（材料加工工程专业论文）钛合金薄板激光成形特性研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 本文对t i 6 a 1 4 v 钛合金薄板进行了激光弯曲成形工艺的试验研究，结 合钛合金高强比、高硬度、难成形的特点，采用激光反复扫描的方法进行钛 合金薄板单轴弯曲试验。采用红外测温仪及激光测距仪对激光成形过程中扫 描区的温度及弯曲角变化及进行实时监测，文中详细分析了t i 6 a 1 4 v 钛合 金成形过程中的主要问题，研究了激光功率p 、扫描速度v 、扫描次数疗、 光斑直径d 及累积线能量a l e 对钛合金薄板弯曲特性的影响觌律，试验发 现，光斑直径对钛合金薄板的激光弯曲规律有显著的影响。 在工艺试验的基础上，本文进一步对多次扫描条件下t i 6 a 1 4 v 钛合金 的微观组织与力学性能进行了测试分析，结果发现经过多次扫描后扫描区的 微观组织由细小的等轴口+ 口组织向粗大的钛马氏体a 组织转变。t i 6 a 1 4 v 合金的抗拉强度与硬度随热输入增加而增加，塑性下降，抗冲击能力先增大 后减小。从不同的弯曲角动态变化规律来看，多次扫描后板材扫描区的增 厚、预弯角及组织的变化影响加热与冷却过程中弯曲角的变化规律，初始条 件下，加热阶段材料正向弯曲，冷却阶段弯曲角几乎不变；经过多次扫描 后，加热阶段材料正向弯曲，但波动较大，冷却阶段弯曲角继续增大。 最后对钛合金薄板的弯曲机理进行了综合分析，影响弯曲规律的主要因 素包括：扫描区整体温度丁、厚度方向温度梯度r 、及塑变区宽度矿。综 合各种影响因素发现，不同热输入条件下，某种因素起主导作用。当光斑直 径较小情况下，整体温度起主导作用；大光斑直径条件下，温度梯度起主导 作用。总而言之，上下层金属塑性变形差越大越有利于变形。 关键词钛合金；激光成形：微观组织：动态特性 2 至鋈三些盔兰三兰翟土兰竺兰兰 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , t h e l a s e r b e n d i n gp r o c e s s o ft i 6 a i - 4 vt h i ns h e e t sw a s i n v e s t i g a t e dw i t h a2 k w c 0 2l a s e r a c c o r d i n gt ot i t a n i u ma l l o yc h a r a c t e r so fh i g h r a d i oo fs t r e n g t ht od e n s i t y , h i g hh a r d n e s sa n db a df o r m a b i l i t y , l a s e rs i n g l ea x l e b e n d i n ge x p e r i m e n t w a sc a r r i e do u tw i t har e p e a t e d s c a n n i n g m e t h o d t h e t e m p e r a t u r eo fs c a n n i n gz o n ea n db e n d i n ga n g l ew e r em o n i t o r e do n l i n ew i t ha i n f r a r e dt h e r m o d e t e c t o ra n dal a s e rd i s t a n c em e a s u r i n gi n s t r m n e n t t h ep r i m a r y p r o b l e m so fl a s e rb e n d i n gt i t a n i u ma l l o yw e r ea n a l y z e di nd e t a i l t h ei n f l u e n c e r e g u l a r i t i e s o f p r o c e s sp a r a m e t e r si n c l u d i n gl a s e rp o w e r 、s c a n n i n gv e l o c i t y 、 s c a n n i n gn u m b e r 、s p o td i a m e t e ra n da c c u m u l a t e dl i n ee n e r g yw e r es t u d i e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h ei n f l u e n c eo f s p o td i a m e t e r i sv e r yo b v i o u s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t ，m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e m a t e r i a li nh e a t i n ga r e ao ft i 6 a 1 - 4 v a l l o yw e r ef u r t