銅箔-開孔不銹鋼板激光沖擊鉚接實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、激光沖擊鉚接成形是激光沖擊成形技術(shù)與連接技術(shù)的交叉應(yīng)用，它利用激光誘發(fā)的爆炸等離子體驅(qū)動(dòng)板材/箔材發(fā)生特定的塑性變形，形成鉚扣形的嵌入式結(jié)構(gòu)，將兩層或多層材料連接在一起，在汽車、飛機(jī)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
　　本文對(duì)銅箔與開孔不銹鋼板的激光沖擊鉚接成形工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，開發(fā)了多工藝參數(shù)匹配的激光沖擊成形模具，探索了成形過程中多種工藝因素的影響規(guī)律，分析了成形過程中各區(qū)域在各階段的變形特點(diǎn)和組織結(jié)構(gòu)，從材料的幾何特征、塑性流動(dòng)

2、特征、微觀組織特征等方面，分析了材料破壞形式及其破壞機(jī)理，建立了銅箔和開孔不銹鋼板激光沖擊鉚接的工藝窗口，并對(duì)鉚接性能進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。主要工作及結(jié)論如下:
　　(1)利用Nd∶ YAG固體激光器和數(shù)控位移臺(tái)，選用石英玻璃做約束層，黑色石蠟做吸收層，采用所開發(fā)的多工藝參數(shù)匹配的成形模具，搭建激光沖擊鉚接成形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)純銅箔和開孔不銹鋼板的激光沖擊鉚接工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
　　(2)研究了激光束、實(shí)驗(yàn)材料和模具等工藝因素的

3、影響規(guī)律，結(jié)果表明:隨激光脈沖能量提高，脹形鼓包高度隨之增大，進(jìn)而演變出鼓包頂端破裂、不完全沖裁、完全沖裁等箔材破壞形式;通過模具壓板更容易控制和改變有效光斑直徑，改善激光束同軸性、能量分布等問題，壓板還能隔開吸收層與純銅箔，有利于進(jìn)行多次沖擊;模具相關(guān)參數(shù)之間存在墊板孔徑D2＞底部支撐直徑D3＞壓板孔徑D1≥不銹鋼板孔徑D0的數(shù)量關(guān)系。
　　(3)鉚接成形第一階段，箔材同時(shí)發(fā)生軸向和徑向變形，通過脹形形成鼓包，塑性變形主要來自箔

4、材厚度的減薄，從開孔邊緣至中心軸線方向箔材厚度逐漸減小，在鼓包頂端附近，厚度減薄最嚴(yán)重，容易發(fā)生減薄破壞;開孔附近材料可以流入成形腔，但開孔上沿會(huì)阻礙材料流動(dòng)，開孔上沿附近材料容易發(fā)生剪切破壞或厚度減薄破壞。鉚接成形第二階段，在底部支撐的約束下，材料逐漸以徑向變形為主，并脹形形成凸臺(tái);隨著脈沖次數(shù)的增加，凸臺(tái)頂端直徑逐漸增大，并逐漸形成圓筒形結(jié)構(gòu);開孔附近材料能夠流入成形腔，但流入阻力增大，開孔上沿處材料減薄明顯，厚度較薄的箔材容易在此

5、處發(fā)生破壞;徑向變形主要來自凸臺(tái)附近材料的徑向流動(dòng)，越靠近凸臺(tái)邊緣，材料流動(dòng)越劇烈，厚度減薄越嚴(yán)重，越容易發(fā)生破壞。鉚接成形第三階段，圓筒形結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)生徑向變形，最終圓筒底部直徑大于開孔板孔徑，形成口小底大的鉚扣形嵌入式結(jié)構(gòu)。
　　(4)對(duì)純銅箔進(jìn)行400℃再結(jié)晶退火可以改善箔材組織，消除殘余應(yīng)力和加工硬化，并降低各向異性，最終獲得較好的綜合力學(xué)性能;晶粒細(xì)小時(shí)，鉚接過程中箔材厚度變化均勻;晶粒粗大且材料流動(dòng)劇烈時(shí)，局部易產(chǎn)生明

6、顯的厚度減薄，進(jìn)而導(dǎo)致箔材破壞;箔材微觀組織會(huì)因?yàn)樗苄宰冃味l(fā)生變化，主要有晶粒拉長(zhǎng)、晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)、晶粒破碎等現(xiàn)象。
　　(5)鉚接成形時(shí)箔材破壞的主要原因，一是因吸收層補(bǔ)充不及時(shí)造成激光燒蝕破壞，二是箔材持續(xù)塑性變形引發(fā)破壞;因塑性變形造成的主要破壞形式有開孔上沿處破壞和鉚扣結(jié)構(gòu)底部破壞兩種，其中鉚扣結(jié)構(gòu)底部破壞又可以分為底部周邊破壞和底部中心破壞;鉚接缺陷主要包括箔材開孔上沿破壞和不完全鉚接兩種。
　　(6)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制

7、泵浦電壓U-成形腔高度H成形工藝窗口和泵浦電壓U-脈沖次數(shù)Ⅳ成形工藝窗口，根據(jù)兩種工藝窗口可確定激光沖擊鉚接相關(guān)的主要參數(shù)，從而獲得穩(wěn)定可靠的激光沖擊鉚接結(jié)果。
　　(7)通過剪切試驗(yàn)和軸向剝離試驗(yàn)對(duì)鉚接試樣進(jìn)行性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，激光沖擊鉚接成形所獲得的鉚扣結(jié)構(gòu)抗剪切性能較好，但在嵌入量較小時(shí)，受到剪切載荷也會(huì)發(fā)生鉚扣的變形脫離;鉚扣結(jié)構(gòu)抗軸向剝離性能較差，施加軸向載荷時(shí)，嵌入式結(jié)構(gòu)容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)變形而脫離失效，因此對(duì)特殊應(yīng)用場(chǎng)合推薦進(jìn)