本文關鍵詞：激光高速沖擊同步焊接與成形研究

  更多相關文章： 激光沖擊 激光沖擊成形 高速沖擊焊接 同步焊接成形 光滑粒子流體動力學

【摘要】：基于激光驅動飛片沖擊微成形和激光高速沖擊焊接工藝,本文提出激光高速沖擊同步焊接與成形新工藝,搭建了激光間接沖擊微成形與激光高速沖擊焊接的復合焊接成形實驗平臺,對激光高速沖擊同步焊接與成形展開了研究。主要研究工作與成果如下:首先,闡述了激光與物質的相互作用的力效應模型,沖擊波壓力的計算模型;借鑒高速沖擊焊接的相關理論,分析了焊接界面形成的前提、波形特征和結合機理,為后續(xù)的實驗研究和數值模擬研究提供理論基礎。其次,對同種金屬材料Al/Al組合進行了激光高速沖擊同步焊接與成形實驗研究。利用KEYENCE VHX-1000C超景深三維顯微鏡對焊接與成形試樣的表面形貌和貼模性進行了觀測,從試樣的表面形貌中可以看出材料在激光的沖擊力作用下會發(fā)生強烈的塑性變形,從而復制得到模具形狀;試樣的貼模性隨著激光能量的不斷增加而增大,而當激光能量大于4.5J時,焊接成形試樣的底部出現了回彈現象,貼模性反而降低。利用Axio CSM 700共聚焦顯微鏡對試樣表面的粗糙度和焊接界面的形貌進行了觀測,結果表明粗糙度隨著激光能量和飛行腔距離的增加而增大;焊接截面剖視圖顯示焊接界面大部分區(qū)域均發(fā)生了連接。采用納米壓痕儀對焊接界面附近的硬度進行測試,發(fā)現焊接界面材料的顯微硬度有了一定的提高,且越靠近焊接界面材料的顯微硬度增加的越明顯。繼而對異種金屬材料Cu/Al組合進行了進一步的實驗探究。采用KEYENCE VHX-1000C對試樣的貼模性和表面粗糙度進行了觀測,研究發(fā)現試樣的貼模性隨著激光能量的增大而增大;試樣的表面粗糙度隨著激光能量和飛行腔距離的增大而增大。采用Axio CSM 700對焊接界面進行觀測,發(fā)現焊接界面兩側分別出現了周期性的正弦波形和平直狀波形,但界面的底部未發(fā)生焊接。采用納米壓痕儀對焊接界面附近的硬度進行測試,結果顯示越靠近Cu/Al焊接界面位置,材料顯微硬度值越大,焊接界面上的硬度介于兩者之間。采用X射線能譜儀對焊接界面元素進行線掃描分析,發(fā)現焊接界面上的元素發(fā)生了一定程度的擴散,擴散層寬度約為1.5μm。最后,使用光滑粒子流體動力學方法對激光高速沖擊同步焊接與成形工藝進行數值模擬,很好地模擬出射流現象和焊接界面溫度,研究發(fā)現焊接界面的溫度未超過材料的熔點,材料未發(fā)生熔化;在焊接界面處基板和復板剪切應力方向相反,且有效塑性變形超過某一臨界值可以形成有效的固相冶金結合。隨著復板沖擊速度增加,焊接區(qū)域材料的有效塑性變形也增大,焊接界面形貌由平直狀過渡到微波狀,最后出現大波紋狀。當復板飛行距離增大時,復板和基板之間的碰撞角度也相應增大,焊接區(qū)域面積逐漸變大。界面波的形態(tài)從平直狀過渡到波浪狀,甚至出現了漩渦狀波形。作為一種新型的焊接與成形工藝,激光高速沖擊同步焊接與成形技術具有較高的研究價值和良好的應用前景,本文研究為同種和異種金屬材料間的同步焊接與成形的工程應用提供了技術基礎。
【關鍵詞】：激光沖擊 激光沖擊成形 高速沖擊焊接 同步焊接成形 光滑粒子流體動力學
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG456.7
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-25
• 1.1 引言11-12
• 1.2 激光沖擊微成形國內外研究現狀12-18
• 1.2.1 激光沖擊箔板微成形12-16
