【摘要】：激光沖擊成形技術(shù)是在對激光沖擊強化機理的認識和研究基礎(chǔ)上發(fā)展出來的,是一種新型板材柔性精密成形方法。在激光沖擊強化的過程當中,零件表層產(chǎn)生沿厚度方向分布的高幅殘余壓應(yīng)力場,殘余應(yīng)力驅(qū)動板材發(fā)生曲率較小的彎曲變形,基于這種現(xiàn)象逐步發(fā)展出激光沖擊成形的理念。激光沖擊成形在板材成形領(lǐng)域具有顯著優(yōu)點:超高壓成形(GPa級)、超高應(yīng)變率(10~6~10~7s~(-1))、短脈沖時間、板材無模成形、激光參數(shù)可調(diào)節(jié)、可以預(yù)測板材的成形輪廓等,因此其有望替代傳統(tǒng)的機械噴丸板材成形工藝。此外,采用激光沖擊成形技術(shù)成形后板材表面殘留有益壓應(yīng)力,這可以改善材料的塑性成形能力及其他相關(guān)性能,有效地提升金屬零件的使用性能。本文以2024-T351鋁合金作為研究對象,進行激光沖擊凸成形實驗以及仿真研究,從激光參數(shù)、沖擊路徑及板材厚度等方面分析了板材變形區(qū)的殘余應(yīng)力場分布狀況,并對激光沖擊后板材彎曲程度做定量分析。使用ABAQUS有限元分析軟件建立激光沖擊凸成形模型,對成形后板材殘余應(yīng)力場分布及板材變形量進行仿真分析。本文主要研究工作及結(jié)論如下:(1)2024-T351鋁合金薄板具有良好的激光成形能力。激光工藝參數(shù)(如激光能量、沖擊次數(shù)等)和板材厚度等因素的不同組合,板材會相應(yīng)產(chǎn)生不同的彎曲變形特性。本實驗中厚度較小的板材(1mm)在較大的激光能量(5J)下表現(xiàn)為凹變形,而厚度較大板(3mm)在較小的激光能量(3J)下表現(xiàn)為凸變形。當板材表現(xiàn)為凹變形時,板材變形量與激光能量呈正比相關(guān),但是板材凸變形時沒有明確的相關(guān)性。當激光參數(shù)一定時,可以發(fā)現(xiàn)存在一個厚度閾值,小于該厚度板材朝向激光束變形(凹形),大于該厚度板材背向激光束變形(凸形)。(2)分析了2mm厚度2024-T351鋁合金板激光沖擊凸成形后沖擊區(qū)域殘余應(yīng)力場的分布;獲得了激光掃描次數(shù)以及掃描排數(shù)對板材成形后沖擊區(qū)域殘余應(yīng)力場的大小和分布的影響情況。結(jié)果表明,激光沖擊產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力值隨著沖擊掃描次數(shù)的增加而增大,隨激光能量的增加而增大。在板材的沖擊區(qū)域表面及背面都存一定的殘余壓應(yīng)力,而且激光沖擊區(qū)域的殘余應(yīng)力值比未受沖擊區(qū)要大,受沖擊面的殘余壓應(yīng)力值要高于背面未沖擊面的殘余壓應(yīng)力值。(3)結(jié)合實驗結(jié)果,利用仿真軟件ABAQUS對激光沖擊誘導(dǎo)殘余應(yīng)力場分布與板材變形過程進行有限元仿真分析,對激光沖擊凸成形的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析。模擬結(jié)果表明,仿真模擬方法能夠有效預(yù)測激光沖擊成形的成形角度和殘余應(yīng)力場分布的情況。
【圖文】：

金屬薄板的精確彎曲成形和非接觸性調(diào)整與制造在工業(yè)生產(chǎn)和實驗室是非常重要的[24]。激光沖擊成形（LPF）作為一種新開發(fā)的成形技術(shù)，成形復(fù)雜彎曲的一種有效方法。作為激光沖擊強化（LSP）的衍生物，成形使用高強度的激光脈沖（ 1GW/cm2），以極短的持續(xù)時間（10-30板材表面吸收層，高溫使材料氣化蒸發(fā)形成粒子團，粒子團繼續(xù)吸收激內(nèi)能增加達到電離，最后在板材表面上形成高溫高壓等離子體。等離子脹并在擴大過程中持續(xù)吸收激光能量，在約束層的約束作用下，等離子金屬表面和約束層之間膨脹，形成一個高壓沖擊波（GPa級）載荷作用面并傳播進入板材。由于沖擊波壓力遠遠高于材料的動態(tài)屈服強度，板料發(fā)生微塑性變形，從而在板材內(nèi)部生成殘余壓應(yīng)力層[26]。新應(yīng)力的了板材內(nèi)部原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，為了重新得到平衡，板材表層發(fā)生材從而使板材彎曲達到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

圖 1.2 等離子體約束模型[32]Fig.1.2 Plasma spread in a constrain mode激光沖擊技術(shù)的實際應(yīng)用中，，F(xiàn)abbro 等人在實驗基礎(chǔ)上結(jié)合理論子體軸向膨脹半經(jīng)驗?zāi)Ｐ停醇す鉀_擊波傳播的一維模型），約程如下[32]：1、激光脈沖誘導(dǎo)等離子體產(chǎn)生的沖擊波作用在板材內(nèi)部；2、激光脈沖結(jié)束后，等離子體壓力繼續(xù)維持，并由于等卻而減小。在這兩個步驟中，靶材獲得一個由激光誘導(dǎo)的沖擊波最后所有等離子體獲得極大的能量后產(chǎn)生爆炸，給予靶材更大的束模式中的等離子體行為給出如下的宏觀方程式，即[32]：d ( )d =2 ( )2 =1 11 2d ( )3d
【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】：2018
【分類號】：TG665

【參考文獻】

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本文編號：2696815