激光噴丸的案例
噴丸強化與激光噴丸
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噴丸強化與激光噴丸
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一招搞定金屬材料表面完整性！再也不用擔心零件疲勞失效了
此外，噴丸強化層中微納米組織中含有高體積分數的晶界，以及大量的位錯、空位、亞晶界等非平衡結構及能量貯存，有利于降低原子擴散激活能、提高原子擴散系數、促進原子化學反應。因此，噴丸強化技術也用于材料表面改性，也有益于改善金屬材料的擴散連接、滲氮（碳）等工藝性能。
噴丸強化層的組織細化機理通常認為是由于彈丸循環撞擊作用下接觸應力超過屈服強度，受噴材料表層產生位錯、孿晶、層錯和剪切帶等缺陷，缺陷交互作用后演變成微納米尺度胞狀組織、亞晶和晶粒。干式噴丸、超聲噴丸、激光噴丸和濕式噴丸等技術強化的受噴材料，都能夠在材料表面變形強化層形成納米晶層。噴丸強化層厚度和變形組織細化程度，受到材料自身屬性、噴丸工藝類型及其工藝參數影響。
對于傳統噴丸強化工藝，通過提高彈丸硬度、彈丸直徑、彈丸速度、覆蓋率以及噴丸強度來提高金屬材料的細化程度。對于超聲噴丸強化工藝，通過提高彈丸直徑、振動頻率、噴丸時間來提高表面的細化程度和變形層深度。對于激光噴丸強化工藝，激光噴丸的脈沖能量、激光噴丸次數、覆蓋率等均影響表面組織的細化程度。
不同噴丸強化方法的組織細化程度和影響層深度不一致。以鈦合金為例，通常傳統噴丸強化影響層深度約在200~500μm，納米層深度約在20~30μm。激光噴丸強化影響層深度可達1mm 左右，納米層深度約10μm左右。超聲噴丸強化通過調整適當的強化參數也可以使影響層深度達1mm，納米層則深達30μm。因此，超聲噴丸強化目前在材料表面實現變形組織細化的效果較為顯著，廣泛應用在Fe、Cu、Ti、Al、Mg 等合金以及非晶合金等表面納米化的研究中。
表面粗糙度
噴丸強化過程中高速彈丸撞擊受噴材料表面引起塑性變形，并在其表面形成凹坑，大量彈丸的撞擊和相互疊加作用使受噴材料表面形貌發生變化。
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Abaqus 激光噴丸仿真案例講解
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ABAQUS通過VDLOAD子程序模擬激光噴丸強化
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ABAQUS通過VDLOAD子程序模擬激光噴丸強化
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方形光斑的應力和應變整體相對均勻，實際激光噴丸過程中方形光斑的沖擊對表面完整性更加有利。
民用航空發動機制造用到不少鍛壓技術
06
大量采用電子束焊、釬焊工藝，代替手工焊接工藝
07
大量采用薄壁焊接件
08
大量采用噴丸強化處理
采用多種噴丸強化處理，可顯著增強零件疲勞壽命。
壓氣機葉片盤國內首次采用濕噴丸、玻璃噴丸工藝、激光噴丸工藝，噴丸參數與葉片的變形規律難以掌握。渦榫槽及腹板、彈性支承、輸出軸鼠籠部位，前后擋板均采用噴鑄鋼丸、陶瓷丸工藝強化技術。渦輪葉片榫齒采用剛噴丸、陶瓷噴丸工藝。
展開 【5/28更新】機翼更堅固的秘訣，居然是用金屬彈丸向它“開炮”？
經過噴丸加工的零件的疲勞壽命與原來相比可以提高數十倍，抗疲勞強度和耐腐蝕性大大增強。
噴丸的介質我們通常稱為丸料，種類很多，包括切割絲鋼丸、滲碳鋼丸、硬鑄鋼丸、陶瓷丸等等。在飛機制造領域，噴丸成型一般使用滲碳鋼丸和硬鑄鋼丸，噴丸強化工藝主要使用硬鑄鋼丸和陶瓷丸。
