不锈钢-碳钢层状复合板激光弯曲试验及模拟

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不锈钢-碳钢层状复合材料既具备基体碳钢的强度和塑性,又兼有覆层不锈钢的耐蚀、耐磨、耐热、光亮等优点。可节约不锈钢4/5~5/6,而价格仅为不锈钢的2/3~3/4,以其优良的材料性能和低廉的价格在石化、船舰、海洋开发、汽车等领域显示了广阔的应用前景。机械冲压成形工艺因生产成本高、制造周期长适用于大批量生产,而对快速更新换代的产品以及多品种小批量生产具有局限性,制约了不锈钢-碳钢层状复合板(简称不锈钢层合板)的广泛应用。激光弯曲成形是一种无模具、无外力的成形工艺,对于单件小批量生产、形状复杂工件的成形具有独厚的优势。不锈钢-碳钢层状复合板激光弯曲既是不锈钢层合板弯曲成形的新方法,又是激光弯曲成形在金属层合板领域的新应用。本文以1Cr18Ni9Ti/Q235A不锈钢-碳钢层状复合板为研究对象,研究了激光能量因素、板材几何参数对弯曲角度的影响;采用试验对比的方法,分析了不锈钢层合板与不锈钢板激光弯曲的异同;建立三维弹塑性有限元模型对不锈钢层合板激光弯曲的温度场,应力、应变分布以及位移进行了数值模拟。主要完成工作如下:(1)以保证表层不锈钢质量为目标,采用单因素分析方法系统研究了激光功率、扫描速度、离焦量、扫描次数等激光能量参数以及板材厚度、板材宽度等板材几何参数对不锈钢层合板弯曲角度的影响规律。通过单道多次扫描获得的表面质量好、弯曲角度大的弯曲试件。(2)采用对比试验研究了1Cr18Ni9Ti/Q235A不锈钢层合板和1Cr18Ni9Ti不锈钢板激光弯曲的异同,由于热导率、比热容、屈服强度等材料性能参数的差异以及不锈钢层合板的层间结构造成了不锈钢层合板弯曲角度比不锈钢板的大。对不锈钢层合板激光弯曲件进行了金相分析,结果表明中间碳钢层受到了较强的热作用,使得晶粒明显细化。(3)采用ANSYS参数化设计语言,编写不锈钢层合板激光弯曲数值模拟程序,对其成形过程进行模拟计算。研究了温度场、应力应变场以及位移随时间的变化规律,并对比数值模拟结果与试验结果,验证了数值模拟的正确性。通过对不锈钢-碳钢层状复合板激光弯曲成形的研究,在一次固定安装下获得了85.6°近似于直角的极限弯曲角度,具有很大的工程应用价值。本论文的工作为金属层合板材的激光弯曲成形提供了理论和试验依据。
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