（机械电子工程专业论文）金属板料激光冲击成形控制方法研究.pdf

江苏大学硕e 学位论文 摘要 激光冲击成形是利用激光与物质相互作用产生冲击波的力效应使板料发生 塑性变形的成形方法，其成形原理足利用高能短脉冲激光束穿过透明约束层照射 到涂覆在金属板料表面的能量吸收层上，能量吸收层吸收激光能量温度升高气 化，气化后的蒸汽吸收激光能量形成等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸， 形成动量脉冲，在约束层的作用下产生向板料内部传播的强冲击波，当冲击波压 力大于板料的动态屈服极限时，板料产生变形。 本文研究分析了金属板料成形的物理过程，讨论了影响激光单次冲击成形效 果的因素，同时叙述了在此基础上形成的激光多点多次分层冲击精确成形思想和 工艺，规划了冲击成形的工艺流程；探讨了n u r b s 造型方法，为进行n u r b s 曲面 造型打下基础； 根据定义的激光冲击加工指令，以v c 中m s c o t m 通信控件为核心编写了后台 通信处理程序，分层切片软件实现了在p c 上加工轨迹的自动生成，利用激光冲 击下板料变形的智能在线测量，通过上下位机的配合，实现冲击流程的自动进行。 最后，利用n u r b s 曲面表示了冲击成形曲面的造型，并利用o p e n g ln u r b s 造型技术，实现了在计算机上冲击曲面的真实再现，为今后激光冲击成形的可视 化做出了一定的基础准备。 关键词：激光冲击成形，n u r b s ，曲面造型，o p e n g l 江苏大学硕t 学位论文 a b s t r a c t l a s e rs h o c k f o r m i n gi st h ef o m l i l l gm e t h o dt h a tt h ef o r c eo fs h o c k w a v e sg e n e r a t e d b yl a s e ra n dm a t e l s a lm a k e st h em e t a ls h e e tb ed e f o r m e d t h ef o m l i n gp r i n c i p l ei s t h a t h i g he n e l ：g ya n ds h o r tp u l s el a s e rg o e st h r o u g ht h et t a n s p a r e n tr e s u a i n1 a y e ra n di r r a d i a t e s t h el a y e rc o v e l t s0 1 3t h e 自】r 触o ft h em e t a ls h e e tw h i c ha s s i m i l a t e se n e r g y t h el a y e r a s s i m i l a t e sl a s e re n e r g ya n dt h et e m p e r a t u r eg e t sh i g h e r , t h e nt h el a y e rt u l m $ t ob e p n e u m a t o l y a c t h ew i p o ra s s i m i l a t e st h el a s e re n e r g ya n dc o n i c si n mb e i n gp l a s m a t h e p l a s m aa s s i m i l a t e st h el a s e re n e r g ya n de x p l o d e s ，g e n e r a t i n gm o l t l e n t u n 3p u l s e u n d e rt h e e f f e c t so ft h er e s t r a i nl a y e r , t h ep u l s eg e n e r a t e sp o w e r f u ls h o c k r f l v e 8w h i c ht x a n s m i tt o t h ei n n e ro ft h es h e e t w h i l et h ep r e s s u r eo ft h es h o c kw a v e si ss t r o n g e rt h a nt h ed y n a m i c y i e l dl i m i t , t h em e t a ls h e e td e f o r m s t h ep h y s i c sp r o c e s so ft h ef o r m i n gw a f tr e s e a r c h e da n da n a l y z e di nt h ep a p e r t h e i n f l u e n c ef a c t o r so f o n el a s e rs h o c kf o r m i n gw a sd i s c u s s e d , o nt h eb a s i so f