（机械电子工程专业论文）激光冲击成形装置的控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 激光加工是激光技术的重要应麓镁域。激光粥粼、焊接和热处理等已广泛应用 予汽车、逡瓣、麓空嚣逶震瓤壤毒l 逡等王鼗中，嚣嚣将激竞技拳与数控鼓寒秘绦合， 剥甭激光避行冲击成形猩霹内还处予襄验室研究阶段。为适应躐代隶i 选业产赫俊速 更新的市场竞争需要，实现板料的快遮、高效、低成本的生产要求，圆内外许雾学 者对蕴餐援憷感澎赫按零遴嚣了大耋戆臻突，麸无摸多点或形，数字佬澎逡袋澎， 到喷丸成形、激光热应力弯曲成形等，并取得了一怒的成果。从研究目标看，实现 扳料的搿效快速、柔往冲压成形是现代板籽成形技术盼重要发展趋势。我校豢师在 分疆鏊建多 蠢关垒藩援攀 无溪藏形按拳簪 究靛釜稻主，蓄次撬爨了基予激光；串毒渡 技术的板料添性冲压无摸成形新概念，并进行了较为系统的理论研究，旨在搛黎板 料望性成形鹩新方法祁激光搬工技术在扳料成形领域中款应用。 在金溪援辩嚣激竞、姊裔藏黟遭稔中，激竞溱跨量大枣、先凝壹衽、金麓摄料 靶材的空间位姿，激光冲击点的分搿疑水约束层参数和能量吸收屡工艺是影桷j 中击 成形效果的霪要因素。能对上述影嘀闲素进行有效控涮的激光、抻蠢成形控制系统雏 设计与实施怒进孬激光捧辔我形盾续实验匏基本裁褥。本文努瓣了激光与耪震稻互 作用的机避，激光冲击成形的工艺，针对激光冲击成形实验研究的要求，提出了基 予r s - 4 8 5 总线鲍分布式控裁系统结擒。该系统采嬲遴用型工数擦割计冀毒氇为上位 税，三袋a t 8 9 s 5 1 革片杭侔为下使飘。根据i 率击艘形实验的特点定义了一套激光冲 击成形棚工指令。系统上位枫软件采耀m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 平台开发，单 冀提程廖采耀m c s 。5 1 汇绽语言编霹。避行激光冲毒戏形实验瑟孪，工控枫器三块擎 片撬稆互酝合，互控梳受资整个系绞敬任务协调，薄片祝具豁虢行搔令。 关键谶：激光冲击，m s c o m 盛控件，r s - 4 8 5 ，a t 8 9 s 5 1 单片戡 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a s e rm a c h i n i n gi st h ei m p o r t a n ta p p l i e df i e l do f l a s e rt e c h n o l o g y d t h o u g hi n c i s i o n , j o i n t i n ga n dh e a tt r e a t m e n tb yl a s e rh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha s a u t o m o b i l e ，s h i p b u i l d i n g ，a v i a t i o na n dg e n e r a lm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g , l a s e rs h o c k f o r m i n g ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hl a s e ra n dc n ct e c h n o l o g y , i ss t i l l c o n f i n e dt oa l a b o r a t o r ya tt h em o m e n ti no u rc o u n 血y i no r d e rt oa d a p tt om a r k e tc o m p e t i t i o nn e e d so f r a p i dp r o d u c tu p d a t eo ft h em o d e mm a n u f a c t u r ea n dt oa c h i e v es h e e tm e t a lp r o d u c t i o n n e e d s ，r a p i d , e f f e c t i v ea n dl o w - c o s t ，m a n yr e s e a r c h e r sh o m ea n da b r o a dh a v ed o n el o t so f s t u d i e sf r o mm u l t i p o h l t , p r o g r e s s i v ef o r m i n gt os h o tb l a s t i n gf o r m i n g ，l a s e rb e n d i n g f o r m i n gb yt h e r m a ls t l e s se t e a n dt h e yh a v ea c h i e v e ds o m ep r o d u c t i o n s i ts e e r l l $ t h a ti t i st h es i g n i f i c a n tt r e n dt og e tt os h o c