激光板料成形技术的研究与应用.doc

激光板料成形技术的研究与应用 激光热应力成形与激光冲击成形摘要：激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对金属或非金属材料进行切割、焊接、表面处理、打孔以及微加工等的一门加工技术。随着激光技术的发展，特别是大功率工业激光器制造技术的日益成熟，激光作为一种“万能”工具，已应用于材料的切割、焊接、弯曲变形和表面改性处理等领域，其中板料激光成形技术已较为成熟，广泛应用于各种碳钢、不锈钢、合金有色金属以及金属基复合材料的弯曲成形，替代了部分零件的冲压工业。金属板料激光成形技术是近年来出现的一种先进柔性加工技术。金属板料成形作为薄板直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、家电等生产行业。传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形，其生产效率高，适用于大批量生产。随着市场竞争的日趋激烈，产品的更新换代速度日益迅速，原有的采用模具加工的技术就表现出生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等缺陷，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝合金以及铜等塑性较好的材料，其适用范围有限。为此国内外许多学者致力于板料塑性成形新技术的研究，实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场需要。本文介绍了激光热应力弯曲成形以及冲击成形的成形机理，分析了成形的主要因素，并对这两种成形技术的未来做出展望。关键词：激光技术、板料成形、热应力弯曲成形、冲击强化技术一、激光弯曲成形技术激光弯曲成形是一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、洁净等特点。它是基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金属板料表面时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。与传统的金属成形工艺相比，它不需模具、不需外力，仅仅通过优化激光加工工艺、精确控制热作用区内的温度分布，从而获得合理的热应力分布，使板料最终实现无模成形。激光束的大小和能量精确可控，特别适用于冷加工难以成形的硬且脆，或刚性大的材料，比如陶瓷、钛合金等。1、激光弯曲成形基本原理：板材激光弯曲成形是近年来出现的一种板材柔性成形方法，究其根源，可以追溯到上百年前的火工矫形。它的基本原理是，在基于材料的热胀冷缩特性上，利用高能激光束扫描金属板材表面，通过对金属板材表面的不均匀加热，照射区域内厚度方向上会产生强烈的温度梯度，从而引起非均匀分布的热应力6。当这一热应力超过了材料相应温度条件下的屈服极限，就会使板材产生所需要的弯曲变形，激光弯曲成形的装置示意图如图1所示7。激光弯曲成形实际上就是这样一种基于材料的热胀冷缩特性、用热应力代替机械载荷的板料无模成形技术。2、激光弯曲成形过程：待成形板料的表面受到高度聚焦的激光束照射，当光束以确定的速度沿预定的轨迹扫描时，被照射的各部位依次经历加热和冷却两个阶段，在其内部产生相应的应力，从而产生塑性变形，加热阶段产生反向弯曲，冷却阶段将产生正向弯曲，正反向弯曲变形的角度差即为激光束一次扫描所形成的角度。(1)加热阶段板料上表面受到能量密度很高的激光束照射，使得被照射部位的温度在极短时间内急剧上升；而远离上表面处的材料由于没有受到照射，其温度在这一短暂的时间内没有明显的变化，从而使被照射部位沿板厚方向形成较大的温度梯度。由于上表面处材料的温度很高，故其热膨胀量大而屈服极限低，因而在此不均匀温度场产生的压应力的作用下，该处产生较大的塑性变形，形成材料堆积。下表面材料的温度低，屈服极限高，基本不产生或只产生很小的压缩塑性变形，板料上表面材料的膨胀量远远大于下表面，板料将产生反向弯曲。