姜銀方，王春輝，李路娜，姜文凡，金 華，程志軍，丁 報

(1．江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013;

2．南京機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，江蘇南京211135;

3．江蘇大學(xué)理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013)

1 引言

激光沖擊成形技術(shù)作為一種柔性潔凈的無模成形方法，它是利用高功率密度、短脈沖的強激光與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生等離子體爆炸后產(chǎn)生高壓沖擊波作用于板料而使得板料發(fā)生變形［1］。國內(nèi)外的研究工作者對此進行了大量的研究。Frank［2］對金屬板料受到高功率的脈沖激光沖擊形成的凹坑進行了研究。Hackel等人［3］提出了激光沖擊進行板料塑性變形的原理和方法。Tong等人［4］對激光下鋁板的高速變形過程進行了研究，建立了薄板變形數(shù)學(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn)［5－6］，激光沖擊波作用中心區(qū)域的板料塑性變形最大，容易破裂，板料的成形性能受到了一定的限制。Tang等人［7］提出了環(huán)形光斑模型改善激光沖擊板料成形性能的方法。Wang等人［8］通過模擬方法分析了中空激光沖擊對板料變形的影響，其板料的成形性能有著明顯的提高。

本文通過數(shù)值仿真對中空激光加載下板料成形中的速度、位移和厚度進行了分析，并通過試驗對中空和實心激光沖擊后板料的位移和厚度進行了測量和對比，旨在對板料激光沖擊成形性能的改善提供指導(dǎo)作用。

2 實驗方案

2 ．1 數(shù)值模型的建立

模型為直徑為Φ40 mm、厚度為0．3 mm、凹?？讖綖棣?0 mm的圓形薄板，材料為3003H16鋁合金。由于激光沖擊成形是高度非線性瞬態(tài)事件，而Johnson－Cook模型可較好地描述金屬材料加工硬化效應(yīng)、應(yīng)變率效應(yīng)和溫度軟化效應(yīng)對材料屈服強度的影響［9］，因此選用ABAQUS/Explicit中自有的J－C模型，3003H16鋁合金材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 3003H16鋁合金材料性能參數(shù)Tab．1 Material property parameters of 3003H16 Al alloy

由于板料厚度僅為0．3 mm，故板料模型采用殼體單元(shell)，網(wǎng)格單元類型為SR4，由約束區(qū)域、非約束區(qū)域和中空加載區(qū)域三部分組成，其中約束區(qū)域是模具夾持金屬板料的部分，約束條件為Z向位移為0，同時板料繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動也需要固定，即U3=UR1=UR2=0，加載區(qū)域的內(nèi)外直徑為 Φ3mm/Φ11mm，有限元模型如圖 1所示。

圖1 有限元模型Fig．1 Finite elementmodel

根據(jù)Fabbro等人［10］的研究可知，激光誘導(dǎo)的沖擊波與材料的作用時間約為激光脈寬的2～3倍，整個作用時間內(nèi)沖擊波壓力值并不是相等的，是隨著時間的變化而變化，近似符合高斯分布，如圖2所示。模擬中采用的激光脈寬τ=23 ns，故加載壓力的作用時間取為70 ns，即壓力加載期為70 ns。

圖2 激光沖擊波加載曲線Fig．2 Curve of laser shock wave loading

模擬采用文獻［11］提出的中空激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的壓力載荷空間分布，即:，

其中，R1、R2分別是加載區(qū)域的內(nèi)外半徑;P(t)為隨時間變化的載荷。本文模擬通過ABAQUS/Load模塊提供的*Analytical Field輸入公式(1)來定義載荷在空間上的分布，參數(shù)為R1=1．5 mm，R2=5．5 mm，Pmax=2．2 GPa。

2 ．2 激光沖擊成形實驗方案

試驗中所用的中空激光變束裝置由負錐鏡、正錐鏡和聚焦透鏡組成，實心激光束經(jīng)中空激光變束裝置變束后產(chǎn)生中空激光束，如圖3所示。

圖3 中空激光變束裝置Fig．3 Hollow laser shaping device

圖4 試驗?zāi)＞吆驮嚇覨ig．4 Experimental die device and sample

試驗中所用的模具和試樣如圖4所示，試樣放置在凹模底座上，并通過壓邊圈來固定，然后裝夾并進行激光沖擊成形試驗。

試樣為直徑為 Φ40 mm、厚度為 0．3 mm的30003H16鋁合金圓形薄板，為了便于對沖擊后的試樣進行數(shù)據(jù)測量，利用電化學(xué)腐蝕在試樣表面印制均勻分布的網(wǎng)格，然后在另一面貼上鋁箔作為能量吸收層，沖擊過程中以流水作為能量約束層。

