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。     

激光喷丸A356铝合金的热稳定性实验研究

为了研究激光喷丸技术对A356铝合金热稳定性能的影响,采用Nd:YAG激光器对其进行表面激光喷丸处理及将各试样进行220℃退火试验处理的方法,从微观组织、显微硬度及残余应力等方面进行理论分析和实验验证,取得了一系列实验数据。结果表明,激光喷丸处理能够有效提高A356铝合金的热稳定性能,且在材料表面诱导了较大残余压应力,显微硬度和位错密度得到显著提高,晶粒明显细化;退火后,激光喷丸试样的表面残余压应力下降了30.68%,位错密度从1.63°降到1.51°,显微硬度下降19.42%,表层晶粒尺寸有所长大,但较基体而言,其晶粒尺寸长大幅度较小。这一结果对于拓展激光喷丸技术和A356铝合金的应用领域是有帮助的。     

激光喷丸A356铝合金的热稳定性实验研究

为了研究激光喷丸技术对A356铝合金热稳定性能的影响,采用Nd∶YAG激光器对其进行表面激光喷丸处理及将各试样进行220°C退火试验处理的方法,从微观组织、显微硬度及残余应力等方面进行理论分析和实验验证,取得了一系列实验数据。结果表明,激光喷丸处理能够有效提高A356铝合金的热稳定性能,且在材料表面诱导了较大残余压应力,显微硬度和位错密度得到显著提高,晶粒明显细化;退火后,激光喷丸试样的表面残余压应力下降了30.68%,位错密度从1.63°降到1.51°,显微硬度下降19.42%,表层晶粒尺寸有所长大,但较基体而言,其晶粒尺寸长大幅度较小。这一结果对于拓展激光喷丸技术和A356铝合金的应用领域是有帮助的。     

金属板料激光喷丸与机械喷丸强化的应力场数值研究

在分析激光喷丸和机械喷丸强化机理的基础上，以有限元软件ABAQUS/CAE为平台，建立了激光喷丸强化模型和机械喷丸强化的有限元模型。解决了激光喷丸强化中激光冲击波转换加载的方法;对于机械喷丸强化，解决了弹丸与板料间的装配模型。数值模拟分析了激光单点喷丸板料后，材料厚度方向的残余应力分布，以及激光多点。多排喷丸板料后材料厚度方向的残余应力分布。对于机械喷丸强化，分析了单个弹丸高速撞击板料和多个受控弹丸撞击板料后残余应力分布场情况。通过分析比较这两种方法在板料中产生的残余应力大小、残余应力深度以及表面形貌的优劣，得到的结论是，激光喷丸强化提高材料使用寿命的效果明显优于传统的机械喷丸强化技术，激光喷丸有望替代传统机械喷丸技术在材料表面改性强化中获得广泛应用。     

深冷激光喷丸强化2024-T351铝合金的表面力学性能

为了研究深冷激光喷丸强化（Cryogenic Laser Peening,CLP）对2024-T351铝合金表面力学性能的影响,采用Nd:YAG纳秒脉冲激光分别在常温（25℃）和深冷温度（-100℃）条件下对2024-T351铝合金材料进行激光喷丸处理,随后对试样的显微硬度、残余应力和微观组织等表面性能进行了测试分析,最后基于微观组织演变探讨了CLP对2024-T351铝合金的强化机理。结果表明,由于超低温对位错滑移及湮灭的抑制作用,CLP处理试样的位错密度提高,在动态再结晶后材料表面晶粒尺寸减小,其表层显微硬度与残余压应力值较常温LP处理试样分别提高了约20.3%与21.6%,因而改善了2024-T351铝合金的表面力学性能。     

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。     

提高金属抗应力腐蚀开裂的激光喷丸技术

介绍了激光喷丸技术的工作原理;阐述了激光喷丸表面改性层微观组织的变化与残余压应力的形成机理和分布规律;分析了激光喷丸技术对提高金属抗应力腐蚀肝裂性能的效果和机理;与机械喷几进行比较,总结了激光喷丸技术提高金属抗应力腐蚀开裂性能的技术优势;并展望了激光喷丸技术在抗应力腐蚀方面的应用前景.     