(2)冷却阶段激光束离开后，原来被照射的部位通过热传导进行自然散热冷却，或者在滞后于光斑某距离处用水流或气流沿照射轨迹加快冷却速度。当激光束离开后，上表面处于高温区材料的热量迅速向其它各方向传导，以达到热平衡状态。此过程中，上表面附近材料的温度很快降低而下表面处的温度还要继续升高一段时间。反映在变形上，上表面的材料已开始冷缩时，下表面处的材料还要继续热胀。板料下表面材料的膨胀量远远大于上表面，板料将产生正向弯曲。3、激光弯曲成形特点激光弯曲成形技术是通过各项参数的优化来精确控制板料的弯曲程度，它具有传统的塑性成形方法无可比拟的优点。1）采用激光源作为成形工具，无需任何形式的外力，因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法，属于无外力成形。2）属于无模成形，生产周期短，柔性大，可不受加工环境限制，通过优化激光加工工艺参数，精确控制热作用区域以及热应力的分布，将板料无模成形。因不受模具限制，可容易的复合成形和制作各类异形件，克服了传统的模具弯曲所带来的成本高和生产周期长的缺点。3）加工过程中无外力接触，不存在模具制作、磨损和润滑等问题，也不存在贴膜、回弹现象，成形精度高，适用于精密仪器的制造。4）激光弯曲属于热态累积成形，总的变形量由激光束的多次扫描累积而成，这就使得一些硬而脆的难变形材料（比如钛合金、陶瓷、铸铁等）的塑性加工易于进行，可用于许多特种合金和铸铁件的弯曲变形。5）对激光模式无特殊要求，易于实现成形、切割、焊接等激光加工工的复合化，特别适用于大型单件及小批量生产。6）可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件（如球形件、锥形件和抛物形件等）。7）成型过程无噪声、无污染，属于清洁、绿色制造范畴，被加工材料消耗少、参数精度控制和高度自动化等特性。4、激光弯曲成形机理板料激光弯曲成形是温度、组织转变、应力三方面相互作用的复杂过程。由于材料热物理性能的差异以及所采用的工艺参数的不同，都会导致不同的变形机理，有时往往会是几种机理的混合作用。国内外学者对激光弯曲成形机理进行了大量的分析研究，提出了三种主要的成形机理，即温度梯度机理(Temperature gradient Mechanism)、屈曲机理(Buckling Mechanism)和增厚机理(Upsetting Mechanism)10。1）温度梯度机理（TGM）当激光功率较高，光斑直径较小的激光束照射工件表面，并沿一定的扫描路径进行快速扫描时，被激光直接照射的上表面温度瞬间急速上升，而未被直接照射的下表面由于热传导时间短，温度较低，此时在加热区厚度方向上产生了很大的温度梯度。这样便造成上表面热膨胀变形远远大于下表面，从而使板料绕扫描线产生背向激光束的反向弯曲，此时热膨胀区域的变形将受到周围冷态材料的约束，并且随着材料温度的升高，加热区材料的屈服强度不断下降，当由于热膨胀受约束而产生的压应力达到该温度下材料的屈服强度时，材料便发生塑性压缩变形。在加热阶段，上表面材料温度高热膨胀大，受到的约束应力也越大，同时温度较高造成屈服强度下降多，因而产生较大的塑性压缩变形，导致板料上表面出现材料的堆积。冷却阶段，上表面材料温度降低，体积开始收缩，但屈服强度升高，使加热受压时产生的材料堆积不能复原。同时，下表面则因热传导升温而开始膨胀，材料屈服强度降低而易于变形，使板料绕扫描线产生面向激光束的正向弯曲。正反向弯曲变形的角度差，便是激光扫描一次形成的弯曲角。如果激光束的扫描沿同一路径反复进行，则可得到任意角度的弯曲件。 2）屈曲机理当激光束的光斑直径较大、功率较高、板料较薄、热传导率较高时，板料正面首先被加热，受热材料先于背面发生膨胀，使板料产生较小的反向弯曲变形。而在加热区域内，厚度方向的温度梯度很小，周围冷态材料的约束使加热区产生很大的压应力，同时，由于温度的升高引起材料屈服应力大大降低，结果导致加热区材料发生屈曲。由于屈曲发生前工件存在较小的反向弯曲，使下表面压应力稍大于上表面，因此屈曲区中心下表面材料首先发生塑性压缩变形。反向屈曲变形的产生使上表面受到很大的拉应力，因而产生塑性拉伸变形。随着激光扫描的继续，扫描路径上其他材料陆续发生屈曲变形11。