激光冲击金属板料成形的残余应力分布研究

为了研究激光冲击成形后残余应力对板料性能的影响,采用高功率Nd:glass激光器对金属薄板激光冲击成形,使用X射线衍射法对激光冲击成形后的金属薄板的表面残余应力分布分析研究。薄板成形后的凹面分布存在较大的残余压应力,而凸面边缘存在较小的残余拉应力;残余应力随着激光能量的增加而增加,但当到达一定值时,凹面残余压应力达到最大值;在冲击凹面中心点处的残余应力值最大,周围处的残余应力以中心点为圆心向外呈非线性递减。在不同的凹模孔径下采用8mm光斑、30J激光能量单次冲击,发现存在一个凹模孔径阈值,小于阈值时,残余应力随着孔径的增大而增大;大于阈值时,随着孔径的增大而减小,阈值大小大约为20mm。结果表明,该研究对进一步研究残余应力的控制有重要作用,且对材料的抗疲劳性能、抗应力腐蚀、表面性能研究有很重要的理论和工程价值。     

激光冲击调整5B05铝合金残余应力状态的模拟仿真

开展了激光冲击波调整表面残余应力(主应力)状态的模拟仿真与实验研究。以ABAQUS为平台,建立了激光冲击5B05铝合金的有限元分析模型,研究了激光冲击参数对5B05铝合金激光冲击处理残余应力场的影响。模拟结果表明:随着冲击次数的增加,表层残余压应力逐渐增大,当冲击次数为3次时,增加并不明显,说明表面峰值残余压应力趋于饱和;在冲击压力一定的条件下,表面残余应力随光斑直径增大而增大,半径增加至一定程度后表面峰值残余压应力增幅会达到最小,基本保持不变。通过实验与模拟结果对比发现,尽管实验值与模拟结果存在一定的误差,但总体趋势一致,说明建立有限元模拟模型结构有效可行。     

7075铝合金激光多点冲击诱导残余应力的数值模拟

激光冲击强化技术是一种新型的材料表面改性技术。在实际应用中,由于激光光斑直径通常在20 mm以下,工件表面大范围的激光冲击强化需要采用多个光斑搭接。运用实验和数值模拟的方法,探讨了光斑在不同中心距下诱导的残余应力场的分布规律,研究了不同搭接率对残余应力分布的影响,以及两种不同加载顺序下表面残余应力的分布特性。结果表明:相邻光斑中心距对两光斑之间区域的残余应力有重要影响,随着两光斑中心距的减小,相邻光斑之间区域的应力场由残余拉应力转变为残余压应力;搭接率越大,获得的残余压应力幅值越大,残余应力分布越均匀;从中间到两侧的多点冲击方式能获得较大、较均匀的残余压应力。     

双面激光同时冲击AM50镁合金板料的厚度分析

在双面激光同时冲击金属薄板过程中,板料厚度是影响其冲击强化效果的重要因素。利用ABAQUS软件对双面激光同时冲击不同厚度的AM50镁合金板料进行模拟,系统研究了板料厚度对双面激光同时冲击强化效果的影响机理,对比分析了不同模型沿表面径向和轴向的残余应力分布。结果表明,在激光光斑直径、脉冲宽度、峰值压力不变的情况下,随着板料厚度增大,模型内部的残余压应力分布渐趋均匀和有规律,残余压应力影响深度逐渐变深,当板料厚度达到某一阈值后,两者都达到饱和。在激光峰值压力1600MPa、光斑半径3mm和压力脉冲宽度57ns工艺参数下,双面激光同时冲击AM50镁合金薄板的理想厚度为4mm及以上。     

含Ni涂层激光离散划痕区域残余应力的测试分析

利用脉冲激光对含Ni不锈钢防护涂层进行离散划痕,通过X350A残余应力测试仪对激光离散划痕区残余应力进行测试,研究离散划痕后涂层表面残余应力状况,并分析激光冲击应力波对涂层结合强度的影响。结果显示,在激光加载的中心区域内涂层产生均匀的残余压应力,但该区域的边缘残余压应力急剧减小,甚至出现了残余拉应力;研究还表明,在激光加载区域涂层的残余压应力值随着激光功率密度的增加而增加,但当激光功率密度接近阈值时,涂层的残余压应力因脱黏鼓包开始减小,当激光功率密度足够大时,含Ni不锈钢涂层在拉应力作用下于激光加载光斑边缘发生断裂剥离。     

