激光板料成形技術(shù)的研究與應用

1、激光板料成形技術(shù)的研究與應用激光熱應力成形與激光沖擊成形摘要:激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對金屬或非金屬材料進行切割、焊接、表面處理、打孔以及微加工等的一門加工技術(shù)。隨著激光技術(shù)的發(fā)展,特別是大功率工業(yè)激光器制造技術(shù)的日益成熟,激光作為一種“萬能”工具,已應用于材料的切割、焊接、彎曲變形和表面改性處理等領(lǐng)域,其中板料激光成形技術(shù)已較為成熟,廣泛應用于各種碳鋼、不銹鋼、合金有色金屬以及金屬基復合材料的彎曲成形,替代了部分零件的沖壓工業(yè)。金屬板料激光成形技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種先進柔性加工技術(shù)。金屬板料成形作為薄板直接投入消費前的主要深加工方法,已在整個國民經(jīng)濟中占有十分重要的地位,

2、廣泛應用于航空航天、船舶工業(yè)、汽車覆蓋件、家電等生產(chǎn)行業(yè)。傳統(tǒng)的金屬板料加工方法主要用模具在壓力機上進行冷沖壓成形,其生產(chǎn)效率高,適用于大批量生產(chǎn)。隨著市場競爭的日趨激烈,產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度日益迅速,原有的采用模具加工的技術(shù)就表現(xiàn)出生產(chǎn)準備時間長,加工柔性差,模具費用大,制造成本高等缺陷,且模具冷沖壓成形僅適用于低碳鋼、鋁合金以及銅等塑性較好的材料,其適用范圍有限。為此國內(nèi)外許多學者致力于板料塑性成形新技術(shù)的研究,實現(xiàn)金屬板料的快速高效、柔性沖壓和無模成形,以適應現(xiàn)代制造業(yè)產(chǎn)品快速更新的市場需要。本文介紹了激光熱應力彎曲成形以及沖擊成形的成形機理,分析了成形的主要因素,并對這兩種成形技術(shù)的未來

3、做出展望。關(guān)鍵詞:激光技術(shù)、板料成形、熱應力彎曲成形、沖擊強化技術(shù)一、激光彎曲成形技術(shù)激光彎曲成形是一種新興的塑性加工方法,具有高效、柔性、潔凈等特點。它是基于材料的熱脹冷縮特性,利用高能激光束掃描金屬板料表面時形成的非均勻溫度場導致的熱應力來實現(xiàn)塑性變形的工藝方法。與傳統(tǒng)的金屬成形工藝相比,它不需模具、不需外力,僅僅通過優(yōu)化激光加工工藝、精確控制熱作用區(qū)內(nèi)的溫度分布,從而獲得合理的熱應力分布,使板料最終實現(xiàn)無模成形。激光束的大小和能量精確可控,特別適用于冷加工難以成形的硬且脆,或剛性大的材料,比如陶瓷、鈦合金等。1、激光彎曲成形基本原理:板材激光彎曲成形是近年來出現(xiàn)的一種板材柔性成形方法,究

4、其根源,可以追溯到上百年前的火工矯形。它的基本原理是,在基于材料的熱脹冷縮特性上,利用高能激光束掃描金屬板材表面,通過對金屬板材表面的不均勻加熱,照射區(qū)域內(nèi)厚度方向上會產(chǎn)生強烈的溫度梯度,從而引起非均勻分布的熱應力6。當這一熱應力超過了材料相應溫度條件下的屈服極限,就會使板材產(chǎn)生所需要的彎曲變形,激光彎曲成形的裝置示意圖如圖1所示7。激光彎曲成形實際上就是這樣一種基于材料的熱脹冷縮特性、用熱應力代替機械載荷的板料無模成形技術(shù)。2、激光彎曲成形過程:待成形板料的表面受到高度聚焦的激光束照射,當光束以確定的速度沿預定的軌跡掃描時,被照射的各部位依次經(jīng)歷加熱和冷卻兩個階段,在其內(nèi)部產(chǎn)生相應的應力,從

