金屬板料激光沖擊成形的理論研究.pdf

1、激光沖擊成形是利用短脈沖強(qiáng)激光束輻照涂布在板料表面的固體吸收層材料，使其氣化、電離產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波，板料在沖擊波作用下發(fā)生塑性變形的技術(shù)。本文在課題組進(jìn)行的大量激光沖擊成形實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同厚度的板料在激光誘導(dǎo)沖擊波作用下的變形特性，以及激光沖擊成形中的相關(guān)問題進(jìn)行了理論分析，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 目前使用的約束層種類較多，根據(jù)約束層材料的特性可分為三類，即：剛性約束層、液體約束層和柔性約束層。針對(duì)這三類約束層，本文從激光誘導(dǎo)

2、沖擊波的過程、氣化物的壓力衰減以及約束層對(duì)沖擊波反射的角度，系統(tǒng)的分析了約束層對(duì)激光誘導(dǎo)沖擊波強(qiáng)度與脈沖寬度的影響機(jī)制。
　　 本文在闡述應(yīng)力波在板料中的傳播過程的基礎(chǔ)上，根據(jù)板料發(fā)生整體塑性變形的時(shí)間與沖擊波脈沖寬度的關(guān)系將板料劃分為薄膜、薄板、厚板、超厚板，并對(duì)不同厚度板料在沖擊波作用下的行為特性進(jìn)行了分析。
　　 金屬薄膜在沖擊波作用的同時(shí)發(fā)生整體塑性變形，薄膜的運(yùn)動(dòng)與沖擊波壓力之間的耦合關(guān)系最強(qiáng)，但薄膜厚度很小，

3、應(yīng)力波在薄膜內(nèi)多次反射使薄膜內(nèi)的應(yīng)力趨于均勻化，因而可近似認(rèn)為薄膜內(nèi)的應(yīng)力均勻分布。薄膜的變形量遠(yuǎn)大于薄膜厚度，其變形可以認(rèn)為是中面受拉伸而引起的，因此薄膜變形過程中，膜力起主導(dǎo)作用。本文根據(jù)薄膜變形的膜力機(jī)制建立了薄膜的運(yùn)動(dòng)模型，從而推導(dǎo)出薄膜變形量與各參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式。
　　 金屬薄板的整體變形發(fā)生在沖擊波作用期間，板料的變形與沖擊波壓力之間具有一定的耦合關(guān)系，因此薄板是在受自身運(yùn)動(dòng)影響的變動(dòng)的壓力作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)變形。本文根

4、據(jù)薄板的受力模型和氣化物的擴(kuò)散模型建立了薄板的動(dòng)壓運(yùn)動(dòng)方程，并推導(dǎo)出薄板最大變形量公式。
　　 厚板的整體塑性變形發(fā)生在沖擊波作用結(jié)束以后，因而厚板的整體塑性變形對(duì)沖擊波的壓力不產(chǎn)生影響。在沖擊波作用期間，沖擊波將其沖量傳遞給厚板使厚板獲得一定的初速度，沖擊波作用結(jié)束后板料在慣性作用下以該初速度運(yùn)動(dòng)變形。本文根據(jù)厚板的慣性運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)建立了厚板的慣性運(yùn)動(dòng)模型，并求出厚板最大變形量與沖擊波參數(shù)、材料參數(shù)之間的關(guān)系式。
　　 應(yīng)

5、力波到達(dá)超厚板背面時(shí)，其強(qiáng)度已衰減到低于材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的程度，因此不能發(fā)生整體塑性變形，只在前表面產(chǎn)生一定深度的微凹坑。本文根據(jù)塑性波陣面的間斷關(guān)系、塑性波速與材料運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，推導(dǎo)出理想彈塑性材料的殘余應(yīng)變表達(dá)式，從而得到板料表面凹坑最大深度的估算公式。
　　 表面粗糙度較高的板料，經(jīng)激光沖擊成形后板料前后表面的粗糙度顯著降低。本文從應(yīng)力波在板料后表面的微尖峰中的傳播特性和空氣背壓兩個(gè)方面對(duì)這一問題進(jìn)行探討。應(yīng)力波在微尖峰

6、中傳播時(shí)，由于微尖峰截面積逐漸減小導(dǎo)致應(yīng)力波發(fā)生反射和透射，且透射波幅值不斷增加。隨透射波幅值的增加，相應(yīng)的緊跟在透射波后面的反射拉伸波的幅值也不斷增加，當(dāng)反射波的強(qiáng)度超過材料的拉伸極限時(shí)微尖峰便發(fā)生斷裂，使微尖峰高度降低。另一方面板料的高速運(yùn)動(dòng)在板料背面的空氣中產(chǎn)生一個(gè)高壓背壓區(qū)，當(dāng)空氣背壓的壓力超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)將對(duì)板料背面產(chǎn)生壓研作用使微尖峰的高度進(jìn)一步降低。在兩者的共同作用下，板料背面的粗糙度顯著降低。
　　 在航

7、空彈性合金壓力傳感器薄片的激光半模沖擊成形過程中，試樣發(fā)生了局部反向變形，使零件形貌不能與凹模吻合，嚴(yán)重影響了沖擊成形的質(zhì)量。本文對(duì)產(chǎn)生反向變形現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在激光沖擊過程中由于激光能量較大，板料在與凹模接觸時(shí)的殘余運(yùn)動(dòng)速度較高，板料與凹模高速碰撞產(chǎn)生的反向運(yùn)動(dòng)速度大于板料發(fā)生反向塑性變形的速度閾值，從而產(chǎn)生了影響成形質(zhì)量的反向變形。通過降低激光能量密度，避免了反向變形的出現(xiàn)，獲得了較好的成形質(zhì)量。
　　 凹模的

8、半徑對(duì)板料的最大變形量有重要的影響，本文從塑性變形能的角度對(duì)這一問題進(jìn)行了研究。在凹模小于等離子體影響區(qū)半徑時(shí)，隨凹模半徑的增大，等離子體傳遞給板料的沖量相應(yīng)增加，從而增加了板料用于塑性變形的能量，因而板料的變形量也隨之增加；當(dāng)凹模半徑大于等離子體影響區(qū)半徑時(shí)隨凹模半徑增加，板料變形區(qū)域增大，而用于塑性變形的總能量不變，因而板料的最大變形量反而隨之減小。凹模半徑增加到一定程度后，板料變形區(qū)域不再增加，此時(shí)凹模半徑的變化對(duì)板料最大變形量不