激光冲击成形技术研究现状.pdf

蘑论坛 激光冲击成形技术研究现状术 C u r r e n tS t a t u s o fL a s e rS h o c kF o r m i n g T e c h n o l o g yR e s e a r c h 天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室李国和张兴会戚厚军 李国和 博士天津职业技术师范大学机械 工程学院副教授主要研究方向为先进 制造技术。 激光冲击成形| l 剖是利用激光作 用所产生的冲击波压力使材料变形 的一种无模新技术。它是利用高能 激光诱导的高幅冲击波压力的力效 应而非热效应来实现金属板料的塑 性成形。激光冲击金属板料变形时， 冲击波压力达数千兆帕，远大于材料 的动态屈服强度，从而使材料发生塑 性变形，并改善金属板料性能。 激光冲击成形这种高能加工新 方法非常适合宇航工业中产品型号 更迭频繁、批量不大、零件的形状复 t 天津职业技术师范大学科研发展基金资 助项目( K J Y l l 一0 2 ) 资助。 4 8 航空制造技术2 0 1 3 年第1 1 期 激光冲击成形是利用激光诱导高幅冲击波的力 效应使板材产生塑性变形的快速、高效、精确的成形新 技术，具有加工柔性高、精确可控、无小曲率成形的回 弹问题、成形后材料性能好和无污染等特点。是一种无 模、柔性成形新工艺，它可以充分发挥激光高能量的优 点，是激光在板材成形领域的新应用。具有广阔的应用 前景和巨大的开发潜力。 杂多样、尺寸稳定性及精度要求高等 特点，且金属板材冲击成形后表面形 成了很深的高幅值残余压应力，可显 著提高其疲劳寿命，对有抗疲劳性能 要求的钣金件，如飞机机翼蒙皮等， 可减去常规的强化工艺，同时在小曲 率板材弯曲成形以及难成形材料的 成形方面也有极大的应用潜力，因此 受到了越来越广泛的关注。现阶段 对金属板料在激光冲击下变形的分 析大多采用试验研究和理论分析相 结合的方法，开展激光冲击成形加工 机理及工艺研究，随着有限元、神经 网络以及计算机技术的发展，有限元 模拟和神经网络也开始被用于激光 冲击成形的研究中。本文从激光冲 击成形工艺及优化研究、激光冲击成 形残余应力分析以及激光冲击成形 有限模拟3 个方面总结激光冲击成 形技术的研究现状，指出了存在问题 及其发展趋势。 激光冲击成形原理 金属板料激光冲击成形的基本 原理如图1 所示4 】，将高功率密度 ( 1 0 9 W c m 2 级) 、短脉冲( 1 0 一s 级) 的 强激光作用于覆盖在金属板材表面 上的能量转换体，能量转换体兼有能 量吸收层和约束层双重功能，其主要 作用是把激光束产生的热能转成机 械能( 冲击波压力) ，并提高激光能量 的利用率，保护工件表面不受激光的 热损伤。转换体和金属板料相接触 一侧的薄层因吸收能量而汽化，汽化 后的蒸汽急剧吸收激光能量形成等 离子体而爆炸，爆炸时形成一动量脉 冲，产生向金属成形方向的应力波， 板料在这种应力波的作用下产生塑 性变形。通过选择激光脉冲能量、冲 击轨迹和脉冲次数，在数控系统控制 下，可实现板料的局部或大面积成 形。采用预先制作好的凹模，则可实 万方数据 s 畔剧帅。哪特种加工 J 求层激光束吸收层金瞩板 l 獭、 黝 r K X 湫K X ( ，巧乃 。，K 。X K ) 4 卜王一二二二二。心 图1激光冲击成形原理 现激光冲击仿形。可见，激光冲击成 形是一种集板料成形和强化于一体 的复合工艺。 