5、而產(chǎn)生塑性變形,加熱階段產(chǎn)生反向彎曲,冷卻階段將產(chǎn)生正向彎曲,正反向彎曲變形的角度差即為激光束一次掃描所形成的角度。(1加熱階段板料上表面受到能量密度很高的激光束照射,使得被照射部位的溫度在極短時間內(nèi)急劇上升;而遠離上表面處的材料由于沒有受到照射,其溫度在這一短暫的時間內(nèi)沒有明顯的變化,從而使被照射部位沿板厚方向形成較大的溫度梯度。由于上表面處材料的溫度很高,故其熱膨脹量大而屈服極限低,因而在此不均勻溫度場產(chǎn)生的壓應力的作用下,該處產(chǎn)生較大的塑性變形,形成材料堆積。下表面材料的溫度低,屈服極限高,基本不產(chǎn)生或只產(chǎn)生很小的壓縮塑性變形,板料上表面材料的膨脹量遠遠大于下表面,板料將產(chǎn)生反向彎曲。(

6、2冷卻階段激光束離開后,原來被照射的部位通過熱傳導進行自然散熱冷卻,或者在滯后于光斑某距離處用水流或氣流沿照射軌跡加快冷卻速度。當激光束離開后,上表面處于高溫區(qū)材料的熱量迅速向其它各方向傳導,以達到熱平衡狀態(tài)。此過程中,上表面附近材料的溫度很快降低而下表面處的溫度還要繼續(xù)升高一段時間。反映在變形上,上表面的材料已開始冷縮時,下表面處的材料還要繼續(xù)熱脹。板料下表面材料的膨脹量遠遠大于上表面,板料將產(chǎn)生正向彎曲。3、激光彎曲成形特點激光彎曲成形技術(shù)是通過各項參數(shù)的優(yōu)化來精確控制板料的彎曲程度,它具有傳統(tǒng)的塑性成形方法無可比擬的優(yōu)點。1采用激光源作為成形工具,無需任何形式的外力,因其是一種僅靠熱應力

7、而不用模具使板料變形的塑性加工方法,屬于無外力成形。2屬于無模成形,生產(chǎn)周期短,柔性大,可不受加工環(huán)境限制,通過優(yōu)化激光加工工藝參數(shù),精確控制熱作用區(qū)域以及熱應力的分布,將板料無模成形。因不受模具限制,可容易的復合成形和制作各類異形件,克服了傳統(tǒng)的模具彎曲所帶來的成本高和生產(chǎn)周期長的缺點。3加工過程中無外力接觸,不存在模具制作、磨損和潤滑等問題,也不存在貼膜、回彈現(xiàn)象,成形精度高,適用于精密儀器的制造。4激光彎曲屬于熱態(tài)累積成形,總的變形量由激光束的多次掃描累積而成,這就使得一些硬而脆的難變形材料(比如鈦合金、陶瓷、鑄鐵等的塑性加工易于進行,可用于許多特種合金和鑄鐵件的彎曲變形。5對激光模式無

8、特殊要求,易于實現(xiàn)成形、切割、焊接等激光加工工的復合化,特別適用于大型單件及小批量生產(chǎn)。6可使板料通過復合成形得到形狀復雜的異形件(如球形件、錐形件和拋物形件等。7成型過程無噪聲、無污染,屬于清潔、綠色制造范疇,被加工材料消耗少、參數(shù)精度控制和高度自動化等特性。4、激光彎曲成形機理板料激光彎曲成形是溫度、組織轉(zhuǎn)變、應力三方面相互作用的復雜過程。由于材料熱物理性能的差異以及所采用的工藝參數(shù)的不同,都會導致不同的變形機理,有時往往會是幾種機理的混合作用。國內(nèi)外學者對激光彎曲成形機理進行了大量的分析研究,提出了三種主要的成形機理,即溫度梯度機理(Temperature gradient Mechan

9、ism、屈曲機理(Buckling Mechanism和增厚機理(Upsetting Mechanism10。1溫度梯度機理(TGM當激光功率較高,光斑直徑較小的激光束照射工件表面,并沿一定的掃描路徑進行快速掃描時,被激光直接照射的上表面溫度瞬間急速上升,而未被直接照射的下表面由于熱傳導時間短,溫度較低,此時在加熱區(qū)厚度方向上產(chǎn)生了很大的溫度梯度。這樣便造成上表面熱膨脹變形遠遠大于下表面,從而使板料繞掃描線產(chǎn)生背向激光束的反向彎曲,此時熱膨脹區(qū)域的變形將受到周圍冷態(tài)材料的約束,并且隨著材料溫度的升高,加熱區(qū)材料的屈服強度不斷下降,當由于熱膨脹受約束而產(chǎn)生的壓應力達到該溫度下材料的屈服強度時,材