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。     

受控激光喷丸强化技术

介绍了一种利用强脉冲激光诱导产生的冲击波压力来进行金属表面改性的新技术——受控激光喷丸强化技术，可以大幅度提高金属材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力，但疲劳寿命和抗应力腐蚀能力并不总随着喷丸强度的提高而线性增加。最佳的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力常出现在特定的残余压应力水平和分布下，也即取决于喷丸参数的最佳组合。由于激光喷丸中工艺参数对喷丸后工件表层的残余应力场有决定性的影响，如何依据已给的疲劳寿命和抗应力腐蚀能力来合理确定喷丸强化的工艺参数成为目前主要的研究方向。受控激光喷丸的机理与残余应力的形成过程密切相关。首先在理论上研究了影响残余应力分布的激光喷丸工艺参数，如激光功率密度、脉冲宽度、光斑直径等，以及这些参数和残余应力层深度的关系。然后采用QT700-2试样进行激光喷丸强化对比实验，对激光喷丸后的残余应力场大小及其分布进行了无损检测。结果表明，在激光喷丸强化工件时，残余压应力层厚度存在一个最佳值，此时金属表面的疲劳性能和抗应力腐蚀性最优，喷丸工艺参数也达到一个最佳组合。     

激光喷丸强化ZK60变形镁合金的疲劳性能研究

为研究激光喷丸对高强度变形镁合金ZK60疲劳性能的影响机理,使之适应交变应力结构件的工作需要,进行了激光喷丸强化表面改性和拉伸疲劳性能实验。实验结果表明,在激光喷丸强化区域获得有益的残余压应力,产生硬化效应,表面塑性变形的微小区域,变形轮廓曲线波动范围较基体小,增加喷丸次数可增强激光喷丸的强化效应。经3次激光喷丸后,中心孔疲劳试样的平均疲劳寿命由未喷丸试样的78023次提高到125641次,寿命增益达61%。从断口来看,激光喷丸强化主要是改变了裂纹源萌生位置,延缓了裂纹扩展速率,对瞬断区无明显影响。激光喷丸强化为镁合金的抗疲劳制造提供了新的途径。     

弹性预加载下板料激光喷丸成形特性

分析了弹性预加载下激光喷丸成形的机制,并通过试验研究了板料在弹性预加载下激光喷丸成形的特性。试验用的激光脉冲参数为:波长1.06μm,脉宽23 ns,光斑直径4 mm,功率密度109W/cm2量级;试样的材料为LY12CZ硬铝合金。试验结果表明,在弹性预加载下,板料在弹性预弯方向获得的弯矩要比与弹性预弯垂直方向上的弯矩大得多,弹性预加载下激光喷丸成形可以有效地克服自由状态下激光喷丸件呈球形现象,激光喷丸件的曲率是自由状态下激光喷丸成形曲率的2~3倍;在相同曲率下,弹性预加载下激光喷丸成形件的表面粗糙度比自由状态下激光喷丸成形件的表面粗糙度要低1~2等级,因此弹性预加载下激光喷丸成形要优于自由状态下的激光喷丸成形。     