t h a t , t h ep r e c i s e f o m 】i n gi d e ao fm u l t i - p o i n t sa n dm u l d - t i m e sw d e s c r i b e d , t h e nt h et e c h n o l o g yf l o ww a s d e s i g n e d n u r b ss c u l p tm e t h o dw a sd i s c u s s e d , w h i c h1 3 3 a d eaf o u n d a t i o nf o r 目_ ：缸 m o d e l i n g a c c o r d i n gt ot h ei n s t r u c t i o n sd e f i n e df o rt h el a s e rs h o c kp r o c e s s ，m s c o m mi nv c w a su s e dt oc o m p i l et h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e t r a c ko fl a s e rs h o c kf o m l gc a nb e c r e a t e da u t o m a t i c a l l yo np cb ys l i c es o f t w a r e d i s t o r t i o no fs h e e tm e t a lc mb em e a s u r e d r e a lt i m e t h es h o c kp r o c e s s i n gc mc a r r y 山r o u g ha u t o m a t i c a l l yb yn m o no ft h e c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ra n ds e r v a n tm c u s a tl a s t , n u r b sw a su s e dt os c u l p tt h ef o m l i n gs u r f a c e a n dt h eo p e n g ln u r b s m o d e l i n gw a su s e dt of 1 c h i e , v et h er e a p p e a r a n c eo fs h o c ks u r f a c eo nc o m p u t e r ，w h i c h m a d eaf o u n d a t i o nf o rt h ev i s u a lf o m , i n go f l a s e rs h o c k k e y w o r d s l a s e rs h o c ke o r m i n g , n u r b s ，s u r f a c em o d e l i n g , o p e n ( 3 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，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皈，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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密围。 学位论文作者签名：j1 驻脚 研年6 月孑日岱日 瓠一叭 w 础 名、，f 签肿 f ， j y 、z 一吲 导 b 日 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己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。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：了澎鼻 日期：0 7 年月，3 j 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 回顾2 0 世纪对人类社会产生重大影响的科技发明，激光器的诞生无疑是一 个极为耀眼的亮点，激光以其无与伦比的技术优势正继微电子技术之后，推动人 类科学技术进入新的发展阶段。专家们认为，现在是电子技术的全胜时期，其主 角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是激光。激光因具有单色性、相干 性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。 激光加工是激光应用最有发展i j 途的领域，激光加工技术是利用激光束与物 质相互作用的特性对材料( 包括金属与非金属) 进行切割、焊接、表面处理、打 孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测 等多门学科的一门综合技术，具有加工速度快，热影响区小，无工具损耗，无噪 声污染，激光束传递方便，易于控制等特点。 