金属板材激光喷丸成形研究及工艺参数优化

摘要

激光喷丸成形技术(Laser peening forming)利用脉冲激光替代传统喷丸介质，对材料进行加工成形，具有非接触、精密成形等优点。作为一种创新的板材成形手段，激光喷丸成形在航空航天、汽车制造、精密加工等领域具有应用前景。本文依据国内外有关激光喷丸成形的研究，在前人的基础上给出多种金属板材进行激光喷丸成形方法，对成形机理及影响折弯变量的工艺参数进行了分析。并建立多元回归模型对各参数进行优化，作为激光喷丸成形折弯变形量控制的手段。主要内容及创新点如下:
　　本文首先从理论上详细的对激光诱导冲击波下金属板材折弯变形的特性和材料内部残余应力分布进行分析。在分析激光诱导冲击波计算模型上，重点分析水约束层下多种材料冲击波的计算方法。
　　采用NG∶YAG纳秒激光搭建激光喷丸试验系统。试验结果表明，不同厚度的板材在不同工艺参数（激光能量、光斑叠合率、喷丸次数）下，板材表现出不同折弯变形特性。比如本试验中0.29mm、0.4mm、0.5mm、0.68mm1060Al板材在0.1J-0.4J能量下表现为凹变形，而1.2mm在0.1J-0.4J能量下都表现为凸变形。在凹折弯变形机制下，板材折弯变形量随激光能量增加而增加，然而凸折弯变形机制下这种情况显得不明显。可以发现存在一个厚度阀值，小于该厚度折弯变形为凹变形，大于该厚度折弯变形为凸变形。接着利用X射线应力测定仪对喷丸区域表层进行残余应力测试，得到各厚度板材喷丸区域残余应力分布。分析了工艺参数对板材表层残余应力分布的影响。
　　本文运用ABAQUS有限元软件对金属板材激光喷丸成形进行数值模拟，分析了不同厚度不同工艺参数下板材的变形量及残余应力场的分布。总结各工艺参数（激光能量、光斑叠合率、喷丸次数）与板材折弯变形和残余应力分布的联系，仿真结果与试验有较好的一致性;另外仿真中建立了激光喷丸成形2D和3D模型，通过光斑叠合率将2D与3D仿真模型联系起来，以较小的误差提高了仿真的计算效率。通过对多种金属材料的模拟分析，联系材料HEL与凹凸变形转变厚度关系。结合厚度与激光能量的影响，为给定金属材料选用合理工艺参数提供了指导意义。
　　本文以正交试验设计为研究手段，对影响激光冲喷丸成形弯曲角度的影响因子进行评估，确定最佳的工艺组合。接着建立激光喷丸影响变量与因变量之间的多元回归分析的数学模型，利用该模型进行分析和推断，以解决板材折弯变形量控制问题。并对模型进行优化，提高了激光喷丸成形模型预测的可靠性和计算效率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 机械喷丸成形技术研究现状

1．2 激光喷丸成形技术研究现状

1．3 金属板料激光喷丸成形技术的应用前景

1．4 本文研究主要内容和意义

第二章 激光喷丸成形理论基础

2．1 激光喷丸成形物理过程

2．2 等离子体形成的激光冲击波及其力学效应

2．2．1 金属材料对激光的吸收

2．2．2 激光诱导等离子体冲击波形成

2．2．3 激光冲击波压力估算模型

2．3 激光诱导下金属表层弹塑性变形过程

2．3．1 材料表层冲击区域塑性变形

2．3．2 激光喷丸残余应力的产生

2．4 激光喷丸残余应力引起的板材折弯变形

2．4．1 板材弯曲理论

2．4．2 板材激光喷丸成形机制

2．4．3 残余应力场与板材弯曲曲率、弯曲角度关系

2．4．4 板材弯曲变形的表征

2．5 本章小结

第三章 激光喷丸折弯试验研究

3．1 试验准备

3．1．1 试验装置及试件准备

3．1．2 调焦

3．1．3 叠合率

3．2 试验结果

3．2．1 不同激光能量对激光喷丸折弯角度的影响

3．2．2 激光喷丸次数对折弯角度的影响

3．2．3 光斑叠合率对激光喷丸折弯角度的影响

3．2．4 不同厚度对激光喷丸折弯角度的影响

3．2．5 两种约束层对激光喷丸折弯角度的影响

3．2．6 两种材料激光喷丸折弯角度对比

3．2．7 表面残余应力

3．3 本章小结

第四章 激光喷丸成形数值模拟

4．1 数值仿真方法

4．2 激光喷丸折弯变形有限元模拟分析方法

4．2．1 有限元分析中关键问题的处理

4．2．2 模拟求解时间

4．3 1060Al板模拟结果与分析

4．3．1 不同厚度1060Al模拟结果与分析

4．3．2 不同激光能量1060Al模拟结果与分析

4．4 AZ31B镁合金板模拟结果和分析

4．4．1 不同厚度AZ31B模拟结果与分析

4．4．2 不同激光能量AZ31B模拟结果与分析

4．5 金属材料HEL与凹凸变形转换范围分析

4．6 模型等效

4．6．1 等效模型建立

4．6．2 模拟结果与分析

4．6．3 2D模型的等效

4．7 残余应力分析

4．7．1 模拟结果与分析

4．7．2 工艺参数对残余应力场的影响

4．8 本章小结

第五章 工艺优化及预测控制

5．1 正交试验设计分析

5．1．1 正交试验法的基本理论

5．1．2 激光喷丸工艺参数正交优化

5．1．3 极差R分析

5．2 回归模型

5．2．1 多元线性回归分析

5．2．2 多元多项式回归分析

5．3 计算过程与优化

5．3．1 多元回归分析模型建立

5．3．2 多元回归分析模型优化

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

读硕士期间发表的学术论文