冷却时，虽然上下面都产生横向收缩，但下表面最终的横向收缩量仍大于上表面，最终得到绕扫描线的反向弯曲变形。3）增厚机理当激光束光斑直径接近于材料厚度，扫描速度较小，材料的热传导系数较大，同时板料不易发生屈曲变形，如厚板或刚性零部件等，可能发生增厚变形。板料在加热区域厚度方向温度梯度很小，材料在光斑周围的温度主要表现在平面方向。此时，由于加热区材料的热膨胀受到周围冷态材料的阻碍而形成较高的内部压应力，致使材料产生堆积。冷却过程中，材料堆积不能完全复原，从而产生板厚方向的正应变，被加热板料缩短，发生墩粗增厚。增厚的大小取决于材料的热膨胀系数和激光加工参数。5、激光弯曲成形影响因素a、激光工艺参数，主要包括激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描路径、扫描次数、材料对激光的吸收系数等。b、材料的性质，分为热物理性能和力学性能，包括材料的热膨胀系数、比热容、热扩散系数、密度、熔点、弹性模量、屈服应力、硬化指数、泊松比等。c、板料的几何参数，主要是板料的宽度和厚度。由于激光弯曲成形过程受许多因素影响，当材料确定之后，激光参数的选择对板料成形的效果起着决定性的作用。本文主要讨论激光的加工参数对成形弯曲角度的影响。激光弯曲成形作为一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、洁净等特点。将激光成形技术用于钛合金板料成形，可充分发挥该技术的独特优势，在航空航天领域新品的研制中发挥重要作用。激光弯曲成形过程是一个极其复杂的热弹塑性力学过程，精确地了解整个变形过程中的温度、应力、应变及变形的发生、发展的动态行为，是一个很艰深的学术课题。因为材料的物理、力学参数几乎都是与温度有关的，这是一个高度非线性问题。利用有限元方法的最新成就，借助于高性能的计算机来分析激光成形过程的力学行为，定量地研究各个因素对成形质量的影响将是未来的主要方向。1）激光功率的影响在其它参数一定的情况下，弯曲角度随着激光扫描功率的增加而增大，这是因为随着功率的增加，激光作用的能量也随之增加。实质上，增加功率就是增加了单位面积内的能量密度，板料所吸收的能量也较高，导致板料上表面的加热区温度大幅度增加，而下表面的温度影响不大，由此产生了板料厚度方向上温度梯度增加，从而导致了局部的热应力增大，从而引起的弯曲力矩也随之增加，最终导致了弯曲角度的增大。但是扫描功率并不是可以无限增大，随着激光功率继续增加，照射部位的热影响区变大，从而使板料沿厚度方向的温度梯度减少，所以弯曲角度逐渐变小。当激光功率增加到一定时，会对板料表面有烧灼的痕迹。如果继续增加功率，就转变成为激光焊接或切割，导致弯曲工艺失败。2）扫描速度的影响在其它参数一定的情况下，随着扫描速度的增大，弯曲角度反而变小，这是因为随着激光扫描速度的增大，光束在板料表面被照射区内的停留时间减小，板料被照射的区域在单位时间内获取的能量减少，导致板料厚度方向上温度梯度减小，板料的最终弯曲变形角度随之减小。扫描速度继续增大，被照射处板料塑性变形更小，相对而言，板料的约束较大，加热阶段产生的塑性变形在冷却阶段得不到恢复，从而产生了背向激光束的弯曲，弯曲角度变小甚至是反向弯曲。3）扫描次数的影响由于一次激光扫描所能获得的弯曲角度较小，在实际的弯曲成形中，工件的最终变形通常由数次扫描累积而成。随着扫描次数的增加，弯曲角度不断增大，但分析不同功率下弯曲角度变化量随扫描次数变化的规律曲线，发现弯曲角度并不是随着扫描次数的增加呈线性增加。排除测量误差对实验数据的影响，起始扫描时，弯曲角度变化很大，当扫描次数增加时，其弯曲角度的变化量呈缩小趋势。这是因为刚开始板料局部被照射，热影响区范围较小，上表面吸收的能量来不及传导到下表面，因而厚度方向上产生较大的温度梯度，塑性变形程度较大，弯曲变形的角度增量较大；随着扫描次数的增加，一方面整个板料由于热传导作用都会受热升温，温度梯度变小，弯曲变形减小；另一方面扫描次数的增加直接导致板料增厚现象明显，截面模量也随之增加，弯曲阻力增大，因而弯曲变形的角度增量也随之减小。4）扫描策略的影响激光成形不仅可以成形由平面V形弯曲构成的三维形状，合理地控制激光的扫描策略，可以成形复杂的曲面。