『金属加工』钛合金板料激光喷丸成形工艺研究

导读
对典型形状的板料，进行不同轨迹的激光喷丸成形数值模拟；对钛合金成形不同的形状，采用有限元仿真对激光喷丸成形进行数值模拟，分析激光冲击成形的特点，选择不同的激光喷丸区域，使板料呈现不同的形状，可节省大量的模具和工装费用。

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激光喷丸成形是一个复杂的过程，涉及到激光的工艺参数和板料几何尺寸等众多因素，若对每一种影响因素都进行试验研究和验证，不仅试验费用高，工作量大，各种因素之间的相互影响和关系很难在同一个试验中得以体现，而且板料发生复杂的瞬时动态响应，用试验方法监控和观测在材料中产生的动态应力波、残余应力场以及板料的整个变形过程显得非常困难。本文采用 ABAQUS软件对金属板料激光喷丸成形过程进行有限元模拟，建立激光喷丸成形有限元模拟的模型，对板料模型的选取、网格划分、激光冲击波加载和加载路径等进行了研究，通过对激光喷丸成形的有限元模拟，增强成形效果的可预见性。
模型建立
本试验中建立一个长 150mm、宽30mm和厚度为1mm的长方体板料，对于有限元模拟来讲，网格的划分至关重要。在 ABAQUS中的模拟因为要使模型发生变形，所以网格划分比较密，因此采用三角网格的划分，这样可以更加精确地显示所发生的变形量。首先选择三角网格的划分，如图1所示。本次模拟中设定冲击波持续时间为70ns ，选用激光脉冲能量25J ，光斑直径5mm ，波长为1.06μm 。

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单道V形数值模拟与分析
激光喷丸诱导的冲击波峰值压力增加，从而导致残余应力场的大小和深度发生变化。为此在其他参数相同的条件下，取冲击波压力为8GPa、 12GPa的脉冲激光，对尺寸为 150mm×30mm×1mm的Ti-6Al4V钛合金试样进行激光喷丸成形模拟。这里采用最简单的喷丸轨迹，即在板料的中心区进行一直线的喷丸。图2、图3所示为激光喷丸后最终得到的板料变形图。
由图2、图3可以看出，随应力波强度的增加，板料变形量增大，这是因为随着应力波强度的增加，板料表面受力增大，随之变形量也增大。板料激光喷丸后，板料沿长度方向向上弯曲变形，从板料变形云图上可清楚地看出，板料的塑性变形主要集中在激光冲击区域，而冲击区域外的地方绕轴线转动，试样变形轮廓呈“V”形，这与预想的结果是一致的，说明所建立的数值模拟模型是合理的。

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喷丸路径不同对变形的影响
单道V形板成形是为了选择更好的成形条件，为做更复杂的成形奠定基础。在单道的基础上，建立一个长150mm、宽 30mm和厚度为1mm的长方体板料，做三道成形，以形成一定曲率的弧形。利用相同激光参数，对三块Ti-6Al-4V钛合金试样分别进行不同覆盖率的喷丸成形模拟，这里就涉及到如何合理安排喷丸路径，按从左向右依次分为 1、2、3道（见图4）。

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总共有三种顺序1-2-3、2-3-1 和1-3-2 ，不同顺序成形的效果也不一样，如图5～图7所示。

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由图5～图7可以看出，板料激光喷丸后，变得向下凸起，变形主要以横向变形为主，兼有一定的纵向变形，呈双曲率形，这是因为经过多道喷丸后，绕宽度方向上轴线的弯矩加大，所以板料在宽度方向的变形比单道喷丸时大得多，变形量最大处在试样中心。