个人技术集锦
第47卷第1期 西 安 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY Vo1.47 NO.1 2013年1月 Jan.2O13 激光冲击强化技术的理论模型及参数优化研究 何卫锋 ,程礼。 邹超荣 ,吴九汇 , (1.西安交通大学机械工程学院,710049,西安 ;2.空军工程大学工程学院,710038,西安) 摘要:为了提高激光冲击强化的效果,研究了一维激光冲击强化理论模型及关键参数的优化方法。 根据激光冲击强化技术的原理,建立了一维激光冲击强化理论模型,推导了激光束透射系数的解析 表达式。利用Matlab软件得到了约束层的相对介电常数、约束层厚度、等离子体厚度,以及吸收涂 层相对介电常数、吸收涂层厚度等关键参数对透射系数的影响曲线,并根据厚度对透射系数的影响 曲线来确定约束层、等离子体层和吸收涂层的厚度。研究表明,通过透射系数的影响曲线对关键参 数进行优化后,对铝合金板进行激光冲击强化处理,可使铝合金板表面变形深度增加3倍多,从而 为激光冲击强化技术中关键参数的选取提供了理论指导。 关键词:激光冲击强化;约束层;等离子体;吸收涂层 中图分类号:O121.8;G558 文献标志码:A文章编号:0253—987X(2013)01—0096—05 Theoretical Model and Parameter Optimization for Laser Shock Processing ZOU Chaorong 。WU Jiuhui ,HE Weifeng。,CHENG Li (1.School of Mechanical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China 2.School of Engineering,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China) Abstract:To improve the effect of laser shocking process,an analytical expression of the transmission coefficient of laser beam iS derived with one—dimensional laser shock hardening mode1.The impacts of the relative permittivity and thickness of constrained layer,and the absorbing coating,plasma thickness on the transmission coefficient are analyzed.The relative permittivity of constrained layer and absorbing coating ought to be given firstly due to their higher sensitivity for the transmission coefficient,then the thickness of the constrained layer, plasma and absorbing coating is determined.The experiment indicates that with the optimized critical parameters,the surface deformation depth of the aluminium alloy plate gets 3 times dee— per. Keywords:laser shock processing;constrained layer;plasma layer;absorbing coating 激光冲击强化技术是一种新型的表面处理方 法,但在国内的应用则处于起步阶段 ]。激光冲击 强化技术又称为激光喷丸技术,与传统的材料表面 处理方法相比,有非接触、无热影响区以及强化效果 突出等优点,美国的Lawrence Livemore国家重点 实验室将2024一T3铝合金经过高能激光冲击强化 前,约束层的选取一般采用透明材料,如水、K9玻 璃、水玻璃等,并通过测量激光冲击波的峰值压力来 选择确定材料及其厚度。吸收涂层一般使用黑漆、 铝箔和胶带,也是通过实验来选择材料及其厚度。 本文提出了一维激光冲击强化理论模型,并由该模 型推导了激光束透射系数的解析表达式,利用Mat— 后,疲劳寿命比常规喷丸处理提高了50倍口]。目 lab软件得到了关键参数对透射系数的影响曲线, 收稿日期:2012—04—19。 作者简介:邹超荣(1985一),男,硕士生;吴九汇(通信作者),男,教授,博士生导师。 基金项目: 教育部新世纪人才支持计划资助项目(NCET一09—0644);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目。 网络出版时间:2012—12—10 网络出版地址:http://WWW.