1 1激光加工技术的发展概况和趋势 1 9 6 0 年美国休斯公司的t m a i m a n 发明了世界上第一台红宝石激光器，自 此，人们就开始探索激光这种新型的相干性光源的应用。随着各种新型激光器不 断出现，激光器的功率也不断地得到提高，激光的应用领域也不断扩大，目前激 光技术已经在工业、农业、国防、医学等诸多领域中的到了广泛的应用并推动了 相关行业的发展。如激光应用于检测、测距、准直，大大提高了测量精度和自动 化程度；激光应用于通讯，使通讯技术产生质的飞跃；激光应用于医学，可治疗 多种疾病，而且效果显著；激光应用在材料加工领域，如打孔、切割、焊接、热 处理、打标和微加工等方面，解决了许多常规方法无法加工或很难加工的问题， 大大提高了生产效率和加工质量，被称为未来制造系统共同的加工手段。 自激光作为一种新型的加工手段进入材料加工领域以来，由于其无接触、无 切削力、加工柔性度高等特点得到许多国家的重视，发达国家为了在全球竞争环 境中占据世界信息技术的制高点，赢得主动权，纷纷加紧实施激光产业发展计划， 如美国的“激光核聚变计划”，德国的“激光2 0 0 1 行动计划”，英国实施“阿维尔计 划”，日本启动“激光研究五年计划”等。这些项目的实施，有效推动了全球激光 江苏大学硕e 学位论文 产业进入高速发展阶段。 在国内，激光技术也得到了重视并取得相当大的发展，1 9 6 1 年我国研制成 功国内第一台红宝石激光器，1 9 6 3 年研制成功激光打孔机，并在1 9 6 5 年正式在 拉丝模和手表宝石轴承的打孔中得到应用。1 9 7 6 年激光切割在汽车制造业中得 到应用。从1 9 7 8 年起对激光热处理进行了系统的研究和工业应用，取得了重要 的成果。自1 9 8 2 年起激光加工技术被列入“七五”、“八五”、“九五”国家科技 重点攻关课题，同时在国家自然科学基金，国家“8 6 3 ”计划以及国家“火炬” 计划中也有激光加工的项目。到目前为止，我国在激光打孔、激光切割、激光焊 接、激光热处理等方面已经有非常多的成功应用范例，激光合金化、激光制备新 材料、激光快速三维立体成形等已经开始进入实用化阶段闭。 激光加工技术的发展趋势可以概括为： 1 数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精 度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展 的一个重要趋势。 2 ，j 、型化和组合化国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台 机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特 点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。 3 高频度和高可靠性目前，国外y a g 激光器的重复频度已达2 0 0 00 ：秒， 二极管阵列泵浦的n d ：y a g 激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到 l 2 万小时。 4 采用激元激光器进行金属加工，这是国外激光加工的一个新课题。激元激 光器能发射出波长1 5 7 3 5 0 纳米的紫外激光。大多数金属对这种激光的反射率 很低，吸收率相应很高，因此，这种激光器在金属加工领域有很大的应用价值。 1 2 激光冲击成形技术 1 9 7 2 年，美国b a t t l e l l sc o l u m b u s 实验室的f a i r a n db p 等人首次 用高功率脉冲激光诱导的冲击波来改变7 0 7 5 铝合金的显微结构组织和机械性 能，研究表明7 0 7 5 铝合金材料经激光冲击后，其屈服强度提高3 0 。由于激光 具有良好的可控性及可重复性等诸多特点，因此脉冲激光产生的冲击波成为研究 2 江苏大学硕士学位论文 固体表面改性的新工具，从此揭开了激光冲击波处理材料的应用研究序幕。 激光冲击成形也是利用激光与物质相互作用产生冲击波的力效应使板料发 生塑性变形的成形方法。其成形原理如图1 1 所示：高能短脉冲激光束穿过透明 约束层照射到涂覆在金属板料表面的能量吸收层上，能量吸收层吸收激光能量温 度升高气化，气化后的蒸汽吸收激光能量形成等离子体，等离子体继续吸收能量 发生爆炸，形成动量脉冲，在约束层的作用下产生向板料内部传播的强冲击波， 当冲击波压力大于板料的动态屈服极限时，板料会发生拉胀式变形。 图1 1 激光冲击板科成形模型 激光冲击成形是一种全新的板料塑性成形工艺，与传统的板料拉伸成形、激 光热应力以及激光喷丸成形在机理上均不同，激光冲击成形有四个鲜明的特点 【4 】： ( 1 ) 成形压力高，激光与物质相互作用产生的冲击波的压力达到g 砌量级； ( 2 ) 超快，在几十纳秒内完成塑性变形； ( 3 ) 高应变率，达到1 0 7 _ 1 0 9 量级； ( 4 ) 成形无需模具，不需外力。