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一文了解激光冲击形变

一文了解激光冲击形变

  • 分类:工艺应用
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  • 来源:
  • 发布时间:2022-04-14
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【概要描述】激光冲击形变LPF(Laser peen forming)过程是利用激光的冲击力效应进行材料成形加工手段,是一种具有非接触、热残留影响区小、成形控制精度高等优点的新技术,具有比较广泛的应用前景。

一文了解激光冲击形变

【概要描述】激光冲击形变LPF(Laser peen forming)过程是利用激光的冲击力效应进行材料成形加工手段,是一种具有非接触、热残留影响区小、成形控制精度高等优点的新技术,具有比较广泛的应用前景。

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        激光冲击形变LPF(Laser peen forming)过程是利用激光的冲击力效应进行材料成形加工手段,是一种具有非接触、热残留影响区小、成形控制精度高等优点的新技术,具有比较广泛的应用前景。激光束的高辐射(激光功率密度GW/cm2)及短脉冲持续时间(ns量级)冲击金属板料表面时,激光束照射到材料表层或者吸收层上,工件表面吸收激光能量瞬间汽化产生等离子体,等离子体吸收激光能量后温度升高产生膨胀,高温高压的等离子体发生爆炸将会产生一个高幅值的压力冲击波作用在材料表面,该冲击波压力高达数个GPa,此压力远大于材料的屈服强度,引起材料表层发生微观塑性形变,表层和内层间的不均匀塑性形变在材料内部产生一定深度的残余压应力,破坏了材料原有的力系平衡。如下图1所示为激光冲击基本原理示意图:

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图1 激光冲击的基本原理图

     当激光冲击波作用于材料表面后,材料将对不同的冲击波峰值压力作出不同的力学响应,如下图2所示为材料的应力应变关系图。材料发生形变的过程:

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图2 材料应力应变关系图

 

  1. O-E段:应力与应变成正比关系,材料在此阶段为弹性形变阶段,产生形变可恢复;
  2. E点:材料弹性极限点;
  3. E-S段:弹性关系破坏,未达到屈服阶段,又称为弹塑性形变,该阶段为弹性到屈服阶段的过渡;
  4. S点:材料的屈服极限点;
  5. S-B段:材料产生均匀的塑性变形,形变不可恢复;
  6. B点:对最大塑性形变的抗力;
  7. K点:当应力达到K点后,材料将发生断裂。

材料的弹性极限HEL(hugoniot elastic limit)/GPa公式:

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式中:K—材料体积模量/GPa  G—材料剪切模量/GPa  σ—材料屈服强度/MPa

材料塑性形变主要产生在S-B阶段,当激光冲击波大于材料的弹性极限HEL值时,破坏了材料原有的力学平衡,而引起材料塑性形变机理主要分三种:

  1. 温度梯度机理

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图3 温度梯度机理示意图

    高能激光束照射在材料(有一定厚度)表面时,上表面温度急速升高,下表面因热传递时差导致温度低于上表面,故而温度在材料厚度方向上会形成温度梯度差,使得材料首先产生背向激光束的弯曲;

    当激光加载结束后,由于金属材料的优良导热性,材料上表面的温度降低,材料屈服力增大,下表面的温度升高,屈服力减小,最终材料产生朝向激光束方向的弯曲形变,其变形过程如上图3所示。

  1. 屈曲机理

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图4 屈曲机理示意图

对于一些薄材料,由于材料厚度薄且良好的导热性,导致在材料厚度方向上形成的温度梯度小,而材料上表面先升温产生膨胀,使得材料首先产生背向激光束的弯曲形变,材料在冷却过程中,由于材料薄,上下表面的收缩率相同,冷却完成时最终形成背向激光束的弯曲,其变形过程如上图4所示。

  1. 增厚机理

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图5 增厚机理示意图

当激光光束直径远大于材料厚度时,在材料厚度方向上基本无温度梯度差,此时材料上下表面的塑性变形表现一致,材料因为温度升高导致屈服应力降低,而受周边冷却材料的约束加大,导致被加工区域产生收缩变形,该区域明显增厚,最终材料冷却后形变不可恢复。其变形过程如上图5所示。

市场上对薄料产品形变控制的激光应用热度持续火热,解决该应用不仅要掌握材料的相关特性,比如材料的弹性极限、材料元素成分、材料厚度及激光加工过程中的受力夹持方式等等,而且需要选择合适的激光光源,在选择激光光源时需要选择正确的激光波长、能量密度、波形、光束质量、峰值功率等等相关参数特性。在火热的3C产品市场上,光至科技针对薄料形变控制应用推出GT高峰值系列机型,该机型已成熟的应用于产品批量加工生产,为客户争市场创价值。

【武汉光至科技有限公司是一家定位与服务精密制造的先进光源供应商。公司产品包括可调纳秒MOPA脉冲系列、光纤超快系列以及各种科研定制光源。产品广泛应用于3C/5G、动力电池、光伏等精密制造领域,欢迎广大客户咨询合作。】

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