本文關(guān)鍵詞：激光高速沖擊同步焊接與成形研究

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【摘要】：基于激光驅(qū)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(fù)合焊接成形實(shí)驗(yàn)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(zhì)的相互作用的力效應(yīng)模型,沖擊波壓力的計(jì)算模型;借鑒高速沖擊焊接的相關(guān)理論,分析了焊接界面形成的前提、波形特征和結(jié)合機(jī)理,為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究提供理論基礎(chǔ)。其次,對同種金屬材料Al/Al組合進(jìn)行了激光高速沖擊同步焊接與成形實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)烈的塑性變形,從而復(fù)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(dāng)激光能量大于4.5J時(shí),焊接成形試樣的底部出現(xiàn)了回彈現(xiàn)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(jìn)行了觀測,結(jié)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(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)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(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。采用KEYENCE VHX-1000C對試樣的貼模性和表面粗糙度進(jìn)行了觀測,研究發(fā)現(xiàn)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(jìn)行觀測,發(fā)現(xiàn)焊接界面兩側(cè)分別出現(xiàn)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(jìn)行測試,結(jié)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(jìn)行線掃描分析,發(fā)現(xiàn)焊接界面上的元素發(fā)生了一定程度的擴(kuò)散,擴(kuò)散層寬度約為1.5μm。最后,使用光滑粒子流體動力學(xué)方法對激光高速沖擊同步焊接與成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬,很好地模擬出射流現(xiàn)象和焊接界面溫度,研究發(fā)現(xiàn)焊接界面的溫度未超過材料的熔點(diǎn),材料未發(fā)生熔化;在焊接界面處基板和復(fù)板剪切應(yīng)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(jié)合。隨著復(fù)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(xiàn)大波紋狀。當(dāng)復(fù)板飛行距離增大時(shí),復(fù)板和基板之間的碰撞角度也相應(yīng)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(xiàn)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(shù)具有較高的研究價(jià)值和良好的應(yīng)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(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
【關(guān)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(xué)
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(nèi)外研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.1 激光沖擊箔板微成形12-16
• 1.2.2 激光驅(qū)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(nèi)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(nèi)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(chǔ)研究25-39
• 2.1 激光與物質(zhì)的相互作用及力學(xué)模型25-29
• 2.1.1 激光與物質(zhì)的相互作用25-28
• 2.1.2 激光誘導(dǎo)沖擊波的峰值壓力計(jì)算28-29
• 2.1.3 激光誘導(dǎo)沖擊波的時(shí)空分布29
• 2.2 激光驅(qū)動飛片加載金屬箔板微成形過程29-31
• 2.2.1 激光驅(qū)動飛片的機(jī)理29-30
• 2.2.2 激光驅(qū)動飛片的速度計(jì)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(yīng)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(fù)板流侵徹機(jī)理34-35
• 2.6.2 渦街機(jī)理35-36
• 2.6.3 應(yīng)力波機(jī)理36
• 2.6.4 失穩(wěn)機(jī)理36-38
• 2.7 本章小結(jié)38-39
• 第三章 激光高速沖擊同步焊接與成形實(shí)驗(yàn)研究39-65
• 3.1 實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備39-48
• 3.1.1 激光器設(shè)備39-41
• 3.1.2 微模具設(shè)計(jì)41-42
• 3.1.3 微細(xì)電火花加工模具42-44
• 3.1.4 實(shí)驗(yàn)檢測設(shè)備44-48
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)48-50
• 3.2.1 材料選擇48-49
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)49
• 3.2.3 實(shí)驗(yàn)樣品制備49-50
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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?cái)U(kuò)散61-63
• 3.4 本章小結(jié)63-65
• 第四章 激光高速沖擊同步焊接與成形數(shù)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(qiáng)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(qiáng)度模型69-70
• 4.3 有限元模型的建立70-71
• 4.4 數(shù)值模擬結(jié)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(yīng)72-73
• 4.4.3 焊接界面溫度73-75
• 4.4.4 剪切應(yīng)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(jié)82-84
• 第五章 總結(jié)與展望84-87
• 5.1 研究工作總結(jié)84-85
• 5.2 研究展望85-87
• 參考文獻(xiàn)87-93
• 攻讀碩士學(xué)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