h e ra n a l y z e du n d e rm u l t i s c a n n i n g ，a n dt h em i c r o s t r u c t u r et r a n s f e r sf r o ms m a l le q u i a x i a l 口+ t ol a r g e 口m a r t e n s i t e t h e s t r e n g t h a n dh a r d n e s so ft i 一6 a 1 4 v a l l o y i n c r e a s ew i t h i n c r e m e n to fh e a t i n p u t ，a n dp l a s t i c i t y o fm a t e r i a l d e s c e n d s ，a n dt h es h o c k r e s i s t a n c ei n c r e a s e sw h e nt h eh e a ti n p u tr e a c h e sac e r t a i nv a l u e a c c o r d i n gt o d i f f e r e n t d y n a m i cb e n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o m p r e s s i o na n dp r e b e n d i n g a n g l ea n dm i c r o s t r u c t u r ea l l i n f l u e n c et h ec h a n g eo f b e n d i n ga n g l ed u r i n gt h e h e a t i n ga n dc o o l i n gp r o c e s s i nt h eo r i g i n a ls c a n n i n g ，t h es h e e tb e n d sf o r w a r d l a s e rb e a md u r i n gh e a t i n gp r o c e s s ，a n dt h eb e n d i n ga n g l ea l m o s td o n tc h a n g e d u r i n gt h ec o o l i n gp r o c e s s a f t e rm u l t is c a n n i n g ，t h es h e e tb e n df o r w a r dl a s e r b e a md u r i n gt h eh e a t i n gp r o c e s s ，b u ti tf l u c t u a t e so b v i o u s l y t h eb e n d i n ga n g l e i n c r e a s e ss e q u e n t i a l l yd u r i n gt h ec o o l i n g p r o c e s s i na d d i t i o n ，t h el a s e rf o r m i n gm e c h a n i s mo ft i t a n i u ma l l o yw a sa n a l y z e d s y n t h e t i c a l l 2 7 t h ep r i m a r yf a c t o r si n f l u e n c i n gf o r m i n gr e g u l a r i t i e si n c l u d et h e t e m p e r a t u r eo fh e a t i n ga r e a ，t e m p e r a t u r eg r a d i e n to f c r o s s s e c t i o na n dt h ew i d t h o f p l a s t i cz o n e i nd i f f e r e n th e a ti n p u t ，ac e r t a i nf a c t o rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i n t h ec a s eo fs m a l ls p o td i a m e t e r , t h et e m p e r a t u r eo f h e a t i n ga r e ap l a y sap r i m a r y r o l e i nt h ec a s eo f l a r g es p o td i a m e t e r , t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n tp l a yap r i m a r y r o l e t h ed i s t o r t i o nd i f f e r e n c eo ft h et o pa n db o t t o mm e t a lm o r el a r g e t h e 兰玺鎏三些銮：三耋罂圭竺竺鎏兰 b e n d i n ga n g l em o r el a r g e k e y w o r d s t i t a n i u m a l l o y , l a s e rf o r m i n g ，m i c r o s t r u c t u r e ，d y n a m i cb e n d i n g c h a r a c t e r i s t i c 一1 1 1 1 1 引言 第1 章绪论 在航空航天上，各种高比强的材料，如钛合金、复合材料以及金属间化合 物等，由于其优良的力学性能及高温下的特性而被广泛应用。