kf o r m i n go fr a p i d , e f f i c i e n t , a n df l e x i b l ef o r mt h e d e v e l o p m e n t a la i m o nt h eb a s i co fa n a l y z i n gr e s e a r c h e sa b o u ts h e e tm e t a lf o r m i n g w i t h o u tm o u l d , o u rs c h o o lt e a c h e r sp u tf o r w a r dan e w c o n c e p tf l r s f l ya b o u ts h a p ec h a n g e o fs h e e tm e n t a lb yl a s e rs h o c kf o r m i n g ( l s f ) a n dh a v i n gs y s t e m i cs t u d i e si no r d e rt o d i s c o v e r n e wm e t h o da p p l i e di nt h ef i e l do f s h e e tm e t a l i nt h ep r o c e s so fl a s e rs h o c k f o r m i n gf o ra m e t a ls h e e t , t h ei n f l u e n c ec o u l di n c l u d e t h ee n e r g yo fal a s e rp u l s e ，t h ed i a m e t e ro fl a s e rb e a m , t h ep o s eo fam e t a ls h e e tt a r g e t , t h ed i s t r i b u t i n go fs h o c k e dp o i n t s ，p a r a m e t e r so fw a t e ro v e r l a ya n de n e r g ya b s o r p t i v e m e d i u m n ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rt h el a s e rs h o c kc o n t r o ls y s t e mt h a tc a np u t t h o s ei n f l u e n c ee l e m e n t su n d e rc o n t r o li m p o s e sak e yp r e c o n d i t i o no nt h ef o l l o w i n g s h o c kf o r m i n ge x p e r i m e n t s i nt h i sp a p e r , t h et h e o r yo fi n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e ra n d m e t a ls h e e ta n dt h ep r o c e s so fl a s e rs h o c kf o r m i n gh a v eb e e ns t u d i e d a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so f l s f , a d i s t r i b u t e dc o n t r o ls t r u c t u r eb a s e do nr s 一4 8 5h a sb e e np r e s e n t e d a g e n e r a li n d u s t r i a lc o m p u t e rh a sb e e nc h o s ea st h eh o s t , a n dt h r e ea t 8 9 s 51m c u sa s t h es l a v e s as e to fn cc o d e sh a sb e e nd e f i n e do nt h eb a s i so fl s fc h a r a c t e r s t h e a p p l i a n c eo ft h eh o s ti sd e v e l o p e db ym i c r o s o rv i s u a lb a s i c6 0 ，a n dt h ep r o g r a mo fa ， m c ui sw r i t t e nb ya s s e m b l yl a n g u a g ef o rm c s 一5 1 t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e rf u n c t i o n i n g t h et a s kd e l i v e r e r , a n dt h et h r e em c u sw o r k i n g 懿t h ea c t o r s c o o p e r a t ed u r i n gt h e l a s e rs h o c kf o n n i n ge x p e r i m e n t k e ) ，w o r d s ：l a s e rs h o c k , m s c o m mc o n t r o l ，r s 一4 8 5 ，a t 8 9 s 5 1 m c u 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者宠全了解学校有关保留、使耀学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属予 学位论文作者签名： 矽。