6061铝合金薄板激光成形机理及成形规律的研究

摘要

近年来，社会经济的发展和节能环保的要求，使得各个行业的零部件都向着高能化和轻量化的方向发展，铝合金由于密度小、比强度高、导热性能好等优势，在各个领域内得到了极其广泛的应用，尤其是在航空领域。6061铝合金拥有良好的耐腐蚀性能、耐高温性能、强度高、成形极限较低，所以被用作航空航天飞机的机翼蒙皮材料和燃油系统中的材料，但随着铝合金越来越广泛的使用，零件的结构形状日益复杂，对铝合金结构的加工技术提出了越来越高的要求。 成形加工作为一种常用的加工方式，广泛应用于不同的工业部门。传统成形加工方式在加工过程中需要根据成形的结果，制作专用的模具，这个过程中需要消耗大量的时间和资金，比较适用于大批量的生产。为了满足市场对产品快速更新的要求，需要提出一种能够适用于小批量生产的成形技术。激光成形技术具有无接触、无模具、加工柔性高等特点，同时，激光光源的能量易于控制，在成形加工过程中，可以通过调节工艺参数来对激光成形区域的大小和结果进行精确的控制。因此，将激光成形技术应用于铝合金的成形，具有广阔的前景。本文研究了激光成形过程中铝合金薄板的变形规律，对激光作用下铝合金材料的变形机理进行分析并对变形量进行预测，同时对激光成形前后被加工区域的显微硬度和微观组织进行测量和观察，为铝合金在激光作用下成形效果的研究提供理论和实验基础。论文的主要研究工作如下： （1）建立6061铝合金激光热成形过程中的材料数据库。基于6061铝合金板材的生产厂家提供的6061 铝合金材料性能参数，结合参考文献中6061 材料的热物性参数和实验中所用材料的相关参数，建立了能够适用于SYSWELD仿真计算的材料数据库，并且通过仿真和实验结果的对比，验证了材料数据库的可用性。 （2）6061铝合金薄板的变形机理的分析和板材弯曲方向的研究。通过SYSWELD 仿真计算和实验过程检测，分析了激光成形过程中的温度变化和自由端变形量的变化，研究发现，铝合金薄板在激光成形过程中首先产生反向的弯曲，随后产生正向的变形，最终的变形结果为正向。温度的变化是一个骤升骤降的过程，且最高温度随着激光加载过程的进行而逐渐升高。 （3）不同工艺参数对激光成形变形效果的影响。通过不同激光功率、光斑直径、扫描速度的条件下的正交实验，得到不同工艺参数下的变形量的结果，在三个因素中，激光功率对自由端的变形影响最大，扫描速度的影响次之，光斑直径对最终变形量的影响最小。激光成形过程中，激光功率越大，光斑直径越小，扫描速度越慢，最终产生的变形越大。 （4）激光成形前后 6061 铝合金薄板的显微硬度和组织结构的变化。随着激光成形过程中光斑扫描速度的增加，被加工区域内材料的微观硬度降低，靠近光斑中心区域材料的微观硬度最小，从光斑中心到基体材料方向硬度逐渐增加。被加工区域组织与原始组织相比，孔洞等缺陷减少，组织变得更为致密，但是该区域内裂纹也开始增大，使得该区域显微硬度减小。同时在激光加工区域和基体组织之间存在明显分界线，且在分界线位置观察到大量的微裂纹，并且裂纹沿着激光作用区域扩展。同时，涂覆层材料溶入被加工区域，造成被加工区域内碳含量分布不均匀。

目录

第一个书签之前

摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 激光成形技术

1.3 激光作用下材料变形行为的实验研究现状

1.3.1 金属板材变形机理的研究现状

1.3.2 激光作用下金属板材相变研究

1.3.3 金属板材变形预测的研究现状

1.4 激光作用下板材变形行为的有限元研究现状

1.4.1 材料本构方程的研究

1.4.2 有限元模拟研究现状

1.5 课题主要内容

第二章 激光加工变形的理论基础

2.1 传热学基本理论

2.1.1 热量传递

2.1.2 热量计算

2.2 弹塑性力学基本理论

2.2.1 铝合金的应力与应变

2.2.2 弹性力学基本理论

2.2.3 塑性力学基本理论

2.2.4 铝合金热弹性力学分析

2.3 塑性材料变形机理

2.3.1 温度梯度机理

2.3.2 屈曲机理

2.3.3 增厚机理

2.3.4 其他机理

2.4 铝合金薄板的激光成形机理

2.5 本章小结

第三章 6061铝合金薄板激光成形的数值仿真

3.1 SYSWELD软件介绍

3.1.1 SYSWELD特性

3.1.2 SYSWELD仿真计算过程

3.1.3 材料数据库的扩展

3.2 6061铝合金薄板激光成形建模过程

3.2.1 6061铝合金薄板材料性能参数

3.2.2 铝合金薄板模型的建立与网格划分

3.2.3 有限元仿真网格分组

3.2.4 激光成形热源模型选择

3.2.5 激光成形热源模型校核

3.2.6 激光成形边界条件设置

3.3 不同工艺参数下成形仿真

3.3.1 不同加工功率下激光变形行为的研究

3.3.2 不同扫描速度下激光变形行为的研究

3.3.3 不同光斑直径下激光变形行为的研究

3.4 本章小结

第四章 6061铝合金薄板激光成形的实验研究

4.1 6061铝合金薄板激光成形实验条件

4.1.1 激光成形过程中所用的仪器设备

4.1.2 铝合金薄板的前处理及装夹条件

4.2 铝合金薄板激光成形实验过程

4.2.1 铝合金薄板激光成形工艺参数

4.2.2 铝合金薄板激光成形进给程序

4.2.3 铝合金薄板激光成形加工过程

4.2.4 铝合金薄板激光成形加工结果

4.3 铝合金薄板激光成形结果分析

4.3.1 不同激光功率下的结果分析

4.3.2 不同扫描速度下的结果分析

4.3.3 不同光斑直径下的结果分析

4.3.4 不同工艺参数的影响性分析

4.3.5 显微硬度和微观组织的变化

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文