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20121210.1008.003.html 第1期 邹超荣,等:激光冲击强化技术的理论模型及参数优化研究 提出了激光冲击强化技术中关键参数的理论选取 方法。 度则是mm量级,远远大于激光波长(1 064 ram)。因 此,在 轴方向,可以用一维模型进行分析,并将激 光作为平面电磁波来处理。图2中各层介质均为均 匀介质,箭头表示电磁波的传播方向,各电场分量的 表达式如下 E1一E1oe jkl‘计 ;E2一E20ejkl‘ ≤一a ] 1激光冲击强化技术简介 如图1所示,将强激光脉冲通过透明约束层照 射在不透明的吸收涂层上,使涂层吸收激光能量,电 离形成等离子蒸汽,在等离子体未爆炸前,由于约束 层的阻碍作用,等离子蒸汽被保持在工件与约束层 E3一Ea0e ik2 + ;E4一E40ejk2“+ ~口< ≤一d f E5一E5。e一 + ;E6=E6o eJk3(z+, ~ < ≤一 } E7一E7o e}k4 ;E8一E8oe 4 ~厂<2≤o l E。一E。。e 0< 吸收涂层 J (1) 式中:E 。(i一1,2,3,…,9)为电场分量的振幅;k。、 激光脉冲 k。、k 、k 为电磁波在空气层、约束层、吸收涂层及工 件中传播时的波数;a、d、f为 轴的坐标值;k。为 电磁波在等离子体中传播的波数。 假设等离子体为均匀非磁化等离子体,电磁波 在等离子体中传播时会被等离子体吸收而衰减,则 ks一口一ja (2) 约求层 等离 体 I 内的州,击波 图1激光冲击强化示意图 式中: 为相位常数;a为衰减常数。由文献[4—6]得 之间,当继续吸收激光辐射能量后,等离子体蒸汽体 一 积瞬间急剧膨胀,发生爆炸,使约束层被击穿,形成 激光支持的爆轰波(强冲击波)。爆轰波作用于工件 上产生的压力高达1O。Pa数量级,这个压力远远大 于材料的动态屈服极限,从而使材料产生强烈的塑 性形变,造成工件表层组织中的位错密度增加,形成 亚结构。这种亚结构组织可大大提高材料的表面硬 {丢( 一 a一 )+ ( ~ ) + \( 。 +(U ∞/-2 ) ㈠ J 』 ㈤ 、 卜专( 一 )+ ÷[( 一 ) +( ) ㈤ 式中:叫为电磁波角频率;c为光速;60。为等离子体的 角频率; 为等离子体的碰撞频率。当cU>∞。时,电 磁波才能在等离子体中传播。当 高频时,即 (U》60 ;60》60p (5) 度、屈服强度和疲劳寿命,从而改善了材料的性 能 ’ 。 2 理论模型 如图2所示,激光束沿z轴方向传播,依次穿过 空气层、约束层、等离子体层和吸收涂层到达工件上。 图中在与z轴垂直的方向,一次激光脉冲产生的等离 则 一 (1一 ) (6) 子体的体积可达mm。量级,而空气层和约束层的厚 空气层 约束层 等离子体层 吸收涂层 工件 a一 一 (I ~   ~ /v… / 等离子体的介电常数为 £一goE, 毛 6 l E8 (\ 1一 1_60 一J —O∞6Ar 0_f’ 1(8) =:=E 式中:e。为真空介电常数。碰撞频率 2.3×10 。∞ (9) E 、Es、Es、E 、E。:空气层、约束层、等离子体层、吸收 涂层和工件中沿 轴方向传播的电磁波的电场分量; E2、E 、E6、Es:空气层、约束层、等离子体层和吸收 涂层中沿一z轴方向传播的电磁波的电场分量 根据分界面上电场与磁场切向分量必须连续的 边界条件,当z:一n时 E10+E2o—E30 eJ 2 +E40 e--Jk2 _E 。一 E 。一 。e 一 E 。e ] 图2一维激光冲击强化理论模型 }‘ ’ http }f WWW. dxb.cn http }}zkxb.xjtu.edu.cn 98 西安交通大学学报 第47卷 当 一一 时 E3o+E4o=E5oeJk3 l+E们e--Jk3 E。。一 E 。一 E 。e 2 172 173 一 E 。e 。 3 (11) 1 3数值优化及实验验证 激光透射系数有5个可变参数,分别为约束层 相对介电常数e 、约束层厚度b、等离子体层厚度 b 、吸收涂层相对介电常数£ 及吸收涂层厚度b。。 当z一一62时 E5o+E6o—E7o ejk4 2+E80e--Jk4 E 。一 E。。一 3 ’|3 E 。e z一 E8oe- 7]4 实验中采用型号为SGR-60的纳秒Nd:YAG固体 1 激光器,波长为1 064 nm,脉宽为10 ns,光斑能量 为5 J,吸收涂层为黑漆,工件为40 mm×20 mm× 1 mm的铝合金板。根据吸收涂层材料,选择∞。为 (12) 5×10 rad/s。 当z一0时 E70+E8o—E9o 1 图3表示透射系数随约束层相对介电常数的变 化曲线,相对介电常数不同则表示约束层材料不同。 E 。一 E 。一 E 。仉 174 175 } ’ 取约束层的厚度为0.6 mm,等离子体层的厚度为 0.5 mm,吸收涂层的相对介电常数为2,涂层厚度 为0.5 mm。由图3可以看到,当约束层的相对介电 式中:'7 、 、 、 、 分别为电磁波在空气层、约束 层、等离子体层、吸收涂层及工件中传播时的波阻 抗;b为约束层的厚度;b 为等离子体层的厚度;f 为吸收涂层厚度。激光的透射系数为 常数为81时,透射系数取得峰值。由于水的相对介 电常数为81,所以可选择水作为约束层。 由图3可知,约束层的相对介电常数在某些值 时,透射系数可以达到极大值,选择透射系数取得极 大值时对应的相对介电常数的物质,可以提高激光 冲击的强化效果。 