板料激光喷丸弯曲成形机制与技术

板料激光喷丸弯曲成形是一种新技术,为中厚板料弯曲成形提供全新的手段,为强激光在板料塑性成形领域的应用开辟了新方向.激光喷丸弯曲成形是利用冲击波诱导的残余应力实现板料弯曲成形,其成形的效果与激光工艺参数、板料几何参数及材料性能等因素有关.根据喷丸路径,把激光喷丸弯曲成形件分为V形件、柱面件、球面圆顶件等.分析了激光喷丸弯曲成形方法及成形装置.最后,介绍了激光喷丸弯曲成形的实际运用并分析了其潜在应用.     

金属板料激光喷丸成形理论研究与数值模拟

在对激光喷丸成形(LPF)机制分析的基础上,采用ABAQUS软件对激光喷丸成形过程进行了有限元数值模拟,分析了激光喷丸后板料的变形和残余应力场的分布情况。结果表明激光喷丸在板料表层的塑性变形层中诱导出压应力,在塑性变形层以下部位出现拉应力,这种应力分布形式打破了板料内部原有力系的平衡,促使板料发生弯曲变形,从而使板料内部应力重新分布以达到新的平衡,最终在板料厚度方向形成上下两面为压应力,而中部为拉应力的新的残余应力场。研究结果对理解激光喷丸成形过程及其本质,进行激光喷丸工艺参数的合理优化、板料变形过程的有效控制和进一步的实验研究具有指导意义。     

激光喷丸成形中的残余应力

通过对激光喷丸成形(LPF)中残余应力场分布的研究,找出单点喷丸残余应力分布形式,以及单点多次、多点不同路径喷丸中后续冲击对前次冲击残余应力分布的影响规律。对准确控制残余应力分布,获得激光喷丸后所需的板料形状具有指导意义。利用钕玻璃高功率脉冲激光对厚度为1.2 mm的LY12CZ硬铝合金进行了单点激光喷丸,用X衍射应力测定仪考察了单点冲击后材料表面及深度方向的残余应力,用厚度为2 mm 的6061-T6铝合金板料进行三列窄条激光喷丸变形实验。以ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件为平台,建立了具有一定精度的激光喷丸过程中冲击波压力的加载模型,对板料的变形过程进行了数值模拟, 分别考察了不同激光能量,板料尺寸,冲击路径等工艺参数对残余应力场分布的影响。实验结合数值模拟探索激光喷丸的主要参数和残余应力场之间的相互关系。     

金属板料激光预应力复合的喷丸成形

在对激光热应力成形(LTF)和激光喷丸成形(LPF)的技术优势进行分析的基础上,提出了一种板料激光预应力复合喷丸成形技术,其将连续激光的热堆积作用和脉冲激光的冲击波作用相结合,是一种热效应和力效应复合的成形方法。板料激光预应力复合喷丸成形技术首先使用CO2激光器对2 mm厚的SUS304不锈钢板料按特定的轨迹扫描以施加预应力,实现板料基本形状成形,然后通过ATOS-Ⅱ光学扫描测量系统测量成形后板料表面的轮廓点云图,利用逆向软件Imageware建立成形板料的虚拟模型。利用有限元软件ABAQUS与逆向软件Imageware的接口,将虚拟模型转换为有限元分析模型,通过调整激光工艺参数和控制激光喷丸轨迹,模拟得到最优的残余应力场分布。然后使用数值模拟优化的激光工艺参数和喷丸轨迹进行板料激光喷丸成形实验。结果表明,经激光复合成形的板料获得预期的形状,且正反两面都呈残余压应力场分布。     

LY12CZ铝合金激光喷丸变形

板料激光喷丸成形是通过强激光冲击金属板料所诱导的非均匀残余应力使板料产生塑性变形。报道了用波长为1.064μm,脉宽为23 ns的强激光对外形尺寸为75 mm×20 mm×1.2 mm的航空铝合金LY12CZ进行了喷丸冲击变形实验。实验结果表明,沿着试样的中心线进行喷丸,试样变形的弧弓高随着喷丸次数的增加而增加,经过多次冲击后,尽管冲击次数增加,试样的变形量增加不明显。在实验的基础上,建立了有限元分析模型,用三维体单元对板料激光弯曲成形过程进行了数值模拟,所得结果和实验结果较一致。     

