板材脉冲激光微冲击成形技术及研究现状

激光微冲击成形是利用脉冲激光作用于材料时引起的等离体爆轰波的冲击作用,使超薄板材产生塑性变形的新技术,可以用于微弯曲、微拉深、微胀形等。文章介绍了脉冲激光微冲击成形技术的原理和特点,概括了激光微冲击成形的影响因素和有限元模拟关键技术,从激光诱导冲击波、板材变形机制、冲击后材料力学性能和微观组织变化等方面,综述了激光微冲击成形技术的研究进展,并对其发展趋势进行展望。     

金属板料的激光冲击成形技术

介绍了金属板料激光冲击成形技术的系统组成、成形原理、技术特点，以及影响板料激光冲击成形的主要因素，指出了激光冲击成形技术在工业中应用所必须研究的一些主要内容。     

激光冲击强化技术的研究进展

综合介绍激光冲击强化技术在高周疲劳、腐蚀防护、生物医疗和精密成形领域的代表性应用,深入讨论激光冲击强化在相应领域的优势与有待解决的问题,并针对应用发展趋势进行分析。在高周疲劳延寿、腐蚀防护领域,激光冲击强化技术已实现批量化生产;在生物医疗领域,激光冲击强化技术的研究成果已接近生产应用,激光冲击强化在大型壁板精密成形方面已有小批量生产订单,在微系统领域也已获得较好的研究成果,趋于实用化,应用前景非常乐观。同时,针对不同应用领域的发展阶段与具体需求,也为激光冲击强化设备开发指明了多样化的发展方向。     

航空铝合金材料的两种表面激光冲击加工技术的比较

简要介绍了航空金属材料的激光冲击强化技术和激光冲击成形技术,并从工艺参数、力学效应以及应用效能等方面进行了比较。铝合金材料经过激光加工处理后,能显著增加航空器关键零部件的表面残余压应力,提高疲劳抗力。此技术可应用到特殊材料的小曲率弯曲成形,很好地适应宇航工业的生产要求。     

金属板料的机械喷丸成形与激光喷丸成形技术

机械喷丸成形和激光喷丸成形是两种喷丸成形技术，用于成形外形变化平缓的蒙皮类镀金零件。论述了这两种喷丸成形技术的原理、特点和发展趋势，并对它们的工艺参数进行了分析和比较。     

激光冲击低碳钢箔的有限元分析

激光微冲击成形是利用脉冲激光产生的等离子体爆轰波的冲击力效应,使超薄板材产生塑性变形的新技术。为揭示板材参数、激光参数、微凹模直径等对成形过程的影响,利用动态显式有限元法,对低碳钢箔的激光微冲击成形进行了反映率效应和尺度效应的晶粒级有限元模拟,结果表明,晶界对激光微冲击成形的影响很大,薄板的下凹变形随晶界厚度的减小而增大,二者呈近似线性关系;板材晶粒越不规则,其变形量越大;激光冲击的峰值压力是箔材变形的主要因素,随峰值压力的提高,变形量增大;单点多次冲击时,首次冲击的变形量最大,以后各次冲击的变形量逐渐减小。     

金属板料预应力成形技术研究进展

金属板料成形的主要特征为材料变形过程中的弹性变形比例大、型面定形性较差,并且传统成形工艺对装备的依赖程度高,为提高金属板料工件的成形精度,降低对工艺装备的依赖程度,研究和完善了金属板料成形技术方法和手段。金属板料预应力成形技术是将板料置于弹性变形状态,再施加热、冲击等外载荷,最终实现板料成形。研究结果表明,预应力成形可降低对工艺装备的依赖程度,相比于自由成形,板料的变形趋势可控;随着预应力加载载荷的增大,板料的变形量增大;预应力成形中施加的外载荷形式可采用激光载荷、蠕变时效、喷丸冲击载荷和激光喷丸冲击载荷等形式。     

脉冲激光辅助激光增材制造研究进展

针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况,分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点,分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理,并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光增材制造的调控效果,总结了同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺优势。针对辅助脉冲激光作用在熔池区的情况,研究了脉冲激光功率密度、频率对熔池热动力学行为的作用机理(Marangoni对流、超声波搅拌空化、冲击波效应等),进而明晰了辅助脉冲激光冲击熔池对增材制造构件组织、成形缺陷的影响机理。最后,对脉冲激光辅助激光增材制造技术的研究进展进行了总结,并对下一阶段的发展方向进行了展望。     