这些材料在常温 下脆性较大，塑性差，但在高温下却表现出非常好的塑性。采用常规的机械工 具成形很容易产生回弹或开裂，有些钛合金材料甚至直接归为不能在常温下成 形的材料。目前大多是采用高温超塑性成形方法，成本较高，有时甚至会对材 料的组织性能造成较大影响，成形工艺的局限性为这些高性能材料的推广与应 用带来限制。 激光成形技术一种新兴的热加工工艺，它是以激光作为热源局部加热工 件，完全在热应力作用下使工件成形预定的形状，而不需要借助任何外力作 用。它具备独特的优点，如无需模具，非接触成形，对于单个试验件或小批量 生产非常适合，节省了制作模具和专用工具的大量费用与时间。对于大多数金 属材料的成形均适合，尤其适合于脆性材料的成形，由于是局部加热，对材料 组织性能的影响不大。并且激光能可精确控制，易于实现自动化加工过程。 本课题的主要研究目的是探索航空航天用钛合金薄板的激光成形规律。获 得钛合金板材的激光成形的工艺特性，分析在激光连续扫描作用下材料组织性 能的变化及其对力学性能的影响，从而获得钛合金薄板激光成形的优化工艺， 为钛合金材料的激光成形技术走向实用奠定基础。 1 2 激光成形特点 近几年来，随着激光技术的发展，激光在材料加工领域的应用也越来越 广泛，尤其在激光切割、激光焊接、激光雕刻、激光成形、微连接等等【卜7 1 。 新技术的应用也推动着各个领域技术的发展。在加工领域，激光成形越来越受 到研究学者的重视。在金属塑性加工业中，一种以激光束作为成形工具的板材 激光成形技术正在引起工程界的注意。它是以激光作为热源局部加热金属板 材，在板材内部产生不均匀的温度场，完全依靠热应力使板材发生塑性变形， 而不需要借助外力的作用，如图1 1 所示。 2 玺鎏三些銮：三：2 圭兰簦篓兰 图l - 1 激光成形过程示意图 与常规的成形相比，激光成形具有独特的成型特点 8 , 9 1 ，他被广泛的应用 于航天、航空、造船、微电子等领域 1 、激光成形属于无模具成形，生产周期短，柔性大，只需通过更改程序 便可实现不同形状零件的成形，特别适合单件小批量和大型工件的生产。它是 由材料内部热应力引起的变形，不会产生常规机械成形的回弹现象。 2 、激光成形为热态累积成形，能够对在常温下难变形的材料或高硬化指 数金属进行成形，而且能够产生自冷硬化效果，使变形区材料的组织与性能得 到改善，通过激光成形还可进行脆性材料( 如铸铁件1 的弯曲变形。 3 、激光成形为非接触成形，可用于受结构限制、工具无法靠近或无工作 空间的零件加工。而且，激光能量与加热面积可精确控制，易于实现高精度加 工过程的自动化。 4 、它对激光束模式无特定要求，能够进行成形、切割、焊接、刻蚀等激 光加工工序的同工位复合化。使平板材料通过复合成形得到形状复杂的异形件 ( 如球形件、锥形件、抛物面形件等) 。此外，利用激光成形还可进行管件的弯 曲及局部成形，在不需辅助工具和外力的条件下，就可实现圆管的精确弯曲、 胀形、连接等。 5 、借助形状测量仪，可在数控加工机上进行全过程闭环控制，从而可以 保证零件的质量还可以保证精度控制。 很显然，激光成形这一柔性成形技术在金属加工行业中具有很大的应用潜 力。当然，激光成形技术也并不是完全没有缺点，例如，成形过程比较慢，但 是对于单件或小批量的生产，这一问题并不影响它的应用，另外成型精度比较 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 低，建立控制系统比较复杂。 基于上述特点，激光成形已被广泛的应用在航空航天、汽车、造船、微电 子、艺术等领域，它具有广泛的应用前景和潜力。 1 3 激光成形机理及其研究现状 1 3 1 激光成形机理 由于金属材料的热胀冷缩特性，当其受到不均匀加热时，将会在材料内部 产生热应力。如果加热的不均匀性足以使其引起的热应力超过材料相应温度下 的屈服强度，则会在材料内部产生塑性变形。因此，板材的激光成形实质上是 基于材料热胀冷缩特性，以高能激光作为热源的一种热应力塑性成形方法 1 0 , l q 。 在激光成形过程中，由于材料热物理性能、材料力学性能，在机加工过程 的激光参数的差异，并且有些是多种因素的复合，目前激光成形遵循以下几种 成形机理悼j ： l 、温度梯度机理 激光束沿金属板材表面扫描，当光束能量密度较大，扫描速度较快时，激 光照射区被瞬间加热至高温状态，此时在加热区的板厚方向上产生很大的温度 梯度，由此引发不均匀的应力分布，上下表面的应力差使板材产生朝向光源的 正向弯曲，如图1 2 a ) 所示。这是一种最典型，应用最多、研究也最为广泛的 机理。 2 、塑性皱曲机理 当激光束光斑直径较大时，激光扫描速度和强度相对温度梯度较低时，在 材料厚度方向上产生的温度梯度较低时，使得整个加热区由于受到约束而产生 压应力。