CN101332537A - 板材激光冲击与热应力复合成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板材激光冲击与热应力复合成形方法及实现该方法的装置。该方法是将一束脉冲激光经分光镜按比例分为两束激光，其中一束的功率密度小于被照射材料的点火阈值但不致材料熔化，另一束的功率密度则大于被照射材料的点火阈值，然后将两束激光一前一后按一定间距同时照射于板材上，并按预定轨迹进行连续扫描，借助于激光照射所形成的热应力和冲击力和进行塑性成形，将板材加工为各种形状。实现该方法的装置由激光发生器系统、激光头系统、涂层系统、工作台系统、形状测量系统和运动控制系统构成。该方法具有无需模具、无需外力等特点，加工柔性大，工件性能好，可用于金属及非金属板材的弯曲及复杂曲面成形，也可用于零件的校形中。

Description

板材激光冲击与热应力复合成形方法及装置

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体是涉及一种借助于脉冲激光照射板材时所形成的冲击力和热应力进行塑性成形的方法和装置。

背景技术

传统的板材塑性成形方法，如拉深和弯曲，都是借助于模具来完成的，具有高精度、高效率等特点，其缺点是模具费用高、准备周期长，并不适合单件小批量产品的生产，也不适合于超大零件或脆性材料的成形。

近年来，已有大量关于喷丸成形制造飞机机翼板的报道，它利用球丸高速冲击材料表面所产生的冲击力使工件产生塑性变形，优点是不用模具，能加工大型零件，能在材料表层形成残余压应力，并使工件具有高的抗疲劳性能；缺点是工件表面粗糙、工艺参数多而难以控制。美国加州大学Hackel Lloyd申请的专利“Contour Forming of Metals by LaserPeening”(专利号WO0105549)，提出利用脉冲激光照射板材表面的能量吸收层，并使其气化电离生成等离子体，由于板材表面覆盖着一层水作为约束层，所以当等离子体喷射时受到水层的约束并形成反冲力压向工件，从而在板材表层形成压应力，最终使板材产生背离激光束的微变形。美国专利文件US2007/0039933A1则公开了“System and Method ofLaser Dynamic Forming”(申请号为11/507064)，用两束激光照射材料表面，其中一束用于加热，另一束脉冲激光照射板材表面的涂层后产生冲击力，通过成形凹模的作用，最终得到与凹模形状一致的工件。这两个专利技术各自提供了一种由激光诱发的板材塑性成形方法，它们都是利用脉冲激光所诱发的力效应而非热效应进行成形，所以均属冷加工方法。前者通过脉冲激光冲击达到喷丸成形的效果，所以也称为激光喷丸成形。由于它借助于材料表层残余压应力释放时得到的微曲度进行成形，所以仅用于凸向激光束的曲面的成形，另外，在曲面上连续多次冲击时，变形量和变形方向很难控制，因此仅适应于曲率不大的零件成形。后者在国内称为激光冲压，可以成形较为复杂的形状，但要借助于模具，不宜成形大型零件。

目前还有一种通过激光诱发的热应力进行塑性成形的方法，也称激光弯曲，通常是利用连续激光扫描板材表面时所形成的温度梯度，来诱发板材厚度方向上不平衡的应力，最终使板材产生塑性变形，其详细机理在刘韧与季忠的学术论文“板料激光成形及其研究进展”(锻压装备与制造技术，2004，(3))中已有介绍。欧洲专利文献2007年公开了带主动冷却的激光热应力成形系统“Laser Thermal Forming Systems With Active Cooling”(European Patent EP1777030)。激光热应力成形属非接触式热加工方式，不需模具，并可加工常温下的难变形材料。但由于照射区的材料要被加热到相变温度以上，才会导致明显的体积变化，继而引起超过屈服极限的热应力，所以完全的热应力成形所必需的深度加热，通常会导致坏的变形组织并影响工件的机械性能。