6 年6 茂 啼2 黟年6 秀怕 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密匦。 指导撕虢 影，约 砂6 年| ) 月 毕习 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 傲盘重要贡献豹个人和集体，均墨在文中以瞬确方式标鹗。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：袜新华 基期：2o o c 年月目 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 激光加工技术现状和发展方向1 1 2 1 作为2 0 世纪科学技术发展的主要标志和现代信息社会光电子技术的支柱之 一，激光技术和激光产业的发展受到世界先进国家的高度重视。 激光加工是国外激光应用中很大的项目，也是对传统产业改造的重要手段， 主要是千瓦级到万瓦级的c 0 2 激光器和百瓦到千瓦级y a g 激光器实现对各种材料 的切割、焊接、打孑l 、打标和热处理等。 激光加工应用领域中，c 0 2 激光器以切割和焊接应用最广，分别占到7 0 和 2 0 9 6 ，表面处理则不到1 0 。而y a g 激光器的应用是以焊接、标记( 5 0 ) 和切割( 1 5 ) 为主。在美国和欧洲c 0 2 激光器占到了7 0 8 0 。我国激光加工中以切割为主的 占到1 0 ，其中9 8 p a 上是c o ：激光器，功率在1 5 k w 2 k w 范围内，而以热处理 为主的约占1 5 ，大多数是进行激光处理汽车发动机的汽缸套。这项技术的经济性 和社会效益都很高，故有很大的市场前景。 在汽车工业中，激光加工技术充分发挥了其先进、快速、灵活的加工特点。 如在汽车样机和小批量生产中大量使用三维激光切割机，不仅节省了样板及工装 设备，还大大缩短了生产准备周期；激光束在高硬度材料和复杂而弯陆的表面打 孔，速度快而不产生破损；激光焊接在汽车工业中已成为标准工艺，日本t o y o t a 已将激光用于车身面板的焊接，将不同厚度和不同表面涂敷的金属板焊接在一起， 然后进行冲压。虽然激光热处理在国外不如焊接和切割普遍，但在汽车工业中仍 应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器，齿轮等零部件的热处理。在工业发 达国家，激光加工技术和计算机数控技术及柔性制造技术相结合，派生出激光快 速成形技术。该项技术不仅可以快速制造模型，而且可以直接由金属粉末熔融， 制造出金属模具。 到了8 0 年代，y a g 激光器切割可以得到好的切割质量和高的切割精度，但在 切割速度上受到限制。随着t a g 激光器输出功率和光束质量的提高而突破。y a g 激 江苏大学硕士学位论文 光器已开始挤进k w 级c 饺激光器切割市场。y a g 激光器特别适合焊接不允许热变 形和焊接污染的微型器件，如锂电池、心脏起搏器、密封继电器等。 目前，国外激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行 业。激光打孔的速度发展，主要体现在打孔用y a g 激光器的平均输出功率已经提 升到了8 0 0 w 至1 0 0 0 w 。打孔峰值功率达到了3 0 k w 5 0 k w ，打孔用的脉冲宽度越来 越窄，重复频率越来越高，激光器输出参数的提高，很大程度上改善了打孔质量， 提高了打孔速度，也扩大了打孔的应用范围。目前国内比较成熟的激光打孔的应 用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及手表宝石轴承的生产中。 目前激光加工技术研究开发的重点可归纳为： ( 1 ) 大功率激光器和新型工业激光器研究目前，德国制造的2 0 k w 的c d ， 激光器已经在工业中得到应用，该激光器可以切割厚度达到2 0 m m 的不锈钢板，并 且具有良好的切割质量。目前新型激光器，如二极管泵浦全固态激光器，已经得 到发展和应用，特点是体积小、重量轻、对环境要求宽松而且效率高、免维护。 ( 2 ) 微细激光加工近年来，由于激光光源性能的提高和现代数控技术的 应用，微细激光加工技术得到了迅速发展，对于各种金属、陶瓷、玻璃和半导体 等不同材料的具有微米尺寸的微小零件或装置的加工方面的研究正在不断深入。 ( 3 ) 加工系统智能化系统集成不仅是加工本身，而是带有实时检测、反 馈处理，随着专家系统的建立，加工系统智能化已经成为必然的发展趋势。 