当板材较薄，光束直径相对板厚较大，在较大的加热区域内材料温度 较高，屈服强度较低，且厚度方向的温度梯度很小，材料周围冷金属对加热区 上下表面几乎产生均匀的压应力，致使加热区板材产生皱曲，皱曲变形时常常 不稳定，多数为反向弯曲，如图1 - 2 b ) 所示。当表面加涂层和预弯可以成功的 实现反向弯曲。 3 、增厚机理 当板材厚度较大，扫描速度与材料热导率较低时，材料在厚度方向的温度 梯度很小，下表面温度也较高，加热区的温度梯度主要表现在板平面方向上。 嗡尔滨t 业大学工学硕士学位论文 由于加热区材料的热膨胀和周围材料的拘束作用，使材料在拘束最小的厚度方 向上产生堆积，冷却过程中，这部分材料不能完全复原而在加热区形成局部增 厚，板材沿长度方向缩短，如图1 - 2 c ) 所示。在空间曲面成形中时常会用到这 种机理，对于管材弯曲时也会用到这种机制 ( a ) 温度梯度机理( b ) 塑性皱曲机理( c ) 增厚机理 图1 - 2 激光成形机理 1 3 2 激光成形技术研究现状 1 激光成形技术的研究 世界上许多国家都对激光成形投入大量的人力、物力和财力进行研究。 1 9 6 5 年，日本学者y n a m b a 最先提出了激光成形技术，并用简单的弯她试 验证实了板材激光成形的可能性。1 9 8 6 年，y n a m b a 1 2 】首次公布了用激光成形 技术构建宇宙空间站的设想，才。重新又掀起了一阵不小的波浪。其思路是：先 在地面上将空间站的外壳卷起来，用运载火箭将其带入外层空间，在地球上用 大功率激光束照射设在空间的凹面镜，将光束重新聚焦并反射在卷状外壳之 上，采用激光成形技术将卷状外壳展成更大直径的圆筒，作为宇宙空间站的舱 体。n a m b a 的大胆想象，引起了学术界的高度欣赏，他的这篇论文也由此成为 板材激光成形技术研究的经典之作而被众多学者竞相引用。 1 9 7 9 年，德国首先注册了一项激光成形技术初步应用的专利。1 9 8 0 年开 始，麻省理i ( m i t ) 应用大功率激光束进行厚板的激光弯曲成形试验【l3 1 ，其主 要目的是为美国海军服务，与传统的氧乙炔火焰线加热相比，激光弯曲成形技 术更容易引入自动制造系统，且激光弯曲成形对材料的破坏仅限于表面薄薄一 层，因此，对于造船用钢如h y - 8 0 和h y - 1 3 0 等热敏感性材料都非常适用。 1 9 8 7 年，美国应用激光弯曲成形技术成功地实现了厚度为2 4 5 m m 的船体成形 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 刚。 材料方面来看，国内外许多研究机构作了许多工作，香港理工大学，有人 从事a i 基复合材料激光成形研究，其主要研究a 1 2 0 2 4 s i c 的复合材料，在激 光成形时，进行了热膨胀及热变形的行为研究。在实验中发现，对于a 1 2 0 2 4 材料，当s i c 加强相含量在1 5 时，可获得较大的弯曲角。同时他们又进行了 两种的模型的研究。当高温时采用k e r n e r 模型；低温时，可采用t u r n e r 模 型。试验表明，其近似程度比较好，k cc h a n 等人进行铝基复合材料的激光弯 蓝，从多方面进行阐述研究。主要研究，激光成形对微观组织的影响【“】。2 0 0 1 年，德国埃尔兰根大学m m e r k i n 与m m e i g e r 等人进行铝合金激光成形研 究。对其微观组织进行研究，同时对各种性能指标进行测试。在大角度激光成 形时，铝合金内部微观组织受到影响，同时，力学行为也发生变化。对于较软 的激光成形时，发生硬化现象，立n ( a a l 0 5 0 材料) ，人工时效的a a 6 0 6 2 合金， 也可以使自然时效的a 1 m g s i 合金一样进行激光弯曲【”】。 从应用来看，激光成形广泛的应用在各个领域，爱尔兰国家激光应用中心 与s k o v d e 大学联合进行激光成形研究，他们把激光成形于传统的模具成型、 激光焊接、切割结合起来，激光成形作为一种辅助的工艺具有突出的优点。它 可以准确的调整工件的间隙，其精度较高，尤其是激光焊之前的校准。同时， 激光成形还可以用在其他方面的校准，其精度可达0 2 5 度 1 6 1 。德国，埃尔兰 根大学t h o m a sh e n n i g e 等人进彳亍_ 空间三维激光成型，其技术比较成熟，采用 不同的扫描路径，进行扇形空间成型，分别从扫描路径、扫描次数、以及有限 元模拟进行研究1 1 7 j 。又有人采用2 k w 二极管激光器进行5 m m 或1 0 m m 厚钢板 弯曲成型，弯曲角可达6 1 度【l “。德国，埃尔兰根大学和n u r e m b e r g 大学两位 学者a o t t o 和vb r a n & 进行了激光成型控制方面的研究。主要是对方管材激 光弯曲时采用闭环控制，在方管材三个侧面进行扫描可得到标准的工件【”】。日 本，大阪大学进行了三维形状激光成形研究在成型过程中采用测量三维工件的 尺寸进行控制，同时采用不同的扫描路径，如网格形、同中心环形、以及放射 形，可以得到不同的等高线，放射形路径可以得到球冠形的三维变形2 0 。 