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研究了激光冲击强化对航空常用材料6082 铝合金的作用效果,考查了激光脉宽、单脉冲能量、冲击次数以及吸收层的厚度等工艺参数对该铝合金的显微硬度的影响,并对激光冲击强化工艺参数进行了正交试验设计。通过对正交试验进行分析,统计了不同因素最佳的冲击强化工艺,得出6028 铝合金最佳的工艺参数:16 ns 激光脉宽、6 J 单脉冲能量、一次冲击、0.2 mm 吸收层厚度。对正交试验结果进行了分析,得到结论:由于6082 铝合金的屈服强度较低,因此最高弹性应力也较低,强化效果最优的值较低,功率密度过大反而会影响激光冲击强化的效果,表面显微硬度也会随之降低。
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52, 081404(2015)
激光与光电子学进展
Laser & Optoelectronics Progress
©2015《中国激光》杂志社
081404-1
6082 铝合金激光冲击强化显微硬度正交试验
陆 莹 赵吉宾 乔红超
中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110176
摘要 研究了激光冲击强化对航空常用材料 6082 铝合金的作用效果,考查了激光脉宽、单脉冲能量、冲击次数以及吸收
层的厚度等工艺参数对该铝合金的显微硬度的影响,并对激光冲击强化工艺参数进行了正交试验设计。通过对正交试
验进行分析,统计了不同因素最佳的冲击强化工艺,得出 6028 铝合金最佳的工艺参数:16 ns 激光脉宽、6 J 单脉冲能量、
一次冲击、0.2 mm 吸收层厚度。对正交试验结果进行了分析,得到结论:由于 6082 铝合金的屈服强度较低,因此最高弹
性应力也较低,强化效果最优的值较低,功率密度过大反而会影响激光冲击强化的效果,表面显微硬度也会随之降低。
关键词 激光冲击强化; 铝合金; 正交试验; 显微硬度
中图分类号 TN248.1 文献标识码 A
doi: 10.3788/LOP52.081404
Orthogonal Test of Laser Shocked 6082 Aluminum Alloy
Lu Ying Zhao Jibin Qiao Hongchao
Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang, Liaoning 110176, China
Abstract We studied a kind of common aerial aluminum alloy material, 6082 aluminum alloy, by laser shock
processing (LSP) in this paper. This research forced on the effect of technology parameters on the micro-hardness
peened by laser, including laser pulse width, signal pulse energy, the number of laser shocks, and the thickness of
ablative layer. We designed an orthogonal experiment of process parameters of LSP, and the best technological
parameters are obtained. On this basis, the best performance of the SLP of 6082 aluminum alloy is analyzed: Laser
pulse width is 16 ns, and energy is 6 J when 6082 aluminum alloy is peened only once with the 0.2-mm thickness
of absorption layer. According to the test results, we conclude that due to the low yield strength of 6082 aluminium
alloy, the highest elastic level is also lower, thus the optimal value of the strengthen effect is low. When the power
density is too large, it will influence the effect of LSP. The surface microhardness will also decrease.