前述已有的激光喷丸成形都是采用脉冲激光，将功率密度设定为稍大于阈值强度的一个范围内，这时，板材产生面向激光束的上凸成形，并在凸面产生残余压应力，板材没有明显的热影响区。前述激光冲压成形中，也没有明显的热影响区，功率密度也大于阈值强度，板材表面具有能量吸收层和约束层，它借助于凹模的作用而产生下凹成形，但这类成形并不适合于整个板材发生大曲率变形的情况，因为宏观大曲率变形时难以施加约束层。前述基于热应力的激光弯曲成形，则是采用连续激光，将材料局部加热到相变温度以上，利用不均匀温度场引起的不均匀膨胀所导致的不平衡应力进行成形，通常伴随着晶粒粗大现象，影响零件性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种板材激光冲击与热应力复合成形方法及装置，可用于金属及非金属板材的弯曲及复杂曲面成形，也可用于钣金零件的校形中。

本发明板材激光冲击与热应力复合成形方法，是将脉冲激光束经分光镜按比例分为两束激光4a和4b，功率密度小于被照射板材5点火阈值的激光束4a在前，功率密度大于被照射板材5点火阈值的激光束4b在后，两束激光在位置上一前一后并保持一定间距，然后照射在板材5上，并按预定轨迹进行连续扫描，使板材5产生塑性变形。

前述板材激光冲击与热应力复合成形方法，当将脉冲激光束4a和4b作用于板材5，沿同一轨迹扫描一次或多次后，借助于激光束4a和4b与板材5的相对平移和转动，使激光束4a和4b按另一轨迹在板材表面进行扫描，通过变形量的累积，可将板材5加工成各种不同形状。

本发明实现板材激光冲击与热应力复合成形方法的装置，由激光发生器系统、包含分光镜的激光头系统、涂层系统、工作台系统、形状测量系统和运动控制系统构成，其特征在于，所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统1和激光发生器2；所述激光头系统包括沿X和Z方向移动、并可绕Y轴摆动的激光头3及其所传输并经分光的激光束(4a，4b)；所述涂层系统是指与激光头3固定在一起并随之一起运动的装置9，所述装置9由吸墨辊9.1、传墨辊9.2、涂墨辊9.3和盛墨盘9.4构成；所述工作台系统包括沿Y方向移动、并可绕X轴摆动的工作台8、夹持于工作台8上的工件5；所述形状测量系统6用于测量激光束扫描后板材端部所产生的位移，并将位移信号反馈到上位计算机10；运动控制系统7用于控制激光头3与工作台8的相对位移，从而使工件5与激光束4a和4b产生预设的相对移动。

该方法是将一束脉冲激光经分光镜按比例分为两束激光，其中一束的功率密度小于被照射材料的点火阈值，另一束的功率密度则大于被照射材料的点火阈值，然后将两束激光同时扫描板材，产生塑性变形的原因来自：1)功率密度小于材料点火阈值的激光束按一定速度进行扫描时的热效应；2)功率密度大于材料点火阈值的激光束按一定速度进行扫描时，材料表面生成等离子体，等离子体产生爆炸时的冲击力效应。本发明与前述已有方法比，具有成形量大、板材表面不需特殊处理、成本低而效率高，零件性能好，并可以加工大型零件等特点。

本发明的板材激光冲击与热应力复合成形方法，是一种将一束脉冲激光分为能量不同的两束激光，然后将两束激光一前一后(能量小的在前，能量大的在后)按一定间距同时照射板材，并按一定轨迹进行重复扫描，当变形量达到一定程度后，换一条扫描轨迹，再次进行重复扫描，借助于激光照射所形成的热应力、激光引起的材料软化、激光对受热软化材料的冲击等综合作用，将板材加工成为各种形状的方法。

激光对板材所形成的热应力成形是这样实现的：当脉冲激光重复扫描板材时，如果激光能量较低，材料表面未被烧蚀和汽化，则板材会被局部加热，使被照射处的温度在极短的时间内(通常小于0.1s)快速上升，并产生热膨胀。但这种热膨胀受到周围冷态材料的约束，所以会产生压应力，从而使膨胀区产生塑性压缩变形。停止激光照射或激光扫描过后，产生塑性压缩变形的区域温度急剧降低，产生体积收缩并导致拉应力，但所产生的塑性变形并不能完全回复，必然对周围材料产生牵拉作用，从而使板材产生宏观弯曲变形。