通过激光脉冲参数和脉冲轨迹控制板料的成 形量和成形形状，节省传统冲压成形中模具制造和调试时间，缩短产品制作周期。 激光冲击成形也是在对激光冲击强化研究过程中发展起来的，1 9 9 8 年美国 w i l l i a mb r a i s t e d 、r o b e r tb r o d o n a n 在对激光冲击过程进行有限元模拟时发现， 金属板料在激光脉冲作用下，冲击波压力大大超过板料的动态屈服强度时，板料 会产 生 塑性变形 。2 0 0 3 年美国的 t h o r dt h o r s l u n d 、f r a n z j o s e fk a h l e n 、a r a v i n d ak a r 等人发表题为 3 江苏犬学硕l 学位论文 t e m p e r a t u r e , p r e s s u r ea n ds 打 e s sd u r i n gl a s e rs h o c kp r o c e s s i n g 的文章，对激光冲 击过程中的温度、冲击波压力以及残余应力进行了研究，文中介绍了计算温度， 压力和应力的数学模型，指出，在激光冲击过程中，冲击波的压力超过板料的屈 服强度时，板料会发生塑性变形。同年，沙特阿拉伯的a b u lf a z a l 、m a 珂也进 行了金属板料激光冲击的塑性变形和残余应力分布的研究，并对激光诱导的冲击 波的传播用有限元的方法进行了模拟。 在国内，江苏大学率先对激光冲击成形这一新的成形技术进行了研究，到目 前为止，他们已经对激光单次冲击成形进行了初步的研究，并取得一些成果。同 时对激光多点冲击也进行了一些探讨鲫。 1 3曲面造型技术的现状与发展 曲面造型技术是计算机辅助设计和计算机图形学中最为活跃、同时也最为关 键的学科分支之一，随着c a d c a m 系统的逐渐发展，a 别c a l 技术及其应用 水平已成为衡量一个国家的科技现代化和工业现代化的重要标志之一，几何造型 是c a d c a m 系统的核心技术部分。六十年代发展起来的以研究几何造型为目 的的计算机辅助几何设计( c a g d ) 是c a d c a m 的一个重要研究内容。 计算机辅助几何设计c a g d ( c o m p u t 贮ra i d e dg e o m e t r i cd e s i g n ) 是1 9 7 4 年由 巴恩希尔( b a r n h i l l ) 与里森菲尔德( r i e s c n f c l d ) 在美国犹他( u t a h ) 大学的一次国际会 议上提出，以描述计算机辅助设计的更多的数学方面。白此，计算机辅助几何设 计开始以一门独立的学科出现。 1 3 1 曲面设计基础 计算机辅助几何设计主要研究在计算机图象系统的环境下对曲匠的表示、设 计、分析和绘制，它肇源于飞机、船舶的外形放样( l o f t i n g 、工艺。1 9 6 3 年，美国 8 0 c i n g 飞机公司的费格森( f c r g u s o n ) 首先提出了将曲线曲面表示为参数的矢函数 方法。他最早引入参数三次曲线，构造了组合曲线和有四角点的位罨矢量及两个 方向的切矢定义的费格森双三次曲面片。他所用的曲线曲面的参数形式从此成为 形状数学描述的标准形式。1 9 6 4 年，美国麻省理工学院的孔斯( c o o n s ) 发表了一 4 江苏大学硕士学位论文 个具有一般性的曲面描述方法，给定围成封闭曲线的四条边界就可以定义一片曲 面片c o 咖s 曲面，1 9 6 7 年，他进一步推广了这一思想。1 9 7 1 年，法国雷诺 ( g e n a u l 0 汽车公司的贝齐尔( b e z i e r ) 提出了一种由控制多边形或网格顶点定义曲 线曲面的方法。设计员只要移动控制顶点就可以方便地修改曲线的形状，而且形 状的变化完全在预料之中。这种方法简单易用，出色的解决了整体形状控制问题。 其在c a g d 中学科中占有重要的地位，广为人们接受，为c a g d 的进一步发展 奠定了嚷实基础。德布尔( d eb 0 0 0 于1 9 7 2 年给出了关于b 样条的一套标准算法， 美国通用公司的g o r d o n 和r i e s e n f e l d 于1 9 7 4 年将b 样条理论用于形状描述，提 出了b 样条曲线曲面。他继承了贝齐尔方法的一切优点，克服了贝齐尔方法的 缺点，较成功的解决了局部控制问题，轻而易举地在参数连续性基础上解决了连 接问题。所以，贝齐尔曲线、曲面被看作b 样条曲线、曲面的一种特例，而b 样条比贝齐尔方法更具一般性，即任何分段光滑多项式曲线、曲面均可用b 样 条曲线、曲面表示。b 样条方法较成功地解决了自由型曲线曲面的描述问题。然 而，将其应用于圆锥截线及初等解析曲面却是不成功的，都只能给出近似表示， 不能满足大多数机械产品的要求。美国s y r a c u s e 大学的v e r s p r i l l e 于1 9 7 5 年在他 的博士论文中首先提出了有理b 样条方法。以后，主要由于p i e # 、t i l l e r 和f a r i l l 等人的功绩，至2 0 世纪8 0 年代后期，非均匀有理b 样条( n o n u n i f o r mr a t i o n a l b - s p l i n e ，简称n i m b s ) 方法成为用于曲线曲面描述的最广为流行的数学方法。 