2024-T351铝合金激光冲击凸成形实验与仿真研究

发布时间：2020-06-04 18:45

【摘要】：激光冲击成形技术是在对激光冲击强化机理的认识和研究基础上发展出来的,是一种新型板材柔性精密成形方法。在激光冲击强化的过程当中,零件表层产生沿厚度方向分布的高幅残余压应力场,残余应力驱动板材发生曲率较小的弯曲变形,基于这种现象逐步发展出激光冲击成形的理念。激光冲击成形在板材成形领域具有显著优点:超高压成形(GPa级)、超高应变率(10~6~10~7s~(-1))、短脉冲时间、板材无模成形、激光参数可调节、可以预测板材的成形轮廓等,因此其有望替代传统的机械喷丸板材成形工艺。此外,采用激光冲击成形技术成形后板材表面残留有益压应力,这可以改善材料的塑性成形能力及其他相关性能,有效地提升金属零件的使用性能。本文以2024-T351铝合金作为研究对象,进行激光冲击凸成形实验以及仿真研究,从激光参数、冲击路径及板材厚度等方面分析了板材变形区的残余应力场分布状况,并对激光冲击后板材弯曲程度做定量分析。使用ABAQUS有限元分析软件建立激光冲击凸成形模型,对成形后板材残余应力场分布及板材变形量进行仿真分析。本文主要研究工作及结论如下:(1)2024-T351铝合金薄板具有良好的激光成形能力。激光工艺参数(如激光能量、冲击次数等)和板材厚度等因素的不同组合,板材会相应产生不同的弯曲变形特性。本实验中厚度较小的板材(1mm)在较大的激光能量(5J)下表现为凹变形,而厚度较大板(3mm)在较小的激光能量(3J)下表现为凸变形。当板材表现为凹变形时,板材变形量与激光能量呈正比相关,但是板材凸变形时没有明确的相关性。当激光参数一定时,可以发现存在一个厚度阈值,小于该厚度板材朝向激光束变形(凹形),大于该厚度板材背向激光束变形(凸形)。(2)分析了2mm厚度2024-T351铝合金板激光冲击凸成形后冲击区域残余应力场的分布;获得了激光扫描次数以及扫描排数对板材成形后冲击区域残余应力场的大小和分布的影响情况。结果表明,激光冲击产生的残余压应力值随着冲击扫描次数的增加而增大,随激光能量的增加而增大。在板材的冲击区域表面及背面都存一定的残余压应力,而且激光冲击区域的残余应力值比未受冲击区要大,受冲击面的残余压应力值要高于背面未冲击面的残余压应力值。(3)结合实验结果,利用仿真软件ABAQUS对激光冲击诱导残余应力场分布与板材变形过程进行有限元仿真分析,对激光冲击凸成形的实验结果与仿真结果进行对比分析。模拟结果表明,仿真模拟方法能够有效预测激光冲击成形的成形角度和残余应力场分布的情况。
【图文】：

示意图,激光冲击,成形,示意图

金属薄板的精确弯曲成形和非接触性调整与制造在工业生产和实验室是非常重要的[24]。激光冲击成形（LPF）作为一种新开发的成形技术，成形复杂弯曲的一种有效方法。作为激光冲击强化（LSP）的衍生物，成形使用高强度的激光脉冲（ 1GW/cm2），以极短的持续时间（10-30板材表面吸收层，高温使材料气化蒸发形成粒子团，粒子团继续吸收激内能增加达到电离，最后在板材表面上形成高温高压等离子体。等离子胀并在扩大过程中持续吸收激光能量，在约束层的约束作用下，等离子金属表面和约束层之间膨胀，形成一个高压冲击波（GPa级）载荷作用面并传播进入板材。由于冲击波压力远远高于材料的动态屈服强度，板料发生微塑性变形，从而在板材内部生成残余压应力层[26]。新应力的了板材内部原有的应力平衡状态，为了重新得到平衡，板材表层发生材从而使板材弯曲达到新的应力平衡状态。

模型图,等离子体约束,模型

图 1.2 等离子体约束模型[32]Fig.1.2 Plasma spread in a constrain mode激光冲击技术的实际应用中，，Fabbro 等人在实验基础上结合理论子体轴向膨胀半经验模型（即激光冲击波传播的一维模型），约程如下[32]：1、激光脉冲诱导等离子体产生的冲击波作用在板材内部；2、激光脉冲结束后，等离子体压力继续维持，并由于等却而减小。在这两个步骤中，靶材获得一个由激光诱导的冲击波最后所有等离子体获得极大的能量后产生爆炸，给予靶材更大的束模式中的等离子体行为给出如下的宏观方程式，即[32]：d ( )d =2 ( )2 =1 11 2d ( )3d
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665

【参考文献】