基于二元光學(xué)鈦板激光沖擊成形工藝研究.pdf

1、激光沖擊成形工藝（Laser Shock Forming，LSF）是利用激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生激光誘導(dǎo)沖擊波，主要通過力效應(yīng)使金屬板材產(chǎn)生塑性變形的一種新型金屬板材成形技術(shù)。高強(qiáng)度鈦板是航空航天工業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料，利用二元光學(xué)器件改進(jìn)激光光斑光強(qiáng)的分布，提高鈦板激光沖擊成形的成形性能，這也是目前鈦板成形工藝研究熱點(diǎn)之一。
　　本文采用理論分析、工藝試驗(yàn)和模擬仿真相結(jié)合的方式，研究板材厚度為0.1mm的TA1、TA2和TC4三種鈦板

2、，在不同LSF工藝參數(shù)（不同激光能量、光斑光強(qiáng)分布等）下的成形極限和成形質(zhì)量。首先，采用ABAQUS軟件仿真分析了塑性成形過程的變化規(guī)律和板料成形缺陷產(chǎn)生的原因，比較了不同激光光斑光強(qiáng)分布對LSF的影響；其次，自制了二元光學(xué)器件，并根據(jù)模擬優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行了激光沖擊成形工藝試驗(yàn)；然后利用STIL光譜共焦位移傳感器，測量并繪制了試樣的成形輪廓圖、成形深度柱狀圖和表面粗糙度圖。研究表明，模擬和試驗(yàn)結(jié)果相吻合。
　　本文的主要工作和

3、結(jié)果有以下幾點(diǎn)：
　?。?）介紹了二元光學(xué)概念及其在高功率激光制造工藝上的應(yīng)用，并提出了改善輸出光束質(zhì)量的設(shè)計(jì)思路。
　?。?）采用GS改進(jìn)算法進(jìn)行二元光學(xué)器件的設(shè)計(jì)，制作了有效調(diào)制區(qū)域?yàn)閳A形(直徑Φ20mm，單位像素尺寸為40?m?40?m，8臺階)的二元光學(xué)器件，獲得了外徑Φ10mm，內(nèi)徑Φ4 mm的環(huán)形光斑，并給出了光強(qiáng)分布關(guān)系式。
　?。?）根據(jù)板材激光沖擊成形的光強(qiáng)分布理論，著重分析了高斯圓形光斑、中心有強(qiáng)激

4、光能量的低頻環(huán)形光斑、中心無強(qiáng)激光能量的低頻環(huán)形光斑等不同激光光強(qiáng)分布對板材成形極限以及成形質(zhì)量的影響，并進(jìn)行了三種鈦板的LSF試驗(yàn)研究和成形性能測試。比較結(jié)果均表明，中心無強(qiáng)激光能量的低頻環(huán)形光斑下板材試樣的成形輪廓平整度最好，成形深度最深，表面粗糙度最小。
　?。?）以低頻環(huán)形光斑作為激光光斑光強(qiáng)分布為例，對厚度為0.1mm的方形鈦板進(jìn)行LSF數(shù)值模擬，獲得了成形過程中不同時(shí)刻的應(yīng)力場和殘余應(yīng)力場。成形輪廓與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，表

5、明模擬分析模型是可行的。
　　（5）試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了脈沖激光參數(shù)對鈦板激光沖擊成形后的成形深度的影響。激光能量大、沖擊次數(shù)越多、光斑外徑越大，板料的成形極限深度越大；激光脈沖寬度則影響不大。
　　（6）研究了鈦板激光沖擊作用下的破裂問題。破裂會(huì)在兩個(gè)部位發(fā)生，一處是激光光斑加載的中心作用區(qū)域，主要是由于拉應(yīng)力過大所致；另一處是激光光斑加載的內(nèi)外徑邊緣作用區(qū)域，主要是由于應(yīng)力集中所致。而采用環(huán)形光斑LSF能有效避免應(yīng)力集中