铜-钢层合板激光弯曲成形实验与材料特性

摘要

铜-钢层合板是一种高效节能新型层状复合材料，兼具基层和覆层优点。激光弯曲成形技术是高能束激光扫描板材表面，板材高温诱发热应力使激光扫描区域产生塑性应变的柔性成形技术。铜-钢层合板各层材料特性存在突变特征，在激光能量吸收传递和弯曲协调性等方面存在较大差异和技术难点，本文以冷轧铜-钢层合板（T2/SPCC）为研究对象，通过实验和检测手段研究了铜-钢层合板激光协调弯曲特性及弯折区材料特性，主要研究工作如下： （1）铜-钢层合板激光协调弯曲实验及翘曲变形抑制研究。铜-钢层合板弯曲角度与激光功率P、扫描速度v、扫描次数n、离焦量Z和板件宽度W均呈现相关性。系统研究了激光参数及板材参数对板材的弯曲特性。针对铜-钢层合板激光弯曲成形过程翘曲现象提出了“三段变速度+局部能量补偿”能量粗精调相结合方式，合理地调整了扫描线各段位能量输入量，降低了激光弯曲过程中翘曲量，提高了加工精度。 （2）铜-钢层合板激光弯折区微观组织及界面特性研究。激光加工前后铜钢结合界面由基板的小波形变为结合质量更好的大波形。层合板弯折区厚度出现不同程度增加，影响表面粗糙度。层合板激光弯折区发生回复再结晶，紫铜层弯折区出现晶粒略增大现象，碳钢层弯折区发生晶粒细化现象，晶粒细化区域截面呈明显开口向上的抛物线状。基板界面过渡层厚度为1.90μm；扫描次数由30次时增加值90次时，界面过渡层厚度由2.24μm增加至6.51μm，无元素偏聚现象且界面没有出现氧元素聚集和孔洞。 （3）铜-钢层合板激光弯折区力学性能研究。激光弯曲铜-钢层合板后，弯折区整体表现为强度增强。紫铜层激光加载后硬度略降低，弯折区强度主要由碳钢层决定，碳钢层强度增强表现为细晶强化。激光作用后相对于基板，拉伸断口表现为细密等轴韧窝特征且韧窝较深，为正应力拉伸断口。激光弯曲成形冷轧铜-钢层合板明显提高了板材弯折区的力学性能。 （4）铜-钢层合板大角度高效弯曲及圆弧面成形应用研究。通过正交实验得到激光弯曲最佳工艺参数，并在总扫描次数为60次基础上通过多道光斑重叠扫描策略将层合板弯曲成形角度提高了39.3%。弯曲成形圆弧面时各扫描线间距l和光斑直径d须满足一定关系；当扫描次数一定时，弯折区圆弧半径随着扫描线间距增大而增大；当扫描线间距一致时，弯折区圆弧半径随每道扫描线扫描次数增大而减小。 本文对铜-钢层合板激光弯曲成形及材料特性进行了实验检测研究，为铜-钢层合板激光协调弯曲精密成形及数值模拟提供了理论数据及材料特性参数支持。

目录

声明

1 绪论

1.1 铜-钢层合板概述

1.1.1 铜-钢层合板特点与制备

1.1.2 铜-钢层合板应用

1.1.3 铜-钢层合板成形技术

1.2 无模具成形概述

1.4 激光弯曲成形技术概述

1.4.1 激光弯曲机理

1.4.2 激光弯曲成形过程

1.5 激光弯曲成形技术国内外研究现状

1.5.1 激光弯曲因素及翘曲变形抑制方面

1.5.2 激光弯曲材料方面

1.5.3 激光弯折区材料特性方面

1.6 存在的问题及课题工作

1.6.1 存在的问题

1.6.2 课题的主要研究工作

2 铜-钢层合板激光弯曲成形实验及翘曲变形抑制研究

2.1 实验条件

2.1.1 激光加工设备简介

2.1.2 实验材料

2.1.3 实验方案

2.2 基本实验参数的确定

2.3 铜-钢层合板激光弯曲成形规律分析

2.3.1 激光功率对弯曲角度的影响

2.3.2 扫描速度对弯曲角度的影响

2.3.3 离焦量对弯曲角度的影响

2.3.4 扫描次数对弯曲角度的影响

2.3.5 板材宽度对弯曲角度的影响

2.4 铜-钢层合板激光弯曲样件

2.5 铜-钢层合板激光弯曲成形过程中翘曲现象及抑制

2.4.1 翘曲变形量的测量方法

2.4.2 板宽对翘曲变形的影响及抑制

2.4.3 扫描次数对翘曲变形的影响及抑制

2.5 本章小结

3 铜-钢层合板激光弯折区材料特性研究

3.1 铜-钢层合板激光加工前后弯折区显微组织分析

3.1.1 铜-钢层合板激光弯折区热电偶实验及结果分析

3.1.2 检测样件制备与处理

3.1.3 冷轧铜-钢层合板显微组织分析

3.1.4 激光弯折区显微组织分析

3.2 铜-钢层合板激光弯折区增厚及界面形貌研究

3.2.1 弯折区增厚及界面形貌检测设备简介

3.2.2 激光弯折区增厚及界面形貌检测结果分析

3.2.3 铜-钢层合板激光弯折区表面粗糙度分析

3.3 铜-钢层合板激光弯折区界面过渡层研究

3.3.1 过渡层检测设备及样件制备

3.3.2 界面线扫描结果

3.3.3 界面元素扩散机制

3.3.4 界面面扫描分析

3.4 铜-钢层合板激光弯折区力学性能研究

3.4.1 弯折区硬度分析

3.4.2 弯折区拉伸性能分析

3.4.3 拉伸断口形貌分析

3.5 本章小结

4 铜-钢层合板大角度高效弯曲及圆弧面成形实验研究

4.1 基于正交实验的工艺参数优化

4.2 铜-钢层合板大角度高效弯曲实验研究

4.2.1 多道光斑重叠式扫描

4.2.2 高扫描次数成形实验

4.3 圆弧面成形实验研究

4.3.1 圆弧面成形实验方法及测量

4.3.2 圆弧面成形实验结果分析

4.4 本章小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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