10、料便發(fā)生塑性壓縮變形。在加熱階段,上表面材料溫度高熱膨脹大,受到的約束應力也越大,同時溫度較高造成屈服強度下降多,因而產(chǎn)生較大的塑性壓縮變形,導致板料上表面出現(xiàn)材料的堆積。冷卻階段,上表面材料溫度降低,體積開始收縮,但屈服強度升高,使加熱受壓時產(chǎn)生的材料堆積不能復原。同時,下表面則因熱傳導升溫而開始膨脹,材料屈服強度降低而易于變形,使板料繞掃描線產(chǎn)生面向激光束的正向彎曲。正反向彎曲變形的角度差,便是激光掃描一次形成的彎曲角。如果激光束的掃描沿同一路徑反復進行,則可得到任意角度的彎曲件。2屈曲機理當激光束的光斑直徑較大、功率較高、板料較薄、熱傳導率較高時,板料正面首先被加熱,受熱材料先于背面發(fā)生

11、膨脹,使板料產(chǎn)生較小的反向彎曲變形。而在加熱區(qū)域內(nèi),厚度方向的溫度梯度很小,周圍冷態(tài)材料的約束使加熱區(qū)產(chǎn)生很大的壓應力,同時,由于溫度的升高引起材料屈服應力大大降低,結(jié)果導致加熱區(qū)材料發(fā)生屈曲。由于屈曲發(fā)生前工件存在較小的反向彎曲,使下表面壓應力稍大于上表面,因此屈曲區(qū)中心下表面材料首先發(fā)生塑性壓縮變形。反向屈曲變形的產(chǎn)生使上表面受到很大的拉應力,因而產(chǎn)生塑性拉伸變形。隨著激光掃描的繼續(xù),掃描路徑上其他材料陸續(xù)發(fā)生屈曲變形11。冷卻時,雖然上下面都產(chǎn)生橫向收縮,但下表面最終的橫向收縮量仍大于上表面,最終得到繞掃描線的反向彎曲變形。3增厚機理當激光束光斑直徑接近于材料厚度,掃描速度較小,材料的熱

12、傳導系數(shù)較大,同時板料不易發(fā)生屈曲變形,如厚板或剛性零部件等,可能發(fā)生增厚變形。板料在加熱區(qū)域厚度方向溫度梯度很小,材料在光斑周圍的溫度主要表現(xiàn)在平面方向。此時,由于加熱區(qū)材料的熱膨脹受到周圍冷態(tài)材料的阻礙而形成較高的內(nèi)部壓應力,致使材料產(chǎn)生堆積。冷卻過程中,材料堆積不能完全復原,從而產(chǎn)生板厚方向的正應變,被加熱板料縮短,發(fā)生墩粗增厚。增厚的大小取決于材料的熱膨脹系數(shù)和激光加工參數(shù)。5、激光彎曲成形影響因素a、激光工藝參數(shù),主要包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、掃描路徑、掃描次數(shù)、材料對激光的吸收系數(shù)等。b、材料的性質(zhì),分為熱物理性能和力學性能,包括材料的熱膨脹系數(shù)、比熱容、熱擴散系數(shù)、密度、

13、熔點、彈性模量、屈服應力、硬化指數(shù)、泊松比等。c、板料的幾何參數(shù),主要是板料的寬度和厚度。由于激光彎曲成形過程受許多因素影響,當材料確定之后,激光參數(shù)的選擇對板料成形的效果起著決定性的作用。本文主要討論激光的加工參數(shù)對成形彎曲角度的影響。激光彎曲成形作為一種新興的塑性加工方法,具有高效、柔性、潔凈等特點。將激光成形技術(shù)用于鈦合金板料成形,可充分發(fā)揮該技術(shù)的獨特優(yōu)勢,在航空航天領(lǐng)域新品的研制中發(fā)揮重要作用。激光彎曲成形過程是一個極其復雜的熱彈塑性力學過程,精確地了解整個變形過程中的溫度、應力、應變及變形的發(fā)生、發(fā)展的動態(tài)行為,是一個很艱深的學術(shù)課題。因為材料的物理、力學參數(shù)幾乎都是與溫度有關(guān)的,