无保护层激光冲击强化的热效应研究

目的 深入理解无保护层激光冲击强化(LSPwC)的物理过程。方法 对轧制TA2纯钛板材进行LSPwC处理,通过激光扫描显微镜、X射线应力仪分析试样的表面形貌和残余应力分布,使用透射电子显微镜分析LSPwC后试样表层的微观组织特征。使用Abaqus软件建立LSPwC过程的热力耦合仿真模型,分析试样温度和应力演变规律。结果 当激光脉冲能量为30 mJ、光斑直径为0.4 mm时,经LSPwC处理后TA2试样表面形成了厚度约为50μm的残余拉应力层,其最大残余压应力达到560 MPa,出现在距表面100μm的次表层;经LSPwC处理后TA2试样表面产生了超细马氏体晶,距表面100μm的微观组织表现为高密度位错缠结。随着激光脉冲能量和光斑直径的增大,激光热效应的持续时间增长、热影响深度增大,经LSPwC处理后TA2试样的残余压应力层深度增大。在LSPwC过程中,距表面10.2μm以内深度层的冷却速度超过10⁶℃/s,但冷却速度随着脉冲能量和光斑直径的增大而减小。结论 在LSPwC过程中,激光热效应和激光诱导冲击波作用,导致试样表层迅速升温,并发生塑性变形,然后快速降温,形成...     

激光冲击成形控制系统设计与应用

激光冲击成形技术是一项尚处于实验室研究阶段的板料成形新技术,本文根据激光器的工作特性和激光冲击成形实验的要求设计了相应的控制系统及其软件,该控制系统以一台工控机作为主机,两台单片机为从机,再加若干辅助设备,构成了一个基于RS-485总线的控制系统,系统的控制对象为激光器高功率脉冲电源和一个五自由度机械平台.实际使用效果表明该控制系统完全满足目前激光冲击成形研究的需要.     

激光冲击强化对焊缝组织性能影响的研究进展

激光冲击强化(LSP)是一种典型的非弹丸撞击式表面强化技术,可有效提高金属材料的抗疲劳能力、抗腐蚀能力、金属耐磨性能和使用寿命,具有应变率高、效率高、强化效果好等优点。焊缝质量直接影响了焊接件的合格率,而焊缝强化一直是一个比较难的挑战。首先,介绍了激光冲击强化的加工原理,总结了激光冲击强化的影响参数及条件,包括激光功率密度、约束层和吸收层、激光冲击次数、光斑搭接率以及激光脉宽。控制强化工艺参数可以使焊缝显微硬度提升50%、残余压应力提升65%以上,大幅度提升抗拉强度,降低疲劳裂纹扩展。其次,综述了国内外研究人员运用激光冲击强化技术对不同材料焊缝强化的研究与应用,重点论述了激光冲击强化对焊缝力学性能和显微组织的显著强化效果,与未强化试样对比,强化后试样的各项性能明显提升。其中针对力学性能,详细分析了显微硬度、残余应力和疲劳裂纹扩展的变化情况,结合残余应力的理论研究、仿真分析、试验论证以及显微组织变化情况,认为激光冲击强化导致马氏体组织发生了碎化,提高了硬度,产生了残余压应力,引起了晶粒细化,进而有效控制了疲劳裂纹扩展,阻止了裂纹产生,提升了疲劳寿命。通过激光冲击强化不同工艺参数的协同作用,可以获得较高的残余压应力和硬度,引起动态再结晶、晶粒细化等微观组织演变以及位错运动,使焊缝力学性能和显微组织产生相互影响。分析认为,激光冲击强化技术是焊缝强化的有效焊接后处理工艺。最后,展望了激光冲击强化技术在焊缝强化领域中的应用前景。     