非有理与有理贝齐尔曲线曲面和非有理b 样条曲线曲面都被统一在n u r b s 标准 形式之中，因而可以采用统一的数据库。国际标准化组织( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ，简称i s 于1 9 9 1 年颁布了关于工业产品数据交换的 s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 际标准，把n u r b s 作为 定义工业产品几何形状的唯一数学方法。1 9 9 2 年，n u r b s 又成为规定独立于设 备的交互图形编程的p h i g s ( p r o g r a m m e r sh i e r a r c h i c a li n t e r a c t i v eg r a p h i c s s y s t e m ) 国际标准【1 l o 1 3 2n u r b s 方法 n u r b s 方法的引入主要是为了与描述自由型曲线曲面的b 样条方法相统一， 又能精确表示二次解析几何。许多产品数据交换标准如：s t e p 、p d e s 、i g e s 均 江苏大学硕 学位论文 将其列为优选的或唯一的自由型曲线曲面标准。目前，各种商品c a d c a m 软 件均采用了n u r b s 方法，其理论研究成果正在迅速转化为生产力。 n u r b s 方法足建立在普通的b e z i e r 方法和b 样条方法基础之上，具有如下 优点： 1 )既为标准解析形状( 即初等曲线曲面) 也为自由型曲面的精确表示与设 计提供了一个公共的数学表达式。因此一个统一的数据库就能存储这 两类形状信息。 a由操纵控制顶点及权因子为各种形状设计提供了充分的灵活性。权因 子的引入更加丰富了形状控制的内涵。 3 1n u r b s 有明显的几何解释。 4 ) n u r b s 有强有力的几何配套技术( 包括节点插入细分消去、升阶、 分割等1 ，适用于设计、分析与处理等各个环节。 5 1n u r b s 在比例、旋转、平移、剪切以及平行和透视投影变换下是不 变的。 俞计算快速、稳定。 nn u r b s 方法是非有理b 样条方法在四维空问的直接推广，多数b 样 条曲线曲面的性质及算法可适用于n u r b s 方法。 n u r b s 方法的这些突出特点，理所当然地导致它成为新一代几何造型系统 所采用的数学描述方法，并成为i g e s 、p d e s 等产品几何定义中曲线、曲面的 定义标准嘲。 1 4 数控加工与数控编程技术发展概况 计算机辅助制造( c a m ：c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 是利用c a d 、c a p p 的信息在数控加工设备上实现制造自动化。c a m 的主要任务是选择加工工具、 生成加工路径、消除加工干涉、配置加工驱动、仿真加工过程等，以满足小批量、 高精度、短周期和加工一致性要求高的产品制造的需要，进而实现 c 黼a p p c m 的集成。计算机辅助制造中最核心的技术是数控技术。 数控加工主要分为下述两个步骤： 1 )程序编制根据图纸，按数控机床控制系统要求确定加工指令，完 6 江苏大学硕十学位论文 成零件数控程序编制； 2 )加工过程将得到的数控程序传输到数控机床，控制机床哥坐标的 伺服系统，驱动机床，使刀具和工件严格执行程序规定的相对运动， 加工出符合图纸的零件。 1 4 1 数控自动编程技术 数控编程技术是数控技术中与数控系统、驱动系统并驾齐驱、同等重要的组 成部分。因此，从数控机床诞生之处，数控自动编程技术就受到了广泛关注，成 为c a d c a m 系统中重要组成部分，各工业发达国家己投入了大量的人力物力开发 实用的数控编程系统1 。 加年代末，美国开始研究数控加工技术，并于1 9 5 2 年生产出第一台数控机 床，从此数控加工技术应运而生。编制零件加工程序是数控应用的重要环节，靠 手工编程无法满足数控加工( 特别是复杂零件) 的需求，在5 0 年代初期，美国 开始了用于机械零件的数控自动编程技术一- - a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e d t 0 0 1 ) 语言的研究，形成了早期的c a d 系统。其后，a p t 在工业界的广泛协作下， 由m i t 组织美国各大飞机公司共同开发，形成了a p l 2 。到了6 0 年代，在a p t 2 的基础上研制的a p t 3 ( - - 维切削用1 已经达到一定的应用阶段。以后，a p t 又几 经修改和充实，发展成为a p t 4 ( 算法改进，增加多坐标曲面加工功能1 、a p t - a c 编程的2 5 3 0 。1 9 7 5 年法国达索公司引进c a d a m 系统，为已有的二维加工系 统增加二维设计和绘图功能。在对数控编程功能进行扩充后，1 9 7 8 年决定研究 满足三维设计、分析和数控加工要求的系统，成为c a t i a 系统。