一l 『一II 一 一1+R3 7/4 e 4 2+R4 e 4 2 1+R2 ejka b1+R3 e-Jk3 l ejk 2 +, 2 ll “ R e--Jk 式中: 为u发收狳层与工件分界回的反射系数,且 R 一 十玑 (15) R。为等离子体层与吸收涂层分界面的反射系数, 且 吲 .R。一 (16) Zi ̄(--b2): 7]5 q-- J ̄4 tank 3b2 (17) 61 图3透射系数随约束层相对介电常数的变化 R 为约束层与等离子体层分界面的反射系数,且 约束层不仅能增大冲击波的峰值压力,而且能 展宽冲击波的脉宽。取约束层为水,等离子体厚度 为0.5 mm,吸收涂层相对介电常数为2,涂层厚度 一 F Zi.(--d)一仇 (18 ㈣ 为0.5 mm。如图4所示,当约束层厚度为0.6 mm 时,透射系数取得最大值。 R 为空气层与约束层分界面的反射系数,且 (20) Z ̄n(--a)一 。 Zi.( -d )+ j ̄72tank2b(21) 式中:Z (一a)为空气与约束层分界面上的等效波 阻抗;Z。 (--d)为约束层与等离子体层分界面上的 等效波阻抗;Z (一b。)为等离体层与吸收涂层分界 面 的等效波阳杭 图4 透射系数随约束层厚度的变化 http t f{WWW. dxb.CD http i}zkxb.xjtu.edu cn 第l期 邹超荣,等:激光冲击强化技术的理论模型及参数优化研究 图5为等离子体层厚度对透射系数的影响曲 线,约束层为水,b为0.6 mm,e 为2,b。为0.5 mm, 当b 为0.1 mm时, 为最大值,但激光电磁波的频 由图3~图7可知,由于激光冲击强化的5个 O 9 O 8 O 7 O 6 O 5 参数对透射系数的灵敏度不同,因此应优先选取对 透射系数影响敏感的参数。激光冲击强化参数的优 化方法为:先根据图3、图6选择约束层和吸收涂层 的相对介电常数,再根据图4、图5、图7选择各层的 厚度。为了说明上述理论模型及优化结果的正确 率必须大于等离子体的频率,否则激光将会被全部 反射。 性,进行了相关实验,即用声音传感器来测量激光等 离子体冲击波经过衰减后的声音波形来判断激光冲 击强化的效果。图8为没有水约束层、吸收涂层时 的声波曲线。图9为优化处理后的声波曲线,是采 用1.1 mm厚的水作为约束层、相对介电常数为2的 黑漆作为吸收涂层时测得的声波曲线。从图8、图9 中可以看出,优化前后声音波形变化较大,优化后的 图5透射系数随等离子体层厚度的变化 > 图6表示透射系数随吸收涂层相对介电常数的 变化情况,约束层为水,b为0.6 mm,b 为0.5 mm, b。为0.5 mm,当涂层的相对介电常数为4.5时,透 宙 时间/ms 射系数最大。此外,吸收涂层还应具有低汽化热、低 导热率、易于涂敷和清洗等性能,才能提高吸收效 率,提升等离子冲击波的峰值压力,增强冲击强化的 效果。 > 图8优化前的声音波形 宙 时N/ms 图9优化后的声音波形 声波经过第1个峰值后迅速衰减,在激光冲击处理 的有效时间内能量更集中,从而能够将更多的激光 能量转化为冲击波能量作用于工件上。经实验对 比,优化后的铝合金板表面变形深度是未优化时的 图6透射系数随涂层相对介电常数的变化 3倍多,显著提高了冲击强化的效果。 图7中的约束层为水,b为0.6 ITllrl,bl为0.5 1Tim, £ 为2,当b 为0.37 ITI1TI时,透射系数最大。若吸 4 结 论 本文通过激光冲击强化技术的原理建立了一维 激光冲击强化理论模型,并由该模型推导了激光透射 系数的表达式,给出了关键参数的优化方法。利用一 收涂层太厚,会对冲击波产生衰减,太薄又可能会烧 蚀工件。 维激光冲击强化理论模型可以优化激光冲击强化技 术的关键参数,使激光冲击强化效果达到最优。采用 1.1 mm厚、相对介电常数为81的水作为约束层,当 激光电磁波的波长为1 064 nm、等离子体的角频率为 5×10加rad/s、等离子体层的厚度为0.1 mm、吸收涂 层(Ig度为0.43 ram)的相对介电常数为2时,激光 b2/mm 的透射系数最大,此时激光能量到达吸收涂层最多, 工件可以获得最好的强化效果。 图7 透射系数随吸收涂层厚度的变化 http://WWW.jdxb.CN http://zkxb.xjtu.edu.cn 100 西安交通大学学报 第47卷 (上接第89页) 3 结 论 本文将流形学习引入到动力学系统的模态识别 tion based vibration mode identification_J].Mechani— cal Systems and Signal Processing,2007,21(8):3072 3087. 研究中,提出了一种基于局部线性嵌入的、仅依赖于 输出的模态识别新方法。该方法仅需要利用多个测 点的响应信号,而不需要测量激励信号,且对激励类 型无特别限制,其潜在的工程应用前景十分广阔。仿 真结果表明,基于局部线性嵌入的模态识别方法所识 别的模态固有频率和振型精度较高,特别是在阻尼较 [72 王靖.流形学习的理论与方法研究[D].杭州:浙江 大学,2006:24—26. 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