激光对板材所形成的冲击力是这样实现的：脉冲激光束作用于板材表面时，板材表面事先涂上的石墨层被烧蚀、汽化，并引起显著的电离和原子激发，生成等离体子云。在未形成等离体云时，板材上面的空气对激光束近似透明，几乎不吸收激光能量。当形成等离子体云后，气氛变得不透明并开始吸收激光辐射，部分或全部阻止激光到达材料表面，使汽化减弱或终止，形成屏蔽效应。由于等离体云急剧吸收激光能量，因此呈汽化物质的球形飞散状向外爆炸，产生等离子爆轰波，并遵循能量和动量守恒原理，产生面向板材的冲击力，从而使板材产生塑性变形。

等离子体爆轰波是在一定激光强度下产生的，这一强度被称为点火阈值强度，并以功率密度表示。阈值强度与激光辐照脉宽有关，在一定范围内，脉宽越宽阈值越低。不同材料也对应不同的阈值强度。波长为10.6μm的激光对铝箔、铜板、钛板、聚四氟乙烯产生爆轰波的阈值强度大致分别为1.2×10⁷W/cm²、2.75×10⁷W/cm²、2.3×10⁷W/cm²、2.8×10⁷W/cm²，所对应的激光能量密度分别为84.0J/cm²、191.0J/cm²、160.1J/cm²、195.2J/cm²。等离子体爆轰波的速度很高，所引起的塑性变形的应变率通常大于10⁵s^-1，由于惯性效应，当脉冲激光束在板材表面沿直线扫描时，会产生以扫描轨迹为弯曲线的弯曲变形。

具体技术方案是，首先脉冲激光发生器处于关闭状态，通过激光头与工作台的相对移动，使固定于激光头上的涂层系统按预定的路径，在板材上涂上一条线状的石墨层。然后，开启激光发生器并发出激光束，激光束在激光头内通过分光镜按比例分成能量不同的两束激光，这两束激光一前一后按预定路径扫描板材，第一束激光将扫描区域加热，使材料软化和膨胀，并导致热应力，并使板材发生一定的塑性变形。第二束激光将板材表面未被完全烧蚀的涂层烧蚀汽化并形成等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，产生面向板材的冲击力，并使板材局部发生微小的下凹变形。由于激光束与板材的相对位置不断变化，就象沿着一条路径不断锤击板材一样，激光冲击形成的微小凹坑不断延伸，当延伸到板材端部时，板材产生朝向激光束的宏观弯曲变形。尔后，再次涂上含水石墨，增加对激光能量的吸收，并起到主动冷却作用，进一步增强变形效果。

由以上描述可以看出，本发明的重要技术特征在于，一束脉冲激光通过分光镜分为两束能量不同的激光束，其中一束激光的功率密度小于材料的点火阈值且不致板材熔化，另一束的功率密度则大于材料的点火阈值。另外的重要的技术特征是，扫描时两束激光在位置上保持一定间距同时照射板材，并且能量小的在前，能量大的在后。

本发明综合了激光喷丸、激光冲压、激光弯曲的优点，是一种利用激光扫描时所形成的冲击力和热应力进行复合成形的方法。

本发明的板材激光冲击与热应力复合成形方法，其特征在于，所述板材厚度小于1.0mm，激光功率密度为1～50GW/cm²，脉冲宽度1～60ns，脉冲频率1～20Hz，适合于多种波长脉冲激光，但优选波长较大者。一个可行的案例是，厚度为0.08mm的碳钢板，用波长为1064nm的YAG激光，以5mm/s的速度沿直线扫描15次，获得了约40度的弯曲变形量。其中激光脉宽10ns，脉冲频率10Hz，第一束激光的功率密度为0.6GW/cm²，第二束激光为6GW/cm²。其它工艺参数不变时，仅用一束功率密度为6GW/cm²的激光束进行扫描，所得弯曲角度不到30度。值得说明的是，第一束激光的功率密度为0.6GW/cm²，单纯从数值上看似乎大于材料的阈值强度，但事实并非如此，原因之一是光斑是运动的，另外材料表面也不能对激光100％吸收，所以激光的能量密度并没有达到阈值。

