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激光沖擊強化成形

2020/10/14

     激光表面強化是利用激光作用所產生的沖擊波壓力使材料變形的一種無模新技術。它是利用高能激光誘導的高幅沖擊波壓力的力效應而非熱效應來實現金屬板料的塑性成形。激光沖擊金屬板料變形時,沖擊波壓力達數千兆帕,遠大于材料的動態屈服強度,從而使材料發生塑性變形,并改善金屬板料性能。

激光表面強化這種高能加工新方法非常適合宇航工業中產品型號更迭頻繁、批量不大、零件的形狀復雜多樣、尺寸穩定性及精度要求高等特點,且金屬板材沖擊成形后表面形成了很深的高幅值殘余壓應力,可顯著提高其疲勞壽命,對有抗疲勞性能要求的鈑金件,如飛機機翼蒙皮等,可減去常規的強化工藝,同時在小曲率板材彎曲成形以及難成形材料的成形方面也有極大的應用潛力,因此受到了越來越廣泛的關注?,F階段對金屬板料在激光沖擊下變形的分析大多采用試驗研究和理論分析相結合的方法,開展激光表面強化加工機理及工藝研究,隨著有限元、神經網絡以及計算機技術的發展,有限元模擬和神經網絡也開始被用于激光表面強化的研究中。本文從激光表面強化工藝及優化研究、激光表面強化殘余應力分析以及激光表面強化有限模擬3個方面總結激光表面強化技術的研究現狀,指出了存在問題及其發展趨勢。

     金屬板料激光表面強化是將高功率密度(109W/cm2級)、短脈沖(10-9s級)的強激光作用于覆蓋在金屬板材表面上的能量轉換體,能量轉換體兼有能量吸收層和約束層雙重功能,其主要作用是把激光束產生的熱能轉成機械能(沖擊波壓力),并提高激光能量的利用率,保護工件表面不受激光的熱損傷。轉換體和金屬板料相接觸一側的薄層因吸收能量而汽化,汽化后的蒸汽急劇吸收激光能量形成等離子體而爆炸,爆炸時形成一動量脈沖,產生向金屬成形方向的應力波,板料在這種應力波的作用下產生塑性變形。

    通過選擇激光脈沖能量、沖擊軌跡和脈沖次數,在數控系統控制下,可實現板料的局部或大面積成形。采用預先制作好的凹模,則可實現激光沖擊仿形??梢?,激光表面強化是一種集板料成形和強化于一體的復合工藝。

激光表面強化工藝及優化研究

在激光表面強化過程中,離子體和由激光能量支持的爆炸波,形成高壓沖擊波傳入工件內部,從而使板料在沖擊波的力效應作用下產生塑性變形。由于采用激光束作為加載工具,而激光的脈沖能量、光斑尺寸及脈沖間隔寬度等參數精確可控,通過數控系統控制激光沖擊頭和板料的相對運動軌跡,可實現板料單次沖擊局部成形,也可采用優化的激光參數對板料實施多點多次沖擊,從而實現板料的柔性沖壓成形。

    為解決不同試驗參數下金屬板料變形量難以控制和試驗參數難以優化的問題,提出了基于神經網絡控制板料變形量的方法,建立了激光加工參數與板料**大變形量之間的神經網絡模型,編寫了相應的控制軟件,并通過SUS304、LD31、TA2Al-Mg 4種板料在不同條件下的沖擊試驗進行驗證。結果表明,采用該方法可有效地優化沖擊試驗參數,控制板料變形量?;谀M退火遺傳算法,將板材**大變形量的影響因素分析問題表達為一類組合優化問題,建立了板材**大變形量影響因素的診斷知識庫,設定了**大變形量的影響因素診斷控制參數,并采用模擬退火的適應度拉伸方法,有效提高板材**大變形量影響因素診斷準確率的優化方法。結果表明模擬退火遺傳算法的收斂速度比簡單遺傳算法平均提高13.2%,識別準確性平均提高7.44%。溫度下級調節系數α必須盡量靠近0.985才能得到較理想的解?;诙喾N影響因素產生的目標函數預測激光沖擊板材**大變形量方法,可以在實際生產中有效提高加工效率。通過優化激光沖擊能進行成形精度控制方法、基于逆向分析的模具修正和補償方法以及半模激光表面強化精度表征方法。結果表明半模成形精確控制的激光能量為15J,通過模具修正和補償方法可以減小成形誤差50%以上,為激光表面強化精確控制技術及其推廣應用奠定了基礎。