激光沖擊微成形工藝數(shù)值模擬及其實驗研究.pdf

1、激光沖擊微成形(μLPF)是利用激光誘導(dǎo)等離子體沖擊波產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，使材料發(fā)生動態(tài)塑性變形而獲得期望的微成形件。μLPF綜合了激光沖擊強化和塑性加工高效省材的優(yōu)點，有望成為微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元器件制造領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的技術(shù)。μLPF是一個多物理量綜合作用的過程，涉及到激光與材料相互作用物理學(xué)、沖擊動力學(xué)、高應(yīng)變率塑性力學(xué)、材料科學(xué)等多門學(xué)科。該技術(shù)本身存在一些特殊的工藝要求，如激光器參數(shù)、吸收層、約束層等；此外，在成形過程中，材料在極短時

2、間內(nèi)發(fā)生了復(fù)雜的幾何形狀和機械性能變化，影響成形效果的因素很多，這加大了對其工藝機理和成形規(guī)律的認識難度。本文采用數(shù)值模擬結(jié)合實驗檢測，系統(tǒng)研究μLPF中微脹形工藝，分析微脹形工藝的變形特點，揭示關(guān)鍵工藝參數(shù)對脹形變形的影響規(guī)律；以典型非晶合金為研究對象，開展μLPF中微彎曲工藝應(yīng)用于難加工材料的實驗研究；借助斷面分析技術(shù)，研究μLPF中材料的破壞現(xiàn)象，分析高應(yīng)變率下材料發(fā)生動態(tài)破壞的機理。
　　 主要工作與結(jié)論如下：
　

3、　 (1)分析了激光沖擊微脹形成形特點，提出并解決了數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù)，包括沖擊成形力學(xué)模型、材料動態(tài)力學(xué)行為、技術(shù)執(zhí)行的方法路線等，建立了激光沖擊微脹形的有限元模擬模型。展示了紫銅箔材脹形變形的位移場、應(yīng)變場、殘余應(yīng)力場和板厚變化，分析了變形過程中應(yīng)變率的變化規(guī)律。模擬結(jié)果表明：板材在變形時應(yīng)變率高達106/s，說明激光沖擊微脹形工藝是一種高應(yīng)變率成形技術(shù)；變形結(jié)束后，在迎向激光即激光直接沖擊的工件表面光斑作用區(qū)域里形成了徑向殘余拉

4、應(yīng)力，而在背向激光即激光不直接沖擊的工件表面光斑作用區(qū)域里形成了徑向殘余壓應(yīng)力；在板材上激光光斑邊緣附近及凹模入口處對應(yīng)位置，出現(xiàn)了較大的應(yīng)力應(yīng)變梯度和應(yīng)力集中現(xiàn)象。
　　 (2)設(shè)計并建立了激光沖擊微脹形實驗系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)中激光光路設(shè)置、吸收層與約束層材料選取、微脹形模具設(shè)計等實驗執(zhí)行關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種精度可靠的微脹形件變形量測量方法。使用該系統(tǒng)對激光沖擊微脹形進行了大量的系統(tǒng)實驗；與有限元模擬結(jié)果進行了對比驗證，兩者吻合

5、良好；研究了吸收層和約束層在工藝成形中的作用；得到了激光能量、光斑直徑、沖擊次數(shù)、凹?？讖健⒉牧项愋?、板材厚度等對工件脹形高度的影響規(guī)律。
　　 (3)設(shè)計并建立了激光沖擊微彎曲成形實驗系統(tǒng)，解決了彎曲角度測量方法等實驗關(guān)鍵技術(shù)。使用該系統(tǒng)對厚度為30μm的脆性材料Fe78Si9B13非晶合金帶材展開了大量的系統(tǒng)實驗，結(jié)果表明：利用激光沖擊微彎曲工藝，無需將非晶合金帶材加熱至過冷液相區(qū)溫度，即可使塑性差的Fe78Si9B13非晶

6、合金發(fā)生大角度塑性彎曲變形；研究了掃描次數(shù)、光斑間距、沖擊位置、激光能量、光斑直徑、掃描線間距、試樣長度和寬度等對工件彎曲角度的影響。
　　 (4)利用顯微斷面分析技術(shù)并結(jié)合細觀斷裂理論，對μLPF中出現(xiàn)的材料動態(tài)破壞現(xiàn)象進行了實驗研究。結(jié)果表明：材料破壞模式與具體激光沖擊條件有關(guān)，材料的動態(tài)斷裂行為不同于靜態(tài)/準(zhǔn)靜態(tài)斷裂；韌性金屬材料(工業(yè)純鈦、紫銅)均表現(xiàn)為韌性斷裂；脆性金屬材料如Fe78Si9B13非晶合金宏觀上雖表現(xiàn)為脆