另外，激光成形也可应用在微电子领域，主要是为成形，有人进行了激光 微成型研究，如微小结构的位置调整、校形以及微小件的切割。 美国i b m 组织了一些专家进行了不锈钢、陶瓷的微小结构的激光辅助变 形，并建立了温度场模型，并阐述了激光成型机理。x i a n f a nx u 对其进行了详 尽的阐述，主要研究不同的工艺参数下，弯曲角的变化( 如速度、脉冲能量、 光斑直径等等) 2 1 2 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 目前激光成形在各个领域里的应用 利用激光成形技术进行零件的制作，已经逐渐走向成熟，近年来，激光成 形技术在航空航天、造船、汽车、微电子及艺术等领域都有应用，涉及的材料 包括碳钢、不锈钢、铜、铝合金、铝基复合材料、钛合金、铬镍耐热合金等多 种金属。应用的激光器种类也很多，不仅有常见的脉冲和连续波式c 0 2 、y a g 激光器、也有高能半导体激光器、还有进行微电子元件成形的功率只有几十焦 耳的n d ：y l f 激光器、小功率氩离子激光器。图1 3 中给出了近年来激光成形 技术研究主要针对的应用领域1 2 ”。 讲no - | n n i l r n “n ft rh p a mh p n d i n 9 图t - 3 激光成形技术的应j = j 领域1 2 3 1 德国埃尔兰根大学的g e i g e r 、v o l l e r t s e n 授t 2 4 , 2 5 1 和英国利物浦大学的 s s i l v e 教授口6 1 分别对型材的激光弯曲进行了研究，如图l ，4 所示，这种型材采 用常规机械方法很难弯曲，但应用激光成形技术中的增厚机理很容易实现型材 的单轴弯曲，由于加热区沿厚度方向产生的是锥形收缩，比起厚度方向整体收 虢 酃嗵l d1 6 ) 。唾。 图1 - 4 型材激光成形 缎觅为稳定，他们提出捆搂次序和扫撼谯置是影响弯蝤的主要因素。同时 s i l v e 还采用不同的扫擒方式，将黧梧成形为各种不间的锥体形状，充分发挥 了激光成形技术的应用潜力。 在鹜辩，激光成形辩予繁奉耋熬弯麴，英程越愁镶鞠箍，繁麓豹驽营是聚麓 蛰悫添充添究物，然蜃溅溅封死，利明专粥的卡基进行弯管，尤其农发动枧管 路的应用中，由于发动机的镎路设计很复杂，如聚采用卡具薮成本缀商，并盥 熙一次性灼，如果出现错误，不可修复。嚣激光成形，篡特点是光横具，无媾 外力，所黻谭以解决这一闻题，另夕 深爝传统静驽喾工艺易产垒燕力集中，茏 葵对裹强豹稳蠖糖糕，其更必弱显。激沌壤形能瓣决这一趣题。 对予般材料，如不锈镪、铝及铝合金等管材弯管工艺利用传统的工琶即 可缀好鲍完成，但是对于热特殊的澎状弯曲采爿l 传绞螅工艺笼法宠成，激光 藏形无需接触即可完成。 嚣裁鬻内夕 对于管糖豹激光痰影送行了缀多磷究，早在1 9 年，羹嚣， c o l o r a d o 州所大学进行了铝合金管的激光弯曲刚。 德冒埃尔兰投大学秘卢淼堡大学麴a 。k o m l 6 d i ，f + n i e b l i n g , m 。m e r k l e i n , a o t t o 等a 搬激光成形成磅的应用到汽车工欺中，并且实现了复杂截骚的管弯蟪 琴嚣疆蘧弯馥f “，鲡鹜i - 5 、l + 6 所示。 圈i - 5 汽车詹座骨架激光弯睦 图1 - 6 复杂曲面和方管的激光弯曲 如图1 7 所示，德国埃尔兰根大学g g e i g e r 教授对激光成形技术的研究十 分全面，并且许多方面已经成功的应用到各个领域，包括汽车零部件的制作校 正，电子产品的制造，各种电子部件的校正等等唧j 。 在激光成形中，利用成形机理可以进行焊后校形，以及对于汽车外壳的修 复，并且在高比强度材料粉末成形后的型材的加工和修复过程中，可以采用激 光成形技术。汽车工业中，一些板材成形可以采用激光成形技术进行。 图1 7 车体部件的激光成形校形应用 3 钛合金激光弯曲成形技术的研究现状及意义 钛合金具有很高的强度比，屈服强度高，在常温下很难成形，而且传统的 成形工艺是在高温下进行的在常温下根本无法弯曲特点，长时间处于高温会影 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 响材料的力学性能，许多钛合金直接被归为不能应用冷成形方法的材料。激光 弯曲成形技术可以说是解决这一问题的较好的方法，它完全可以胜任新材料的 成形与修复工作，而且没有常规成形工艺中的回弹现象，并有很大的柔性和适 应性。激光成形是局部快速加热，高温时间短、范围小，对部件的整体性能影 响不大，可对脆性材料进行弯曲变形。这种非接触式的局部加热成形方法无论 是从成形效果还是从经济效益的角度，都具有其它方法难以比拟的优势。 对于钛合金的激光弯曲的研究，国内外许多学者做了大量有价值的研究工 作，美国，g sa n s e l l 学院进行钛合金激光成形，他们对两种钛合金t i 6 a 1 2 s n 4 z r 2 m o 和t i 1 5 v - 3 c r - 3 a i 3 s n 进行了激光成形的研究，分析连续扫描的 影响，建立了弯曲角经验公式，发现增厚现象，另外，弯曲角降低于最初的增 厚有关，着重对扫描次数进行研究 3 。波音公司，对钛合金进行了许多研究， 如模拟、工艺应用等等p “。