Key words laser shock processing; aluminum alloy; orthogonal experiment; micro-hardness
OCIS codes 140.3390; 220.4610; 160.3900
1 引 言
铝合金以其比重小、强度高等优良性能被广泛于应用于航空航天领域。铝合金不仅能够有效地满足飞
机结构件的设计力学性能,还可以适应复杂的环境,具有较好的耐腐蚀性能,常作为航空飞机发动机或某些
核心部件的材料。但是在航空部件服役的过程中,会出现严重的表面异物损伤和疲劳裂纹。因此需要采用
更为有效的表面强化工艺,以提高零件的抗异物损伤的能力和疲劳寿命
[1-3]
。
激光 冲击强化工艺利用 激光诱导在金属表 面引入 高速率、高 能量的等离 子体冲 击波,当冲 击波的波峰
超过 材料的动态 屈服强度时 ,就 会引起材料 表层发生较 大的塑性变 形,而塑性 变形能以残 余压应力的形式
储存在被冲击区域。从微观角度上讲,材料表面形成了大量的位错,有效地提高晶粒内部的位错密度,使材
料表面发生强化,这就是所谓的位错强化
[4-6]
。因此激光冲击强化工艺可以有效地提高表面硬度和抗疲劳寿
命,对提高其抗疲劳寿命具有非常重要的意义。目前,已经有相关文献报道
[2,4,7- 8]
,利用激光冲击强化工艺对
航空常用铝合金进行研究。
正交试验法是一种安排组织试验的方法。它利用一套规格化的表格,即正交表来设计试验方案和分析
收稿日期: 2015-03-25; 收到修改稿日期: 2015-04-12; 网络出版日期: 2015-07-16
作者简介: 陆 莹(1987—),女,硕士,研究实习员,主要从事钛合金分析技术方面的研究。E-mail: luying@sia.cn
52, 081404(2015)
激光与光电子学进展
www.opticsjournal.net
081404-
试验 结果,能够在很 多的试验条件中,选出少数 几个代表性强的 试验条件,并通过这几次试 验的数据,找到
较好的生产条件,即最优的或较优的方案。
首先对单一变量进行试验,得出激光冲击显微硬度与单一变量之间的关系,寻找显微硬度的变化规律。
然后,利用正交试验方法对激光冲击过程中能量、脉宽、冲击次数及吸收层厚度四个工艺参数设计了四水平四
因素(L
4
4
)的正交试验,利用显微硬度对其进行性能表征,得到了最佳的铝合金激光冲击强化试验方案。
2 试验材料及方法
试验中采用的是由中国科学院沈阳自动化研究所高能激光冲击设备,整套设备是由脉冲纳秒 Nd∶YAG
高性能激光系统、激光光路、加持工件机器人以及送水系统组成。激光器系统波长为 1064 nm,脉冲宽度为
14~17 ns,单脉冲能量范围为 2~7 J,聚焦光斑直径为 2 mm,脉冲频率为 0~2 Hz,光斑的搭接率大于 30%。
试验中所 用的铝合金是 2 mm 厚的 轧制板材,加工成 15 mm
×
300 mm 的试样,用 100#到 800#的 SiC 砂
纸打 磨,然后利用三 氧化二铬(Cr
2
O
3
)稀溶液 进行抛光直 至表面无划 痕。为了增强对 激光能量的 吸收,使其
更好 地转变为等 离子体冲击 波,并且保护试 样表面不被 高能激光束 灼伤,试验 中采用黑胶 带作为激光 冲击
强化 的吸收层;同时 为了防止冲击波向外扩散,并延长冲击波的 作用时间,在黑胶带外侧喷 水形成水层 ,作
为冲击的约束层,水层厚度约为 2 mm。
在研究不同激光冲击工艺参数对其强化效果的过程中,为方便起见,使用字母代表不同的工艺参数,用
数字代表不同的水平,工艺参数设计如表 1 所示。
表 1 正交试验的工艺参数
Table 1 Process parameters of orthogonal experiment
1
2
3
4
A (pulse width /ns)
14
15
16
17
B (laser energy /J)
4
5
6
7
C (shock number)
1
2
3
4
D (ablator /mm)
0.15
0.20
0.25
0.50
为了 得出激光冲击强化 的最佳工艺参数,设计了四因素四水 平的激光冲击强化 正交试验,试验设计如
表 2 所示。
表 2 激光冲击正交试验设计
Table 2 Orthogonal experiment design of laser shock peening
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
A1B1C1D1
A1B2C2D2
A1B3C3D3
A1B4C4D4
A2B1C2D3
A2B2C1D4
A2B3C4D1
A2B4C3D2
A3B1C3D4
A3B2C4D3
A3B3C1D2
A3B4C2D1
A4B1C4D2
A4B2C3D1
A4B3C2D4
A4B4C1D3
Pulse width /ns
14
14
14
14
15
15
15
15
16
16
16
16
17
17
17
17
Laser energy/J
4
5
6
7
4
5
6
7
4
5
6
7
4
5
6
7
Number
1
2
3
4
2
1
4
3
3
4
1
2
4
3
2
1
Ablator /mm
0.15
0.20
0.25
0.50
0.25
0.50
0.15
0.20
0.50
0.25
0.20
0.15
0.20
0.15
0.50
0.25
2
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