扫描策略包括扫描的路径、扫描间距L和扫描时间间隔。扫描路径决定了热输入在板料上产生的温度场分布，不同的扫描路径将会得到不同的温度场分布，产生的弯曲变形也不同。直线扫描得到的是V型弯曲，圆形线扫描可以得到球冠型的曲面。扫描间距的大小决定了板料弯曲变形后的几何形状，因为激光弯曲成形时，存在热影响区，热影响区内的板料将发生塑性变形，我们把这个区域定义为变形区，它是以激光的扫描路径为中心的带状区域。显然，当扫描间距L大于变形区时，两次扫描路线之间有一段板料没有发生变形，保持板料原有的平面，而在变形区形成了棱边。当扫描间距L小于变形区时，两次扫描的变形区相互影响、相互叠加形成了光滑的曲面，曲面半径取决于L和光斑直径的大小，弯曲角度是每次扫描弯曲角度的简单叠加。扫描时间间隔是指一次扫描完成后到下次扫描之间的间隔时间。弯曲角度随着扫描时间间隔的增加先增大后减小，这是因为在这段间隔时间里，热影响区将有一个冷却的过程，扫描时间间隔短，板料在一次扫描后来不及冷却紧接着接受二次扫描，板料整体温度较高，弯曲变形更加容易；扫描时间间隔长，随着热传导和冷却的作用，板料上下表面温度梯度明显下降，弯曲变形小。但过短的扫描间隔时间相当于对板料表面进行了回火处理，会降低板料的表面硬度。二、激光冲击强化技术激光冲击强化(Laser Shocking Peening , LSP)技术，也称激光喷丸技术。是通过高功率密度(GW/cm量级)、短脉冲(1030ns量级)的激光通过透明约束层作用于金属表面所涂覆的能量吸收涂层时，涂层吸收激光能量迅速气化并几乎同时形成大量稠密的高温(10 K)、高压(1GPa)等离子体。该等离子体继续吸收激光能量急剧升温膨胀，然后爆炸形成高强度冲击波作用于金属表面。当冲击波的峰值压力超过材料的动态屈服强度时，材料发生塑性变形并在表层产生平行于材料表面的拉应力。激光作用结束后，由于冲击区域周围材料的反作用，其力学效应表现为材料表面获得较高的残余压应力。残余压应力会降低交变载荷中的拉应力水平，使平均应力水平下降，从而提高疲劳裂纹萌生寿命。同时残余压应力的存在，可引起裂纹的闭合效应，从而有效降低疲劳裂纹扩展的驱动力，延长疲劳裂纹扩展寿命。利用强激光束产生的等离子冲击波，提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力的一种高新技术。它具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点。涂层的作用主要是保护工件不被激光灼伤并增强对激光能量的吸收，目前常用的涂层材料有黑漆和铝箔等。激光冲击强化技术和其它表面强化技术相比较，具有如下鲜明特点：（1）高压，冲击波的压力达到数GPa，乃至TPa量级，这是常规的机械加工难以达到的，例如，机械冲压的压力常在几十MPa至几百MPa之间；（2）高能，激光束单脉冲能量达到几十焦耳，峰值功率达到GW量级，在1020ns内将光能转变成冲击波机械能，实现了能量的高效利用。并且由于激光器的重复频率只需几Hz以下，整个激光冲击系统的负荷仅仅30KW左右，是低能耗的加工方式；（3）超高应变率，冲击波作用时间仅仅几十纳秒，由于冲击波作用时间短，应变率达到 ,这比机械冲压高出10000倍，比爆炸成形高出100倍。激光喷丸成形技术大约在.1965年首次提出，其基本原理是采用高频，高功率，短脉冲激光束冲击放于层流水中的表面涂有半透明烧蚀材料的工件表面，激光脉冲穿过层流水而被烧蚀层吸收并在层流水上产生等离子云，在10ns100ns内等离子快速膨胀在工件表面上产生1Gp10Gp的压力,并形成平面激波,从而使工件表层产生塑性变形.与传统喷丸工艺相比,激光喷丸所产生的残余压应力值更大,残余压应力分布区距喷丸表面更深为传统喷丸的35倍。因此激光喷丸用于金属零件的表面强化，激光冲击强化可以大大提高零件抗疲劳及应力腐蚀的能力，用于薄壁零件的成形则可获得比传统喷丸更大的变形能力。用喷丸进行表面处理，打击力大，清理效果明显。但喷丸对薄板工件的处理，容易使工件变形，且钢丸打击到工件表面（无论抛丸或喷丸）使金属基材产生变形。国内外的研究均表明，激光冲击强化对各种铝合金、镍基合金、不锈