一种激光冲击诱导层裂损伤的判断方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种激光冲击诱导层裂损伤的判断方法。

背景技术

激光冲击强化是一种先进的材料表面改性技术，采用一束高能量、短脉冲激光按照预设轨迹周期性轰击覆盖有吸收层和约束层的金属材料表面(吸收层通常为专用铝箔或黑漆、约束层为去离子水或专用透明玻璃)，形成高温、高压等离子体冲击波，并于表层材料发生非平衡交互作用，诱导产生高幅值、大深度残余压应力，提高金属抗疲劳、耐磨损等表面性能，被广泛用于航空发动机压气机叶片、飞机机身蒙皮等航空薄壁结构零部件的疲劳增寿。

然而，强化过程中参数的不合理配置会导致冲击强化效果不增反降，如零部件发生超差变形、零部件内部出现层裂损伤等。层裂损伤是高应变率载荷作用于金属材料表面时，由于界面反射作用，在材料内部某一位置形成两束相向传播的稀疏波，两者相遇时对应位置形成拉应力，当该拉应力超过金属材料的层裂极限时，在材料内部则会出现局部撕裂，这种层状撕裂伤被称为层裂损伤。

由于层裂损伤产生于材料内部，借助于常规的目视检查无法发现。倘若内部有层裂损伤的零部件投入使用，该位置则极易成为疲劳源，导致零件部快速失效，对装备服役带来不利影响。

现有薄壁结构零部件激光冲击强化时，主要根据冲击结构零部件背面是否产生凸起判断是否产生层裂。冲击结构零部件背面产生凸起则认为当前冲击区域内部存在层裂，冲击结构零部件背面未产生凸起，则认为没有产生层裂。该判断方法存在一定的主观性，同时对于背面未产生凸起内部却形成了层裂的情况无法准确判断。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明主要针对以上问题，提出了一种激光冲击诱导层裂损伤的判断方法，其目的是解决如何判断特定激光参数下冲击零件内部是否会产生层裂缺陷的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供了一种激光冲击诱导层裂损伤的判断方法，包括如下步骤：

S1、根据真实零件材料属性、几何特性加工局部区域特征试样；

S2、采用拟定激光参数对所述特征试样进行冲击；

S3、测量完成冲击的所述特征试样，获得所述特征试样的冲击凹坑深度；

S4、采用有限元软件建立特征试样模型；

S5、根据所述的拟定激光参数求解有限元分析参数；

S6、将所述求解的有限元分析参数进行数值模拟计算，提取冲击区域的凹坑深度；

S7、对比试验获得的所述特征试样的冲击凹坑深度与提取的所述冲击区域的凹坑深度，获得相对误差；

S8、根据对比结果调整激光冲击参数，并重复所述步骤S5-步骤S7，直至两者误差不超过某一误差阈值；

S9、从步骤S8中满足相对误差要求的数值模拟可视化云图结果上提取有限元计算模型上的最大应变；

S10、将所述有限元模拟得到的最大应变与材料损伤临界应变比较，并判断拟定参数是否会产生层裂损伤。

进一步地，所述拟定的激光参数至少包括：激光能量、冲击次数、光斑类型、光斑尺寸。

进一步地，在步骤S3中，测量所述特征试样的冲击凹坑深度的工具为白光干涉仪或共聚焦显微镜。

进一步地，所述步骤S4的具体内容包括：

S41、基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据所述特征试样的几何尺寸建立三维模型；

S42、根据所述特征试样的物理属性对建立的所述三维模型的材料属性进行设置；

S43、定义与所述特征试样相同的材料弹塑性参数，划分网格，创建分析步，定义约束条件。

进一步地，所述步骤S42具体包括：根据所述特征试样的物理属性进行设定的三维模型的材料属性包括：材料参数密度、弹性模量、泊松比、动态屈服强度。

进一步地，所述步骤S5的具体内容包括：

S51、将激光冲击参数等效成一个随时间和空间分布的压力载荷，并创建表达式：

式中，所述I

S52、将所述的拟定激光参数代入表达式，联立式1)和式2)求解等效峰值压力(P

进一步地，所述步骤S7中，获得相对误差的计算公式为：

式3)中，δ为相对误差，d

进一步地，在步骤S2前，还包括对所述特征试样粘贴铝箔胶带作为吸收层、布置去离子水作为约束层。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：通过真实零件材料属性、几何特性加工局部区域特征试样；采用拟定激光参数对特征试样进行冲击；测量特征试样的冲击凹坑深度；采用有限元软件建立特征试样模型；根据拟定激光参数求解有限元分析参数；将求解的有限元分析参数进行数值模拟计算，提取冲击区域的凹坑深度；然后对比两凹坑深度，获得相对误差；根据对比结果调整激光冲击参数，并重复上述步骤，直至两者误差不超过某一误差阈值；从满足相对误差要求的数值模拟可视化云图结果上提取有限元计算模型上的最大应变；将有限元模拟得到的最大应变与材料损伤临界应变比较，进而判断拟定参数是否会产生层裂损伤，从而有效提高激光冲击强化工艺在薄壁零件上的应用可靠性。

附图说明

图1示出了根据本公开实施例的激光冲击诱导层裂损伤的判断方法的示例性流程图。

图2示出了一种层裂损伤有限元三维分析模型。

图3示出了一种放大变形量的冲击试样上的应变照片。

具体实施方式

下面将结合附图对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显而易见地，所描述的实施例仅仅是本公开的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，也属于本公开保护的范围。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

虽然本申请对根据本申请的实施例的系统中的某些模块做出了各种引用，然而，任何数量的不同模块可以被使用并运行在用户终端和/或服务器上。所述模块仅是说明性的，并且所述系统和方法的不同方面可以使用不同模块。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，根据需要，可以按照倒序或同时处理各种步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

