強(qiáng)脈沖激光提高5083鋁板改性方法

        不同于激光熔覆、激光合金化等伴隨著高溫熔化與凝固熱過程的表面改性方法，一種利用強(qiáng)脈沖激光誘導(dǎo)的等離子爆轟波對(duì)金屬材料表面實(shí)施超高應(yīng)變速率變形的冷加工強(qiáng)化技術(shù)。當(dāng)高功率密度、短脈沖的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時(shí)，涂層吸收激光能量迅速氣化并形成大量稠密的高溫、高壓等離子體，該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面，使材料發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力；激光作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，使材料表面獲得高的殘余壓應(yīng)力。這種殘余壓應(yīng)力會(huì)降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平，并產(chǎn)生裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效提高材料的強(qiáng)度、耐磨性和疲勞壽命。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)適用于鋼鐵和鈦合金、鋁合金等多種材料，航空和先進(jìn)制造領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。厚度大于該閾值變形機(jī)制為convex,Peening,LSP技術(shù)。5083鋁板厚度小于該閾值變形機(jī)制為concav本論文研究過程中厚度閾值在0.7-0.88mm之間,且隨著能量的增加,變形機(jī)制轉(zhuǎn)變閾值略有增加。

concav機(jī)制下材料的變形對(duì)能量較敏感,而在convex機(jī)制下則不敏感?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)論,論文針對(duì)concav變形機(jī)制下的變形量進(jìn)行系統(tǒng)研究。利用單條激光沖擊區(qū)沖擊試驗(yàn),對(duì)材料厚度、激光能量、掃描次數(shù)和掃描速度對(duì)變形量的影響進(jìn)行單因素影響研究。concav變形機(jī)制下,5083鋁板料彎曲角度隨厚度的增加而迅速減小,可以用三次曲線進(jìn)行擬合,這主要由于與材料的抗彎剛度隨厚度呈三次方增加。當(dāng)其它各參數(shù)不變時(shí),增加光束能量后,能量密度(入射到單位表面積上的能量)隨之加大,開始階段板料彎曲角度迅速增大,達(dá)峰值后彎曲角度停止增長(zhǎng)。材料的彎曲角度隨著激光沖擊的重疊次數(shù)的增加迅速增大,當(dāng)重疊次數(shù)達(dá)到三次以后,材料的彎曲角度的彎曲角度不再增加。彎曲角度隨著掃描速度的增加而迅速減小。另外,對(duì)試樣正反面的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果也表明在材料表面形成了有益的殘余壓應(yīng)力。同時(shí),利用正交試驗(yàn)法,對(duì)激光噴丸彎曲成形的工藝參數(shù)(激光能量、掃描速度以及重復(fù)次數(shù))進(jìn)行了全面評(píng)估。按其變化對(duì)彎曲變形量影響的大小排序,依次是掃描速度、掃描次數(shù)和激光能量。

所以,掃描次數(shù)和掃描速度是兩個(gè)重要的影響因素,對(duì)彎曲變形量影響明顯,即它對(duì)增加彎曲變形有很大潛力。論文運(yùn)用有限元軟件ANSYS和LS-DYNA ,按照顯式-隱式順序方法,對(duì)金屬鋁板的激光沖擊變形機(jī)制進(jìn)行了仿真研究,獲得比較理想的分析結(jié)果。仿真結(jié)果表明,加載壓力一定的情況下,隨著材料厚度的增加,材料的變形從凹變形向凸變形轉(zhuǎn)變,變形機(jī)制的轉(zhuǎn)變閾值在0.25mm左右;材料厚度一定的條件下,隨著能量的增加即壓力波峰值的增加,從凸變形向凹變形轉(zhuǎn)變,變形機(jī)制轉(zhuǎn)變閾值在0.5J左右。這與試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)是一致的,但由于峰值壓力的估算存在一定的誤差,變形機(jī)制的厚度轉(zhuǎn)變閾值比試驗(yàn)結(jié)果要小。論文在顯式-隱式順序求解的基礎(chǔ)上,提出了等效初應(yīng)力載荷的靜態(tài)分析方法,把激光沖擊工藝參數(shù)等效成初應(yīng)力載荷,可以對(duì)大規(guī)模的脈沖成形問題進(jìn)行分析。等效應(yīng)力的方法是基于試驗(yàn)與仿真變形的等效關(guān)系建立的,避免了壓力波估算的誤差,可以對(duì)材料的變形進(jìn)行精確仿真,求解速度快。首先通過仿真方法建立等效應(yīng)力與變形量之間的關(guān)系,然后通過試驗(yàn)建立試驗(yàn)參數(shù)與變形量之間的關(guān)系,進(jìn)而得到試驗(yàn)參數(shù)與等效應(yīng)力的聯(lián)系。為研究激光沖擊條帶分布的成形和校形問題奠定了基礎(chǔ)。論文通過激光沖擊區(qū)域的條帶分布來對(duì)二維變形問題的進(jìn)行研究。通過條帶沖擊試驗(yàn),研究了0.52mm厚度鋁板在一定的試驗(yàn)條件下,分別對(duì)脈沖帶間隔為2mm3mm4mm和5mm進(jìn)行試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明隨著條帶間隔的增加,材料的總變形角度有所減少,間隔越小總變形量越接近于單條帶變形量×條帶數(shù)目。同時(shí)間隔越大成形試樣出現(xiàn)明顯的折彎痕跡,合理的條帶中心距離為2-3mm通過等效應(yīng)力方法構(gòu)建了分析模型,對(duì)應(yīng)力區(qū)間隔為零,以及條帶中心距為2mm3mm4mm和5mm試驗(yàn)工況進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果與試驗(yàn)有很好的一致性,可以有效地仿真條帶分布的試驗(yàn)工況。論文運(yùn)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,建立了用于板料校形的優(yōu)化分析文件和優(yōu)化控制文件。并結(jié)合等效應(yīng)力分析模型,運(yùn)用ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊,設(shè)定校形目標(biāo),對(duì)校形板料加載應(yīng)力進(jìn)行求解。得到校形的等效應(yīng)力值,并運(yùn)用等效應(yīng)力與工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖,求得校形等效應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的校形工藝參數(shù)。利用獲得的工藝參數(shù)對(duì)弧高為2.1mm弧形彎曲板料進(jìn)行校形試驗(yàn),獲得了滿意的校形效果。