激光喷丸强化CT试样疲劳裂纹扩展的数值研究

为了研究激光喷丸强化对疲劳裂纹扩展的影响,采用有限元分析软件ABAQUS和MSC.Fatigue相结合,以6061-T6铝合金CT件即紧凑拉伸试样为研究对象,数值模拟其经1次～3次激光双面喷丸处理后的残余应力大小、疲劳寿命、裂纹扩展速率及最终裂纹尺寸。在理论分析的基础上,建立面向抗疲劳制造的激光喷丸工艺有限元分析模型,首先在ABAQUS中模拟出激光喷丸诱导的残余应力场,再将其导入疲劳分析软件MSC.Fatigue进行激光喷丸后疲劳裂纹扩展及其性能的数值模拟分析。结果表明,激光喷丸处理可以有效抑制疲劳裂纹的扩展,降低裂纹扩展速率和增大最终断裂尺寸长度,从而达到延长疲劳寿命的目的,喷丸次数的增加在一定程度上增大了激光喷丸强化的效果,但增益的效果会减弱。这为激光喷丸强化抗疲劳制造的理论分析和后续试验提供了必要的依据。     

填充热丝激光窄间隙焊接的实验研究

将填充热丝应用到高光束质量、长焦距的光纤激光窄间隙焊接中,不锈钢母材通过激光加热,镍基焊丝通过电流加热,有效利用复合热源的优势,提高了焊丝过渡稳定性和熔覆效率。通过高速摄像机对送丝过程进行在线观察,分析工艺参数对焊丝过渡的影响。研究不锈钢和镍基合金异种金属窄间隙焊接接头的凝固组织,并对焊缝金属进行元素分布扫描。研究发现,由焊丝电流和送丝速度等工艺参数决定的送丝稳定性是影响填充热丝激光焊接质量的最主要因素。对于窄间隙焊接,采用与间隙宽度相当的离焦光斑激光热导焊,可形成较好的侧壁熔合,由熔融金属曲面和侧壁构成的激光反射是侧壁熔合的主要原因。焊缝冷却速度较快,焊缝金属的凝固组织呈明显的对生生长,在坡口侧壁附近其生长方向与侧壁近似垂直,焊缝不存在宏观偏析。在间隙底部直角处容易出现未熔合现象,采用底部圆弧过渡的U型坡口后,可较好地解决底部未熔合问题,获得了无宏观缺陷的焊接接头。     

AZ31B镁合金激光喷丸后的形变强化及疲劳断口分析

对AZ31B镁合金中心缺口试样进行激光喷丸强化(LSP)处理,并进行拉-拉疲劳试验。通过研究激光喷丸前后表面完整性的变化规律,发现喷丸后AZ31B试样以滑移和孪生两种方式产生塑性变形,表面及深度方向显微硬度较基体提高50%左右,喷丸区表面残余压应力值达到-126.29MPa,晶粒内部出现大量滑移线和孪晶,晶粒明显细化。通过测量加载点轴向载荷和轴向位移分析了激光喷丸前后的疲劳性能,并比较激光喷丸前后疲劳断口形貌特征,发现喷丸后试样表面没有产生明显的疲劳裂纹源,残余压应力使裂纹尖端的实际应力强度因子降低,提高了疲劳裂纹萌生和扩展抗力,疲劳裂纹扩展路径较未处理试样更为曲折,最终断裂区韧窝尺寸比未喷丸件更大更深,表明激光喷丸后试样的塑性有所提升。     

激光喷丸强化铝合金疲劳特性的数字化分析

激光喷丸强化(LSP)是一种基于冲击波力效应的非传统抗疲劳制造技术,目前关于激光喷丸强化的研究大多集中在机制和实验上.由于激光冲击过程是一个复杂的热力耦合过程.涉及的因素较多,实验方法难于全面理解各种参数对激光喷丸效果的关联影响.介绍了典型的激光喷丸强化过程的数字化分析方法,以有限元分析工具ABAQUS和MSC.Fatigue为平台,通过编制激光冲击波加载模块,解决了数据流传递中的接口问题.以2024-T3航空铝合金试样为例,对激光喷丸强化过程中激光冲击波的传播、残余应力大小以及疲劳特性行为等进行了数值分析,并对激光喷丸强化的疲劳寿命进行了预测,建立起了激光冲击波压力一残余应力一疲劳寿命之间的数字化分析方法,实现了激光喷丸过程和喷丸效果评价的可视化.