铜箔激光冲击微成形微观组织与残余应力研究

为了研究激光成形方式对成形轮廓和微观组织的影响,采用厚度为40μm和80μm的T2铜箔进行激光冲击微胀形和微拉深实验。同时使用ABAQUS有限元仿真对实验进行模拟,研究不同变形方式下箔材位移和残余应力场。结果表明,激光冲击微胀形后铜箔变形区域出现颈缩,激光作用区域内变形机制主要为位错滑移、变形扭曲晶粒和机械孪晶;箔材上表面（激光冲击表面）为残余拉应力,最大值约为372.3MPa,箔材下表面（背向激光冲击面）为残余压应力,最大值约为-218.7MPa;而对于微拉深,箔材成形轮廓过渡圆滑,厚度分布均匀,光斑作用区域内出现大量位错露头和一些机械孪晶,箔材上表面为残余压应力,最大值约为-365.6MPa,箔材下表面为残余拉应力,最大值约为203MPa。这一结果对激光冲击箔材成形控制是有帮助的。     

激光冲击波加载金属材料中心压应力缺失效应

纳秒脉冲、千兆瓦级激光辐照金属材料产生高压等离子体冲击波,作用于金属材料表面并向内传播,产生残余压应力场.但在单次冲击加载时,残余压应力场中心出现的残余压应力值小于加载边缘,应用理论分析和实验测试的方法解释了这一过程,并结合激光诱导冲击波Fabbro方程和TC4钛合金动态响应模型,建立了不同形式冲击波加载TC4钛合金的数值仿真模型,分析了冲击波压力、作用时间和加载形式对中心压应力缺失的影响.     

激光冲击7050铝合金薄板试样形成残余应力洞的机制

为研究激光冲击7050铝合金薄板试样形成残余应力洞的机制,分别使用功率密度为1.98 GW/cm~2和2.77GW/cm~2的激光冲击7050铝合金试样。采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件模拟分析了在功率密度为1.98GW/cm~2的激光束冲击下的薄板试样。实验中利用X射线应力分析仪测量薄板试样和厚板试样的残余应力分布,利用压电薄膜传感器测量激光冲击时试样的动态应变,并利用三维显微系统观察激光冲击区域的表面微结构。实验结果表明,功率密度为1.98GW/cm~2和2.77GW/cm~2的激光束冲击7050铝合金薄板试样后均产生了残余应力洞现象。反射边界条件下的模拟结果与实验数据具有较好的一致性,表明稀疏波在光斑中心的会聚是产生残余应力洞现象的主要原因。由残余应力分布和动态应变可知,在试样内来回反射的冲击波对残余应力洞的影响不容忽视;功率密度为2.77GW/cm~2的激光束冲击加载后,薄板、厚板试样冲击区域中心的厚度分别比临近区域的厚度大10.800μm和8.150μm;在表面稀疏波与冲击波的共同作用下,试样表面均产生了残余应力洞现象。     

激光冲击强化对304不锈钢疲劳寿命的影响

采用波长为1064nm、脉冲宽度约为10ns的激光束对304不锈钢进行双面冲击强化处理(LSP),利用三维形貌仪观察LSP试样的表面形貌,采用X射线应力仪测量试样表面的残余应力;采用伺服液压疲劳试验机对试样进行疲劳试验,以得到疲劳裂纹扩展速率曲线;采用扫描电子显微镜观察试样裂纹扩展不同阶段的断口形貌。结果表明:激光冲击强化处理可使试样表面产生最大变形量约为25μm的塑性变形,形成最大值为-218 MPa的残余压应力,并可使裂纹源向试样内部转移;激光冲击强化能显著降低冲击区域处的裂纹扩展速率。基于疲劳裂纹扩展速率曲线再次验证了激光冲击处理可显著提高304不锈钢的抗疲劳性能。     

激光驱动飞片复杂轮廓多孔微冲裁实验及模拟

激光驱动飞片微冲裁技术是在约束层模式下利用脉冲激光辐照飞片箔材诱导冲击波驱动高能飞片加载金属薄壁工件实现冲裁的微孔制造技术。实验中,使用INNOLAS SpitLight 2000Nd-YAG短脉冲激光器,20μm厚的铝制飞片;采用厚度为0.5mm AISI 1095钢薄片制作微模具,模具硬度为58HRC,利用皮秒激光铣削技术在模具中心加工微模孔阵列,在厚度为20μm的铝箔板上一次性冲裁出三个外接圆直径为500μm的梅花状通孔。通过KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微系统进行观测,微冲孔具有良好的冲裁轮廓质量,工件上表面与冲裁断面有圆角带过渡,下表面轮廓处毛刺现象不明显。并以ANSYS/LS-DYNA为平台,使用有限网格单元法和流体动力学光滑粒子法对微冲裁过程进行了数值模拟,分别从断面形成、等效应力分布、等效塑性应变分布以及粒子位移变化等不同方面分析了激光驱动飞片多孔微冲裁工艺的基本特性。     

基于激光冲击波三维无损打标的数值模拟

为了研究激光冲击波打标后标记区域的残余应力分布与材料变形情况,基于ANSYS/LS-DYNA建立了激光冲击波打标的三维有限元模型,通过激光诱导的冲击波加载,进行了打标的数值模拟.模拟结果表明,激光冲击波作用后的标记区域网格形成了与载荷直径相仿的凹坑,其残余应力均表现为压应力,并随着形变量的逐渐增加,在标记中心残余压应力达到最大值;材料厚度方向的残余压应力随着材料厚度的增加而不断减小,在1mm～1.4mm深度范围内载荷的作用效果不明显.这一结果可用于指导激光冲击波三维无损打标残余应力场的理论分析及其实验研究.     