激光冲击成形工艺 及优化研究 在激光冲击成形过程中，离子体 和由激光能量支持的爆炸波，形成高 压冲击波传人工件内部，从而使板料 在冲击波的力效应作用下产生塑性 变形。由于采用激光束作为加载工 具，而激光的脉冲能量、光斑尺寸及 脉冲间隔宽度等参数精确可控，通过 数控系统控制激光冲击头和板料的 相对运动轨迹，可实现板料单次冲击 局部成形，也可采用优化的激光参数 对板料实施多点多次冲击，从而实现 板料的柔性冲压成形。其工艺过程 如图2 所示。 在激光冲击成形工艺研究方面， 周建忠等人阻7 1 利用N d ：G l a s s 脉冲 激光对厚度为0 8 m m 的L D 3 1 薄板 进行了激光冲击变形实验，根据爆轰 波和爆炸气体动力学理论，建立了板 料激光冲击成形中激光一能量转换 体一靶材系统冲击波压力的物理模 型和理论估算式： = 斋犏川 式中，P 。为激光脉冲产生的峰值压 力；彳为吸收系数，通常取0 8 0 9 5 ； y 为等离子体的绝热指数，取1 6 7 ； 瓦、z 。为靶材和约束层材料的声阻 抗；、K 为与能量吸收和约束层密 度有关的参量；p 为等离子体密度， 可以看成是约束层材料、能量吸收层 和工件材料汽化蒸汽的综合体；为 激光功率密度。杨超君等人【8 l 介绍 了激光冲击变形机理和冲击波产生 原因，建立了激光冲击下的板料变形 模型，并推导了板料变形量计算公 式： w = 等赭”肌川2 ) 式中，p 。为作用在板料上的冲击波 压力；为板料变形所需要的临界 压力，且有风= 言菩蒜叽； 形为板料最大变形量；以为材料的 屈服强度；而为板料厚度；口为冲击 ) 部修肜t 最终1 ；状 图2 激光冲击成形工艺过程 波压力的作用圆半径；肌为参与变形 的板料的单位质量。这为探讨板料 变形与激光能量、冲击波压力之间的 关系奠定了基础。还进行了激光冲 击金属板料变形的最小激光能量估 算及其试验研究一l ，建立了所需激光 最小能量公式： 耻 柑丁糕( 鲁) 2 吐 ( 3 ) 式中，d 为光斑尺寸；r 为激光脉宽； K ，为系数，取为1 1 ；龟为板料厚度； 破为约束凹模孑L 径。高立等人【l 叫为 了研究不同的激光能量和不同的冲 击路径、冲击次数对T A 2 钛合金板 料变形的影响，采用高功率N d ：G l a s s 激光冲击波装置进行试验，取得了不 同条件下钛合金板料的变形数据。 结果表明，随着激光能量的增加，板 料的变形量增大；板料几何尺寸和 厚度越大，板料越难变形；冲击区域 的不平度，随前后光斑间隔的增大而 增大，随光斑间隔的减小而减小。王 广龙等人l I ”为研究金属板料在脉冲 激光辐照下的响应、激光冲击下板料 的变形特性、激光脉冲能量对金属板 料变形量的影响以及脉冲激光光斑 内冲击波压力的分布情况，采用高功 率钕玻璃激光系统对L D 3 l 板进行 了单次冲击变形试验。结果表明，激 光冲击条件下板料变形呈现粘塑性 性质；激光脉冲能量是影响板料变 形量的主要因素，且板料变形大小随 脉冲能量的增加呈非线性增大；激 光冲击时激光光斑作用区域内冲击 波压力并不均匀分布，而是沿径向减 小。佟艳群等人I l2 l 设计和应用了一 种简单新颖的光电测试系统，测试铝 薄板受强短激光冲击的动态高速成 形过程，建立了与理论分析和试验数 据相符的薄板变形数学模型： y = A o e x p I 一ls i n ( 2 7 哺z + 妒o ) + A 。s i n ( 2 丌I x + 妒。) + ) ，o 。