8 0 年代初，该 公司将c a t i a 用于飞机吹风模型的设计和加工，使其设计制造周期得以大大缩短 【衢】 o 随着q 址i c a m 技术的发展，数控加工系统也从语言编程发展为图形交互编 程，进而实现了c 雠m 一体化。现代的c a m 技术已经成为c a x 体系的重 要组成部分，与c a d 系统集成在一起，直接在c a d 建立起来的参数化、全相 关的三维几何模型( 实体+ 曲面) 上进行加工编程，生成正确的加工轨迹。与批 处理的语占型数控加工编程系统相比，这样的系统能够提供单一准确的产品几何 模型，几何信息的产生和处理手段灵活；引入了参数化设计功能以后，通过成组 7 江苏大学硕 学位论文 编码和特征建模技术，使得c a d 环节易于和工艺过程设计和数控加工自动编程 相衔接。目前的商品化数控加工编程系统基本上都是属于这一类。 1 4 2 数控加工过程的仿真模拟 数控加工过程仿真模拟的意义在于利用计算机图形的手段，对实际加工过程 进行快速有效的模拟。随着高速计算机和图形显示设备及算法的不断研究发展， 仿真模拟的技术逐渐广泛地应用在生产中，虚拟加工的实际过程，通过控制加工 过程的进行，不断改变观察方向和位置，并利用其它一些必要的图形手段，在虚 拟的加工环境中及早地发现问题，以求替代或大幅度地减少试切加工，从而达到 降低生产成本、提高产品质量的目的。 1 5 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，本课题的目的是用 v c 在上位机开发轨迹自动生产、变形反馈处理以及辅助控制软件，使冲击过程 完全实现自动化，为会属板料精确冲击成形服务。 论文工作及主要研究内容归纳如下： 1 研究当i ；i f 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 用v c 开发控制软件，在p c 上实现加工轨迹的自动生成，通过与下位机 单片机魄通信，实现冲击流程的自动监视和控制； 3 激光冲击下板料变形的智能在线测鼍方法和技术开发； 4 利用0 p e n g l 进行冲击成形曲面的n u r b s 造型仿真，实现激光冲击成形的 可视化； 5 对所设计的上位机软件进行调试工作。 8 江苏大学硕七学位论文 第二章激光冲击成形的理论基础研究 2 1 激光冲击成形模型 1 9 6 1 年美国t e 硒d ，a e k 发现脉冲激光作用在材料表面能产生高强度的冲击 波。高功率激光脉冲照射在材料表面上，使材料表面层发生爆炸性气化，从而产生一 个高压冲击波。利用强激光产生的超高压已应用于惯性约束聚变和激光冲击强化 处理等多种基础研究和工程应用领域。激光冲击处理是利用激光诱导的高幅冲击 波产生的高功率密度( g w c m 2 级) 短脉冲( 几十m ) 强激光冲击金属表面，使金属表面 部分涂层气化、电离，形成向金属内部传播的强压缩应力波( 即冲击波) 。由于激光 诱导产生的冲击波峰值应力大于材料的动态屈服强度，从而板料产生密集、均匀以 及稳定的位错结构，使金属表面发生塑性变形，在金属表面层内形成残余压应力，提 高了金属零件的强度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳寿命，因而激光诱导的应力波是材 料强化的能量源。一般认为，对这种持续时间极短( 约2 0 - 4 0 n s 的量级) 的脉冲激光，能 量在材料中的弥散( 热传导产生的耗散) 可以忽略，其作用是在局域激光辐照区附近 的力学效应。为获得理想的激光冲击波压力，历史上曾出现过两种不同物理模型， 第一种是让激光直接辐照在金属靶材上，即所谓的非约束模型，第二种是在金属靶 上加黑色涂层和透明约束层，人们把这种冲击结构称为约束模型| 1 q 。 非约束模型亦称直接烧灼模型，如图2 1 所示，激光束直接辐照在置于真空或 空气环境中的靶材表面上，靶材表面直接受到激光束的辐照，被辐照区域表面很薄 的一层物质鳓1 0 2 0 “m ) 被瞬间加热汽化并形成等离子体云，高速向逆着激光入射 方向喷发，产生冲击波，但结果发现这种模型所获得的冲击波压力不商( m p a 量级) ，而 且在辐照过程中等离子体的加热和冷却对激光能量的响应很快。冲击波持续时间 与激光能量的持续时自j 基本一致。故冲击波持续时间与激光脉宽基本相等，另外，由 于激光直接跟靶材表面相互作用，降低了靶体表面质量，反而破坏了基体材料性能 阴。 约束模型为了提高冲击波的压力o k e e f e 等在材料的光吸收表层涂一层对激 光透明的气化物质，而a n d e d l o l m 则把金属箔和透明固体贴在金属靶上，直至后来 a h c l a u e r 等采用金属靶材上加黑色涂层和透明约束层的冲击模型，建立了激光冲 击的约束模型( 图2 1 e o ) ) 。约束模型对非约束模型的冲击压力产生机制进行了巧妙 的修正，首先，在金属材料表面覆盖一层对激光波长不透明的物质( 通常为黑色涂层) ， 9 江苏大学硕e 学位论文 然后再在其上加上对激光透明的材料，也就是约束层，当激光束穿过透明约束层后， 激光能量被不透明的黑色涂层吸收，黑色涂层在激光作用下变成等离子体，不但有 效抑制激光对金属表面的热影响，而且保护了被冲击工件。