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激光表面強化殘余應力研究

2020/10/14

激光表面強化殘余應力研究激光表面強化的重要特點之一就是能夠在工件表面形成殘余壓應力,對具有抗疲勞性能要求的航空結構件起到強化的作用。因此殘余應力是激光表面強化研究的一個重要方面。研究表明,當板材底部無約束支撐時,板材凹凸面的表面殘余應力都是壓應力;當采用凸模沖擊成形時,表面殘余應力變化趨勢不明確,有時為壓應力,有時為拉應力。對激光表面強化的3A21防銹鋁板的殘余應力分布特性進行了研究。用X射線應力測定儀進行了3個方向殘余應力的測量,建立了主應力計算公式,分析其形成機制與分布特性。試驗結果表明:在脈沖能量42J、脈沖寬度23ns、脈沖功率1.2×109W作用下,板料正反兩面產生的殘余應力小于-100MPa,且均為壓應力,除變形區域頂點主應力方向為0°外,其他點的主應力方向約為-30°,且正方形板料對角線方向應力大于穿過中心邊長方向的應力。不同脈沖功率密度和涂層對鈦合金殘余應力的影響,表明涂層材料與激光耦合性能越好,激光功率密度越高,鈦合金殘余應力作用效果越好,在沖擊試件表面能形成1mm厚的殘余應力硬化層,其表面殘余壓應力**大能達到-301MPa。

薄板成形后的凹面分布有較大的殘余壓應力,而凸面邊緣存在較小的殘余拉應力,殘余應力隨激光能量的增加而增加,但存在一個**大值。凹??讖揭泊嬖谝粋€閾值,當小于該閾值時,殘余應力隨凹??讖降脑龃蠖龃?,當大于該閾值時,殘余應力隨凹??讖降脑龃蠖鴾p小。

激光表面強化過程是涉及激光與材料的相互作用、沖擊波傳播及其對材料的加載機制、動態塑性成形理論以及沖壓成形工藝等眾多學科的復雜過程。受到激光器等硬件條件的制約,目前國內能開展激光表面強化試驗的研究機構不多,試驗費用昂貴。若對眾多影響因素都進行試驗研究,不僅費用高、工作量大,而且各因素之間的相互影響關系也很難在試驗中得以體現。這些原因大大限制了激光表面強化技術的研究。隨著計算機和有限元技術的飛速發展,有限元數值模擬已成為一種重要的研究手段,開展激光表面強化的有限元模擬研究,可以為加工過程中各種參數的合理優化、板料變形過程的有效控制、分析和實現大面積金屬板料的激光表面強化提供依據,必將對激光表面強化技術應用于生產實踐起到極大的推動作用。

在激光單次沖擊加載下,激光脈沖能量與板料的變形量之間存在直接關系,隨著激光能量的增加,板料變形量呈現非線性增大趨勢。數值模型能有效地模擬激光沖擊板料的變形過程,為激實現大面積金屬板料的柔性激光沖壓成形提供依據。結果表明:隨著激光能量的增加,板料的變形量增大;板料初始約束孔徑越大,板料越容易變形;板料幾何尺寸和厚度越大,板料越難變形。隨著激光能量的增加,板料的變形量增大;板料幾何尺寸和厚度越大,板料越難變形;沖擊次序不同,板的變形量也不同,板的變形以沿板的長度方向且對稱沖擊為**大。通過數值模擬可優化激光沖擊的相關參數,預測板料變形。隨著光斑間距的減小,受沖區域更加平整。

(1)在激光表面強化工藝研究方面,目前更多的是針對單點單次激光沖擊變形行為的研究,而實際應用中更多的則是要進行多點多次激光沖擊,因此開展多點多次激光表面強化工藝及其優化的研究,對激光表面強化技術的應用具有更高的參考價值。此外,影響激光表面強化質量的工藝參數較多,試驗設備少且費用高昂,因此,采用正交試驗等方法來確定影響激光表面強化質量的主控因素,獲得優化工藝參數是一個非常實用且可行的研究思路。

(2)激光表面強化殘余應力研究當前的研究主要集中在殘余應力的分布特性的研究上,涉及的影響因素較少,因此應開展綜合考慮各種因素的殘余應力分布特性以及基于殘余應力分布的工藝參數優化研究。

(3)在激光表面強化的有限元模擬方面,當前的思路是在將激光沖擊過程簡化為時變沖擊壓力作用下板料變形過程的分析,對激光成形過程的模擬不夠準確,因此應開展激光引起離子體爆炸過程的有限元模擬分析,來獲得更精確的沖擊波壓力。此外,激光表面強化是一個高應變率變形過程,當前的材料模型獲取方法還無法達到如此高的變形速率,而且變形過程的絕熱溫升也沒有涉及,因此高應變率材料本構建模及激光表面強化過程熱-力耦合有限元模擬的研究都將成為激光表面強化有限元模擬方面的重要研究方向。

激光表面強化是利用激光誘導高幅沖擊波的力效應使板材產生塑性變形的快速、高效、精確的成形新技術,具有加工柔性高、精確可控、無小曲率成形的回彈問題、成形后材料性能好和無污染等特點,是一種無模、柔性成形新工藝,它可以充分發揮激光高能量的優點,是激光在板材成形領域的新應用,具有廣闊的應用前景和巨大的開發潛力。開展激光表面強化技術的研究,對于促進我國航空航天領域關鍵部件成形制造技術的發展具有重要的意義。