1 1 2 激光成形技术简介 金属板料成形件在汽车工业、航空航天等领域有着十分广泛的应用，其常用 的塑性成形方法是采用模具进行冲压成形，存在模具费用高、生产准备周期长、 加工柔性差等不足，而且只能对低碳钢、铝合金等材料进行成形。在新产品开发 中，模具的设计与制造问题显得尤为突出，已严重影响产品更新换代的速度。为 适应现代制造业产品快速更新的市场竞争需要，实现板料的快速高效、低成本的 生产要求，国内外许多学者对板料塑性成形新技术进行了大量的研究，从无模多 点成形，数字化渐进成形，到喷丸成形、激光热应力弯曲成形等，并取得了一定 的成果。从研究目标看，实现板料的高效快速、柔性冲压成形是现代板料成形技 术的重要发展趋势。 2 江苏大学硕士学位论文 美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家重点实验室的h a c k e l 等人提出了采用激光冲 击在工件表面形成一个深的残余压应力层分布，利用残余应力释放而使金属板材 进行三维弯曲成形的成形原理和精确成形方法，并设想了将激光冲击用于板材和 杆件的校形。明确指出，目前，该技术的成功开发已应用到航空航天和军事领域 中关键部件的成形制造中去，如战斗机的机翼、导弹头等，有的还起着其它成形 方法无法替代的作用，如厚度超过1 9 0 5 m m 的大板复杂成形。随着金属板料应用 领域的日益广泛，研究和探索其成形的新思想、新工艺，以推动和促进金属板料 快速高效和无模成形技术的发展和应用具有十分重要的意义。 激光成形是一种新的制造技术，是无模具成形新技术，如激光冲击成形、激 光弯曲成形等，用它可以高效成形复杂形状的零件，与传统的制造过程相比具有 以下优点：1 ) 产品制造周期短，费用比压力模具低，制造复杂的模具费用高且用 时多，而使用激光成形技术不需要模具；2 ) 比传统的火焰加热更精确；3 ) 在处 理大的复杂结构( 通常用在造船和航空业) 方面比机械加工更灵活、高效。激光 弯曲成形是一种无模成形工艺，具有生产效率高、成本低、弯曲时不需外力、无 回弹效应、精度高等优点，适用于用传统工艺方法难以或不可能成形的硬质、脆 性材料，如铸铁等，尤其是大批量的钣金零件的弯曲成形吲。激光冲击成形有如 下鲜明特点：l 、高应变率，达1 0 。7 s ：2 、超快、塑性变形的冲击波作用时间仅 几十纳秒；3 、超高压，峰值达数g p a 。由此产生了优异的金属成形特征，因而在 基础理论研究和技术开发方面，都具有开拓性、创新性和实用性。 激光冲击金属板料成形是由激光和材料相互作用所产生的高压冲击波来实 现，其机理见文献 4 。通过选择激光脉冲能量、激光冲击轨迹、叠加方式和作用 区域的脉冲次数，在数控系统控制下，可实现板料的局部或大面积成形。另外采 用预先制作好的凹模，可实现激光冲击仿形。 1 2 基于现场总线的分布式控制系统 控制系统经历了从封闭到开放，从单点控制，组合式模拟控制系统、集中式 数字控制系统、集散式控制系统，发展到当前现场总线控制系统和开放嵌入式网 络化控制系统阶段。其网络控制结构也相应的经历了集中式、递阶式和分布式的 演化过程，控制系统发展呈现出向分散化、网络化、智能化发展的方向【邓】。以下 江苏大学硕士学位论文 将对控制系统的发展各阶段的特点做一介绍，进而说明现场总线的特点和优点所 在，并给出了基于现场总线的分布式控制体系结构。 1 2 1 控制系统发展概况 基地式气动仪表控制系统：安装在生产现场，只具备简单测控功能，各测控点 只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，单点控制。 电动单元组合式模拟仪表控制系统：出现了集中控制室，生产现场点的参数 通过统一的模拟信号传送到集中控制室；模拟信号传递要一对一的物理连接，信 号变化缓慢，抗干扰能力差。 集中式数字控制系统：用数字信号替代模拟信号传输到控制室，用一台数字式 计算机来进行集中控制，一旦计算机出现故障则造成所以控制回路瘫痪。集散式 控制系统( d c s ) ：集散式控制系统( d c s ) 针对集中式控制系统风险集中的弊端。把一 个控制过程分解为多个子系统，由多台计算机协同完成，采用阶梯式控制结构。 具有现场级的控制单元( p l c ，m c u 等) ，现场级控制单元与现场设备用电缆连接， 采用标准4 m a 2 0 m a 模拟信号传输：具有中央控制单元( c p u ) ，中央控制单元与现 场级控制单元之间采用r s 一2 3 2 4 8 5 等专用非开放协议通信。是一种模拟数字混合 系统。 新型的现场总线控制系统：突破了d c s 系统中通信封闭的缺陷，是基于公开化， 标准化的解决方案，将集散的控制结构变成了新型的全分布结构，它是在d c s 基 础上的连续发展起来的，但它己超出了d c s 的框架，是一次质的跳变，它打破了 传统控制一对一的设备连接而将控制模块置入现场设备，其全部功能在现场完成。 1 现场总线分布式控制系统网络体系结构 控制系统的网络体系结构也相应的经历了集中式、递阶式和分布式的演化过 程【7 1 ，以下将对几种控制网络结构进行比较后给出现场总线分布式控制系统的网 ，络体系结构。，。 集中式控制结构 其特点是对控制系统中的信息统一处理，拥有个全局数据库以记录系统的 各种控制活动，每一个控制实体都与中央处理单元独立连接。