另外，由于约束层的存在， 有效增大了等离子对激光能量的吸收，产生的等离子体会持续吸收剩余的激光能 量，从而延长了等离子体的加热时间。与非约束模掣相比，约束模型下冲击波峰可压 达至1 1 0 g p a ，激光冲击波的脉宽也提高到激光脉冲宽度的2 3 倍。 激光束 卅于 金属靶材刎 ( a ) 非约束模型 i lj f _ 赢孑_ 罨色涂层 f j - - - l _ - 匕，金属靶材刊 ( b ) 约束模型 图2 1 两种冲击模型示意图【1 0 l 2 2 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，引起板料宏观的翅性变形，因此激光冲击板料变形的 前提足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 2 所示【l o l 。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 ，远远大于材料的动念屈服强度， 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 江苏大学硕上学位论文 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【1 0 l 。 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。 l ：激光束2 ：约束层3 ：能量吸收层4 ：靶体5 ：等离子体 图2 2 掘抖激光冲击下变形机理 2 3 激光冲击加载下板料的变形过程 高能激光冲击金属板材，其上的能量转换体吸收激光能量后气化电离，形成 高温高压的等离子体，等离子体继续吸收激光能量，爆炸形成高压冲击波传向工 件，施于靶材一个冲量，使得靶材产生变形，如图2 3 所示，金属板料的变形经 历了从弹性变形到塑性变形的过程，丽要使板料产生塑性变形，作用于其上的冲 击波压力所诱导的板料内应力必须大于其动态屈服强度阙值。可见，激光诱导冲 击波压力的大小及其分布对板料变形会产生很大的影响。根据前面激光冲击物理 过程的分析，板料在激光冲击波加载下的变形过程可以分为以下几个阶段i ，o l ： 1 ) 在激光脉冲作用期间，高能激光能量沉积在能量转换体的吸收薄层 上，形成高温等离子体爆炸向外喷溅，作用于靶面一动量脉冲，靶面 的压力从零迅速上升，此时板料已产生动态响应，但还未出现宏观的 i i 江苏大学硕l 学位论文 弹性变形，设此时的时间为毛 脉冲激光 太少 奇笼量聋睾换体 之多之多 p t冲凌浚疆力 r uu 板辩靶树 二正 弋：兰产 图2 3 激光冲击板料变形过程 由于能量转换体中约束层的存在。向外喷溅的等离子体受到约束限 制，等离子体的压力迅速增大，使作用于板料上的压力也逐步增大， 扳料开始弹性变形，但冲击波作用下的板内应力小于板料的动念屈服 强度( 盯d ) ，设此时的时间为t 2 ； 3 )随着激光能量的不断沉积，诱导的冲击波压力不断升高，当板料所受 应力超过板料的弹性极限时，材料进入塑性状态，在大于其动态屈服 强度时( 盯乏醒) ，板料开始蝗性变形，设此时的时间为岛； 铆激光脉冲结束后，因等离子体冷却是一个及其快速的过程，其与外界 的能肇交换可以忽略。但由于约束层的增压和延展作用，等离子体保 持着一个递减的高压，压力维持在一个较高的水平( 吒之盯2 d ) ，板 料变形将继续进行； 江苏大学硕t 学位论文 5 1由于激光脉冲已经结束，等离子体己没有外部能量支持，随着板料变 形的进行，等离子体压力逐渐衰减，导致作用在板料上的压力也逐渐 下降，当板料应力小于板料的动态屈服强度时( 盯t 砖) ，板料己不具 备有效的变形外力，板料变形即将停止，设此时的时间为； 国虽然板料已无有效变形外力，但还存在冲击波旌于的冲量，且先前在 冲击波作用下发生极高速变形，板料获得很大的动量，在惯性力作用 下还会产生小量变形，设此时时间为厶； 乃板料在高速惯性力下的变形结束，至此板料的整个变形过程结束，虽 然此时板料还具有一定的冲量，但已不能改变板料的变形状态【堋。 2 4 激光单次冲击成形的主要影响因素 根据激光冲击成形的模型可以看出，影响激光单次冲击成形的主要影响因素 是约束层、激光能量和能量吸收层等等f 1 2 1 。 2 4 1 约束层的选择 目前激光冲击成形使用的都为约束模型，即在受冲击靶材上涂上黑漆( 能量 吸收层) ，其上再覆盖一层对激光透明的物质( 约束层) ，然后进行激光冲击成形 处理。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。目前激光冲击处理中主要使用水和玻璃做为约束层， 此外还有学者使用柔性贴膜等材料作为约束层。研究如何选择约束层对于激光冲 击处理工艺有着重要的意义。 