激光冲击催渗快速离子渗氮技术

采用常用42CrMo钢为研究材料,探索激光冲击预处理对离子渗氮的催渗效果与作用机理,提升离子渗氮效率。采用光学显微镜、粗糙度仪、扫描电镜、维氏显微硬度计研究激光冲击及离子渗氮后表层特性。结果表明,激光冲击对于离子渗氮具有显著的催渗效果。相同离子渗氮条件下,化合物层厚度和有效扩散层厚度都提高到传统离子渗氮的2倍左右。同时激光冲击预处理可显著提高试样表面硬度,并平缓截面硬度的下降趋势。激光冲击预处理对离子渗氮产生的显著作用源于：激光冲击预处理使试样表面粗糙度从0.015 μm提高到0.454 μm,有利于N原子吸附和氮化物形成;表层形成了厚度约200 μm的变形层,为N原子提供扩散通道,有利于提高扩散层氮浓度。     

GH4133镍基高温合金激光冲击强化研究

为了研究激光冲击强化技术在高温部件上应用的可行性,研究了GH4133镍基高温合金激光冲击后强化效果的热稳定性。分别采用激光冲击强化、激光冲击强化加保温的方法进行处理,并利用SEM、显微硬度和残余应力的测试方法分析了温度对激光冲击处理后GH4133材料微观组织和力学性能的影响。通过冲击强化后涡轮叶片的高温疲劳试验验证强化效果的热稳定性,并分析其高温下的强化机制。结果表明,激光冲击强化可以在GH4133镍基高温合金表层产生较大残余压应力,细化晶粒;并且在温度作用下,激光冲击GH4133合金形成的细化晶粒在析出相的钉扎作用下具有较好的热稳定性。另一方面残余压应力的应力集中减小,分布均匀。两者的共同作用提高了强化效果的热稳定性,有利于疲劳性能的提高。     

线偏振激光斜冲击实验与理论研究

目的研究激光冲击强化中冲击角度对强化效果的影响。方法采用波长为1064 nm、脉冲能量为7 J、脉冲宽度为12 ns的YAG激光器对TC4钛合金表面进行冲击强化处理,得到经不同偏振方向、冲击角度冲击后的材料的表面形貌、硬度和残余应力。通过菲涅耳定律分析了不同偏振光斜冲击加工效果的差异。结果随着冲击角度的增大,冲击后形成的微坑深度逐渐减少,且正交偏振光减少的程度大于平行偏振光减少的程度,在超过30°的时候尤为明显。随着冲击角度的增大,试样表面显微硬度逐渐下降,当用平行偏振光斜冲击时,硬度下降较慢;而用正交偏振光斜冲击且冲击角度超过15°时,硬度下降较快。随着冲击角度增加,由于"残余应力洞"的影响,中心残余压应力值先增大后减少。结论在一定情形下,选用一定角度的斜冲击可以有效避免残余应力洞的产生。该研究得到的结论可以为复杂结构件激光冲击强化冲击轨迹规划提供一定的参考。     

大型海工绕桩吊机吊臂激光冲击强化选材研究

吊臂是大型海工绕桩吊机的主要承重部件之一,吊臂材料的表面强化和优选研究对绕桩吊机的高质量、高强度制造起着重要作用。选取Q235、Q345、Q550三种钢材作为吊臂制造的研究材料,采用激光冲击强化技术进行表面处理,对比冲击前后材料的表面残余应力、表面粗糙度、显微硬度和抗拉强度。结果表明:三种钢材经激光冲击强化后,残余应力分别提高500%、346.7%、192.9%,表面粗糙度值分别提高15.5%、3.5%、13.3%,显微硬度分别提高15.9%、17.3%、13.2%,抗拉强度分别提高6.1%、7.5%、5.0%。通过综合考虑三种钢材的性能指标数据及吊臂的实际应用场景,选择Q345钢作为吊臂制造材料的加工效果最优。     