图1示出了根据本公开实施例的激光冲击诱导层裂损伤的判断方法的示例性流程图。

首先，在步骤S1中，根据真实零件材料属性、几何特性加工局部区域特征试样。

其中，根据真实零件选用同种材料加工相同几何外形以及表面状态的特征试样，或在与真实零件相同的报废零件上本体取样，获得特征试样。

在步骤S2中，采用拟定激光参数对所述特征试样进行冲击。

具体地，拟定的激光参数至少包括：激光能量、冲击次数、光斑类型、光斑尺寸。采用该设定的激光冲击强化参数对特征试样进行冲击，且冲击前吸收层、约束层与真实零件强化过程一致。

在步骤S3中，测量完成冲击的所述特征试样，获得所述特征试样的冲击凹坑深度。

具体地，特征试件上的冲击凹坑深度可采用白光干涉仪、共聚焦显微镜等表面测试仪器进行测量，将获得其深度数值记为d

在步骤S4中，采用有限元软件建立特征试样模型。

其中，步骤S4的具体内容包括：

S41、基于ABAQUS有限元软件的建模功能，根据所述特征试样的几何尺寸建立三维模型；

S42、根据所述特征试样的物理属性对建立的所述三维模型的材料属性进行设置；

S43、定义与所述特征试样相同的材料弹塑性参数，划分网格，创建分析步，定义约束条件。

需要说明的是，建立的三维模型的材料的参数根据特征试样的参数进行设定，也就是说，所构建的三维模型的材料的几何尺寸、所有物理参量与实际实验的特征试样一致，避免模拟结果与实际出现较大误差。

在步骤S5中，根据所述的拟定激光参数求解有限元分析参数。

具体地，激光冲击强化的有限元数值模拟的时限是通过将激光冲击参数等效成一个随时间和空间分布的压力载荷，施加在作用面上。等效峰值压力(P

I

在步骤S6中，将所述求解的有限元分析参数进行数值模拟计算，提取冲击区域的凹坑深度。

在本步骤中，采用步骤5求解的等效峰值压力进行数值模拟计算，并在计算获得的云图结果上，测量冲击区域最大凹坑深度，并记为d

在步骤S7中，对比试验获得的所述特征试样的冲击凹坑深度与提取的所述冲击区域的凹坑深度，获得相对误差。

根据式3)计算试验测量的最大凹坑深度和提取的有限元获得的最大凹坑深度之间的相对误差δ。

在步骤S8中，根据对比结果调整激光冲击参数，并重复所述步骤S5-步骤S7，直至两者误差不超过某一误差阈值。

具体地，将某一误差阈值记作δ

在步骤S9中，从步骤S8中满足相对误差要求的数值模拟可视化云图结果上提取有限元计算模型上的最大应变。

从步骤S8中满足相对误差要求的数值模拟可视化云图结果上提取最大等效塑性应变ε

在步骤S10中，将所述有限元模拟得到的最大应变与材料损伤临界应变比较，并判断拟定参数是否会产生层裂损伤。

将有限元模型提取的最大等效塑性应变ε

于本发明的上述方法中，通过本实施例，能够判断特定激光参数下冲击零件内部是否会产生层裂缺陷，从而有效提高激光冲击强化工艺在薄壁零件上的应用可靠性。

接下来，参考附图1，以具体实施例对本发明的激光冲击诱导层裂损伤的判断方法进一步说明。

实施例1

以单脉冲能量25J、4mm方形光斑单点冲击0.25mm厚的TC4钛合金为例进行试验测试，包括以下步骤：

步骤一：根据真实零件材料属性、几何特性加工局部区域特征试样。根据真实零件加工尺寸为30mm×20mm×0.25mm的薄壁特征试样，并根据真实零件表面粗糙度，采用机械磨抛等方法加工至表面粗糙度Ra0.8。

步骤二：采用拟定激光参数对特征试样进行冲击。采用特定激光冲击强化参数(单脉冲能量25J、脉冲宽度15ns、光斑光斑类型方形、光斑边长4mm、冲击次数1次)对特征试样进行冲击，冲击前粘贴铝箔胶带作为吸收层、布置去离子水作为约束层，并完成冲击。

步骤三：对特征试样上的冲击凹坑深度进行测量。采用白光干涉仪对冲击区域凹坑中心最大深度进行测量，其结果d

步骤四：采用有限元软件建立特征试样模型。采用商用有限元数值模拟软件ABAQUS建立30mm×20mm×0.25mm三维模型，设置材料参数密度：4.5g/cm3、弹性模量：110GPa、泊松比：0.342、动态屈服强度1345GPa，并定义损伤定义准则(及层裂准则)：临界损伤应变ε

步骤五：根据试验拟定激光参数求解有限元分析参数。根据激光冲击强化参数(单脉冲能量25J、脉冲宽度15ns、光斑光斑类型方形、光斑边长4mm、冲击次数1次)，由式1)和式2)求解等效峰值压力P

步骤六：有限元数值模拟分析并提取冲击区域凹坑深度。采用步骤5求解的等效峰值压力P

步骤七：对比试验和有限元冲击区域凹坑深度并获得相对误差δ。将试验测量最大凹坑深度23.2μm与有限元获得的最大凹坑深度19.53μm代入式3)，求得其相对误差δ为15.8％。

步骤八：根据对比结果调整激光冲击参数，并重复步骤五，直至两者误差不超过某一阈值δ

步骤九：提取有限元计算模型上的最大应变。从步骤八中满足相对误差要求的数值模拟可视化云图结果上提取最大等效塑性应变ε

步骤十：有限元模拟得到的应变与材料损伤临界应变比较，并判断拟定参数是否会产生层裂损伤。将有限元模型提取的最大等效塑性应变ε

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。