噴丸的加工過程非常有趣。在一個專門的加工設備中，彈丸從丸料箱通過噴噴出，以高速撞擊零件表面，然后通過回收系統，經過篩分裝置篩除不合格彈丸，再返回到丸料箱進行重復利用。
為了給國產飛機插上更強悍更輕盈的翅膀，中國航空工業的科技人員們仍在努力，預應力噴丸、超聲噴丸、高壓水噴丸、激光沖擊噴丸等更先進技術必然會在不久的將來，發揮更大的作用。
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公眾號原文鏈接：https://mp.weixin.qq.com/s/aAK8iTU61SPpEeGBqR2D9g
展開 高強度汽車齒輪表面強化技術的研究現狀和發展趨勢（一）
圖 16 不同類型表面噴丸強化后齒輪表層殘余應力分布
圖16所示，不同類型的表面噴丸強化處理后齒輪表面附近的殘余壓縮應力分布，其中復合噴丸比微粒噴丸和強力噴丸的強化效果更為明顯，表面最大殘余壓縮應力可達到1 300 MPa。
圖 17 彎曲強度極限比較
圖17所示，通過采用回轉彎曲疲勞試驗做出多種噴丸強化處理方法的彎曲疲勞強度極限，噴丸強化處理后齒輪彎曲疲勞極限大幅提高。齒輪滲碳淬火后采用表面復合噴丸強化可使齒輪的彎曲疲勞極限提高兩倍以上。
3.2.4 其他噴丸新技術研究
隨著科技的發展，作為導入殘余壓縮應力、改變表層材料組織結構、增強疲勞壽命的一項重要技術，新型新技術不斷被開發應用，例如，空化水噴丸、激光空穴噴丸、超聲波噴丸等。圖示18為空化水噴丸原理，該工藝利用微小空化氣泡潰滅時產生的沖擊波壓力和高速微射流打擊齒輪表面，使齒輪表面層內發生高密度位錯積累從而形成殘余壓縮應力層，來達到強化金屬表面的目的。
圖 18 空化氣泡的變化模式示意圖
激光空穴噴丸可以通過激光聚焦點處的微小空化氣泡潰滅產生的沖擊波對狹小的空間進行噴丸，參數可精確控制，殘余壓縮應力更大。超聲波噴丸中，彈丸從各方向以超聲頻撞擊已被固定的材料表面，由于其引入材料內部的能量較大，可用于實現材料表面的納米化，降低氮化溫度等方面。
3.2.5 影響噴丸效果的主要因素
噴丸強化處理的最佳效果受到不同條件的相互影響，其主要工藝參數如下表4所示。
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什么是熱沖壓成形技術
圖2 間接熱沖壓成形工藝示意圖
無論是直接熱沖壓成形和間接熱沖壓成形，典型工藝過程一般都包括以下幾個工序過程：開卷落料、零件加熱、沖壓成形、淬火、激光切割、噴丸和涂油等。
a.開卷落料
現代沖壓工藝為了提高材料的利用率和生產的效率，一般會采用開卷落料的方式。
b.熱沖壓成形零件的加熱
目前主要的加熱類型包括輻射加熱、感應加熱和電傳導加熱三種。
c.熱沖壓成形
熱沖壓成形最大的特點是沖壓過程是在高溫狀態下完成的，且熱沖壓時板料的溫度必須在馬氏體轉變溫度以上。
目前熱沖壓工藝的發展方向是如何提高熱沖壓成形的生產效率，縮短成形周期。應用高傳導系數的模具鋼能加速冷卻過程，或者采用更為有效的冷卻系統，可以提高零件的冷卻速度，進而提高生產效率。
展開 雙光束激光焊接技術在民用飛機上的應用現狀及發展
空客的最新型號A350在設計初期也準備采用激光焊接鋁鋰合金壁板，并且使用壁板數量進一步增加；然而，波音公司的787夢幻客機取得了商業成功，迫使A350改變原有計劃，將復合材料大量應用于機身機構[5]。因此，A350暫不采用該技術，但是可以預見在未來很長一段時間，金屬材料仍會在飛機的主要型號中大量使用，同時空客還在研究將此技術推廣應用于飛機機身上壁板[6]，因此該技術的應用仍然值得期待。
這套工藝的焊接對象主要包括單曲壁板和雙曲壁板，其中雙曲壁板中的焊縫是較為復雜的空間曲線，對整個焊接設備和工藝提出了較高的要求。圖3為雙曲壁板雙光束激光焊接的整個工藝流程，包括蒙皮拉伸成形→蒙皮三維表面加工→蒙皮三維輪廓加工→裝夾→激光焊接→噴丸處理→熱處理→表面防腐處理8個步驟[4]。
