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。     

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。     

激光窄条喷丸成形的实验研究

利用短脉冲激光对LY12CZ航空铝合金进行了窄条激光喷丸(LP)成形。激光脉冲参数:波长为1.06μm,脉冲宽度为23 ns,光斑直径为7 mm,输出能量为22 J。试样外形尺寸为100 mm×25 mm×2 mm,喷丸窄条宽度为7 mm,条带内相邻光斑的距离为4 mm,相邻喷丸条带中心间距为15 mm。利用弧高仪测试样变形后的变形量,用X-350A残余应力测试仪测其残余应力,用HVS-1000硬度计测其显微硬度和用Taylor Hobson-5M测表面粗糙度。实验结果表明,试样经激光喷丸后,变成了曲率半径为1.87 m的单曲率件,冲击硬度得到提高,喷丸条带内的表面粗糙度值增大,但仍然保持光滑,试样上下表面的残余应力均有显著提高,其激光喷丸面的残余应力平均增加了250%,下表面平均增加了75%,喷丸条带内的硬度平均值增加约40%。     

曲轴激光喷丸强化试验研究

采用实验的方法,研究了激光冲击强化对175A型柴油机曲轴疲劳寿命的影响,取得了激光冲击强化试验条件下曲轴过渡圆角处残余应力场的数据。并将激光冲击强化工艺效果和曲轴滚压强化效果做了对比性分析,结果表明：虽然激光冲击强化效果不如曲轴滚压强化,但考虑到激光工艺参数精确可控、加工质量好、成本低以及可避免滚压强化所造成的表面疲劳、撕痕等,激光冲击强化工艺可望代替滚压强化成为新型的曲轴强化手段。通过此类激光冲击强化强化实验可优化激光冲击的相关参数,使曲轴过渡圆角产生有利的残余应力场。     

ABAQUS在板料激光喷丸成形模拟过程中的应用

针对金属板料激光喷丸成形的特点,提出用ABAQUS软件进行激光喷丸成形的数值模拟。分析了有限元模型的建立和网格的划分,激光脉冲的处理和模拟时冲击波的加载换算,讨论了在激光喷丸成形模拟过程中边界条件的限制,并进行了相应的模拟试验。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

激光冲击处理304不锈钢表面的形貌特征及其机理分析

为了研究激光冲击强化(LSP)过程中冲击波柔性加载条件下靶材的表面形貌与变形机理的联系,采用短脉冲强激光对304奥氏体不锈钢表面进行LSP处理,在没有对材料表面进行腐蚀的条件下,利用光学显微镜直接观察了LSP处理后材料的表面,并分析了其表面形貌特征与形成机理。研究发现,表面形貌呈现了多晶面心立方(FCC)金属的塑性变形特征,所浮现的形变组织能够直接反映材料在冲击波加载下的变形机制。实验结果表明,激光冲击后材料的表面形貌与塑性变形机制具有对应关系,这为LSP处理的变形机理的研究提供了一种新的实验方法。     

正方形薄板激光弯曲三维成形球冠面的技术分析

激光弯曲成形是利用激光束的能量修整板材曲率的一种新型柔性无模成形加工方法。为探索激光弯曲三维成形的机制以及成形过程中的物理现象,对1Cr18Ni9Ti正方形薄板采用交叉线扫描策略激光弯曲三维成形制备了球冠面,利用显式动态有限元方法分析了正方形薄板在激光扫描过程中的温度、应力、应变、节点加速度与速度以及形变的变化情况,在二维激光成形温度梯度机制基础上探讨了激光弯曲三维成形中存在的物理现象。在扫描过程中,薄板整体的温度随着激光扫描逐渐增加,在任意时刻任意位置的加热都会造成整体薄板应力作用方向和大小的改变,应力变化是形成圆周线的趋势,由于扫描路径时空的变化导致正方形薄板四角的变形量有所不同。     

板料激光弯曲成形数值模拟

采用准静态非耦合模型 ,对激光束扫描板料表面时形成的三维瞬态温度场进行了有限元模拟 ,并将温度载荷转化为节点力 ,进一步完成了三维热弹塑性形变场的模拟。通过对温度、位移、应力分布的动态演示 ,定量地分析了板料激光弯曲的变形机理     

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。     

金属板材的三维激光弯曲成形的研究

采用大功率CO