3 結(jié)果與分析

3 ．1 模擬結(jié)果分析

3．1．1 速度分析

施加的載荷以應(yīng)力波形式在板料內(nèi)部進行傳播，使得板料上質(zhì)點產(chǎn)生速度，進而引起板料產(chǎn)生位移和厚度變化，故我們首先對中空激光作用下板料的速度進行分析。由于激光是垂直于板料進行加載的，V1和V2方向的速度均很小，可以忽略不計，故只考慮板料V3方向的速度，其中 V1、V2、V3分別為X、Y、Z方向的速度，如圖5所示。

圖5所示為中空激光沖擊成形過程中不同時刻下板料的速度分布。由圖5可知，在70 ns壓力加載期間，加載區(qū)域內(nèi)板料上各質(zhì)點在瞬時沖擊波的作用下首先獲得速度，短時間內(nèi)其最大值達到約140 m/s，該區(qū)域內(nèi)板料發(fā)生的變形為彈性變形。加載結(jié)束后，加載區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點的慣性運動帶動附近非加載區(qū)域內(nèi)質(zhì)點運動，板料逐漸發(fā)生塑性變形，大約2000 ns，加載區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點速度開始減小，此時板料中心的質(zhì)點獲得動能開始運動，由于四周質(zhì)點的共同作用，其速度增加很快，10000 ns時刻達到最大值約為160 m/s;隨著時間的推移，由于材料的塑性變形而產(chǎn)生能量耗散，板料上質(zhì)點速度開始減小;大約到了40000 ns，整個板料上的質(zhì)點速度減小到很小，此后一直在零附近波動，直到速度為零。分析可知，加載區(qū)域內(nèi)板料首先獲得速度而發(fā)生彈性形變并向四周擴展，然后逐漸產(chǎn)生塑性形變，同時板料中心逐漸獲得速度并快速增大，而塑性形變產(chǎn)生能量耗散使得整個板料速度減小并停止運動。

圖5 成形過程中不同時刻下板料的速度分布Fig．5 Velocity distribution of the sheet at differentmoments in the forming process

3．1．2 位移分析

圖6所示為中空激光沖擊成形過程中不同時刻下板料的位移分布。從圖6中可知，在壓力加載期間，中空激光加載區(qū)域內(nèi)板料上各質(zhì)點首先獲得動能而產(chǎn)生位移，其位移分布與速度分布基本一致，分析認為板料的初始狀態(tài)為平板形狀，且位移是速度對時間的積分，這樣位移與速度的分布曲線形狀是相似的。由于加載時間極短，故此期間內(nèi)板料上質(zhì)點的位移很小，遠遠小于板料運動結(jié)束時各質(zhì)點的位移，可以忽略不計。隨著時間的推移，加載區(qū)域內(nèi)板料上質(zhì)點的位移逐漸增大，增大的同時由于質(zhì)點的相互作用帶動非加載區(qū)域內(nèi)的質(zhì)點產(chǎn)生位移。由于板料中心各質(zhì)點的速度快速增大，中心區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點的位移逐漸地增大并超過加載區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點的位移，大約在60000 ns時達到最大值，然后發(fā)生回彈，直至整個板料的速度減小為零。板料變形結(jié)束后，整個板料的位移分布大致呈高斯曲線分布。分析可知，位移首先產(chǎn)生于中空激光加載區(qū)域內(nèi)，然后帶動其他區(qū)域運動，板料中心的位移變化最大，最終板料的截面輪廓呈高斯曲線分布。

圖6 成形過程中不同時刻下板料的位移分布Fig．6 Displacement of the sheet at differentmoments in the forming process