j m a g e e 研究了能量输入对t i 6 a i 一4 v 合金几何形 状及过程稳定性的影响并实现了简单形状零件的激光成形过程控制【3 2 ， m m a r y a 与g r e d w a r d s 以近和1 3 钛合金为研究材料，从工艺和数值模拟两 方面研究了钛合金的成形工艺特点 3 3 , 3 4 1 ，西北工业大学和华中科技大学针对 钛合金的激光成形工艺相继展开了研究【3 5 3 ，西北工业大学吴诗悖、陈敦军 等人采用不同的扫描路径实现t i 6 a 1 4 v 合金的单轴和曲面成形，而华中科技 大学刘洪顺等人主要对两种不同钛合金进行了激光成形后材料的组织变化进行 了研究，并分析了不同累积线能量密度对弯曲角及组织的影响。 1 4 论文的主要工作 本论文的主要研究工作包括以下研究内容： 1 研究t i 一6 a 1 4 v 钛合金薄板的激光弯曲成形规律，分析不同工艺参数( 激 光功率、光斑直径、扫描速度、扫描次数) 及不同热输入条件下钛合金薄板的 弯曲特性，提出钛合余薄板激光弯曲成形的优化工艺。 2 对多次扫描条件下加热区的组织性能进行分析，解释不同热输入条件下的 激光成形对材料的力学性能的影响规律及力学性能变化对弯曲特性带来的影 响。在此基础上，探求钛合金薄板激光弯曲成形机理及影响因素。 3 研究不同扫描次数下钛合金薄板的动态弯曲规律，分析加热与冷却过程中 材料弯曲变形趋势，为实际应用中的工艺控制奠定试验基础。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章试验材料和试验方法 t i 6 a 1 4 v 合金自1 9 5 4 年研制成功以来，经受了长期生产和实际使用的考 验，并进行了较为充分深入的研究，证明该合金的组织和性能稳定，工作可 靠，而且由于合金化比较简单，工艺容易掌握，适合大规模生产。因此，它己 成为当今工业钛合金中用量最大、品种规格比较齐全的国际通用型合金。 该 合金主要用于工程机械中的各种承力构件，如航空发动机压气机和蒸汽透平机 的叶片、盘及紧固件。在纯度较高时，合金还具有良好的低温性能，可制作 在一1 9 6 下使用的压力容器。 目前t i 6 a 1 4 v 合金广泛的应用于航天、航空、国防以及其它各个行业， 本文的应用背景为国防一些重要部件应用，但是钛合金本身的高强度的特点 也为加工带了一系列问题，为了更好利用钛合金的优异性能，采用合适的加工 方法尤为重要。 2 2 试验材料及试验设备 2 2 1 试验材料 本文中采用大功率c 0 2 激光器进行t i - 6 a 1 - 4 v 钛合金薄板激光弯曲，t i - 6 a 1 4 v 钛合金是一种典型的n + 1 3 合金，它含有6 n 稳定元素铝和4 b 稳定 元素钒( 见表2 1 ) ，具有优异的综合性能、良好的工艺塑性、超塑性和耐腐蚀 性。弯曲试验采用单轴扫描的方式，试验材料的尺寸规格为1 3 0 9 0 l m m 3 ， 弯曲后的试件切割成2 0 2 0 m m 2 的小件，灌胶固化，采用不同型号砂纸进行 磨制，抛光腐蚀，采用光学显微镜进行照相，得到微观组织照片。试验系统及 扫描路径如下图2 1 所示。 表2 - 1 钛合金材料成分 主要化学成分( ) 杂质( 、不大丁- 化学成分 t ih lvf es icnh0 t i 一6 a l - 4 v 8 8 7 9 15 5 6 83 5 4 50 3 00 1 50 1 0o 0 50 0 1 5o 1 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 1 激光成形系统 表2 - 2 钛合金t i 一6 a 1 4 i 的热力学参数3 9 1 材料 热嘭胀系数( 1 0 4 ，f ( )热传导率( w m k ) 比热( j k g k ) 5 0 c 2 0 1 0 0 2 0 1 0 0 t i 6 a 1 - 4 v8 o 5 86 1 0 n 6 a l - 4 v 钛合金由于其固有的材料物理、热力学性能及力学性能，使得 材料对激光弯曲也有较高的要求。当温度达到2 1 5 c 时，钛开始吸氢，4 0 0 。c 时 开始吸氧，6 0 0 时开始吸氮，而激光成形时温度都远远高于这个温度，如果 没有保护气体，其氧化的程度是不能接受的。通过表2 2 可以看出，钛合金线 膨胀系数及热导率都比较小，所以在激光成形过程中，钛合金发生塑性变形的 变形量比较小，而且由于热导率较低，使得热量在很小区域内积累，易导致材 料熔化。 调整合适的参数，可以得到较好的激光成形结果，图2 2 为本论文中钛合 金激光弯曲的样件。 睦承滨工簸大学工学醺学稼论文 曲多路经摆撵 2 2 2 试验设备 劲单辘连续扫搂 o ，曲面成形 圈2 - 2 镰会众薄板激燕弯麴或形撵终 试验采弱德嚣r o f i n s i n a r 公司生产豹扩教冷帮菇颧激聚麴c 0 2 激竞 器、豳轴控制c n c 数控系统及平面工作台( 见潮2 - 3 ) 。 