基于ABAQUS的激光冲击波诱导残余应力场的有限元模拟

激光冲击处理(LSP)(或激光喷丸强化)是利用激光冲击波压力对材料表面实施强化处理的一种新型表面处理技术。经激光冲击后，残余压应力在材料表面和深度方向上的分布和大小是评价激光冲击效果的一个重要指标，而有限元模拟(FEM)是预测激光冲击处理后残余应力场分布和大小的一种有效方法。在利用ABAQUS软件对激光冲击处理6061-T6铝合金进行数值分析时，讨论了有限元模型、材料性能、冲击加载方式、分析时间等关键问题的处理方法，并分析了激光冲击后残余应力场的分布特点，最后利用有限元模拟考察了激光冲击次数对残余应力场的影响。     

激光冲击强化7050铝合金薄板表面残余应力形成机制的实验研究

为研究激光冲击强化7050铝合金薄板表面残余应力的形成机制,采用5种不同功率密度的激光束冲击加载7050铝合金薄板,利用PVDF(聚偏二氟乙烯)压电传感器测量激光冲击薄板试样的动态应变,利用X射线应力分析仪测量激光冲击后的残余应力分布,并借助三维显微系统观察激光冲击强化造成的表面微结构。结果表明,当激光功率密度为1.02GW/cm~2时,激光冲击引起的横向变形小;当激光功率密度为1.53GW/cm~2时,表面稀疏波与横向变形共同导致了试样最大残余主应力呈等双轴分布;当激光功率密度为1.98GW/cm~2和2.77GW/cm~2时,冲击区域中心比临近区域分别高出5.680μm和10.800μm,在来回反射的冲击波与表面稀疏波的共同作用下产生了残余应力洞现象;当激光功率密度为4.07GW/cm~2时,试样冲击区域产生了较大的塑性变形且比较平滑,最大残余主应力呈均匀分布。     

激光冲击波诱导2024铝合金表面动态应变特性试验研究及理论分析

为研究脉冲激光冲击波诱导2024铝合金表面的动态应变特性,采用脉冲激光对2024铝合金试样表面进行冲击,并利用聚偏氟乙烯(PVDF)压电传感器测量了脉冲激光作用下2024铝合金表面的动态应变,建立了脉冲激光冲击波加载2024铝合金表面的动态应变模型,并通过试验数据对该模型进行了分析验证。研究结果表明,通过调整脉冲激光的作用参数可以控制激光冲击波与表面波不产生耦合;2024铝合金在激光冲击波诱导高应变率作用下的动态应力-应变关系曲线与在静力拉伸条件下的静态应力-应变关系曲线类似;脉冲激光冲击波加载2024铝合金表面动态应变的模型与试验结果一致。     

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.     

激光喷丸范围对小孔构件残余应力场的影响

为了研究不同激光喷丸范围下7050-T7451铝合金小孔构件残余应力场的变化规律,采用ABAQUS有限元分析软件对激光喷丸过程进行理论分析和数值仿真,分析了材料激光喷丸后表面及孔壁的残余应力分布。结果表明,随着喷丸范围的增大,表面残余压应力范围增大,冲击区域外围的残余拉应力由52MPa变为344MPa;孔壁的应力分布随喷丸范围的增加而变差,中间最差应力由压应力38MPa变为拉应力49MPa;在一定的喷丸范围内,激光喷丸范围的增加使表面压应力范围变大而使孔壁应力分布变差。对于激光喷丸强化小孔构件,应控制喷丸范围,兼顾板料表面及小孔孔壁的残余应力分布,以提高小孔构件的抗疲劳性能。     

激光冲击圆杆曲面诱导的残余应力数值模拟

采用有限元分析方法对激光冲击2024铝合金圆杆圆周曲面诱导的动态应力波及其残余应力进行了数值模拟。首先,在ABAQUS/Explicit显式分析模块中模拟了峰值压力为2 GPa激光冲击波在16 mm杆中诱导的应力波的传播过程。随后,在ABAQUS/Standard隐式分析模块中进一步计算在圆杆曲面上诱导的残余应力。在此基础上,分析了圆杆直径的大小对应力波峰值衰减和残余应力分布的影响,并进行了相关的试验验证。研究结果表明,峰值压力为2 GPa冲击波在16 mm的杆中诱导的弹塑性的应力波,应力波的峰值压力在400 ns时间内迅速衰减至250 MPa。冲击后,在距光斑中心小于0.5 mm冲击区域内分布不均匀残余应力,在光斑中心处形成了残余拉应力,轴向S11值为42 MPa;在半径为0.5~1.5 mm的冲击区域分布着残余压应力,S11值大约在250 MPa。应力波在传播过程中,其压力峰值衰减的速率随着杆径的增大而减慢,表面形成的残余压应力均随杆径的增大而增加。     

