激光辅助预应力成形对铝合金力学性能的影响研究

飞机机翼等覆盖件的制造广泛采用筋条与蒙皮一体化铝合金整体壁板。为解决其成形难题，申请人所在课题组提出了激光辅助预应力成形的新方法并证实了其有效性。高温度梯度下的非均匀热软化和局部大变形导致的非均匀硬化是该成形的基本特征，两种非均匀效应的耦合作用对铝合金壁板的材料组织和力学性能的影响与均匀状态的作用规律及机制不尽相同。本项目将以常用壁板材料2024 和7075铝合金为对象，通过对激光辅助预应力成形前后的材料微观组织结构分析，成形过程的温度场和应力场分析，探讨激光非均匀热软化行为和局部变形硬化行为以及两者耦合作用规律与机制；结合力学性能试验与残余应力的测试分析，重点揭示激光辅助预应力成形时，非均匀热软化效应与变形硬化效应的耦合作用对材料力学性能尤其是疲劳性能的影响规律；为铝合金整体壁板激光辅助预应力成形的工程应用提供理论依据。

大型、复杂结构和带筋条钣金零件的成形，是当前航空制造领域亟待解决的重要技术难题之一，申请人所在课题组提出了激光辅助预应力成形方法并证实了其有效性。本项目以航空2024和7075铝合金钣金件为对象，通过对样件的成形规律、微观组织、显微硬度、残余应力和疲劳寿命的考察，重点研究了激光辅助预应力成形方法对铝合金钣金零件成形能力和疲劳性能的影响规律，并探索改善和提高受局部热效应影响铝合金钣金零件疲劳寿命的方法。为铝合金整体壁板激光辅助预应力成形的工程应用提供理论依据。主要研究成果如下：1.建立并通过实验验证了激光辅助预应力成形的有限元模型，分析了激光参数对成形能力的影响，结果表明，П1、П2对成形能力起增强作用，П3则相反。在弹性加载条件下，成形量和能量转化率随着预应力水平的增加而增加。2.对于薄板样件，由于热软化效应，激光辅助成形样件的显微硬度降低；成形后样件疲劳性能下降，但通过喷丸处理可以改善和提高。3. 对于结构复杂的有加强筋的样件，可以通过重复进行激光辅助预应力成形工艺不断提高其成形量。这是因为激光辅助预应力成形时，相对于整个结构件而言，激光直接作用区和热软化区很小，而样件整体的塑性变形是该区域以及其它区域变形协调的结果，因此其它区域会因发生塑性变形而硬化；但因为硬化区远大于软化区，故样件整体呈现硬化趋势，即样件的结构屈服强度会随着激光辅助预应力成形次数的增加而提高。4. 对于复杂结构样件，激光辅助预应力增量成形、预应力时效成形和预应力喷丸成形没有改变铝合金的相组成。由于热输入方式不同，析出相尺寸和分布不同。激光辅助预应力增量成形中，激光作用区应力下降，因此样件的疲劳寿命受影响。但激光作用范围小，疲劳性能下降不显著，比预应力时效成形有明显优势。