激光器主要技术参数： 最大输出功率：3 k w 竣窭方式：连续或稼洚辕文 脉冲频率：c w 5 k h z 聚焦焦距：1 9 0 r a m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 聚焦直径：0 2 m m 2 3 试验方法 图2 - 3 高功率c 0 2 激光器及数控系统 2 3 1 试件预处理 焊前t i - 6 a 1 4 v 板表面存在一层氧化层，当激光束施加到板材表面时，由于 表面吸收率不同导致材料表面局部熔化，本试验中先用丙酮把表面的油污洗 掉，然后用2 0 0 # 砂纸把表面的氧化膜磨掉，再用3 0 h n 0 3 + 3 h f + 6 7 h 2 0 浸泡，酸洗之后试件表面呈银灰色，然后水洗，吹干。 2 3 2 工艺试验 本文利用c 0 2 激光器对t i 6 a 1 4 v 合金进行了连续单轴扫描的方式进行激 光成形工艺试验，研究了不同工艺参数对材料弯曲角的影响，以及连续扫描条 件下材料的弯曲动态特性，分析了不同热输入条件下材料的组织及力学性能变 化规律。 鉴耋鎏三兰銮耋三兰至兰：箸婆兰 2 碡徽觋缱织观察及成分分橱方法 2 4 + 1 微观组织分析 用线切割在成形赢试件上仞取鑫相分析试样，采用镶牙粉镶在锅管中以便 于打磨，为了褥到最镶的效累，必须在镶榉前对样品进行清洁，表面应保证无 油污或其他污染物，镶样后试样经由粗到细砂纸的打磨，然后用金冈0 石研磨膏 进行抛光至无划痕，最后用鹰蚀剂：h n 0 3 ( 1 份) + h f ( 2 份) + 嚣油( 3 份) 进鼋亍腐 蚀。 采翅光学显微镳对组织进行观察，并拍摄照片。 2 5 力学性熊分析方法 2 5 1 控伸强震测量 拉枣试验在i n s t r o n 一5 5 6 9 电子万憩耢辩试验援上送行，攘粱速 度：1 0 0 0 0 0 m m m i n ，数据率5 0 0 0 0 0 0 点秒，温度1 8 摄氏度，湿度5 0 ，拉伸 试榉尺寸及选取位鲎黧强2 - 4j 舞示。 2 ，5 2 冲击韧性试验 蒯2 - 4 拙伸件尺寸及选取位置 冲击韧性试验在j b 3 0 0 15 0 摆锤式冲击试验机上进行，冲击能麓在3 0 0 j - 1 5 0 j 之瓣，采鲻大锤式。冷毒试棒魏图2 5 掰示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 5 冲击式样尺寸 2 5 3 硬度测试 硬度洲l l l = 采用h x 一1 0 0 0 显微硬度计，试验力2 0 0 9 f , 保持时间1 0 s 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章钛合金激光弯曲成形规律 3 1 钛合金激光成形的主要问题 通过钛合金激光弯曲试验发现，在激光成形钛合会过程中主要存在表面易 氧化、成形工艺区间较窄及边缘效应等，主要工艺参数及试验现象如表3 1 所 示。 表3 - l 工艺参数对钛合金表面状态的影响 序号，( 1 ( md ( m m )h m m i n ) ( 次) 角度各注 0 10 21 22 o1 20 表面无变化a r 保护 0 2 0 4 1 22 061 3 8 吹空气( 冷却后继续) 熔化 氧化严重 0 30 42 o2 51 8 21 6 本组试验基本上无变化 0 40 6 1 0 45 0 2 o2 08 1 00 热影响区极大，且表面质 量差，几乎无角度变化 1 表面氧化严重 从上述表3 - 1 中可以得出，钛合金激光成形时，材料表面发生氧化，如果没有 保护气，其氧化程度十分严重，表面会产生很厚的一层氧化膜。当激光束施加到 材料表顽上的时候，试验参数控制不当会导致材料表面发生熔化，但是如果减小 热输入量( 减小功率、增大光斑直径、增大扫描速度、减小扫描次数) 钛合金板材却 不发生弯曲。这种现象应归因于钛合会材料本身的性质，当温度达到2 1 5 时，钛 丌始吸氢，4 0 0 时开始吸氧，6 0 0 时开始吸氮，而激光成形时温度都远远高于 这个温度，如果没有保护气体，其氧化的程度是不能接受的，且表面氧化会造成 工件表面对激光能量的吸收率不均匀。 2 成形工艺区间较窄 由于钛合金本身的热力学性质和材料表面对激光吸收率影响较大的性质，使 得钛合金在激光成形过程中的工艺参数区间比较窄。分析可得，t c 4 钛合金的热 力学参数如下：热膨胀系数( 8 0 x1 0 - 6 k ) 、热导率( 5 8 w m k ) 、比热( 6 1 0 j k g k ) ，当 激光束施加到材料表面时，由于其热导率很低，使得很小的热量在表面很小的一 个区域累积，使得此区域的温度迅速增加，形成了很大的温度梯度，按照理论， 其变形应该很明显，事实上，由于热胀系数也较低，此区域即使温度很高，也不 会产生很大的塑形变形，而此时在表面高温区吸收的热量并不大，但是传导慢导 譬至鋈三些銮：三：翟圭耋些鎏兰： 致很小的热输入也会导致此区域发生熔化现象，如图3 1 。这就产生了一个矛盾， 增加热输入来增加变形和过大的热输入导致表面熔化，所以只有寻找一个合适的 参数区间才能保证两者同时满足。 图3 - 1 钛合金激光成形变形图 3 边缘效应严重 对于有些试件，在弯曲成形过程中，在扫描路径上，有的地方已经熔化，而 有的地方没有变化，尤其在边缘，产生这种情况的几率最大。实验中发现，在材 料的边缘发生熔化，产生边缘效应的问题其原因是由于在材料边缘散热方式与材 料中不同，因为边缘散热较小，所以热积累较大，从而使边缘温度迅速升高并很 快达到熔点，另外，由于材料表面处理得不好，使得有的区域氧化膜残留，在这 个区域，当激光施加在上面时，其吸收率很高，此区域热输入大，也容易很快达 到熔化温度，激光器在行走开始阶段有一定的加速阶段，所以激光加热时间比中 间区域长导致此区域热输入量大，也是导致边缘效应的一个原因。 