激光微冲击成形技术分析与展望

激光微冲击成形(μLSF)是利用微尺度脉冲激光和材料相互作用产生高幅冲击波压力实现材料微小塑性变形的技术,其综合了激光成形、冲击强化和塑性成形等技术的优点,通过控制激光工艺参数和合理的路径规划获得所需的微观几何形状和表面质量,具有良好的柔性,在材料微塑加工领域具有显著的技术优势。在介绍激光微冲击成形技术原理和特点的基础上,分析了微尺度激光冲击成形中的压力模型、本构模型及其工艺方法,讨论了激光微冲击成形中涉及的关键技术,综述了激光微冲击成形表面的质量及相关性能的研究现状,指出当前激光微冲击成形研究中存在的问题,并对今后的研究做了展望。     

激光冲击微铆接工艺及其研究进展

激光冲击微铆接工艺利用短脉冲强激光与材料相互作用时产生的等离子体冲击波使材料发生塑性变形而实现机械互连。介绍了激光冲击微铆接工艺机理和工艺实现的关键技术,综合评述了激光冲击参数、模具结构参数和材料特征参数对接头成形及其力学性能的影响规律,着重总结了异质金属材料激光冲击微铆接的研究成果。分析了目前研究中存在的不足,从微观结构演变规律、尺度效应影响、铆接缺陷抑制方法、接头失效行为等方面展望了激光冲击微铆接工艺的研究方向,以期为深入系统开展激光冲击微铆接应用基础研究提供参考。     

激光诱导冲击成形的研究进展

激光冲击成形是一种利用高能短脉冲激光诱导的高幅冲击波的力效应使板料产生塑性变形的新技术。本文介绍了激光冲击成形的原理,系统阐述了成形工艺参数对成形质量的影响。在总结激光冲击成形研究现状的基础上,指出激光动高压加载驱动成形方法是激光冲击成形的发展方向。最后提出动高压加载驱动成形可以在微体积成形方面进行应用拓宽。     

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。     

3003铝合金激光冲击微挤压成形研究

微挤压模约束下的激光冲击微体积成形技术是利用激光诱导的冲击波使局部金属在凹模约束下产生体积变形的一种成形新技术。为了分析不同板厚(0.12mm,0.15mm,0.17mm和0.22mm)的3003铝合金在不同凹模孔径(0.4mm,0.7mm,0.9mm和1.1mm)约束下的成形深度,采用建立有限元模型进行数值分析的方法,进行了理论分析和实验验证,取得了不同板厚和不同孔径成形下成形深度的数据。结果表明,成形深度随板厚的增大而增大趋势逐渐减小;对于同一厚度,板料成形深度随孔径的增大呈非线性增大趋势;对于同一点冲击,冲击次数对板料的成形深度影响很大。数值分析结果与实验吻合度较好,这一结果对微体积成形质量控制是有帮助的。     

激光冲击成形钛合金板料W形曲面的质量改进研究

实验以TA2钛合金板料作为试样,研究了激光冲击成形W形曲面的变形特点,分析了曲面底部产生微小鼓包的原因.为了改进成形面质量,提出了在板料与模具之间放置弹性垫,并对使用弹性垫的激光冲击成形W形曲面进行了数值模拟研究.结果表明,激光冲击与模具结合可以实现板料的W形曲面成形,W形面底部基本平整,但有微小鼓包;使用弹性垫可以抑制小鼓包的产生,能显著改善W形曲面的成形质量,使受冲击区域更加光滑.     

激光功率密度对板料激光冲击成形性能的影响

为了研究激光功率密度对铝合金板激光冲击成形性能的影响,采用数值仿真的方法,选用不同激光功率密度对铝合金板进行激光冲击成形数值模拟,获得不同激光功率密度与冲击次数下的板料成形极限,并对不同激光功率密度冲击下板料的成形深度、厚度及应力分布进行了分析。结果表明,板料在中心处容易发生破裂;板料的成形极限与激光功率密度大小成反比,而与激光冲击次数成正比;通过合理选择激光功率密度和冲击次数可提高铝合金板的成形性能。     

波纹膜片中空激光冲击成形仿真研究

为了改善波纹膜片实心激光冲击成形时膜片的中心部位容易产生反向塑性变形,甚至发生破裂的问题,采用数值模拟的方法探索了波纹膜片中空激光冲击成形,通过分析膜片成形后的截面轮廓以及厚度分布研究了中空激光光斑对波形膜片成形性能的影响。研究结果表明:在进行波纹膜片中空激光冲击成形时合适的光斑内径可以有效地减小膜片中心区域的反向塑性变形,使膜片和凹模底部贴合更紧密;并且合适的光斑内径可以有效地改善波纹膜片冲击成形后的厚度分布,避免膜片中心部位厚度严重减薄造成的破裂失效。     

激光冲击铜箔飞片及其复合成形研究

提出了一种激光冲击形成飞片,进而驱动飞片直接成形工件的复合工艺。结合剪切模具,使用波长1064nm的Nd:YAG平顶型短脉冲激光束,在厚度为50μm的铜箔上冲击得到高质量飞片,利用高速飞片直接在成形模具上进行塑性成形,获得了具有良好成形效果的胀形件和环形剪切件。对激光冲击驱动飞片复合成形的机理和性能进行了探讨,并对实验过程中出现的现象及问题进行了初步分析。作为一种高效冲压成形方法,不仅拓展了激光微冲击成形技术的应用领域,也为激光驱动飞片加载金属薄板成形微结构等研究提供了参考。     