金属板料激光冲击成形技术研究

本文首次提出利用激光冲击波进行金属板料成形的新技术——金属板料的激光冲击成形,分析了其成形机理和特点。利用脉冲能量为1030J、脉宽为20ns的高功率Nd:Glass激光器,对金属板料进行了激光冲击成形的实验研究,探讨了激光参数、约束边界条件等对板料成形的影响。结果表明:在单次激光冲击下,随激光能量的增加,板料成形量随之增大,顶部曲率半径减小;随约束孔径的增加,板料成形量和顶部曲率半径都随之增加;在成形区凸面顶部为残余压缩应力-301MPa～-28MPa,而在成形凹面顶部因板料厚度的不同而呈现为残余压缩应力或拉伸应力。通过选择不同的激光参数和约束条件可以获得所需的工件轮廓形状和表面残余应力性质,为大面积板料的无模激光冲击成形技术的研究提供了依据。     

基于Taguchi方法的激光喷丸强化工艺参数的优化研究

为了对激光喷丸强化的工艺参数进行全面评估,通过改变激光能量A、脉冲宽度B和光斑直径C,对12mm厚的6061-T6铝合金板料进行模拟实验研究,旨在评价激光工艺参数对喷丸后残余应力的影响及彼此之间的交互作用.在Taguchi方法指导的基础上,采用ABAQUS有限元分析软件进行实验模拟,并运用MINITAB软件对数值模拟结果进行统计分析.结果表明,个激光工艺参数对残余压应力都有着显著的影响,按照对残余压应力影响程度的大小进行排序,依次为光斑直径、脉冲宽度和激光能量.最佳的参数水平组合为ABC2,对应的表面残余应力大小为125MPa.     

激光冲击TA2板料变形的理论分析和实验研究

金属板料的激光冲击成形技术是利用高能激光诱导的高幅冲击波的力效应,而非热效应实现金属板料的塑性成形技术。对单次激光冲击下TA2板料的变形过程进行了理论分析,通过对激光冲击波载荷作用下板料变形过程的理论分析,建立了激光冲击板料变形的数学模型,得到了板料变形量与加工系统中各种参数之间的相互关系,为加工过程中各种参数的合理优化、板料变形过程的有效控制和实现大面积金属板料的激光冲击成形提供了理论依据。利用高功率钕玻璃激光冲击波装置,从影响板料变形的几个因素出发,选取了三种实验方案,对单次激光冲击下板料的理论变形量进行了实验验证。实验结果表明,依据本数学模型计算得到的理论变形量与实验实测数据较为接近,从而验证了用于计算单次激光冲击下板料变形理论的正确性和预测板料变形的实用性。     

边界约束条件对薄板激光喷丸诱导残余应力和塑性变形的影响

为研究不同边界约束条件对薄板多点激光喷丸诱导残余应力和塑性变形的影响,采用数值模拟和试验结合的方法对7075铝合金薄板激光喷丸处理进行研究,对比分析了板料在底部全约束和两端夹持两种边界约束条件下的变形形貌和残余应力分布。结果表明:激光喷丸后,板料冲击区域均产生微凹坑;底部全约束的板料经激光喷丸后,未发生整体变形,仍然保持平整状态,而两端夹持的薄板喷丸区域发生了整体向上的凸起变形。两种边界约束条件下,最大残余压应力均出现在板料的冲击表面;底部全约束时的最大残余压应力为299.0 MPa,大于板料两端夹持时的251.6 MPa。在厚度方向上,其残余应力分布也存在着明显差异,底部全约束时,厚度方向上的残余应力分布形式为压应力-拉应力,而两端夹持时的分布形式为压应力-拉应力-压应力。     

激光喷丸强化6061-T6铝合金板料的表面完整性研究

采用数值模拟和实验相结合的方法研究了6061-T6航空铝合金板料经激光喷丸强化后表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、残余应力、表面显微组织结构等表面完整性的变化.结果表明激光喷丸后,试样表面喷丸区域的粗糙度降低;激光喷丸过程中冲击波诱导表面显微组织发生变化,位错密度增加,从而使得硬度增加,表面抗塑性变形能力得到提高;受喷板料正反两面均呈现残余压应力分布,最大残余应力值位于喷丸区域表面,厚度方向残余压应力随深度增加而逐渐减小.数值模拟得到的表面微凹坑截面轮廓及残余应力分布与实验结果相一致,表明可以用数值模拟方法对表面完整性进行预测,为激光喷丸过程参数优化和表面质量有效控制提供依据.     