针对上述问题进行实验，采用合理的方法解决了氧化、边缘效应等问题，并 图3 2 不同光斑直径条件下临界熔化功率 哈尔滨工业大学工学硕十学位论立 且得到了材料合适的成形工艺参数范围区日以及不同参数下材料临界熔化功 率。如上图3 - 2 所示，不同的光斑直径条件对应着不同的临界熔化功率，在激 光成形过程中，如果激光扫描功率高于这个值，材料表面就会发生氧化，不能 保证成形过程的继续。当光斑直径为2m m 时，合适的弯曲工艺参数范围为： 扫描速度0 5 1 o n g m i n 、扫描功率0 3 5 0 7 k w ：当光斑直径为51 1 1 1 1 1 时，台适 的弯曲工艺参数范围为：扫描速度1 o 2 + 5 m m i n 、扫描功珥羞1 0 2 o k w 。在成 形过程中，含理的选择扫描功率、扫描速度、光斑直径等参数，对于得到理想 的成形结果具有重要的意义。 3 2 工艺参数对弯曲特性的影响规律 3 2 1 激光功率 在其它条件不变的条件下，随着功率的增加，弯曲角的变化趋势为先增人 后减小，弯曲角的值一直增大( 如图3 - 3 ) 。在其它所有条件不变的情况下，增大 功率，就增大了材料的热输入，使得材料的温度升高，材料经历屈服的时问较 长，从而使得材料的变形较大。图3 - 4 为不同功率条件下扫描区的热循环曲 线，可毗看出随着功率的增加，木j 料上表面的峰值温度也增加。 1 删 的。 哪 5 7 0 0 盏蚴 啪 图3 - 3 激光功率对弯曲角的影响图3 - 4 不同功率条件下温度曲线 3 2 2 激光扫描速度 在大功葺夏条件下，随着扫描速度的增加，弯曲角的变化趋势先增大后减小 *“”mn m o b 、。一月静 ( 妇匿3 一辩，其磊因是警聿薯描速度眈较夸睁睹况下，由于功率较高热输入较大 ( 如图3 6 ) ，且扫描速度较小，热量有足够的时间传递到材料的内部，材料的厚 度方向的温度梯度较小，当扫描速度增大后，增加了材料厚度方向上的温度梯 凄，敞两弯麴角增大，隧簧扫搐建凄避_ 步增丈，材辩吸收的热撩开始减小扶 丽导致弯曲角减小。在小功率条件下，随着扫插速度的增加，材料嚣弯曲角逐 渐减小，此时由于功率较小，影响材料的弯曲角变化的主要斟索是热输入，既 保证材料达到属服温度。遂度增大，热输入减小，材料的整体温度减小，屈服 受疆，掰戳弯瞳角减巾。 拦3 - 5 翔撼速瑾对萼蠡热影拣 3 2 3 连续扫描次数 1 a a 强 茹，。 w 措删 蛐 珊 3 。等。南e目月( s ) 圈3 缶币弱毒= l 描速度条 牛下激睦线 随着扫摊次数的增加，材料的弯曲精近似呈线性变纯，当扫描次数增加到 。一定程度，弯鼗角静蘧i 大趋势减审( 鲡图3 7 ) ，萁影瓣因素可能寄多乖 ，如楗糕 经过多次扫描后，材料增厚对变形是种阻力：村料本身的屈服能力有一个隈 度，由于扫描光斑直径不变，参加变形的材料有限，当连续扫描剡一定次数， 联班材料弯鳗角豹增大趋势会减，j 、。 哈尔滨工业人学王学硕上学位论文 嘲3 - 7 扫描次数与弯曲角之间燕系 3 。2 4 累积线赞量 为了便于分析各参数对板材弯晦特性的综合影响，采用累积线能量来表述 激光热输入髓的大小，累积线能量a l e 的表达式如下： a l e = 聪里 f 3 1 ) v 式中p 激光功率、v 一扫描速度、”一扫描次数，表达了一定光斑直径条 孛下豹激光热壤入的大小。 不同静累积线能量条件下，铁合愈弯曲趣律如图3 - 8 所示，在小光斑壹辍 条件下，随着累积线能墩增加，弯曲角星增大的趋熬，当累积线能量增加到一 1 辅2 0 02 5 03 0 03 # 。将0 珊5 s 鲫砷0e 5 0 鬃彀线魏鼍i # m ) 划3 - 8 累积线8 量与弯曲角关系 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 定值的时候，弯曲角减小，整个过程中，上升趋势占主要过程。在适中光斑直 径条件下，随着累积线能量增加，弯蓝角先增大后减小，增加和减小趋势各占 一部分。在大光斑直径条件下，随着累积线能量增加，弯曲角呈减小趋势，虽 然在比较小的累积线能量情况下弯曲角有增大过程，但是整体趋势是减小趋 势。 对以上结果进行分析发现，随着光斑直径的增加，弯曲角随累积线能量变 化的规律由增大规律向减小规律过渡，中间经历先增大后减小的过程。在光斑 直径2 0 r a m 条件下，可以得到最大的弯曲角。 3 2 5 光斑直径 影响材料的弯曲角变化的主要因素：一、保证材料整体具有较高的温度。 以利于材料发生屈服变形：二、保证材料具有一定的温度梯度。三、参加塑变 材料的宽度。热输入的大小决定了材料的整体温度丁和温度梯度a t ，而塑变 区的宽度主要取决于加热区的宽度，即光斑直径。只有在合适的光斑直径范围 之内，钛合金才能获得较大的弯曲而不会表面熔化。试验发现，当光斑直径小 于1 2 m m 时，无论怎样改变其他参数，都不会产生正常的弯曲；当光斑直径 大于4 0 m m ，虽然改变其他参数可以发生弯曲，但是材料的扫描方向挠曲十分 严重，也不能满足成形的要求。通过实验发现，当光斑直径等于2 0 m m 时，