( 4 ) 式中，加号的前半部分表示为板材的 2 0 1 3 年第l l 期航空制造技术4 9 万方数据 钐论坛嘲u M 阻尼振动；彳。表示振动的初始幅度， 振幅按指数规律衰减，衰减的快慢取 决于系数f 0 ；频率和初相位由系数兀 和表示；加号的后半部分表示由 金属延展性引起动态弹塑性形变过 程；爿，表示形变幅度；Z 和妒分别表 示频率和初相位；粥表示最终的塑性 变形值。 试验研究表明影响激光冲击板 材成形的因素较多，主要有激光能 量、光斑直径、材料性质、板厚、板材 直径和约束边界条件等。由于其加 工过程是非线性、强耦合的，某个参 数的变化将引起板料尺寸的变化。 因此开展激光冲击成形的工艺优化 研究对促进其应用具有重要意义。 任旭东等人”3 1 研究了激光冲击技术 中的涂层厚度问题、激光与涂层相互 作用机理和涂层本身性能之间的关 系，推导出涂层的气化速度及最佳理 论厚度，并对涂层厚度的影响因素进 行了分析，为正确应用涂层厚度计算 公式提供了依据。得到的气化速度 及最佳理论厚度为： A 厶，、 V 守面再瓦而L 3 气 p 【L + c ( 瓦一瓦) 】 ，一 型! ! ，“ 7 一一 ，z ：、 。 J D 【L + c ( 瓦一瓦) 】 、u7 式中，彳为材料表面对激光的吸收 系；厶为激光入射到材料表面的功率 密度；r 为激光冲击时间；p 为材料 的密度；为汽化热；c 为比热容；瓦 为气化温度；瓦为初始温度。殷苏 民等人J 1 4 为解决不同试验参数下金 属板料变形量难以控制和试验参数 难以优化的问题，提出了基于神经网 络控制板料变形量的方法，建立了激 光加工参数与板料最大变形量之间 的神经网络模型，编写了相应的控制 软件，并通过S U S 3 0 4 、L D 3 1 、7 r A 2 和 A l M g4 种板料在不同条件下的冲 击试验进行验证。结果表明，采用该 方法可有效地优化冲击试验参数，控 制板料变形量。邓忠林等人”5 1 总结 了激光冲击板材成形最大变形量的 5 0 航空制造技术2 0 1 3 年第l l 期 影响因素，基于模拟退火遗传算法， 将板材最大变形量的影响因素分析 问题表达为一类组合优化问题，建立 了板材最大变形量影响因素的诊断 知识库，设定了最大变形量的影响因 素诊断控制参数，并采用模拟退火的 适应度拉伸方法，探讨了有效提高板 材最大变形量影响因素诊断准确率 的优化方法。结果表明模拟退火遗 传算法的收敛速度比简单遗传算法 平均提高1 3 2 ，识别准确性平均提 高7 4 4 。温度下级调节系数玟必 须尽量靠近o 9 8 5 才能得到较理想 的解。基于多种影响因素产生的目 标函数预测激光冲击板材最大变形 量方法，可以在实际生产中有效提高 加工效率。姜银方等人【l6 1 进行了半 模激光冲击动力学分析，提出了通过 优化激光冲击能进行成形精度控制 方法、基于逆向分析的模具修正和 补偿方法以及半模激光冲击成形精 度表征方法。结果表明半模成形精 确控制的激光能量为1 5 J ，通过模具 修正和补偿方法可以减小成形误差 5 0 以上，为激光冲击成形精确控制 技术及其推广应用奠定了基础。 激光冲击成形残余应力研究 激光冲击成形的重要特点之一 就是能够在工件表面形成残余压应 力，对具有抗疲劳性能要求的航空 结构件起到强化的作用。因此残余 应力是激光冲击成形研究的一个重 要方面。杨建阳等人I l7 1 采用侧倾 固定法对试样成形表面的残余应力 进行测试，探讨了工件支撑座内径、 9 0 0 顶角凸模的顶部圆弧半径等条 件对钛合金板成形的影响。