激光冲击处理工艺过程数值建模与冲击效应研究

摘要

激光冲击处理工艺是一种新型的表面处理工艺，在航空、航天、汽车、国防装备等方面均有着广泛应用前景。该工艺的实现过程复杂、研究难度大，是激光加工技术和表面处理技术方向的研究热点。小能量激光冲击处理工艺作为近几年激光冲击处理工艺技术一个新的发展方向，已成为激光表面处理工艺的研究前沿。本文系统性地论述了在激光冲击处理工艺过程数值建模和小能量激光冲击效应方面的研究成果，主要研究内容与创新如下：构建了基于小能量脉冲激光的连续冲击处理工艺系统。从激光诱导等离子体冲击波产生的宏观和微观机理出发，对等离子体产生过程及其影响因素进行了理论分析。研究了脉冲激光连续冲击处理在工艺实现方面的技术难点。通过对吸收层与约束层等关键工艺要素的分析与实验研究，获得了实现脉冲激光连续冲击处理的最佳工艺方法，即采用流动水膜作为约束层、黑色绝缘胶带作为吸收层，用小能量Nd：YAG激光获得可靠的连续冲击效果，为开展脉冲激光连续冲击处理工艺研究提供了实验基础。提出了激光冲击处理工艺高效数值仿真建模方法。采用显式动态分析与隐式静态分析相结合，仿真分析冲击压力作用下材料的动态响应过程。基于冲击压力峰值误差和冲量误差的容许度，确定显式分析的时间步长；根据能量动态变化趋势，将动能趋于零、变形能趋于稳定的时间作为显式求解时间。通过单点冲击条件下表面变形效应实验，验证了该方法的有效性。揭示了小能量脉冲激光的单点冲击效应特征。研究发现提高功率密度，可以增强材料表层残余应力场，但是当功率密度大于某一特征值时会引起“残余应力洞”现象，即冲击区域残余压应力峰值不出现在光斑几何中心。另一方面，同一位置多次冲击后，冲击效应将趋于饱和。此外，研究还发现利用小能量激光器通过单点冲击可在零件表面形成微米级凹坑，可用于构造零件表面功能性形貌，以提高摩擦学性能。提出了高功率密度下“残余应力洞”现象的产生机理。针对瞬态冲击压力作用下材料内部复杂的应力波传播与相互作用过程，采用一维应变平面波理论与数值仿真两种方法研究了冲击作用下材料内部应力波传播特征及其影响因素，提出高功率密度下“残余应力洞”现象的产生是由于冲击区域的边界效应产生稀疏波向冲击中心传播，引起中心区域材料发生反向塑性变形，从而降低了此处残余压应力。提出了多点搭接冲击处理工艺过程数值仿真的简化方法。对于区域化多点搭接冲击处理工艺过程的数值仿真，根据单次冲击时横向影响区域有限的特点，基于光斑几何分布特征，提出了采用对称模块法进行简化计算的方法。通过对所选对称模块中心点与外围点在同时或分别受到激光冲击时的相互影响的分析，确定对称模块的尺度范围，最后用对称模块代替整个试件进行仿真计算。通过对搭接冲击残余应力场的实验测量，验证了该方法的有效性。研究了小能量脉冲激光搭接冲击处理工艺特性。研究发现，搭接冲击可在工件表面获得均匀的残余压应力场，并且随着搭接率的增加，压应力场增强。但是，小能量搭接冲击处理不能显著增加最大压应力层深。金相实验分析发现试样表面受到微弱热影响，产生了有利于提高表面性能的马氏体薄层，但是会降低材料表面残余压应力。搭接冲击产生残余压应力的同时，不会影响工件表面质量；但是表层显微硬度得到改善，并且随着搭接率的增加而增大。综上所述，本文以小能量脉冲激光冲击处理技术为研究对象，构建了实现连续冲击处理功能的实验平台，围绕冲击载荷的作用机理以及材料动态响应过程建立了激光冲击处理工艺过程数值仿真模型，通过冲击实验对单点和搭接冲击模型进行了验证，揭示了小能量脉冲激光冲击工艺特性，阐明了不同冲击处理工艺条件下，材料表层几何和物理性能的变化规律，为小能量脉冲激光冲击处理工艺的工程应用提供了技术基础。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景与选题意义

1.2 激光冲击处理工艺方法

1.2.1 基本原理

1.2.2 工艺特点

1.3 国内外研究现状与发展趋势

1.3.1 研究发展历程

1.3.2 研究现状

1.3.3 存在的主要问题与发展趋势

1.4 主要研究内容与技术路线

第二章 激光冲击处理工艺机理分析与工艺方法研究

2.1 引言

2.2 激光诱导等离子体冲击波产生机理

2.2.1 激光与材料相互作用的典型物理过程

2.2.2 材料表面对激光吸收及其影响因素分析

2.2.3 激光诱导等离子体冲击波的产生过程

2.3 激光冲击处理光束参数选择

2.3.1 工艺参数特征

2.3.2 主要工艺参数影响与选择

2.4 连续冲击处理工艺方法研究

2.4.1 工艺要求

2.4.2 激光器与外部光路

2.4.3 约束层选择研究

2.4.4 实验装置设计

2.4.5 吸收层选择研究

2.4.6 连续冲击效果分析

2.5 本章小结

第三章 工艺过程数值建模方法与单点冲击效应研究

3.1 引言

3.2 冲击处理实验

3.3 数值建模总体方法

3.4 冲击压力模型

3.4.1 模型的选用

3.4.2 Fabbro 模型

3.4.3 冲击压力空间分布

3.5 靶材动态响应数值仿真

3.5.1 动态响应过程特征

3.5.2 分析方法

3.5.3 控制方程

3.5.4 材料本构模型

3.5.5 有限元模型与边界条件

3.5.6 载荷施加

3.5.7 网格划分与收敛性检验

3.5.8 时间步长选取

3.5.9 显式求解时间选取

3.6 模型验证

3.7 单点冲击处理效应研究

3.7.1 单次冲击

3.7.2 多次冲击

3.8 本章小结

第四章 激光冲击作用下材料内部应力波传播特性研究

4.1 引言

4.2 激光冲击作用下的应力波响应

4.2.1 应力波的产生

4.2.2 应力波的传播过程

4.3 应力波传播过程中动态响应特征研究

4.3.1 分析方法

4.3.2 应力波结构

4.3.3 应变率效应

4.3.4 应力波波速

4.3.5 应力波衰减

4.4 “残余应力洞”现象研究

4.4.1 产生机理分析

4.4.2 光斑形状影响

4.5 本章小结

第五章 基于小能量脉冲激光搭接冲击处理工艺研究

5.1 引言

5.2 搭接冲击工艺方法分析

5.3 实验方案

5.4 数值仿真建模

5.4.1 模型的建立

5.4.2 收敛性检验

5.4.3 对称模块尺寸选择

5.5 结果与讨论

5.5.1 残余应力场

5.5.2 表面粗糙度

5.5.3 显微硬度

5.5.4 金相分析

5.6 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文与授权专利