激光成形作業(yè)

1、金屬板料成形是薄板的主要加工方法。傳統(tǒng)的金屬板料成形加工方法生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，加工柔性差，模具費(fèi)用大，制造成本高，且模具冷壓成形僅適用于低碳鋼，鋁合金以及銅等材料。大功率工業(yè)激光制造技術(shù)日益成熟，現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用到材料的切割，焊接，和表面改性處理等領(lǐng)域，其中激光切割技術(shù)已廣泛用于金屬和非金屬薄板材料的切割成形。金屬板料激光成形技術(shù)是一種先進(jìn)柔性加工技術(shù)。 激光技術(shù)在板料成形領(lǐng)域的應(yīng)用可分為兩大類：一類是利用激光與材料相互作用所產(chǎn)生的熱效應(yīng)使板料成形，稱之為激光的熱應(yīng)力（彎曲）成形; 另一類是利用高能激光和材料相互作用產(chǎn)生的沖擊波的力效應(yīng)來(lái)使板料產(chǎn)生塑性變形，稱之為激光沖擊成形。 一，激光熱應(yīng)力成形

2、1.成形機(jī)理 材料溫度升高時(shí)，其屈服應(yīng)力降低，因此在激光的照射中，局部被溫度加熱的區(qū)域產(chǎn)生塑性變形，激光照射后，熱量向材料內(nèi)部傳導(dǎo)而迅速冷卻，使加熱部分收縮，由于有塑性變形區(qū)存在，因此材料不能恢復(fù)到原來(lái)的形狀，而向下凹陷。最終的變形是兩者的疊加，這是一種無(wú)模成形技術(shù)。激光熱應(yīng)力成形主要包括由兩個(gè)階段：加熱和冷卻兩個(gè)階段。根據(jù)激光成形過(guò)程中的工藝條件和所形成的溫度場(chǎng)分布等的不同，成形機(jī)理分為溫度梯度機(jī)理，增厚機(jī)理，翹曲機(jī)理和彈性膨脹機(jī)理。（1）溫度梯度機(jī)理 這種機(jī)理可以解釋板料在平面外應(yīng)變下實(shí)現(xiàn)彎曲。當(dāng)高能激光束沿金屬板料表面掃描時(shí)，如果光束的能量密度較大而掃描速度又較快，板料照射區(qū)域上表面瞬間

3、加熱至高溫狀態(tài); 而下表面由于沒(méi)有直接受到激光照射，其溫度在這短暫過(guò)程沒(méi)有明顯變化，而在加熱區(qū)的板厚方向上產(chǎn)生很大的溫度梯度，板料上表面的膨脹量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下表面，使板料產(chǎn)生沿掃描軌跡背向激光源的彎曲，即反向彎曲。冷卻時(shí)，使板料又產(chǎn)生面向激光源的正向彎曲。 （2）增厚機(jī)理 當(dāng)激光束的能量密度和掃描速度都較小時(shí)，材料在加熱區(qū)的溫度梯度主要表現(xiàn)在板平面方向上。由于加熱區(qū)域材料的熱膨脹使材料產(chǎn)生堆積。所以在冷卻過(guò)程中，這部分材料不能完全復(fù)原而產(chǎn)生板厚方向的正應(yīng)變，即板料的增厚效應(yīng)。（3）翹曲機(jī)理在加熱區(qū)域較大而且溫度梯度較低的情況下，板料容易形成翹曲變形。當(dāng)激光束的直徑較大，板料的熱導(dǎo)率較高，板厚較小時(shí)

4、，在較大的加熱區(qū)域內(nèi)板料厚度方向的溫度梯度很小，由于周圍材料的約束使加熱區(qū)產(chǎn)生了壓應(yīng)力，致使板料產(chǎn)生局部翹曲。 （4）彈性膨脹機(jī)理 當(dāng)激光束只照射一點(diǎn)或局部區(qū)域時(shí), 加熱區(qū)域產(chǎn)生的熱膨脹要比溫度梯度機(jī)制大。由于彈性膨脹潛力大, 就會(huì)消除周圍冷態(tài)材料對(duì)其產(chǎn)生的塑性壓縮, 而只剩下彈性膨脹壓縮。這種壓縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力, 將會(huì)使板料產(chǎn)生純的彈性變形, 進(jìn)而出現(xiàn)小的反彈彎曲。2，主要影響因素 金屬板料的激光熱應(yīng)力成形是一個(gè)非常復(fù)雜的熱力耦合過(guò)程, 成形影響因素主要有激光參數(shù)、材料種類和尺寸等有關(guān)。首先, 激光能量因素影響著激光熱應(yīng)力成形中的彎曲角的形成和熱影響區(qū)的大小。激光能量因素由能量密度來(lái)表征, 同

