CN101204756A - 一种热力结合的金属板材激光成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种热力结合的金属板材激光成形方法。工件置于三维数控平台上，一端固定，连续激光束以一定的扫描速度沿给定的运动轨迹加热金属板材表面，在激光束后约1～3个光斑直径的距离处施加压力。由于在热态条件下板材的弹性模量和屈服极限大大下降，激光束对工件局部加热诱发的不均匀热应力与压应力相结合使板材产生较大的塑性变形量，从而提高板材的成形效率。该方法不仅适于常规金属材料，而且也可应用于高硬脆难变形材料的成形，在航空航天、微电子和船舶制造领域有着较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种热力结合的金属板材激光成形方法，特别涉及板材成形领域，适合于金属板材无模快速成形或板材矫形。
技术背景
金属板材激光热成形是一种柔性无模局部热成形技术，它利用激光束对工件局部加热诱发不均匀热应力，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极限，则会使板材产生塑性变形，从而实现所需要的目标形状。激光热成形为无模成形，且无需外力，因而生产周期短、柔性大，适合于小批量零件生产；由于不受模具限制，可成形各类异构件；激光热成形属于热态积累成形，能够成形高硬度和脆性材料。由于具有以上优点，该技术在船舶制造领域已有广泛的应用，在航空航天和微电子领域也有初步的应用。然而，由于金属板材的变形主要依赖于热应力超过屈服极限时产生的塑性变形，激光每次扫描产生的变形量较小，为了获得需要的目标型面，需要进行多次激光扫描，这大大影响了金属板材的加工效率。
发明内容
为了克服金属板材激光热成形单次扫描变形量小的问题，本发明提供一种热力结合的金属板材激光成形方法，该方法可以实现激光热成形加工中金属板材的大变形，提高板材的成形或矫形效率。
本发明任务解决其技术问题所采用的技术方案是：金属板材置于三维数控平台上，一端固定，连续激光束以一定的扫描速度沿给定的运动轨迹加热金属板材表面，在激光束后约1～3个光斑直径的距离处施加压力。对于较厚的金属板材用机械的方式进行压力施加，对于较薄的金属板材，可用高压气流进行压力施加。在激光热成形中，激光束后约1～3个光斑直径的距离处板材已有反向弯曲转变为正向弯曲，上表面材料温度降低而下表面温度仍要继续升高一段时间，下表面热膨胀量继续增加，且温度仍然很高(约在450℃左右)，该温度条件下金属板材屈服强度大大下降而易于变形，因此在较小压力下板材可获得较大的塑性变形。激光束对工件局部加热诱发的不均匀热应力与压应力相结合，以提高金属板材的成形效率。为了求出每次扫描所需要的加工工艺参数，建立压力大小、光斑直径、激光功率和扫描速度与板材变形基本关系数据库。根据数据库和板材变形量要求，可以反求出所需要的加工工艺参数。
与常规的金属板材热成形相比，试验结果表明该方法单次激光扫描的变形量可提高十倍以上，大大提高金属板材的成形效率。由于在高温下进行板材成形，该方法不仅适于常规金属材料，而且也可应用于高硬脆难变形材料的成形，在航空航天、微电子和船舶制造领域有着较大的应用前景。
附图说明
图1热力结合金属板材激光成形装置示意图
图2热力结合金属板材激光成形过程示意图
1控制系统，2CO2激光器，3反射镜，4聚焦镜，5激光束，6成形工件，7三维数控台，8夹具，9压力输出系统
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明。热力结合金属板材激光成形装置由控制系统1、CO2激光器2、反射镜3、聚焦镜4、压力输出系统9、夹具8、三维数控台7和成形工件6组成，如图1所示。
首先，为了防止金属板材表面油垢影响传热，所有板材均用丙酮进行清洗。由于选用的CO2激光器产生的激光波长为10.6μm，低碳钢对其的吸收率很低，为了提高激光的吸收系数，在金属表面均匀涂上一层涂层，进行黑化处理。然后，长为L、宽为W、厚为H的工件置于三维数控台7上，用夹具8固定成形工件6的一端，激光束5和压力施加装置9位置固定不变，依靠工件的移动使连续激光束5以一定的扫描速度v沿给定的运动轨迹b加热金属板材表面，在激光束后距离激光束中心d处施加压力F，如图2所示。对于较厚的板材用机械的方式进行压力施加，d约为1～3个光斑直径的距离，对于较薄的板材可用高压气流进行压力施加，d为零。在激光扫描过程中，被扫描部位依次经历加热与冷却两个换热过程，通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却。
激光束对工件局部加热诱发的不均匀热应力与压应力相结合，从而实现增大板材变形量提高成形效率的目的。在实际的工业应用中，通过改变施加压力大小、光斑直径、激光功率和扫描速度来调整板材变形量的大小。针对给定的变形要求，板材变形通常用板材弯曲角或残余平面应变和弯曲应变描述，需要先建立压力大小、光斑直径、激光功率和扫描速度与板材弯曲角或残余平面应变和弯曲应变基本关系数据库。根据数据库和板材变形量要求，可以反求出所需要的加工工艺参数，从而实现任意复杂曲面板材的快速无模成形。
Claims (6)
1.一种热力结合的金属板材激光成形方法，成形工件(6)置于三维数控台(7)上，一端固定，连续激光束(5)以一定的扫描速度沿给定的扫描路径加热金属板材表面，其特征是在激光束(5)后约1～3个光斑直径的距离处施加压力，激光束(5)对成形工件(6)局部加热诱发的不均匀热应力与压应力相结合使板材产生塑性变形，以提高金属板材的成形效率。
2.根据权利要求1所述的方法，热力结合金属板材激光成形装置出控制系统(1)、CO2激光器(2)、反射镜(3)、聚焦镜(4)、压力施加装置(9)、夹具(8)、三维数控台(7)和成形工件(6)组成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于激光束(5)和压力施加装置(9)位置不变，成形工件(6)固定于三维数控台(7)上按照给定的扫描路径进行加热。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是对于较厚的板材用机械的方式进行压力施加，对于较薄的板材，可用高压气流进行压力施加。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过改变施加压力大小、光斑直径、激光功率和扫描速度来调整板材变形量的大小。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过建立压力大小、光斑直径、激光功率和扫描速度与板材变形基本关系数据库，根据数据库和板材变形量要求，反求出所需要的加工工艺参数。
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