根據美國鋁業公司（Alcoa）的介紹，長桁焊接前的蒙皮曲線形狀是用時效蠕變方法
成形出來的。這樣的機身蒙皮重量輕、強度高、耐蝕，而且材料的損傷容限較高。在進行激光焊接的過程中，由于鋁合金的熱膨脹系數較大、彈性模量較小，而且，雙激光束雙側同步焊接的熱源具有特殊性加之金屬板材的尺寸較大并且厚度較薄，再者，蒙皮上多道焊縫會導致焊接應力分布比較復雜，上述因素將導致在焊接過程中產生失穩變形。因此噴丸處理在提高材料疲勞性能的同時，還具備矯形的作用。
圖4為世界最大飛機A380 客機使用雙光束激光焊接的機頭下壁板，焊接選用的材料為AA6013( 蒙皮材料)/AA6056( 長桁材料)，與傳統的6061 鋁合金相比，這兩種材料具有良好的焊接性能，材料本身具備中等強度，同時還具備優異的損傷容限性能。填充材料選用流動性較好的4047 鋁合金焊絲。
展開 《Science》子刊重磅：首次定量描述材料高應變率下的失效過程！
本文將銅箔通過皮秒激光燒蝕快速應變（0.5×10^9 /s），并利用飛秒X射線自由電子(XFEL)脈沖進行了原位探測，首次定量描述了材料在高應變率條件下的失效過程。結果表明，最終破壞是通過空洞成核、長大和合并發生的，與分子動力學模擬的結果吻合較好。
理解高速碰撞，以及隨后的高應變率材料變形和潛在的災難性破壞，對于包括天體物理學、材料科學和航空航天工程在內的一系列科學和工程學科至關重要。由于在極短時間尺度下，用實驗來量化材料的演變面臨著巨大挑戰，相關變形和破壞機制還沒有被完全理解。
近日，來自SLAC國家加速器實驗室的Jason Koglin等研究者，將銅箔通過皮秒激光燒蝕快速應變，并利用飛秒X射線自由電子(XFEL)脈沖進行了原位探測，首次定量描述了材料在高應變率條件下的失效過程。相關論文以題為“Femtosecond quantification of void evolution during rapid material failure”發表在Science Advances上。
論文鏈接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/51/eabb4434
材料失效機制是速率相關的，在聲速下發生的動態材料失效，是人們廣泛關注的問題，例如，從行星碰撞到噴氣發動機碎片碰撞、到激光沖擊及其在飛秒加工和激光沖擊噴丸中的應用。當衰減的激波到達自由表面或激波阻抗較低的界面時，可以產生極高的應變率，產生一個反向傳播的稀疏波，它與正向傳播的激波的衰減部分相互作用，在材料中產生一個張力區域。根據拉伸應力的大小和持續時間的不同，材料可能會破壞，這種動態現象稱為剝落。
展開 超高強鋼汽車構件熱沖壓成形技術與裝備
圖11為加工制造完成后的模具實物圖
先進熱沖壓生產示范線的建立
先進的輕量化車身結構件伺服熱沖壓成形示范線，主要裝備包含高速伺服壓力機、數控加熱爐、熱沖壓模具、低自由度桁架機器人、激光切割機和噴丸裝備等主要裝備（圖12）。通過運用工業以太網技術實現裝備平臺的互聯互鎖，可以完成滿足工業生產節拍需求的加熱、成形-保壓淬火和上、下料全過程各項功能及安全防護要求，形成了具有自主知識產權的伺服熱沖壓成形生產線的設計方法。
圖10 第六個工藝循環模具冷卻水熱傳遞系數云圖
圖11 B柱加強板熱沖壓模具實物圖
圖12 熱沖壓生產示范線
結束語
作為汽車輕量化的重要途徑，超高強度鋼板熱沖壓成形技術正在被世界各國企業和學者廣泛關注。系統地、深層次地開展相關研究，形成具有完全自主知識產權的熱沖壓成形工藝及裝備關鍵技術，對我國汽車行業的發展具有十分重要的現實意義。
—— 來源：《鍛造與沖壓》2018年第22期
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