銅箔-開孔不銹鋼板激光沖擊鉚接實驗研究.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、飛機等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
　　本文對銅箔與開孔不銹鋼板的激光沖擊鉚接成形工藝進行了實驗研究，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和組織結(jié)構(gòu)，從材料的幾何特征、塑性流動

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，并對鉚接性能進行了力學性能測試。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，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驗系統(tǒng)，對純銅箔和開孔不銹鋼板的激光沖擊鉚接工藝進行了實驗研究。
　　(2)研究了激光束、實驗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，但開孔上沿會阻礙材料流動，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;隨著脈沖次數(shù)的增加，凸臺頂端直徑逐漸增大，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附近材料的徑向流動，越靠近凸臺邊緣，材料流動越劇烈，厚度減薄越嚴重，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)對純銅箔進行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性能;晶粒細小時，鉚接過程中箔材厚度變化均勻;晶粒粗大且材料流動劇烈時，局部易產(chǎn)生明

6、顯的厚度減薄，進而導致箔材破壞;箔材微觀組織會因為塑性變形而發(fā)生變化，主要有晶粒拉長、晶粒轉(zhuǎn)動、晶粒破碎等現(xiàn)象。
　　(5)鉚接成形時箔材破壞的主要原因，一是因吸收層補充不及時造成激光燒蝕破壞，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)實驗結(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)通過剪切試驗和軸向剝離試驗對鉚接試樣進行性能測試發(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，受到剪切載荷也會發(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，嵌入式結(jié)構(gòu)容易發(fā)生轉(zhuǎn)動變形而脫離失效，因此對特殊應(yīng)用場合推薦進