脉冲激光冲击LY12CZ铝合金成形的实验和数值模拟

激光冲击板料变形是利用高能脉冲激光和材料相互作用诱导的高幅冲击波的力效应使板料产生塑性变形的新技术。本文利用钕玻璃强激光对厚度为1,2mm的LY12CZ铝合金板料进行了激光单点冲击成形的实验。利用ABAQUS软件对激光单点冲击成形过程进行了数值模拟,探讨了激光冲击次数和板料成形之间的关系,得出它们之间的关系曲线,为激光多点冲击成形奠定了基础,以及为实现板料复杂形状的激光冲击成形提供理论依据。     

激光冲压TA2板小曲率成形研究

随着现代科学技术的飞速发展,对钛合金板材成形件的需求量日益广泛,由于采用传统的工艺成形钛合金比较困难,因而探索钛合金板材成形的新工艺和新技术具有十分重要的意义。笔者利用激光冲击波技术对钛合金板料进行了成形实验,所采用的激光波长为1.054μm,脉宽约23ns,能量35J左右,有效光斑直径为8mm,脉冲的重复率为0.5Hz。并用ABAQUS软件对激光冲压TA2 板料成形进行了仿真,探讨了激光参数、板料性能、约束边界冲击路径等条件对板料小曲率成形的影响,获得了在激光连续冲击条件下,板料成形深度、成形轮廓与激光参数、约束边界条件和冲击路径之间的变化规律。     

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。     

激光快速成形304不锈钢试件组织与拉伸断口特性分析

用激光快速成形(LRF)技术制备304不锈钢拉伸试样,并对试样进行拉伸。利用光学显微镜观察了试样表面显微组织;利用扫描电镜(SEM)观察了试样断口的形貌特征,并用能谱仪(EDS)分析了取样点处的化学成分。结果表明,所制备试样显微组织晶粒细小,具有定向凝固的特征,在成形件内部存在微细观孔洞与裂纹。在拉伸断裂试样中,断口呈现韧性断裂的特征,断口部分区间氧、硅含量较高,形成金属化合物夹杂,使材料的力学性能变差。     

激光冲击处理对X80管线钢焊接接头拉伸性能的影响

利用激光冲击波对X80管线钢焊接接头表面进行了强化处理,通过拉伸实验对激光冲击处理前后焊接接头试样拉伸力学性能进行了分析,用扫描电镜和能谱分析仪观察了其断口形貌与化学成分组成,并对其断裂机理进行了探讨。实验结果表明,原始状态的X80管线钢焊接接头具有连续屈服特征,无明显的屈服平台,延伸率比较高,拉伸断口出现明显的分层开裂;激光冲击处理后X80管线钢焊接接头的强度并未得到加强,韧窝尺寸与深度变大,其断裂拉伸性能得到改善。     

TC4钛合金板激光冲击成形实验研究

首次对TC4钛合金板进行了激光冲击成形实验研究,实现了TC4板的激光冲击成形。并利用金相显微镜、扫描电镜(SEM)和显微硬度计分析了冲击成形后试样组织结构和表层硬度的变化。实验结果表明激光冲击成形技术不但可以实现对TC4钛合金板的成形,而且还可以提高了TC4钛合金板的物理和力学性能。最后通过与SUS304不锈钢成形效果的比较,说明了TC4钛合金比SUS304不锈钢更难成形。     

激光冲压TC4钛板小曲率成形研究

利用激光冲击波技术对钛合金板料进行了成形实验,所采用的激光波长为1.064μm,脉宽约23ns,能量35J左右,有效光斑直径8mm,脉冲的重复率0.5Hz.并用ABAQUS软件对激光冲压TC4板料成形进行了仿真分析,探讨了激光参数、板料性能、约束边界、冲击路径等条件对板料小曲率成形的影响,获得了在激光连续冲击条件下,板料成形深度、成形轮廓与激光参数、约束边界条件和冲击路径之间的变化规律.通过此类激光冲击实验可优化激光冲击的相关参数,预测板料变形.     

工艺参数对激光冲击微造型效果的影响

激光表面织构(LST)是一种广泛应用的表面微造型方法,然而其主要缺点是消融过程会导致材料熔化、断裂以及改变表面微观组织。基于激光冲击强化(LSP)技术在Al7075表面开展微凹坑造型研究,其特点是既能克服激光表面织构的缺点,又能继承激光冲击强化的优点。使用AxioCSM700真彩色共聚焦扫描显微镜和VeccoWYKO表面形貌仪观察微凹坑的几何形貌,用HXD-1000TMSC/LCD MH-VK双压头显微硬度计测量微凹坑的内部以及周围表面的硬度。实验结果表明,微凹坑的直径和深度随激光的脉冲能量、冲击次数、离焦量、约束层K9玻璃厚度的变化呈现一定的变化规律;微凹坑的影响区域,沿着凹坑径向方向硬度逐渐增加,中心位置硬度最大,这有利于提高材料的抗磨损能力。