扫描方式对激光直接成形过程中热力耦合场与残余应力分布的影响

利用有限元中的"单元生死"技术,通过ANSYS参数化设计语言(APDL)编程研究了长边扫描、短边扫描以及交错扫描方式对成形过程的热力耦合场以及残余应力分布的影响,并详细分析了各种扫描方式下,所选节点温度和热应力随时间的变化规律及残余应力沿各方向的分布规律。在与模拟过程相同条件下,实际成形实验所得结果与模拟结果吻合较好。     

中空激光冲击金属板料变形的数值模拟

为了研究中空激光参量对金属板料变形的影响,采用数值仿真的方法,选用不同的中空激光参量对3003铝合金板料进行了冲击成形数值模拟,分析了板料变形的动态响应过程以及成形规律。结果表明,中空激光加载后,板料获得初速度,光斑区域的速度逐渐减少,区域外的速度逐渐增加,带动整个板材的运动;与实心激光冲击板料变形比较,板料底部变形区较为平坦,变形比较均匀,提高了板料的成形性和成形极限。该研究通过选择不同的中空激光参量获得板料的成形规律,为中空激光冲击成形技术提供了依据。     

正方形薄板激光弯曲三维成形球冠面的技术分析

激光弯曲成形是利用激光束的能量修整板材曲率的一种新型柔性无模成形加工方法。为探索激光弯曲三维成形的机制以及成形过程中的物理现象,对1Cr18Ni9Ti正方形薄板采用交叉线扫描策略激光弯曲三维成形制备了球冠面,利用显式动态有限元方法分析了正方形薄板在激光扫描过程中的温度、应力、应变、节点加速度与速度以及形变的变化情况,在二维激光成形温度梯度机制基础上探讨了激光弯曲三维成形中存在的物理现象。在扫描过程中,薄板整体的温度随着激光扫描逐渐增加,在任意时刻任意位置的加热都会造成整体薄板应力作用方向和大小的改变,应力变化是形成圆周线的趋势,由于扫描路径时空的变化导致正方形薄板四角的变形量有所不同。     

304不锈钢板料激光热应力成形试验研究

通过改变激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描次数及板料宽度对2 mm厚度的AISI304不锈钢板料进行激光热应力弯曲试验, 分析了各工艺参数对弯曲角度的影响规律, 对工件表面烧蚀情况进行评价, 并对板料金相组织进行观察分析。试验结果表明: 在试验参数范围内激光扫描次数、光斑直径、扫描速度和板料宽度对弯曲角度呈近似线性规律, 而激光功率对弯曲角度的影响不呈线性规律; 较大的面能量密度产生较大的弯曲角度。可通过工艺参数的合理组合在保证板料表面质量的前提下采用较大的面能量密度进行扫描以提高弯曲变形的效率。以上研究为精确控制板料激光弯曲成形奠定基础。     

材料性能参数与板料激光弯曲成形角度的相关性研究

板料激光弯曲成形是一种柔性、无模成形新工艺，它通过激光扫描金属板料所导致的非均匀热应力使板料产生塑性变形。材料的性能参数(包括力学性能与热物理性能)对激光弯曲成形的影响很大，通过三维热机耦合有限元仿真研究了材料性能参数与板料激光弯曲角度之间的相关性，研究表明，小弹性模量、低屈服强度的材料容易产生大的弯曲变形。热膨胀系数与弯曲角度之间成正比关系，当热膨胀系数趋于零时，弯曲角度也趋于零。小的热传导系数有利于形成大的温度梯度，从而使板料产生大的弯曲变形；比热越小，加热区内材料的温升越大，使板料容易弯曲变形。