随着控制系统变得 越来越复杂多变，响应速度慢、可靠性差、可扩展性差等都成为其难以克服的主 要矛盾。 ， 4 江苏大学硕士学位论文 递阶式控制结构 d c s 控制系统采用的是阶梯式控制结构，其结构如图1 i 所示。d c s 采用主从 式分层控制策略，各层有各自特定的功能。与集中式控制结构相比，递阶式控制 结构有许多优点，如其递阶式的数据库结构使得整体的数据量比集中式控制系统 大大减少：具有各自特定功能的单元在响应口令和相互通信时有更大的灵活性。尽 管如此但也有一些固有的缺陷。如上层故障会造成下层控制的整体瘫痪：设备布置 的改变会影响到整个控制系统：由于通信延迟往往使上层决策滞后于下层状态的 变化而造成控制失误等。 分布式控制结构 现场总线采用分布式网络控制结构，采用总线式连接。从总体上来看，分布 式结构有若干个相互独立又相互关联的实体组成，各实体在系统中的地位处于同 一层次上，享有充分的“自制权”；而且，分布式系统通过增强各实体单元的智能 与自制权，使信息及控制局域化，从而降低了系统的复杂性，大大提高了系统的 可扩充性、容错性和可靠性。 图1 2 所示是基于现场总线的分布式控制系统的示意图，现场总线将各种现 场信息传送给监控计算机，通过生产管理计算机与上层网络相连。它把现场设备 的各种运行参数、运行状态信息及故障信息送往监控计算机和其他现场设备，同 时又将各种控制、维护、组态命令送往各相关设备，建立了生产过程现场及控制 设备之间、现场设备与更高控制管理层之间的联系。 图1 1 集散系统网络结构图1 2 现场总线控制网络结构 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 现场总线分布式控制系统特点 现场总线是3 c ( 计算机、通信、控制) 技术的融合。现场总线技术的特点可 以简单概括为：信号传输全数字，控制功能全分散，标准统一全开放。比较与d c s 等传统的系统相比，现场总线( 系统) 在本质上具有以下技术特点f s 9 1 ： 底层现场通信网络 现场总线将通信线延伸到工业现场。现场总线完全适应于工业现场环境，能 够很好的满足实时性，可靠性的要求。现场总线通过一根通信线将所需的各个现 场设备互相连接起来，即用一根通信线直接互连几个现场设备，从而构成了现场 设备的互连网络。 数字化 现场总线是数字通信网络。在现场总线系统中，同层的或和不同层的总线设 备之间均采用数字信号进行通信。而传统的d c s 则是半数字化，只在操作站与控 制站之间是数字化通信，而现场仪表与控制站中的输入输出单元之间采用的是一 对一的模拟信号输出。 开放性 现场总线是开放互连网络。现场总线标准、协议、规范是公开的，所有制造 商都必须遵守：现场总线网络是开放的，既可实现同层网络互连，也可实现不同层 次网络互连，而不管其制造商是哪一家，用户可共享网络资源。而d c s 是各厂家 形成封闭系统，导致不同厂家的设备不能进行互联。 分散性 现场总线是结构与功能高度分散的系统。结构上采用了全分布式方案，设备 之间可点对点、点对多点或广播多种方式通信；控制功能上的分散：连接到总线上 的现场设备是智能化的，且具有按照现场总线协议、规范进行数字通信的能力， 并且能够实现分散的功能模块，完成测量、控制、通信的一体化。现场总线废弃 了d c s 的控制站及其输入输出单元，从根本上改变了d c s 集中与分散相结合的集 散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现场设备这一途径，实现了彻底的 分散控制。 互操作性与互换性， 互操作性：不同厂商的现场设备可以互连，互相之间可以进行信息交换并可 6 江苏大学硕士学位论文 统一组态； 互换性：不同厂商的性能类似的现场设备可以互相替换。现场总线中现场设 备的互操作性与互换性是d c s 无法具备的。 可靠性、可维护性和经济性 现场总线控制系统采用数字总线式通信线路代替传统d c s 中一对一的工i o 连线，对于大规模i o 系统来说，减少了由连线带来的不可靠，同时降低了布线 成本，与传统d c s 技术相比，可节省电缆、调试、维护成本4 0 以上。 1 3 论文研究的目的和主要内容 金属板料的激光冲击成形技术涉及的研究内容十分广泛，本课题的目的是构 建一个激光冲击成形实验平台，使冲击过程自动化，为金属板料激光冲击成形机 理和工艺研究服务。 论文工作及主要研究内容归纳如下： 1 研究当前激光加工技术特别是激光冲击成形加工技术的现状，在此基础上 分析激光冲击成形技术的机理和冲击成形的工艺及其影响因素； 2 根据江苏大学强激光研究所当前激光冲击成形实验的具体要求和实验设备 配置情况构建激光冲击成形分布式控制系统，开发系统工作的软件； 3 定义一套简单实用的激光冲击成形实验研究用控制指令代码，制定系统工 作的相应通信协议； 4 对所设计的系统进行测试工作，并进行激光多点连续冲击成形实验，对实 验结果进行初步分析。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章激光冲击成形机理与工艺研究 2 1激光冲击成形机理 金属板料激光冲击成形技术的基础是激光冲击诱导的高压冲击波技术，为此 本章首先讨论高功率脉冲激光对金属板料冲击的物理过程及冲击波的形成机制， 并讨论激光冲击波的加载特征及其对板料的力学效应，从根本上找到致使板料变 形原因。