新型光斑搭接对平顶激光冲击钛合金力学性能的影响

针对平顶光束的特点,为简化工艺,提高加工效率,提出了一种简化加工过程的搭接率工艺方法。采用一种纵向25%、横向56.5%的搭接率工艺,并对该搭接率下的残余应力、显微硬度、高周疲劳极限等力学性进行验证,对比其与传统50%搭接率下的性能差异。结果表明：在新型搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面产生的残余压应力均值为-564.5 MPa,影响深度达0.82 mm;在传统搭接率下,表面产生的残余压应力均值为-559.2 MPa,影响深度达0.81 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面重叠次数多的位置,显微硬度平均值分别为570.9和562.6 HV_0.3,重叠次数少的显微硬度平均值分别为432.1和453.4 HV_0.3;钛合金截面上的硬化层深度均为0.4 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶光束冲击钛合金的疲劳极限分别为256.3和264.6 MPa。基于平顶光束,与传统工艺相比,简化的新型搭接率工艺可以获得较好的力学性能,并提高加工效率,降低加工成本。     

TC17钛合金激光冲击温强化机制的研究

目的提高材料在交变载荷和高温下的疲劳性能,稳定材料的位错结构,增加位错的钉扎效果,使激光诱导的残余压应力更加稳定,有效地抑制强化效果的高温失稳。方法通过提高温度发生动态应变时效(DSA),并与激光冲击温强化(WLSP)结合,使得材料表面形成更深的残余应力层和纳米级沉淀相。对TC17钛合金温控激光冲击强化后的显微硬度、残余应力等性能进行了初步探索。结果经200℃的WLSP后,TC17钛合金的显微硬度可达385HV,相比未强化时提高了18.48%,相比于室温的LSP提高了4.62%。深度方向的残余压应力幅值呈现先增大后减小的趋势,200℃时残余应力达到-236 MPa,相比于常温强化提高了14.56%。观察微观组织发现,位错结构的稳定性和位错密度得到提高。结论激光冲击温强化(WLSP)技术提高了材料表面残余压应力层的高温稳定性,有利于抑制疲劳裂纹的萌生和扩展,有效地提高了高温条件下残余应力和表面强度的稳定性。该技术操作相对简单,无污染,残余应力高温维稳效果显著。     

基于空气中冲击波信号能量的激光冲击强化在线检测方法

目的 为克服激光冲击强化现有离线检测方法的缺点,提出了一种基于空气中冲击波信号能量的激光冲击强化在线检测方法。方法 利用波长为1064 nm、脉宽为14 ns、单脉冲能量为5~7 J的Nd:YAG激光器对经过振动时效处理的TC16钛合金试件进行激光冲击强化处理。用自主研制的信号放大器对空气中的冲击波信号进行一级放大后,再经前置放大器、数据采集卡传输到计算机控制系统,从而实现对空气中冲击波信号的采样、存储、滤波和数据分析,并从中提取冲击波信号能量。用X-350A型X射线应力测定仪测量TC16钛合金试件经激光冲击强化处理后的表面残余应力。最后对所得实验数据进行多项式拟合,以获得材料表面残余压应力与冲击波信号能量之间的经验公式。结果 经激光冲击强化处理后,材料表面形成了一定大小的残余压应力。随着激光能量的增加,材料表面残余压应力及冲击波信号能量均增加,且二者的增加趋势一致。结论 在激光冲击强化过程中,对空气中传播的冲击波信号进行采集和提取其信号能量,可以预测试件经激光冲击强化处理后的残余应力,能够准确判断激光冲击强化质量,从而实现工业过程的在线检测。     

激光诱导冲击波应用技术研究现状

激光等离子体冲击波应用技术以其节能、高效、可控性强等优点,受到了众多研究者的广泛关注。综述了激光等离子体冲击波作用效应,分析了靶表面等离子体和激光维持的爆轰波对靶冲量传递的影响,重点介绍了利用激光等离子体冲击波效应的两项技术——激光冲击强化技术和激光推进技术。通过对比国内外技术的优势,系统考察了激光冲击强化技术和激光推进技术的原理和应用研究现状,并分析了未来应用研究的趋势。移动式短脉冲大能量激光器的研制将是未来的一个重要研究方向,需从理论和试验两个方面研究激光参数、环境参数和靶材参量对激光与靶相互作用产生的激光等离子体冲击波效应和声波效应的影响,探索激光等离子体声波和激光等离子体冲击波力学效应的关系。大能量激光器的体积大,环境要求高,稳定性差,要想真正把激光等离子体冲击波效应应用于实际,就需要开发稳定性好的短脉冲、大能量移动式激光器,提高激光等离子体冲击波效应应用系统的机动性、方便性和可靠性。