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计算式： 尸- o 0 1 撬厕瓜丽丽( g p a ) ( 2 1 ) 定量说明了冲击波峰压与激光功率密度厶、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 1 3 江苏大学硕l 学位论文 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。 通过上述分析，可知激光冲击处理的约束层的一般选择原则如下： 1 ) 约束层材料应该是对激光透明的材料； 2 ) 约束层材料应采用波阻抗大的材料： 3 ) 约束层材料应采用电离雪崩阈值高的材料； 4 ) 约束层材料应有足够的抗拉强度和厚度。 根据上述原则，目前激光冲击处理选用的约束层材料主要为水和玻璃。玻璃 的波阻抗较大，可以增强增压效果；但是对于复杂曲面，玻璃约束层无法紧密贴 合靶材，在这种情况下水则更适合作为约束层，而且水作为约束层更为经济响。 2 4 2 激光参数的选择 目前研究中主要使用波长为1 0 6 p m 的激光器，激光功率密度大于1 0 9 w c m z ， 激光脉宽为? i t s 级或卵级。激光参数的选择对于激光冲击强化的效果有着直接的 影响，激光功率密度，激光能量e ，脉宽f ，光斑直径d 有以下关系鲫： e - n ：d 2 饥4 ( 2 2 ) 当表面涂层和约束层确定以后，由( 2 1 ) 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m 一1 0 0 ( 2 0 t + 3 ) ( 2 t o p ，d 一) 2 ( z ( g w c m 2 ) ( 2 3 ) 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 。 激光功率密度的选择还要根据约束层的击穿阈值来考虑，如激光在穿过约束 层时，在约束层表面产生等离子体，则过高的功率密度不但不能提高冲击波峰压， 想反会起到降低冲击波峰压的作用。 2 4 3 能量吸收层的选择 能量吸收层即涂层在激光冲击处理的过程中手要有两个作用：吸收激光能量 1 4 江苏大学硕士学位论文 产生等离子体和保护材料不受激光烧蚀。冲击过程中所使用的涂层一般为选择性 吸收涂层，需对所使用的激光波长有尽可能大的吸收率。 冲击过程中涂层的厚度对冲击波峰压有很大影响，涂层太薄，强激光将使金 属表面烧蚀，导致金属表面产生残余拉应力，降低金属的疲劳性能；涂层太厚， 冲击波在涂层中传播时严重衰减，导致作用在金属表面的冲击波峰压降低，影响 冲击效果。冲击过程中涂层厚度通常选择2 0 1 0 0 m m 。实际冲击过程中除了使用 黑漆作为涂层外，还有金属氧化物、胶体石墨等，同时可以使用金属磷化层作为 涂层。 另外，如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1 1 0 l 。 2 5 激光多点多次分层冲击精确成形 2 5 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 r n 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、分层冲击，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，采用激光快速成形中 的分层制造思想，选用适当的激光参数( 光斑尺寸、脉冲宽度、激光能量、光束 模式) ，利用s t l 文件的离散三角面片信息，对s t l 模型分层处理，采用一定算 法，自动生成冲击轨迹实施冲击，扳料产生变形量h l ，y 方向是变形方向，在粗 冲过程中，每冲击一个点，在线实时检测出变形量，将每次冲击点的坐标及由激 光位移测量传感器反馈的对应点的变形量进行保存、比较、排序，x , z 坐标相同， 则把变形量累加，直至粗冲完毕。 粗冲完成以后，一般成形表面粗糙度较大，冲击点与两个冲击点之间的搭接 处位移不同，因此整个成形区显得凹凸不平，这就需要进行精冲。精冲成形思想 是采用适当的工艺参数，根据粗冲的各点冲击累积变形量的大小比较的结果，找 出变形最小的点开始冲击，同时加入下位机变形实时反馈，对变形量未达到点进 江苏大学硕l ：学位论文 行冲击，最终实现板料的精确成形。 2 5 2 工艺分析 金属板料的大面积激光冲击成形加工必须采用连续多点多次分层的冲击方 法，而上文对激光冲击成形影响因素的讨论都是针对激光单次冲击而占的。在这 种情况下，除了要考虑涂层、约束层、激光参数、板料参数和约束边界等因素外， 还要考虑i ；i 后冲击点之自j 的相互影响关系。第一，板料表面涂层在受到冲击后， 受冲击区域内的涂层必然要被部分或全部消耗，如在此区域继续冲击，则必然会 引起板料表面的烧蚀，因此下一点的激光冲击位置要避开前一点的涂层消耗区域 或者在冲击一轮后，重新涂敷能量吸收层；第二，固体约束如有机玻璃、弹性体 硅胶薄膜等由于在承受一次高能量的激光脉冲冲击后容易破损，因此不能在激光 连续多点冲击中使用，目前比较适合激光连续多点冲击的约束层是流动的水层； 第三，多次分层冲击中，板料在经过激光冲击后，表面存在冲击波强化( 即加工 硬化现象) ，导致后续变形更加困难，因此在多次分层冲击成形时，如何合理选 择激光参数，