14、這是一個高度非線性問題。利用有限元方法的最新成就,借助于高性能的計算機來分析激光成形過程的力學行為,定量地研究各個因素對成形質(zhì)量的影響將是未來的主要方向。1激光功率的影響在其它參數(shù)一定的情況下,彎曲角度隨著激光掃描功率的增加而增大,這是因為隨著功率的增加,激光作用的能量也隨之增加。實質(zhì)上,增加功率就是增加了單位面積內(nèi)的能量密度,板料所吸收的能量也較高,導致板料上表面的加熱區(qū)溫度大幅度增加,而下表面的溫度影響不大,由此產(chǎn)生了板料厚度方向上溫度梯度增加,從而導致了局部的熱應力增大,從而引起的彎曲力矩也隨之增加,最終導致了彎曲角度的增大。但是掃描功率并不是可以無限增大,隨著激光功率繼續(xù)增加,照射部位

15、的熱影響區(qū)變大,從而使板料沿厚度方向的溫度梯度減少,所以彎曲角度逐漸變小。當激光功率增加到一定時,會對板料表面有燒灼的痕跡。如果繼續(xù)增加功率,就轉(zhuǎn)變成為激光焊接或切割,導致彎曲工藝失敗。2掃描速度的影響在其它參數(shù)一定的情況下,隨著掃描速度的增大,彎曲角度反而變小,這是因為隨著激光掃描速度的增大,光束在板料表面被照射區(qū)內(nèi)的停留時間減小,板料被照射的區(qū)域在單位時間內(nèi)獲取的能量減少,導致板料厚度方向上溫度梯度減小,板料的最終彎曲變形角度隨之減小。掃描速度繼續(xù)增大,被照射處板料塑性變形更小,相對而言,板料的約束較大,加熱階段產(chǎn)生的塑性變形在冷卻階段得不到恢復,從而產(chǎn)生了背向激光束的彎曲,彎曲角度變小甚

16、至是反向彎曲。3掃描次數(shù)的影響由于一次激光掃描所能獲得的彎曲角度較小,在實際的彎曲成形中,工件的最終變形通常由數(shù)次掃描累積而成。隨著掃描次數(shù)的增加,彎曲角度不斷增大,但分析不同功率下彎曲角度變化量隨掃描次數(shù)變化的規(guī)律曲線,發(fā)現(xiàn)彎曲角度并不是隨著掃描次數(shù)的增加呈線性增加。排除測量誤差對實驗數(shù)據(jù)的影響,起始掃描時,彎曲角度變化很大,當掃描次數(shù)增加時,其彎曲角度的變化量呈縮小趨勢。這是因為剛開始板料局部被照射,熱影響區(qū)范圍較小,上表面吸收的能量來不及傳導到下表面,因而厚度方向上產(chǎn)生較大的溫度梯度,塑性變形程度較大,彎曲變形的角度增量較大;隨著掃描次數(shù)的增加,一方面整個板料由于熱傳導作用都會受熱升溫,

17、溫度梯度變小,彎曲變形減小;另一方面掃描次數(shù)的增加直接導致板料增厚現(xiàn)象明顯,截面模量也隨之增加,彎曲阻力增大,因而彎曲變形的角度增量也隨之減小。4掃描策略的影響激光成形不僅可以成形由平面V形彎曲構(gòu)成的三維形狀,合理地控制激光的掃描策略,可以成形復雜的曲面。掃描策略包括掃描的路徑、掃描間距L和掃描時間間隔。掃描路徑?jīng)Q定了熱輸入在板料上產(chǎn)生的溫度場分布,不同的掃描路徑將會得到不同的溫度場分布,產(chǎn)生的彎曲變形也不同。直線掃描得到的是V型彎曲,圓形線掃描可以得到球冠型的曲面。掃描間距的大小決定了板料彎曲變形后的幾何形狀,因為激光彎曲成形時,存在熱影響區(qū),熱影響區(qū)內(nèi)的板料將發(fā)生塑性變形,我們把這個區(qū)域定