5、時(shí)掃描次數(shù)和軌跡也影響激光的吸收。實(shí)驗(yàn)證明, 在輸入總能量一定時(shí), 大能量密度的輸入、短時(shí)間的加熱有利于增加彎曲角。其次, 材料的熱物性和力學(xué)性能對(duì)激光彎曲成形的影響較為復(fù)雜,目前尚無(wú)法對(duì)此進(jìn)行定量分析。同時(shí)實(shí)驗(yàn)表明, 在同樣的工藝條件下, 材料的比熱和熱傳導(dǎo)率越大, 則成形過(guò)程中的溫度梯度不明顯, 由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力也不大, 最后產(chǎn)生的彎曲角也就越小。屈服極限低、彈性模量小、硬化指數(shù)小的材料, 易產(chǎn)生大變形, 在同樣的工藝條件下, 可獲得大的彎曲角; 影響彎曲角的幾何尺寸因素主要是板材的寬度和厚度。板料越厚, 截面模量越大, 剛性也越大, 因而熱應(yīng)力彎曲變形的抗力也越大, 從而使成形的彎曲角減

6、小。板料越寬, 一個(gè)加熱冷卻循環(huán)獲得的彎曲角也就越大,但當(dāng)板寬超過(guò)一定值時(shí), 其影響不再顯著。此外, 在激光熱應(yīng)力成形中, 坯料的放置、裝夾等也會(huì)影響成形的最終質(zhì)量。二，激光沖擊成形1. 成形機(jī)理激光沖擊是利用高功率短沖激光與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波或應(yīng)力波，并利用沖擊波或應(yīng)力波來(lái)開(kāi)發(fā)各種用途的技術(shù)。成形機(jī)理：激光器發(fā)出的高功率密度、短脈沖的強(qiáng)激光束沖擊覆蓋在金屬板材表面的能量轉(zhuǎn)換體貼膜, 使其汽化電離形成高溫高壓等離子體而爆炸, 產(chǎn)生向金屬內(nèi)部傳播的強(qiáng)沖擊波。109GW/cm2 量級(jí)的強(qiáng)沖擊波壓力遠(yuǎn)大于材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度,從而使金屬板料產(chǎn)生宏觀的塑性變形。2. 技術(shù)特點(diǎn) 激光沖擊波成形的板

7、料變形時(shí)間僅為幾十納秒，成形壓力達(dá)數(shù)吉帕。這種異乎尋常的高速變形條件，使激光沖擊波成形具有很多特殊規(guī)律，使塑性差的難成形材料能實(shí)現(xiàn)冷塑性成形。作為一種快速，高效的精確成形技術(shù)，激光沖擊成形技術(shù)所具有的主要特點(diǎn)：( 1) 主要是利用激光誘導(dǎo)的高幅沖擊波壓力而不是熱應(yīng)力來(lái)成形, 因而可將其歸為冷加工工藝;( 2) 可成形塑性較差的結(jié)構(gòu)鋼、鈦合金和復(fù)合材料等用常規(guī)方法難于成形的材料, 拓展了冷沖壓成形的零件范圍;( 3) 柔性高、應(yīng)用范圍廣;( 4) 成形精確、效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn);( 5) 成形質(zhì)量高。成形后表面粗糙度提高1- 2 個(gè)數(shù)量級(jí), 且經(jīng)激光沖擊后表面留有有益的殘余壓應(yīng)力, 因而表面

8、質(zhì)量得到了較大的提高。3. 主要影響因素 激光沖擊板料變形時(shí)利用激光沖擊波的力效應(yīng)，影響激光沖擊金屬板料變形的主要因素有能量轉(zhuǎn)換體，激光能量，光斑尺寸，材料性質(zhì)，板料參數(shù)和約束邊界條件等。（1）能量轉(zhuǎn)換體能量轉(zhuǎn)換體兼有能量吸收層和約束層的雙重功用。控制轉(zhuǎn)換體中能量吸收層厚度( 50100微米) 和約束層厚度和強(qiáng)度對(duì)成形甚為重要。一方面它能有效吸收激光脈沖能量進(jìn)而形成沖擊波, 另一方面可提高能量利用率且能保護(hù)工件表面。（2）激光參數(shù)1 激光能量 激光脈沖能量的大小影響作用在靶材料表面的沖擊波壓力大小，從而直接影響板料的變形。2 光斑尺寸 在相同的激光能量和脈沖寬度條件下，光斑直徑的大小決定著作用在靶材上的功率大小，從而直接影響激光誘導(dǎo)