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激光冲击成形技术研究现状分析

2013-07-22 10:12
flinay
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  ——激光冲击成形是利用激光作用所产生的冲击波压力使材料变形的一种无模新技术。它是利用高能激光诱导的高幅冲击波压力的力效应而非热效应来实现金属板料的塑性成形。激光冲击金属板料变形时,冲击波压力达数千兆帕,远大于材料的动态屈服强度,从而使材料发生塑性变形,并改善金属板料性能。

  激光冲击成形这种高能加工新方法非常适合宇航工业中产品型号更迭频繁、批量不大、零件的形状复杂多样、尺寸稳定性及精度要求高等特点,且金属板材冲击成形后表面形成了很深的高幅值残余压应力,可显著提高其疲劳寿命,对有抗疲劳性能要求的钣金件,如飞机机翼蒙皮等,可减去常规的强化工艺,同时在小曲率板材弯曲成形以及难成形材料的成形方面也有极大的应用潜力,因此受到了越来越广泛的关注。现阶段对金属板料在激光冲击下变形的分析大多采用试验研究和理论分析相结合的方法,开展激光冲击成形加工机理及工艺研究,随着有限元、神经网络以及计算机技术的发展,有限元模拟和神经网络也开始被用于激光冲击成形的研究中。本文从激光冲击成形工艺及优化研究、激光冲击成形残余应力分析以及激光冲击成形有限模拟3个方面总结激光冲击成形技术的研究现状,指出了存在问题及其发展趋势。

  激光冲击成形原理

  金属板料激光冲击成形的基本原理如图1所示,将高功率密度(109W/cm2级)、短脉冲(10-9s级)的强激光作用于覆盖在金属板材表面上的能量转换体,能量转换体兼有能量吸收层和约束层双重功能,其主要作用是把激光束产生的热能转成机械能(冲击波压力),并提高激光能量的利用率,保护工件表面不受激光的热损伤。转换体和金属板料相接触一侧的薄层因吸收能量而汽化,汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量形成等离子体而爆炸,爆炸时形成一动量脉冲,产生向金属成形方向的应力波,板料在这种应力波的作用下产生塑性变形。

  通过选择激光脉冲能量、冲击轨迹和脉冲次数,在数控系统控制下,可实现板料的局部或大面积成形。采用预先制作好的凹模,则可实现激光冲击仿形。可见,激光冲击成形是一种集板料成形和强化于一体的复合工艺。

  激光冲击成形工艺及优化研究

  在激光冲击成形过程中,离子体和由激光能量支持的爆炸波,形成高压冲击波传入工件内部,从而使板料在冲击波的力效应作用下产生塑性变形。由于采用激光束作为加载工具,而激光的脉冲能量、光斑尺寸及脉冲间隔宽度等参数精确可控,通过数控系统控制激光冲击头和板料的相对运动轨迹,可实现板料单次冲击局部成形,也可采用优化的激光参数对板料实施多点多次冲击,从而实现板料的柔性冲压成形。其工艺过程如图2所示。

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