18、義為變形區(qū),它是以激光的掃描路徑為中心的帶狀區(qū)域。顯然,當掃描間距L大于變形區(qū)時,兩次掃描路線之間有一段板料沒有發(fā)生變形,保持板料原有的平面,而在變形區(qū)形成了棱邊。當掃描間距L小于變形區(qū)時,兩次掃描的變形區(qū)相互影響、相互疊加形成了光滑的曲面,曲面半徑取決于L和光斑直徑的大小,彎曲角度是每次掃描彎曲角度的簡單疊加。掃描時間間隔是指一次掃描完成后到下次掃描之間的間隔時間。彎曲角度隨著掃描時間間隔的增加先增大后減小,這是因為在這段間隔時間里,熱影響區(qū)將有一個冷卻的過程,掃描時間間隔短,板料在一次掃描后來不及冷卻緊接著接受二次掃描,板料整體溫度較高,彎曲變形更加容易;掃描時間間隔長,隨著熱傳導和冷卻的

19、作用,板料上下表面溫度梯度明顯下降,彎曲變形小。但過短的掃描間隔時間相當于對板料表面進行了回火處理,會降低板料的表面硬度。二、激光沖擊強化技術(shù)激光沖擊強化(Laser Shocking Peening , LSP技術(shù),也稱激光噴丸技術(shù)。是通過高功率密度(GW/cm量級、短脈沖(1030ns量級的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時,涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時形成大量稠密的高溫(>10 K、高壓(>1GPa等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹,然后爆炸形成高強度沖擊波作用于金屬表面。當沖擊波的峰值壓力超過材料的動態(tài)屈服強度時,材料發(fā)生塑性變形并在

20、表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應力。激光作用結(jié)束后,由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用,其力學效應表現(xiàn)為材料表面獲得較高的殘余壓應力。殘余壓應力會降低交變載荷中的拉應力水平,使平均應力水平下降,從而提高疲勞裂紋萌生壽命。同時殘余壓應力的存在,可引起裂紋的閉合效應,從而有效降低疲勞裂紋擴展的驅(qū)動力,延長疲勞裂紋擴展壽命。利用強激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波,提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術(shù)。它具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強以及強化效果顯著等突出優(yōu)點。涂層的作用主要是保護工件不被激光灼傷并增強對激光能量的吸收,目前常用的涂層材料有黑漆和鋁箔等。激光沖擊強化技術(shù)和其它表面強化技術(shù)相比較,具有

21、如下鮮明特點:(1高壓,沖擊波的壓力達到數(shù)GPa,乃至TPa量級,這是常規(guī)的機械加工難以達到的,例如,機械沖壓的壓力常在幾十MPa至幾百MPa之間;(2高能,激光束單脈沖能量達到幾十焦耳,峰值功率達到GW量級,在1020ns內(nèi)將光能轉(zhuǎn)變成沖擊波機械能,實現(xiàn)了能量的高效利用。并且由于激光器的重復頻率只需幾Hz以下,整個激光沖擊系統(tǒng)的負荷僅僅30KW左右,是低能耗的加工方式;(3超高應變率,沖擊波作用時間僅僅幾十納秒,由于沖擊波作用時間短,應變率達到 ,這比機械沖壓高出10000倍,比爆炸成形高出 100 倍。激光噴丸成形技術(shù)大約在.1965 年首次提出，其基本原理是采用高頻， 高功率， 短脈沖激

22、光束沖擊放于層流水中的表面涂有半透明燒蝕材料的工件表面， 激光脈沖 穿過層流水而被燒蝕層吸收并在層流水上產(chǎn)生等離子云，在 10ns100ns 內(nèi)等離子快速膨脹 在工件表面上產(chǎn)生 1Gp10Gp 的壓力,并形成平面激波,從而使工件表層產(chǎn)生塑性變形. 與傳統(tǒng)噴丸工藝相比,激光噴丸所產(chǎn)生的殘余壓應力值更大,殘余壓應力分布區(qū)距噴丸 表面更深為傳統(tǒng)噴丸的 35 倍。 因此激光噴丸用于金屬零件的表面強化， 激光沖擊強化可以 大大提高零件抗疲勞及應力腐蝕的能力， 用于薄壁零件的成形則可獲得比傳統(tǒng)噴丸更大的變 形能力。用噴丸進行表面處理，打擊力大，清理效果明顯。但噴丸對薄板工件的處理，容易 使工件變形，且鋼丸打擊到工件表面（無論拋丸或噴丸）使金屬基材產(chǎn)生變形。 國內(nèi)外的研究均表明，激光沖擊強化對各種鋁合金、鎳基合金、不銹鋼、鈦合金、 鑄鐵以及粉末冶金等均有良好的強化效果，除了在航空工業(yè)具有極好的應用前景外， 在汽車