由于高功率密度( g w c m 2 量级) 、短脉冲( n s 量级) 的激光束辐照在金属 表面时，表面层产生烧蚀气化，形成高温高压的等离子体，从而诱导一个向金属 内部传播的冲击波，这种现象称为直接烧蚀模式。直接烧蚀模式会导致靶材表面 质量下降和组织的变化，这在实际工程中一般是不允许的。如何既保护工件表面 免受激光的热损伤，又能有效提高激光冲击波的峰值压力，通常的做法是采用能 量吸收涂层加覆盖约束层的方法。能量吸收涂层作为一种牺牲层，在高能激光冲 击下尽可能吸收激光能量，代替金属表面薄层气化而产生等离子体，使工件在冲 击波的力效应作用下进行塑性变形。这种利用能量吸收层和约束层把激光能量转 变为冲击波机械能，并使冲击波压力得到提高的方法，我们称之为能量转换体技 术“。 2 1 1 激光冲击板料变形的物理过程 当高功率密度( g w c m 2 量级) 、短脉冲( n s 量级) 的强激光冲击金属板料表 面时，其表层材料因吸收激光能量而迅速气化电离，形成等离子体和由激光能量 支持的爆轰波，等离子体的快速膨胀与喷射施与靶面一动量脉冲，产生一高压冲 击波传向工件内部，使材料产生动态响应。当冲击波压力诱导的板料内应力大于 材料的动态屈服强度时，引起板料宏观的塑性变形，因此激光冲击板料变形的前 提是要产生足够的冲击波压力。通常的做法是在金属板料表面涂覆一层能量吸收 层，再在其上覆盖一层对激光透明的约束层，如图2 1 所示邮】。能量吸收层充分 吸收高能激光的能量，而在极短时间内形成一个高温高压的等离子体层，该等离 子体层迅速向外喷射，由于约束层的存在，等离子体的膨胀受到约束限制，导致 等离子体压力迅速升高，结果施与靶面一个冲击加载，产生向金属内部传播的强 8 江苏大学硕士学位论文 冲击波。由于这种冲击波压力高达数个g p a ，远远大于材料的动态屈服强度，从而 使材料产生屈服和冷塑性变形，同时在成形区域产生残余压缩应力，改善了成形 件的疲劳和腐蚀性能。在此过程中，由于有能量吸收层本身的“牺牲”作用，保 护了工件表面不受到激光的热损伤，而约束层的存在大大提高了激光冲击波的压 力和作用时间。这也就实现了把激光束的光能转变成冲击波机械能，这种涂层加 约束层技术，我们称之为能量转换体技术。在激光脉冲作用期间，其强度保持恒 定时，施加于金属靶面的冲击波压力维持一个平稳阶段。而在激光作用的后期， 由于激光功率密度减小，作用于表面的冲击波压力也随之降低，因此在激光冲击 板料过程中，激光诱导的冲击波压力经历了快速增强、保压和衰减三个过程。 根据上述分析，可以把激光冲击板料变形的过程分成三个阶段：( 1 ) 靶面吸 收高能激光并气化；( 2 ) 等离子体形成高压冲击波加载于靶面；( 3 ) 靶材动态响 应而产生塑性变形。， 1 ：激光束2 ：约束层3 ：能量吸收层4 ：靶体5 ：等离子体 图2 1 板料激光冲击下变形机理 2 1 2 激光冲击波的产生及其力学效应 1 激光冲击波的产生 产生激光冲击波的物理机制一般认为有两种，一是热冲击，它起源于靶体表 面快速地吸收激光脉冲能量所造成的热膨胀和巨大的应力梯度；另一类是机械冲 击，它起源于迅速蒸发与膨胀的高温等离子体蒸气对靶体的反冲压力。在激光冲 击成形中，所采用的激光功率密度为1 0 9 w c m 2 量级，脉宽为n s 量级，靶体表面 产生等离子体近似乎是瞬间的，因此反冲机制起主导作用。此时入射激光被靶蒸 汽吸收，产生以热传导或流体动力学机制传播的激光吸收波：激光维持的燃烧波 ( l s c ) 和爆轰波( l s d ) 1 1 1 。当靶面受到较强激光功率密度照射时，靶蒸汽部分电 9 江苏大学硕士学位论文 离，加热，进而依靠热传导、热辐射等运输机制，也使其前方的冷气体加热和电 离，形成l s c 波，如图2 2 ( a ) 所示。这时仍有部分激光透过等离子体区入射到 靶表面，增强激光与靶蒸汽的热耦合，随着等离子体向前离去，其耦合受到削弱， 逐渐形成对靶的屏蔽。随着激光功率密度增大，l s c 吸收区运动加快，吸收增强， 直至与前方冲击波会合，形成l s d 波，如图2 2 ( b ) 所示。这时辐射的激光能量 直接被激波波前所吸收，激光所提供的能量相当于一般爆轰波中的化学反应所提 供的能量。因此，爆轰波在沿着光束的方向被支持住，继续吸收激光能量后，发 生爆炸与电离，形成激光束能量支持的爆轰波，其体积急剧膨胀，压力增大。由 于有能量转换体中约束层的约束作用，急剧膨胀的等离子体被限制在金属靶表面， 使等离子体压力进一步升高，结果形成高强激光冲击波。 脉冲盘光 脉坤蠹光 ( a ) 激光维持的燃烧波( l s c )( b ) 激光维持的爆轰波( l s d ) 图2 2l s c 和l s d 波结构示意图 2 激光冲击波加载特征【1 0 1 激光冲击板料时，激光能量在极短的时间( n s 量级) 内释放，其与能量转换 体相互作用形成高压冲击波( 即高幅激波) ，并以脉冲的形式作用于板料，板料在 高幅激波压力作用下产生动态响应。冲击波与板料的相互作用涉及冲击动力学问 题，根据已有的研究，可以把激波载荷作用下板料的动态响应简化为两类各自独 立的问题：即冲击波在板料内的传播以及板料的总体响应。当高幅激波突然加载 到板料上时，首先以弹性波或塑性应力波的形式在板料内传播，由于金属材料中一 的弹性波速通常为每秒数公里( 如钢的弹性波速为5 1k i n s ) ，因此一般在n s 量 级内就使板料厚度方向上所有的质点受到波及，而应力波在其中来回反射多次后， 趋于均匀化。