激光冲击强化诱导的残余应力场分析

激光冲击强化是一种新兴的现代表面处理技术,它利用激光产生的高幅冲击波在冲击区诱导出有益的残余压应力,从而达到强化材料的目的。在分析了激光冲击强化的基本原理和残余应力的形成过程后,探讨了残余应力的计算模型,同时对激光冲击强化后,冲击区表面和深度方向上的残余应力分布特点进行了分析。研究表明在激光冲击强化过程中,存在最佳的冲击波峰值压力;经激光冲击后,金属表面产生很深的残余压应力,且冲击区的残余压应力在表面和深度方向上都基本为均匀分布。     

激光冲击强化诱导的残余应力影响因素分析

考虑激光冲击强化后塑性区深度及最大残余压应力的影响因素和影响规律问题,运用量纲分析的方法获得了影响冲击强化效果的主控因素,并给出了塑性区深度及最大残余压应力与峰值压力、压力持续时间、光斑半径的关系;利用基于LS-DYNA的二维轴对称有限元模型,计算了不同参数条件下金属靶体受冲击载荷作用的动态响应。计算结果表明,塑性区深度与压力持续时间成正比;最大残余压应力与压力持续时间无关;一定光斑半径范围内,塑性区深度及最大残余压应力与光斑半径无关;峰值压力超过一定值时,塑性区深度及最大残余压应力与峰值压力近似成线性关系。     

激光斜冲击强化FGH95高温合金变形试验研究

为了探究激光斜冲击强化各工艺因素对FGH95高温合金航空涡轮盘榫接材料强化效果和变形的影响,选取激光能量、光斑直径、冲击次数三个主要因素进行三因素三水平的正交试验,对强化后试样件的表面残余应力和弯曲变形指标进行检测,并将所得的数据进行极差和方差分析,探讨各工艺因素对各指标影响的规律和显著性。结果表明,在试验条件下,影响表面残余压应力大小各因素的主次顺序为：激光能量>冲击次数>光斑直径;影响弯曲变形程度各因素的主次顺序为：冲击次数>光斑直径>激光能量;当因素水平组合为激光能量8 J,光斑直径3 mm,冲击次数1次时,弯曲变形程度相对最小,且能获得较高的表面残余压应力,可符合实际加工要求。因此,对激光斜冲击强化工艺参数进行适当搭配,在保证变形量小的同时也可以获得相对最佳的表面性能。     

激光功率密度对小孔构件残余应力场的影响

激光冲击强化通过强激光诱导的冲击波在金属材料表层引入残余压应力,从而抑制疲劳裂纹的萌生和发展,是一种新型的金属表面强化技术。以ABAQUS有限元软件为平台,研究了不同激光功率密度下7050-T7451铝合金小孔构件的残余应力的分布。结果表明,冲击表面残余压应力在X轴方向上0～6 mm区域内分布很均匀,能量的变化对它的影响不是很大,表面最大残余压应力都出现在孔边缘处,整个冲击区域残余应力差别不大,构件单面冲击下表面只有残余压应力,然而并不是随着峰值压力的增加为增加,这是由于未冲击表面的残余压应力是由板料变形引起的。构件厚度方向残余压应力的深度随着冲击波的峰值压力的增大而增大,同时也造成板料厚度中心靠近上表面处产生过大的残余拉应力,这对提高材料的抗疲劳性能是极为不利的。     

激光冲击对K403镍基合金高温疲劳性能和断口形貌的影响

对K403镍基合金涡轮叶片进行激光冲击强化(LSP),利用高温高低周复合疲劳试验验证其强化效果。试验结果表明:冲击后裂纹源区附近平坦区较冲击前变大,在快速扩展(FCG)区,激光冲击强化后疲劳条纹间距减小,有大量二次裂纹产生。且强化后在材料表层会引发晶粒细化以及高残余压应力,但在550℃/150min保温下,残余应力部分发生松弛,但是表层细化结构有很好的热稳定性。相比冲击前样件,激光冲击强化后涡轮叶片疲劳寿命提高了140%。热松弛后的残余压应力和表面晶粒细化是镍基合金疲劳寿命提高的主要原因。     

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。     

高功率激光系统空间滤波的离焦容限分析

在惯性约束聚变高功率激光装置中,严重的低频波前畸变会引起空间滤波的小孔截断,降低光束质量。采用相位调制的离焦波前来分析不同程度的离焦对空间滤波过孔和输出光束质量的影响,得到了空间滤波器对波前离焦的容限。在这种模型下的计算结果表明,球面相位因子入射光聚焦光斑焦点位置的偏移距离与其曲率半径成反比,光束质量随着输入光束曲率半径的绝对值减小而降低。对于等焦距11.8m、小孔半径角200μrad的空间滤波器,临界频率处畸变波前的球面相位因子曲率半径绝对值不能小于3.5km。曲率半径为3km时,相位调制的空间频率小于1.57mm-1时光束质量会急剧下降。     