研究表 明，当板材底部无约束支撑时，板材 凹凸面的表面残余应力都是压应力； 当采用凸模冲击成形时，表面残余应 力变化趋势不明确，有时为压应力， 有时为拉应力。张永康等人I l8 1 对激 光冲击成形的3 A 2 1 防锈铝板的残 余应力分布特性进行了研究。用x 射线应力测定仪进行了3 个方向残 余应力的测量，建立了主应力计算公 式，分析其形成机制与分布特性。试 验结果表明：在脉冲能量4 2 J 、脉冲 宽度2 3 n s 、脉冲功率1 2 1 0 9 w 作用 下，板料正反两面产生的残余应力小 于一1 0 0 M P a ，且均为压应力，除变形 区域顶点主应力方向为0 。外，其他 点的主应力方向约为一3 0 。，且正方 形板料对角线方向应力大于穿过中 心边长方向的应力。任旭东等人【l 9 I 研究了不同脉冲功率密度和涂层对 钛合金残余应力的影响，表明涂层材 料与激光耦合性能越好，激光功率密 度越高，钛合金残余应力作用效果越 好，在冲击试件表面能形成l m m 厚 的残余应力硬化层，其表面残余压应 力最大能达到一3 0 1 M P a 。袁定国等 人口0 1 也采用x 射线衍射法对激光冲 击成形后的金属薄板的表面残余应 力分布进行了研究。结果表明，薄板 成形后的凹面分布有较大的残余压 应力，而凸面边缘存在较小的残余拉 应力，残余应力随激光能量的增加而 增加，但存在一个最大值。凹模孑L 径 也存在一个阈值，当小于该阈值时， 残余应力随凹模孔径的增大而增大， 当大于该阈值时，残余应力随凹模孔 径的增大而减小。 激光冲击成形有限元 模拟研究 激光冲击成形过程是涉及激光 与材料的相互作用、冲击波传播及其 对材料的加载机制、动态塑性成形理 论以及冲压成形工艺等众多学科的 复杂过程。受到激光器等硬件条件 的制约，目前国内能开展激光冲击成 形试验的研究机构不多，试验费用昂 贵。若对众多影响因素都进行试验 研究，不仅费用高、工作量大，而且各 因素之间的相互影响关系也很难在 试验中得以体现。这些原因大大限 制了激光冲击成形技术的研究。随 着计算机和有限元技术的飞速发展， 万方数据 s 唧舯。I n g 特种加工 有限元数值模拟已成为一种重要的 研究手段，开展激光冲击成形的有限 元模拟研究，可以为加工过程中各种 参数的合理优化、板料变形过程的有 效控制、分析和实现大面积金属板料 的激光冲击成形提供依据，必将对激 光冲击成形技术应用于生产实践起 到极大的推动作用。 周建忠等人1 2 ”利用A B A O u s 软 件对激光冲击下板料的变形过程进 行了数值模拟，探索了激光冲击的主 要参数和板料变形之间的相互关系。 结果表明在激光单次冲击加载下，激 光脉冲能量与板料的变形量之间存 在直接关系，随着激光能量的增加， 板料变形量呈现非线性增大趋势。 数值模型能有效地模拟激光冲击板 料的变形过程，为激实现大面积金属 板料的柔性激光冲压成形提供依据。 吉维民等1 2 2 l 用A N s Y s L s D Y N A 软 件进行了激光能量和约束孑L 径等参 数对S u s 3 0 4 不锈钢板料变形影响 的有限元模拟。结果表明：随着激 光能量的增加，板料的变形量增大； 板料初始约束孔径越大，板料越容易 变形；板料几何尺寸和厚度越大，板 料越难变形。杜建钧等人旺剐也利用 A B A Q u s 软件对激光冲击下板料的 变形过程进行了数值模拟，比较了不 同激光参数对板料变形量的影响，并 在激光单点冲击成形的基础上探讨 了激光多点冲击成形。