如果激光扫描轨迹为一直线，则得到V形弯曲件；如果扫描轨迹为一系列平行直线，则得到柱面件；如果扫描轨迹为一系列同心圆，或为一系列发自一点的射线，则得到球面圆顶件。

实现板材激光冲击与热应力复合成形方法的专用装置，由激光发生器系统、激光头系统、涂层系统、工作台系统、形状测量系统和运动控制系统构成。所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统和激光发生器；所述激光头系统包括沿X和Z方向移动、并可绕Y轴摆动的激光头及其所传输的激光束；所述涂层系统是指与激光头固定在一起并随之一起运动的装置，主要由吸墨辊、传墨辊、涂墨辊和盛墨盘构成，用于在激光扫描之前，沿扫描轨迹事先涂上一层含水石墨，并在第二次激光扫描时起冷却作用；所述工作台系统包括沿Y方向移动、并可绕X轴摆动的工作台、夹持于工作台上的工件；所述形状测量系统用于测量激光束扫描后板材端部所产生的位移，并将位移信号反馈到上位计算机；运动控制系统用于控制激光头与工作台的相对位移，从而使工件与激光束产生预设的相对移动。

板材激光冲击与热应力复合成形方法的技术参数包括能量参数、运动参数、工件参数。能量参数包括激光能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑直径；运动参数包括激光束与板材的相对速度、扫描轨迹；工件参数包括板材几何尺寸、材料种类等。其中激光总能量、脉冲宽度、脉冲频率由激光发生器控制系统来调节和控制，两束激光能量比例由分光镜系统控制调节；光斑直径由激光头及运动控制系统调节和控制；光斑在板材上的移动速度和移动轨迹由激光头、工作台调节和控制。形状测量系统测得板材端部位移，反馈到上位计算机，求出工件即时形状，将信息进一步传递给激光发生器控制系统和运动控制系统，从而按要求的工艺进行加工。改变技术参数，可以调整冲击压力及温度场，配合有序的多点连续激光冲击，便可方便地获得不同规格的成形件。

本发明突出的技术优势表现在：

(1)第一束激光使材料受热膨胀，第二束激光对受热区域进行冲击，其效果类似于锻造加工，与单纯激光热应力成形相比，能得到优良的变形组织。

(2)与单纯的激光喷丸成形比，既能进行凸面成形(背向激光束的弯曲)，也能进行凹面成形(面向激光源的弯曲)。

(3)与单纯的激光热应力成形或激光喷丸成形比，能获得更大的变形量，成形效率高。

(4)与激光冲压相比，不需成形凹模和约束层，可以成形大型零件。改变技术参数及扫描轨迹，可以成形非常复杂的形状。

(5)高应变率变形过程，可以用于常规方法难变形材料的成形。

附图说明

图1是板材激光冲击与热应力复合成形方法的专用装置示意图。图2是激光头内的分光镜的原理及两束激光的能量特点示意图，峰A是激光束4a的能量分布、峰B是激光束4b的能量分布，M₁是反光镜，M₂是分光镜。其中：1.激光发生器控制系统；2.激光发生器；3.X/Z向移动并绕Y摆动激光头；4.激光束，其中4a第一束激光，4b第二束激光；5.板材；6.形状测量系统；7.运动控制系统；8.Y向移动并绕X摆动工作台；9.涂层系统；10.计算机。

图3是涂层系统9的侧视图。其中9.1吸墨辊；9.2传墨辊；9.3涂墨辊；9.4盛墨盘。

图4是多面体筒形件和柱面件成形原理图。图中，11.扫描轨迹I；12.扫描轨迹II；13.扫描轨迹III；14.板材夹持端；R.曲率半径；α.弯曲角度。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的技术方案的细节和工作情况。