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。     

纳米激光器测尺中猫眼腔的优化设计

由双面增透的凸透镜和凹面全反镜组成的猫眼逆反器（CER），替代传统平凹腔中的平面腔镜可构成一具有较佳失调特性的猫眼腔（CEC）。根据腔中稳定振荡高斯光束的自再现特性，对腔内各处的q参量进行分析，证明了束腰刚好处于猫眼腔中凸透镜的位置，因此猫眼系统可用几何光学成像公式进行设计。但因光学加工或装配等误差，传统的光腔参量选择的经验公式不再适用，所以还利用了光线追迹和空间衍射计算方法对光腔参量的最佳选择进行分析。分析表明在其他参量不变的情况下，增加凹面输出镜曲率半径可较好地改善激光横场模式。最后对分析进行了实验验证。     

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。     

马氏体不锈钢激光表面熔化处理后的表层残余应力

采用两种极端的多道顺序激光扫描工艺，证实了马氏体不锈钢激光表面熔化处理后表层残余应力并非都是压应力。残余应力性质与熔池尺寸和重叠区相对大小有关。表面重叠区宽度大于熔池表面宽度一半，才会有明显的表层压应力；重叠区过小，往往为拉应力。     

谐振腔失谐对二极管泵浦Nd:YAG激光器性能的影响

理论和实验研究了激光器谐振腔失谐对激光器性能的影响。一方面,理论上,基于准连续二极管泵浦、电光调Q固体激光器的特点,建立了包含谐振腔失谐修正函数的速率方程模型。通过数值仿真,模拟了不同激光模式、光斑半径、孔阑半径、孔阑位置情况下,谐振腔失谐对激光器损耗以及激光性能的影响。另一方面,实验测量了谐振腔失谐对激光器性能的影响。对于长250 mm、最小孔阑半径3.5 mm的凹凸非稳腔,凹面全反镜失谐比凸面输出镜失谐对激光器性能的影响大,当凹面全反镜水平方向失谐角度由0增加到490 rad时,激光能量由220 mJ下降到150.9 mJ,下降31.4%,脉冲宽度由5 ns增大到6.5 ns,实验结果和理论分析结果基本相符,说明激光模型的正确性。建立的模型与实验方法为预测激光器谐振腔失谐对激光器性能的影响提供了一种有效工具,为高可靠性激光器设计提供了依据。     

光波在含特异材料的环形腔内的传输特性

基于光线传输矩阵理论,研究了含特异材料环形腔内光波光斑半径和相对光强的分布特性.结果表明:以负折射率材料内部作为起始位置,光波传输一周后,子午面和弧矢面光斑半径均较大,中心光强较弱.当光波离开负材料后,光斑半径迅速减小,由于凹面镜的影响,在其表面又达到极大值,但较负材料内部光斑半径小很多.当光波传输起始点远离凹面镜后,光斑半径依次减小,在两平面镜中心达到最小值,此时中心光强最大.在此基础上,分析了负材料长度和介质折射率对光波束腰半径的影响.研究发现,介质长度对环形腔内子午面和弧矢面的束腰半径影响较小,但介质折射率对负材料内部束腰半径的影响较大.     

9C1--Single transverse and longitudinal mode Q-switched ruby laser

Single transverse and longitudinal modes have been observed in the output of a passiveQ-switched ruby laser when two spherical mirrors are used for the resonator. This result has been consistently obtained with several rods, with two sets of mirrors of different radius of curvature, and with a few values of reflectivity of the mirrors which proves that it is typical of a spherical resonator. The saturable absorber is a solution of vanadium phtalocyanine in nitrobenzene. To have a single transverse mode, the mirror alignment and the position of the rod within the cavity is critical. When the laser oscillates in a single mode, the output pulse is very reproducible and the fluctuations of peak amplitude and width of the pulse are less than ∼3 percent. Furthermore, as expected, the output beam has a very good spatial coherence and its divergence approaches the limits set by diffraction. As far as peak output power and width of the pulse, the best results have been obtained with one concave and one convex mirror of ∼ 5-m radius of curvature, one mirror being 99 percent and the other 50 percent reflecting. A pulse of 1 MW peak power and 30 ns half-width has been obtained.