通过模拟得 到的变形量指导生产实践。张永康 等人【2 4 】用A B A Q u s 软件进行了激 光冲击成形有限元模拟。结果表明： 随着激光能量的增加，板料的变形量 增大；板料几何尺寸和厚度越大，板 料越难变形；冲击次序不同，板的变 形量也不同，板的变形以沿板的长度 方向且对称冲击为最大。通过数值 模拟可优化激光冲击的相关参数， 预测板料变形。高立1 2 5 | 用A B A Q u S 软件进行了不同光斑间距对S U S 3 0 4 不锈钢板激光冲击变形影响的有限 元分析。结果表明：随着光斑间距 的减小，受冲区域更加平整。丁华 等人| 2 6 】采用不同厚度的铝合金板工 件，进行激光冲击成形的有限元分 析，研究了特定条件下板料的瞬态和 静态变形。研究结果表明，根据板料 厚度的不同，激光冲击成形存在2 种 不同的机制。板料厚度小于0 6 m m 时为凹模变形形式，而板料厚度大于 0 9 m m 时为凸模变形形式。 存在问题及其发展趋势 ( 1 ) 在激光冲击成形工艺研究 方面，目前更多的是针对单点单次激 光冲击变形行为的研究，而实际应用 中更多的则是要进行多点多次激光 冲击，因此开展多点多次激光冲击成 形工艺及其优化的研究，对激光冲击 成形技术的应用具有更高的参考价 值。此外，影响激光冲击成形质量的 工艺参数较多，试验设备少且费用高 昂，因此，采用正交试验等方法来确 定影响激光冲击成形质量的主控因 素，获得优化工艺参数是一个非常实 用且可行的研究思路。 ( 2 ) 激光冲击成形残余应力研 究当前的研究主要集中在残余应力 的分布特性的研究上，涉及的影响因 素较少，因此应开展综合考虑各种因 素的残余应力分布特性以及基于残 余应力分布的工艺参数优化研究。 ( 3 ) 在激光冲击成形的有限元 模拟方面，当前的思路是在将激光冲 击过程简化为时变冲击压力作用下 板料变形过程的分析，对激光成形过 程的模拟不够准确，因此应开展激光 引起离子体爆炸过程的有限元模拟 分析，来获得更精确的冲击波压力。 此外，激光冲击成形是一个高应变率 变形过程，当前的材料模型获取方法 还无法达到如此高的变形速率，而且 变形过程的绝热温升也没有涉及，因 此高应变率材料本构建模及激光冲 击成形过程热一力耦合有限元模拟 的研究都将成为激光冲击成形有限 元模拟方面的重要研究方向。 结束语 激光冲击成形是利用激光诱导 高幅冲击波的力效应使板材产生塑 性变形的快速、高效、精确的成形新 技术，具有加工柔性高、精确可控、无 小曲率成形的回弹问题、成形后材料 性能好和无污染等特点，是一种无 模、柔性成形新工艺，它可以充分发 挥激光高能量的优点，是激光在板材 成形领域的新应用，具有广阔的应用 前景和巨大的开发潜力。开展激光 冲击成形技术的研究，对于促进我国 航空航天领域关键部件成形制造技 术的发展具有重要的意义。 参考文献 【l 】 Z h o uJZ ，Y 彻gJC ，Z h a n gYK ，e ta J As t u d yo ns u p e rs p e e df b 珊i n go fm e t a ls h e e t h yl a s e rs h o c kw a v 船J M a t e r P r e s s 1 k l l I l o I ， 2 0 ( ) 2 ，1 2 9 ( 1 ) ：2 4 l - 2 4 4 【2 】Z h a n gw ，Y a oYL Mi c r o s c a l e