• 1.2.2 激光驅動飛片加載金屬箔板微成形16-18
• 1.3 高速沖擊焊接工藝及其研究概況18-22
• 1.3.1 爆炸焊接18-19
• 1.3.2 電磁脈沖焊接19-20
• 1.3.3 激光沖擊焊接20-22
• 1.4 本課題的提出，主要內容和研究意義22-25
• 1.4.1 本課題的提出22-23
• 1.4.2 主要內容和研究意義23-24
• 1.4.3 課題來源24-25
• 第二章 激光高速沖擊同步焊接與成形理論基礎研究25-39
• 2.1 激光與物質的相互作用及力學模型25-29
• 2.1.1 激光與物質的相互作用25-28
• 2.1.2 激光誘導沖擊波的峰值壓力計算28-29
• 2.1.3 激光誘導沖擊波的時空分布29
• 2.2 激光驅動飛片加載金屬箔板微成形過程29-31
• 2.2.1 激光驅動飛片的機理29-30
• 2.2.2 激光驅動飛片的速度計算和分析30-31
• 2.3 激光沖擊下試樣的塑性變形31-32
• 2.3.1 應變率張量31
• 2.3.2 塑性變形的屈服條件31-32
• 2.4 焊接形成的前提32-33
• 2.5 焊接界面波的特征33-34
• 2.6 界面波的形成原理34-38
• 2.6.1 復板流侵徹機理34-35
• 2.6.2 渦街機理35-36
• 2.6.3 應力波機理36
• 2.6.4 失穩(wěn)機理36-38
• 2.7 本章小結38-39
• 第三章 激光高速沖擊同步焊接與成形實驗研究39-65
• 3.1 實驗前期準備39-48
• 3.1.1 激光器設備39-41
• 3.1.2 微模具設計41-42
• 3.1.3 微細電火花加工模具42-44
• 3.1.4 實驗檢測設備44-48
• 3.2 實驗方案設計48-50
• 3.2.1 材料選擇48-49
• 3.2.2 實驗設計49
• 3.2.3 實驗樣品制備49-50
• 3.3 實驗結果與討論50-63
• 3.3.1 焊接成形試樣的表面形貌50-53
• 3.3.2 表面粗糙度53-55
• 3.3.3 焊接界面形貌55-57
• 3.3.4 焊接成形件的貼模性57-59
• 3.3.5 焊接界面的納米硬度59-61
• 3.3.6 焊接界面的元素擴散61-63
• 3.4 本章小結63-65
• 第四章 激光高速沖擊同步焊接與成形數值模擬65-84
• 4.1 SPH方法65-68
• 4.2 材料沖擊狀態(tài)方程和強度模型68-70
• 4.2.1 材料沖擊狀態(tài)方程68-69
• 4.2.2 材料強度模型69-70
• 4.3 有限元模型的建立70-71
• 4.4 數值模擬結果與討論71-82
• 4.4.1 激光高速沖擊同步焊接與成形過程71-72
• 4.4.2 射流效應72-73
• 4.4.3 焊接界面溫度73-75
• 4.4.4 剪切應力分析75-76
• 4.4.5 沖擊速度對焊接界面形貌的影響76-78
• 4.4.6 有效塑性變形分析78-80
• 4.4.7 飛行距離對焊接區(qū)域面積的影響80-81
• 4.4.8 飛行距離對焊接界面形貌的影響81-82
• 4.5 本章小結82-84
• 第五章 總結與展望84-87
• 5.1 研究工作總結84-85
• 5.2 研究展望85-87
• 參考文獻87-93
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及專利93-94
• 致謝94

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本文編號：871630