激光冲击波加载690高强钢薄板传播机制的模拟与实验

为研究激光冲击波在690高强钢薄板中的传播机制,对690高强钢薄板经激光冲击后的动态响应以Hyperworks、LSDYNA为平台进行模拟,用聚偏氟乙烯压电传感器进行测量,将模拟结果与实验结果对比研究试样动态应变特性,建立了高应变率条件下表面动态应变模型和690高强钢薄板激光冲击波加载模型。研究结果表明,在功率密度为12.7GW/cm~2的激光加载下,通过改变表面测量位置和试样厚度测得表面Rayleigh波波速为3.08×103 m/s、纵波的波速为3.09×103 m/s;表面Rayleigh波传播速度模拟值为3.24×103 m/s,模拟结果与实验结果有较好的一致性;通过调整激光功率密度可分离剪切波和表面Rayleigh波。实验数据证明690高强钢表面动态应变模型准确可靠,激光冲击波加载模型可描述激光冲击波在690高强钢薄板中的传播机制。     

激光喷丸后板料表面微观形貌的可视化数值研究

对不锈钢SUS304板料进行了激光喷丸成形的可视化数值模拟分析和实验研究。以有限元分析软件ABAQUS/CAE为平台,通过建立的激光喷丸过程冲击波加载的转换模型,把脉冲激光能量转换成冲击波压力,利用用户子程序解决了脉冲激光束连续逐点喷丸板料变形的轨迹控制,实现激光喷丸板料动态变形过程的可视化。通过所建立的模型,对脉冲激光喷丸后材料表面的微观塑性流动过程进行了分析,研究了表面微观形貌的变化。     

AM50镁合金激光冲击强化实验研究

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光(波长1054 nm,脉冲宽度23 ns)对AM50镁合金试样表面进行冲击强化处理,并对其表面形貌、微观组织、显微硬度、残余应力进行实验测试与分析。结果表明,在激光功率密度为3.1 GW/cm2的强脉冲激光作用下,试样表面留下光亮致密的微凹坑,凹坑深约27μm;表层材料发生高应变速率的塑性变形,材料内产生大量位错与孪晶,强化层深度约0.8 mm;冲击区的显微硬度明显增加,表层材料的显微硬度比基体约提高58%;冲击区表面存在残余压应力,数值高达-146 MPa。实验结果表明,激光冲击镁合金的强化效果明显。     

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.     

激光冲击强化AZ31镁合金表面残余应力分析

为了优选激光冲击工艺参量以获得最大的表面残余压应力,利用激光冲击和塑性变形理论推导出了激光冲击AZ31镁合金表面最大残余压应力公式,并采用ABAQUS有限元软件分析了其激光冲击后的残余应力场。结果表明,获得较大残余压应力场的激光冲击波载荷范围为1.2GPa~1.7GPa,随着载荷的增加,残余应力增加,当载荷在1.4GPa~1.6GPa时,最大残余压应力为125MPa左右;冲击载荷在1.8GPa时,出现轻微的残余应力洞现象;而在大于1.9GPa时,均出现明显的残余应力洞现象;载荷p=1.474GPa时最大残余应力为-128.5MPa。理论推导和有限元分析结果基本一致。     

激光冲击参数对残余应力场影响的三维数值模拟

数值模拟是预测激光冲击残余应力场、研究激光冲击参数对残余应力场影响的一种有效方法。采用显式动力有限元软件ANSYS/LS-DYNA对激光冲击处理(LSP)40Cr钢残余应力场进行三维数值模拟;建立了激光冲击处理40Cr钢残余应力场有限元分析(FEA)模型,实现了激光冲击处理40Cr钢残余应力场的数值模拟;模拟研究了激光功率密度、激光脉冲持续时间、激光光斑尺寸对40Cr钢残余应力场的影响。数值模拟结果表明,残余应力模拟值与实测值之间有着较好的一致性;在激光脉冲持续时间一定的条件下,要想获得最大的表面残余压应力,存在一个最佳的激光功率密度;在激光功率密度一定并且脉宽大于45ns的情况下,表面残余压应力随激光脉冲持续时间的增加而减小;在激光功率密度、激光脉冲持续时间一定的条件下,表面残余压应力随光斑直径增大而增大。     

AZ31B镁合金激光冲击强化及抗应力腐蚀研究

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响,根据优化后的工艺参数,采用钕玻璃脉冲激光,对轧制态AZ31B镁合金薄板试样表面进行冲击强化实验。实验结果表明,晶粒得到明显细化,晶粒大小由20μm左右细化到10μm左右,试样表面激光诱导的残余压应力高达-126 MPa。室温下通过三点加载的方法,对激光冲击、局部区域激光冲击以及未激光冲击的试样在去离子水中进行了应力腐蚀试验,对其断口进行了宏观和微观分析,表明激光冲击能够抑制应力腐蚀裂纹的产生和扩展。     

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。