激光高速冲击同步焊接与成形研究

发布时间：2017-09-17 22:07

  本文关键词：激光高速冲击同步焊接与成形研究

  更多相关文章： 激光冲击 激光冲击成形 高速冲击焊接 同步焊接成形 光滑粒子流体动力学

【摘要】：基于激光驱动飞片冲击微成形和激光高速冲击焊接工艺,本文提出激光高速冲击同步焊接与成形新工艺,搭建了激光间接冲击微成形与激光高速冲击焊接的复合焊接成形实验平台,对激光高速冲击同步焊接与成形展开了研究。主要研究工作与成果如下:首先,阐述了激光与物质的相互作用的力效应模型,冲击波压力的计算模型;借鉴高速冲击焊接的相关理论,分析了焊接界面形成的前提、波形特征和结合机理,为后续的实验研究和数值模拟研究提供理论基础。其次,对同种金属材料Al/Al组合进行了激光高速冲击同步焊接与成形实验研究。利用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微镜对焊接与成形试样的表面形貌和贴模性进行了观测,从试样的表面形貌中可以看出材料在激光的冲击力作用下会发生强烈的塑性变形,从而复制得到模具形状;试样的贴模性随着激光能量的不断增加而增大,而当激光能量大于4.5J时,焊接成形试样的底部出现了回弹现象,贴模性反而降低。利用Axio CSM 700共聚焦显微镜对试样表面的粗糙度和焊接界面的形貌进行了观测,结果表明粗糙度随着激光能量和飞行腔距离的增加而增大;焊接截面剖视图显示焊接界面大部分区域均发生了连接。采用纳米压痕仪对焊接界面附近的硬度进行测试,发现焊接界面材料的显微硬度有了一定的提高,且越靠近焊接界面材料的显微硬度增加的越明显。继而对异种金属材料Cu/Al组合进行了进一步的实验探究。采用KEYENCE VHX-1000C对试样的贴模性和表面粗糙度进行了观测,研究发现试样的贴模性随着激光能量的增大而增大;试样的表面粗糙度随着激光能量和飞行腔距离的增大而增大。采用Axio CSM 700对焊接界面进行观测,发现焊接界面两侧分别出现了周期性的正弦波形和平直状波形,但界面的底部未发生焊接。采用纳米压痕仪对焊接界面附近的硬度进行测试,结果显示越靠近Cu/Al焊接界面位置,材料显微硬度值越大,焊接界面上的硬度介于两者之间。采用X射线能谱仪对焊接界面元素进行线扫描分析,发现焊接界面上的元素发生了一定程度的扩散,扩散层宽度约为1.5μm。最后,使用光滑粒子流体动力学方法对激光高速冲击同步焊接与成形工艺进行数值模拟,很好地模拟出射流现象和焊接界面温度,研究发现焊接界面的温度未超过材料的熔点,材料未发生熔化;在焊接界面处基板和复板剪切应力方向相反,且有效塑性变形超过某一临界值可以形成有效的固相冶金结合。随着复板冲击速度增加,焊接区域材料的有效塑性变形也增大,焊接界面形貌由平直状过渡到微波状,最后出现大波纹状。当复板飞行距离增大时,复板和基板之间的碰撞角度也相应增大,焊接区域面积逐渐变大。界面波的形态从平直状过渡到波浪状,甚至出现了漩涡状波形。作为一种新型的焊接与成形工艺,激光高速冲击同步焊接与成形技术具有较高的研究价值和良好的应用前景,本文研究为同种和异种金属材料间的同步焊接与成形的工程应用提供了技术基础。
【关键词】：激光冲击 激光冲击成形 高速冲击焊接 同步焊接成形 光滑粒子流体动力学
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG456.7
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 引言11-12
• 1.2 激光冲击微成形国内外研究现状12-18
• 1.2.1 激光冲击箔板微成形12-16
• 1.2.2 激光驱动飞片加载金属箔板微成形16-18
• 1.3 高速冲击焊接工艺及其研究概况18-22
• 1.3.1 爆炸焊接18-19
• 1.3.2 电磁脉冲焊接19-20
• 1.3.3 激光冲击焊接20-22
• 1.4 本课题的提出，主要内容和研究意义22-25
• 1.4.1 本课题的提出22-23
• 1.4.2 主要内容和研究意义23-24
• 1.4.3 课题来源24-25
• 第二章 激光高速冲击同步焊接与成形理论基础研究25-39
• 2.1 激光与物质的相互作用及力学模型25-29
• 2.1.1 激光与物质的相互作用25-28
• 2.1.2 激光诱导冲击波的峰值压力计算28-29
• 2.1.3 激光诱导冲击波的时空分布29
• 2.2 激光驱动飞片加载金属箔板微成形过程29-31
• 2.2.1 激光驱动飞片的机理29-30
• 2.2.2 激光驱动飞片的速度计算和分析30-31
• 2.3 激光冲击下试样的塑性变形31-32
• 2.3.1 应变率张量31
• 2.3.2 塑性变形的屈服条件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 复板流侵彻机理34-35
• 2.6.2 涡街机理35-36
• 2.6.3 应力波机理36
• 2.6.4 失稳机理36-38
• 2.7 本章小结38-39
• 第三章 激光高速冲击同步焊接与成形实验研究39-65
• 3.1 实验前期准备39-48
• 3.1.1 激光器设备39-41
• 3.1.2 微模具设计41-42
• 3.1.3 微细电火花加工模具42-44
• 3.1.4 实验检测设备44-48
• 3.2 实验方案设计48-50
• 3.2.1 材料选择48-49
• 3.2.2 实验设计49
• 3.2.3 实验样品制备49-50
• 3.3 实验结果与讨论50-63
• 3.3.1 焊接成形试样的表面形貌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 焊接成形件的贴模性57-59
• 3.3.5 焊接界面的纳米硬度59-61
• 3.3.6 焊接界面的元素扩散61-63
• 3.4 本章小结63-65
• 第四章 激光高速冲击同步焊接与成形数值模拟65-84
• 4.1 SPH方法65-68
• 4.2 材料冲击状态方程和强度模型68-70
• 4.2.1 材料冲击状态方程68-69
• 4.2.2 材料强度模型69-70
• 4.3 有限元模型的建立70-71
• 4.4 数值模拟结果与讨论71-82
• 4.4.1 激光高速冲击同步焊接与成形过程71-72
• 4.4.2 射流效应72-73
• 4.4.3 焊接界面温度73-75
• 4.4.4 剪切应力分析75-76
• 4.4.5 冲击速度对焊接界面形貌的影响76-78
• 4.4.6 有效塑性变形分析78-80
• 4.4.7 飞行距离对焊接区域面积的影响80-81
• 4.4.8 飞行距离对焊接界面形貌的影响81-82
• 4.5 本章小结82-84
• 第五章 总结与展望84-87
• 5.1 研究工作总结84-85
• 5.2 研究展望85-87
• 参考文献87-93
• 攻读硕士学位期间发表的论文及专利93-94
• 致谢94

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