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激光冲击微成形工艺数值模拟及其实验研究

郑超

  激光冲击微成形(Microscale laser peen formingPF)是利用激光诱导等离子体冲击波产生的力学效应,使材料发生动态塑性变形而获得期望的微成形件。μLPF综合了激光冲击强化和塑性加工高效省材的优点,有望成为微机电系统结构元器件制造领域极具应用前景的技术。 μLPF是一个多物理量综合作用的过程,涉及到激光与材料相互作用物理学、冲击动力学、高应变率塑性力学、材料科学等多门学科。该技术本身存在一些特殊的工艺要求,如激光器参数、吸收层、约束层等;此外,在成形过程中,材料在极短时间内发生了复杂的几何形状和机械性能变化,影响成形效果的因素很多,这加大了对其工艺机理和成形规律的认识难度。本文采用数值模拟结合实验检测,系统研究μLPF中微胀形工艺,分析微胀形工艺的变形特点,揭示关键工艺参数对胀形变形的影响规律;以典型非晶合金为研究对象,开展μLPF中微弯曲工艺应用于难加工材料的实验研究;借助断面分析技术,研究μLPF中材料的破坏现象,分析高应变率下材料发生动态破坏的机理。 主要工作与结论如下: (1)分析了激光冲击微胀形成形特点,提出并解决了数值模拟的关键技术,包括冲击成形力学模型、材料动态力学行为、技术执行的方法路线等,建立了激光冲击微胀形的有限元模拟模型。展示了紫铜箔材胀形变形的位移场、应变场、残余应力场和板厚变化,分析了变形过程中应变率的变化规律。模拟结果表明:板材在变形时应变率高达106/s,说明激光冲击微胀形工艺是一种高应变率成形技术;变形结束后,在迎向激光即激光直接冲击的工件表面光斑作用区域里形成了径向残余拉应力,而在背向激光即激光不直接冲击的工件表面光斑作用区域里形成了径向残余压应力;在板材上激光光斑边缘附近及凹模入口处对应位置,出现了较大的应力应变梯度和应力集中现象。 (2)设计并建立了激光冲击微胀形实验系统,解决了系统中激光光路设置、吸收层与约束层材料选取、微胀形模具设计等实验执行关键技术,提出了一种精度可靠的微胀形件变形量测量方法。使用该系统对激光冲击微胀形进行了大量的系统实验;与有限元模拟结果进行了对比验证,两者吻合良好;研究了吸收层和约束层在工艺成形中的作用;得到了激光能量、光斑直径、冲击次数、凹模孔径、材料类型、板材厚度等对工件胀形高度的影响规律。 (3)设计并建立了激光冲击微弯曲成形实验系统,解决了弯曲角度测量方法等实验关键技术。使用该系统对厚度为30μm的脆性材料Fe78Si9B13非晶合金带材展开了大量的系统实验,结果表明:利用激光冲击微弯曲工艺,无需将非晶合金带材加热至过冷液相区温度,即可使塑性差的Fe78Si9B13:非晶合金发生大角度塑性弯曲变形;研究了扫描次数、光斑间距、冲击位置、激光能量、光斑直径、扫描线间距、试样长度和宽度等对工件弯曲角度的影响。 (4)利用显微断面分析技术并结合细观断裂理论,对μLPF中出现的材料动态破坏现象进行了实验研究。结果表明:材料破坏模式与具体激光冲击条件有关,材料的动态断裂行为不同于静态/准静态断裂;韧性金属材料(工业纯钛、紫铜)均表现为韧性断裂;脆性金属材料如Fe78Si9B13非晶合金宏观上虽表现为脆性断裂,但在微观尺度上却显示出塑性断裂特征。……   
[关键词]:激光冲击微成形;数值模拟;实验;动态破坏;非晶合金
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:山东大学2011年