3．1．3 厚度分析

圖7所示為中空激光沖擊成形過程中不同時刻下板料的厚度分布。從圖7中可知，板料在中空光斑內(nèi)外徑邊緣位置首先發(fā)生減薄，隨著質(zhì)點的運動，減薄逐漸向兩邊擴展，1000 ns時刻板料在光斑內(nèi)徑處的減薄較大但減薄量很小，同時板料中心厚度開始減薄，并其減薄速度逐漸地加快;2000 ns時刻，板料中心的厚度減薄遠大于其他位置的厚度減薄;隨著時間的推移，由于減薄從加載內(nèi)外邊緣分別向加載區(qū)域中間擴展，板料中心厚度仍在減薄的同時該區(qū)域內(nèi)板料的厚度減薄速度也逐漸地增大;響應(yīng)結(jié)束后中心板料的厚度約為0．255 mm，中空加載區(qū)域內(nèi)板料最小厚度約為0．285 mm。由上述分析可知，厚度減薄首先發(fā)生于加載區(qū)域邊界，然后分別向四周擴展使得板料中心和加載區(qū)域內(nèi)板料發(fā)生快速減薄，最終板料中心區(qū)域是厚度減薄最多的區(qū)域，其次是加載區(qū)域。

圖7 成形過程中不同時刻下板料的厚度分布Fig．7 Thickness of the sheet at different moments in the forming process

3 ．2 中空激光沖擊成形試驗分析

試驗采用能量為10 J，脈寬為20 ns，波長為1064 nm的激光進行沖擊，中空激光內(nèi)外徑為Φ3 mm/Φ11 mm，實心激光直徑為Φ11 mm。

圖8(a)和8(b)分別是單次中空和實心激光沖擊成形后的試樣，可以看到，相比實心激光沖擊，單次中空激光沖擊下板料成形輪廓更均勻平坦。

圖8 單次沖擊成形試樣Fig．8 Physical specimen after one shock

圖9 所示為單次中空和實心激光沖擊下試驗與模擬的板料截面輪廓，從中可知，相同作用區(qū)域條件下，模擬中2．2 GPa環(huán)形載荷作用下板料的截面輪廓與試驗中10 J能量的中空激光作用下的截面輪廓較為接近，呈高斯曲線分布;相同外徑的中空和實心激光作用條件下，單次中空激光沖擊下板料的成形廣度比單次實心激光沖擊下板料的成形廣度要大，其成形深度則比實心激光下板料的成形深度要小。

圖9 激光沖擊后試驗和模擬截面輪廓比較Fig．9 Comparison of section contour after LSP between experiment and simulation

圖10 所示為單次中空和實心激光沖擊下試驗與模擬的板料截面厚度分布，從中可知，相同作用區(qū)域條件下，模擬和試驗得到板料中心和加載區(qū)域這兩個區(qū)域的厚度減薄較明顯，其中板料中心的厚度減薄大于加載區(qū)域的厚度減薄;相比實心激光沖擊，中空激光沖擊下板料厚度減薄明顯減小，且厚度減薄相對均勻。

圖10 激光沖擊后試驗和模擬板料厚度比較Fig．10 Comparison of thickness after LSP between experiment and simulation

由上述分析可知，采用中空激光對板料進行沖擊成形，其成形性能要比實心激光好。同時可以看到，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果仍有一定的差異，尤其是圖10中模擬與試驗的差異，分析認為這種差異可能源于通過Fabbro模型計算得到的等離子體壓力，簡化了激光和具有吸收系數(shù)α的燒蝕層之間的關(guān)系;分析采用的J－C模型在超高應(yīng)變率可能存在誤差。

4 結(jié)論

(1)板料中空激光沖擊成形過程中，加載區(qū)域內(nèi)板料首先獲得速度產(chǎn)生位移并向四周擴展，然后帶動其他區(qū)域運動，中心板料獲得速度后快速成形，最終板料中心位移最大;厚度減薄首先發(fā)生于加載區(qū)域邊界并向四周擴展，使得板料中心和加載區(qū)域內(nèi)板料發(fā)生快速減薄。

(2)單次中空激光作用下板料截面輪廓呈高斯曲線分布，中心區(qū)域減薄最多，其次是加載區(qū)域。

(3)單次中空激光沖擊下板料成形廣度大于實心激光沖擊下的成形廣度，其成形深度小于實心激光沖擊下的成形深度。

(4)單次中空激光沖擊下板料厚度減薄小于實心激光下的厚度減薄，其變形均勻性優(yōu)于實心激光作用下板料的變形。

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