当激光冲击波压力引起材料的内应力大于其变形阈值时，板料呈现 出宏观的塑性变形，它通常要经历n s s 量级的更长时间才会达到板料的最大 i o 江苏大学硕士学位论文 变形状态，并且随着时间的发展，最终引起结构的断裂或破坏。正是由于结构板 料中波的效应和结构动态响应在时间上相差几个数量级，所以在分析高幅激波加 载下板料的动态塑性变形时，可完全不计弹性波的影响。 由于激光脉冲的脉宽很短，所形成的激波载荷具有以下特点：( 1 ) 强度大， 高达数个g p a ，其大小既依赖于靶面材料的物理性质，也依赖于脉冲激光束的特征； ( 2 ) 上升前沿时间短，载荷瞬间增加到最大值；( 3 ) 加载作用时间极短，仅为n s s 量级；( 4 ) 在载荷作用的同时，伴随有局部材料的剧烈升温气化及热传导效 应；( 5 ) 作用区域为局部的，且作用在材料表面的加载激波形状具有s r t 分布的 较窄的应力平台，通常过程是绝热的，而应变率高达1 0 6 1 0 7j q 量级。因而板料 在激光冲击波加载下的变形具有两个重要特征：1 ) 由于激光脉冲能量释放时间极 短，仅为纳秒量级，因而板料的变形功率极高；2 ) 由于变形时间极短，板料的变 形速度超快，属于冲击载荷作用下的高能率动态塑性成形，其主要靠获得的动能 在惯性力作用下成形。 3 激光冲击波施与板料的冲量【i o 】 根据前述分析，板料在激光冲击波作用下产生塑性变形，由于激光脉冲的作 用时间仅为纳秒量级，作用于板料的压力脉冲也很短，且由激光诱导的冲击波的 时空分布又十分复杂，故其宏观力学效应可用冲量表征。 靶的冲量与靶表面压力的时空分布有关，要精确计算激光冲击波施与板料的 冲量是十分困难的，因为激光冲击波随时间变化的关系，目前还无法用精确的函 数来表示。靶在高能激光冲击下，表面瞬间气化，其蒸汽压力和动量迅速增大， 电离形成等离子体。由前面的分析可知，靶面的压力经历从零专最大寸逐步衰减 变小号零的过程，随时间和空间位置的变化而不断变化，可根据靶面压力时空分 布的理论分析，来估算冲击波压力作用在靶面的冲量。靶面受到的总作用力对时 间的积分，即是其总动量的变化，也即靶面获得的冲量。设激光束模式是轴对称 的，是靶表面上离开激光束中心的距离，p o 是环境大气压力，p ( r ，t ) 是靶面 的压力分布，名( t ) 是t 时刻压力p = p 0 处的半径，乙为光斑中心压力降为风的 时间，则激光冲击波压力对靶材的冲量为： = rr p ( 吖) _ p o 2 ；r r d r d t ( 2 1 ) 江苏大学硕士学位论文 由于板料获得的冲击波压力远比环境大气压高的多，可忽略风的大小，因而其冲 量简化为： = f 4r p ( ，t ) 2 z c r d r d t ( 2 2 ) 在激光冲击成形中，靶面压力在激光脉宽作用时间内以及激光作用结束后的 变化，根据课题组前期的研究成果，即按照a n p i r r i 和g a s i m o n s 等人关于 l s c 和l s d 波传播的二维理论作出的理论分析，得到靶面压力随时间的衰减关系如 下： 当，t 时， p ( t ) = p ( 2 3 ) 当乞t 时， ， 当t 时， p ( t ) = p ( t p t ) 2 儿，r = r t ( t t p ) 1 7 2 ( 2 4 ) p ( t ) = p ( t p t , ) 2 7 3 ( 矿5 ，= 乃( ) 1 7 2 ( f f ，) 2 7 3 ( 2 5 ) 根据理论冲量式( 2 2 ) 及前面的理论分析式( 2 3 ) ( 2 5 ) ，可将板料受到的 冲量表示为： 。 i t = 毫 p t 2 冗r d r d t + 受譬p | o 冗r 出d t + 受譬p t 2 2 死r 西d l 川2 只 孕+ 3 4 t ，；【( 貉；- 1 】+ 雨1 5 t ，妙t o 1 5 - 1 】 ( 2 e ) 其中：a =为靶面中心的峰值压力，厶为入射激光的功率 “密度，巧为激光光斑半径，为激光脉宽，为侧向稀疏波传播至靶面中心的时间， 乞为靶面压力衰减为零的时间。 “ 综上可以看出，激光冲击波对板料的冲量主要体现在冲击波压力及其对板料 的作用时间上，与激光参数、能量转换体性能及靶材特性等多种因素有关，只有 当冲击波压力大于板料动态屈服强度时的冲量，才能对板料成形做有用功，而此 1 2 江苏大学硕士学位论文 后作用的冲量对板料成形特性并无多大的影响。 2 2 激光单次冲击成形的主要影响因素 2 2 1 涂层 通常认为涂层的作用有两个方面：一是提高能量的吸收率，二是防止金属材料 表面的烧蚀，涂层取代靶材表面而吸收能量汽化形成等离子体。因此，涂层厚度的 控制很重要。涂层太薄，激光能量可透过涂层而直接烧蚀金属材料；涂层太厚，会 对激光冲击波形成衰减，导致传到靶材的能量损失，降低激光冲击效果。理论上，最 佳涂层厚度应等于汽化层的厚度。若靶表面涂层吸收的激光能量全部用来靶面涂 层物质熔融和汽化，则由能量守恒定律得到衅1 ： ( 1 - p d e = a m c s ( 瓦一瓦) + 厶+ c ，( 瓦一l ) + 厶 ( 2 7 ) 式中，a m 为涂层因汽化而损失的重量；见为材料表面能量反射比；e 为激光能量； 勺为固态比热容；q 为液态比热容；瓦为物质熔点；t o = 2 7 3k ；t 为物质在相应 压强下的沸点；厶为物质熔融热；厶为物质汽化热。