強脈沖激光提高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，一種利用強脈沖激光誘導的等離子爆轟波對金屬材料表面實施超高應變速率變形的冷加工強化技術。當高功率密度、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，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，該等離子體繼續吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面，使材料發生塑性變形并在表層產生平行于材料表面的拉應力；激光作用結束后，由于沖擊區域周圍材料的反作用，使材料表面獲得高的殘余壓應力。這種殘余壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平，并產生裂紋的閉合效應，從而有效提高材料的強度、耐磨性和疲勞壽命。激光沖擊強化技術適用于鋼鐵和鈦合金、鋁合金等多種材料，航空和先進制造領域顯示出廣闊的應用前景。厚度大于該閾值變形機制為convex,Peening,LSP技術。5083鋁板厚度小于該閾值變形機制為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,變形機制轉變閾值略有增加。

concav機制下材料的變形對能量較敏感,而在convex機制下則不敏感。基于上述研究結論,論文針對concav變形機制下的變形量進行系統研究。利用單條激光沖擊區沖擊試驗,對材料厚度、激光能量、掃描次數和掃描速度對變形量的影響進行單因素影響研究。concav變形機制下,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。當其它各參數不變時,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,達峰值后彎曲角度停止增長。材料的彎曲角度隨著激光沖擊的重疊次數的增加迅速增大,當重疊次數達到三次以后,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,對試樣正反面的殘余應力測試結果也表明在材料表面形成了有益的殘余壓應力。同時,利用正交試驗法,對激光噴丸彎曲成形的工藝參數(激光能量、掃描速度以及重復次數)進行了全面評估。按其變化對彎曲變形量影響的大小排序,依次是掃描速度、掃描次數和激光能量。

所以,掃描次數和掃描速度是兩個重要的影響因素,對彎曲變形量影響明顯,即它對增加彎曲變形有很大潛力。論文運用有限元軟件ANSYS和LS-DYNA ,按照顯式-隱式順序方法,對金屬鋁板的激光沖擊變形機制進行了仿真研究,獲得比較理想的分析結果。仿真結果表明,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變,變形機制的轉變閾值在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變,變形機制轉變閾值在0.5J左右。這與試驗結果的變化趨勢是一致的,但由于峰值壓力的估算存在一定的誤差,變形機制的厚度轉變閾值比試驗結果要小。論文在顯式-隱式順序求解的基礎上,提出了等效初應力載荷的靜態分析方法,把激光沖擊工藝參數等效成初應力載荷,可以對大規模的脈沖成形問題進行分析。等效應力的方法是基于試驗與仿真變形的等效關系建立的,避免了壓力波估算的誤差,可以對材料的變形進行精確仿真,求解速度快。首先通過仿真方法建立等效應力與變形量之間的關系,然后通過試驗建立試驗參數與變形量之間的關系,進而得到試驗參數與等效應力的聯系。為研究激光沖擊條帶分布的成形和校形問題奠定了基礎。論文通過激光沖擊區域的條帶分布來對二維變形問題的進行研究。通過條帶沖擊試驗,研究了0.52mm厚度鋁板在一定的試驗條件下,分別對脈沖帶間隔為2mm3mm4mm和5mm進行試驗研究,試驗結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×條帶數目。同時間隔越大成形試樣出現明顯的折彎痕跡,合理的條帶中心距離為2-3mm通過等效應力方法構建了分析模型,對應力區間隔為零,以及條帶中心距為2mm3mm4mm和5mm試驗工況進行了仿真,仿真結果與試驗有很好的一致性,可以有效地仿真條帶分布的試驗工況。論文運用ANSYS優化設計方法,建立了用于板料校形的優化分析文件和優化控制文件。并結合等效應力分析模型,運用ANSYS優化設計模塊,設定校形目標,對校形板料加載應力進行求解。得到校形的等效應力值,并運用等效應力與工藝參數對應關系圖,求得校形等效應力所對應的校形工藝參數。利用獲得的工藝參數對弧高為2.1mm弧形彎曲板料進行校形試驗,獲得了滿意的校形效果。