考虑到单位面积，并设汽化 厚度为d ，被吸收的激光功率密度为工，材料固态质量密度为p ，激光脉冲时间为t ， 则汽化厚度为b 2 ： d = 瓦万丽瓦( 1 - 瓦p , ) z t 万丽雨 ( 2 8 ) 尸 q ( 乙一瓦) + 厶+ q ( l 一) + 厶】 实际应用中，涂层厚度应略大于以上计算值，这是因为高温的涂层蒸气和等离 子体，会以热传导的方式继续将热能向金属靶的表面传播。涂层材料应满足的基本 要求是：对激光波长有强的吸收率、低的传导系数、低的相变热和升化能，这样既 可充分保护靶体，又可产生密度和温度更高的等离子体，从而诱发更高的冲击波压 力。铅、锌及黑漆、液墨等都是有效的表面吸收材料，因黑漆、液墨易于涂抹，而 成为激光冲击处理中最普遍的表面能量吸收层材料。 2 2 2 约束层 理论和实验研究都表明：约束层阻碍了等离子体的膨胀，增强了与激光能量的 耦合和冲击波的相互作用。因此，约束层结构能有效提高激光诱导的冲击波的峰压 值，增宽冲击波的脉宽。f a b b r o 等人提出了在约束模式下，激光诱导冲击波峰压的 江苏大学硕士学住论文 计算式： p - o o l 彘厢瓜丽丽( g p a ) ( 2 9 ) 定量说明了冲击波峰压与激光功率密度，0 、约束层阻抗z 之间的关系。在激光冲 击处理过程中，激光诱导的高压冲击波分别向金属靶和约束层中传播，传入靶材的 高压冲击波引起金属板料的塑性变形，而传入约束层中的冲击波当其强度足够强 时，会引起约束层的击穿破坏。为此，约束层必须要有一定强度和厚度。除此之外， 约束层材料应对激光波长透明，即要有很高的透光率，以及大的声阻抗和电离雪崩 阈值高的材料。激光冲击处理中所用的约束层材料有流体约束层( 如纯净蒸馏水等) 和非流体约束层( 如固体玻璃、弹性体硅胶等) 。相比较而言，非流体约束介质由 于透光率高( 如在波长为1 0 6pm 处，水的吸收率高达0 2 5 ，而有机玻璃为0 0 5 ) 【“】，安装方便等优点而在激光冲击试验中广泛采用。 2 2 3 激光参数 目前，激光冲击试验中主要使用波长为1 0 6i im 的n d ：g l a s s 激光器，功率密度 为g w c m 2 级，激光脉宽为n s 级。激光参数的选取对于激光冲击成形效果有很大的 影响。主要包括功率密度厶、激光脉宽r 、激光束能量f 和光斑尺寸d 等。其相 互关系为： e = z d 2 饥4 ( 2 1 0 ) 当表面涂层和约束层确定以后，由( 2 9 ) 式可以看出，激光脉冲的功率密度就 成为激光诱导的冲击波峰值的主要因素。根据成形板料的性能和尺寸可用下式近 似估计激光功率密度： 厶。= 1 0 0 ( 2 c t + 3 ) ( 2 t c 。d 。) 2 心a ) ( g w c m 2 ) ( 2 1 1 ) 式中，o ，为板料的动态屈服强度，t 为板料的厚度，d 一为单次激光冲击成形时的 最大尺寸，a 为相关系数，一般取为0 1 0 2 。 在激光器已定的情况之下，就可由初步估算的最小功率密度，根据( 2 1 0 ) 式 选定光斑直径和激光能量。通过选择激光能量、激光脉冲形状和重叠量、脉冲持 续时间以及脉冲数目，可以控制作用于每一个照射区域所产生的压应力的大小和 层深。通过系统地控制冲击区域的局部应力的大小，可实现工件大面积的精确成 江苏大学硕士学位论丈 形。 2 2 4 板料参数和约束边界 激光冲击诱导的板料塑性成形属于拉胀复合方式，板料参数如几何外形尺寸和 力学性能，以及边界条件如压边和“悬空”均对板料的成形轮廓和深度有较大的影 响。相对于喷丸等其它无模成形工艺，激光冲击诱导塑性成形的板料可以较厚，据 h a c k e l 等人的研究，激光冲击可用于厚度超过1 9 0 5 m m 的大板复杂成形1 “，这是其 它成形方法无法比拟的。实际应用中，求出不同激光冲击参数和约束边界条件下板 材的变形量是实现激光冲击精确成形的必要条件，为此，必须建立完整的数据库。同 时，也要优化激光冲击系统，改善光束质量，实现冲击波的定量、定位激发，为不同的 成形材料、不同成形方式、不同加工工艺系统建立精确的初始值和边界条件。 2 3 激光连续多点多次冲击成形 2 3 1 成形思想 受到单次冲击实验结果的启发，形成了激光冲击成形的基本思想，如图2 3 。 由于激光器脉冲能量的限制，冲击波成形中激光光斑直径一般取为2 1 0 m m ，当 板材成形区域或成形深度较大时，就必须采用多点、多次冲击，这时要根据板材 成形件的精度分别采用粗冲成形和精冲成形。粗冲成形即激光冲击头作垂直于板 料表面方向的冲击，选用适当的激光参数f 光斑尺寸、脉冲宽度、激光能量、光束 模式) 沿一定的冲击轨迹实施冲击后，板料产生变形量h i ( 见图2 3 a ) 。由激光位移 探针检测后，调整冲击头和成形面之间的距离，再以优化的参数和轨迹实施第二 轮冲击，板料的变形量增加到h 2 ( 见图2 3 b ) ，如此直到满足成形件的尺寸要求， 实现冲击量总和成形，这是折线逼近曲面形状的原理。粗冲成形由于冲击头作等 高线运动，致使成形表面粗糙度较大，在各次冲击后的搭接处会存在局部凸起。 精冲成形是在