图1为本发明进行板材激光冲击与热应力复合成形方法的装置示意图，图2为激光头内的分光镜的原理及两束激光的能量特点示意图。激光发生器系统包括依次相连的激光发生器控制系统1和激光发生器2。激光头系统包括沿X和Z方向移动、并可绕Y轴摆动的激光头3及其所传输的激光束，激光束经分光镜分为两束，即4a和4b，如图2所示。涂层系统是指与激光头3固定在一起并随之一起运动的装置9，主要由吸墨辊9.1、传墨辊9.2、涂墨辊9.3和盛墨盘9.4构成，用于在激光扫描之前，沿扫描轨迹事先涂上一层含水石墨，并在第二次激光扫描时起冷却作用。工作台系统包括沿Y方向移动、并可绕X轴摆动的工作台8、夹持于工作台8上的工件5；所述形状测量系统6用于测量激光束扫描后板材端部所产生的位移，并将位移信号反馈到上位计算机10。运动控制系统7用于控制激光头3与工作台8的相对位移，从而使工件5与激光束4a及4b产生预设的相对移动。上位计算机统一协调激光功率、光斑大小、扫描速度、扫描路径等各种技术参数，以及涂层动作、涂层路径等。

板材激光冲击与热应力复合成形方法的具体实施方式是：首先，脉冲激光发生器2在其控制器1的作用下处于关闭状态。通过激光头3带动涂层系统9，在运动控制系统7的作用下，与工作台8产生相对移动。涂层系统的吸墨辊9.1、传墨辊9.2、涂墨辊9.3绕各自的轴线转动，吸墨辊9.1将盛墨盘9.4中的含水石墨通过传墨辊9.2传递给涂墨辊9.3，涂墨辊9.3与板材5密切接触，并沿预定轨迹滚动，从而将石墨呈线状涂在板材5上。开启激光发生器2并发出激光束，激光束经分光镜分为4a和4b，激光束4a和4b沿预定路径进行扫描，并保证低能量的激光束在前，高能量激光束在后。激光扫描使板材5产生朝向激光束的宏观弯曲变形。形状测量系统6实时地测量板材5变形过程中端部产生的位移，并将该位移在上位计算机10中换算为板材形状，并由计算机10确定下一步的工艺参数。

激光束总的能量大小、激光模式、脉冲宽度、脉冲频率，由激光发生器控制系统1调节和控制。激光束4a与激光束4b的能量比例由图2所示的分光镜系统控制调节；激光束的光斑直径通过激光头3的Z向移动来调节，并通过运动控制系统7进行控制。运动控制系统7同时控制激光头3的X向移动和绕Y的转动自由度、工作台8的Y向移动和绕X的转动自由度。各个方向的运动通过插补使工件5与激光束4a及4b按预定速度和预定轨迹进行相对移动。

图3是涂层系统的示意图。

图4是制造多面体筒形件和柱面件的原理图和实物图片。多面体筒形件是通过多次弯曲渐进成形的。首先涂层系统9在板材5上沿扫描轨迹I(Y向)涂石墨，然后激光束4a和4b沿该轨迹进行扫描，如此步骤重复1次或多次，至本次弯曲角达到α止。板材5与激光束4a和4b在X向相对位移L距离，涂层系统在板材5上沿扫描轨迹II(Y向)涂石墨，然后激光束4沿扫描轨迹II进行扫描，如此步骤重复1次或多次，至本次弯曲角也达到α止。然后沿扫描轨迹III、IV....，重复上述步骤，由可得到多面体筒形件。扫描轨迹之间的距离L决定了多面体筒形件的边长，沿每条扫描轨迹的弯曲角度决定了多面体的边数n，其中边数和弯曲角度存在如下关系：

α＝2*π/n

因此，选取合适宽度的板料，精确控制扫描间距L和在每个位置扫描的成形角度α，可以成形任意高度，任一边数和边长的多面体筒形件。

板材激光冲击与热应力复合成形也存在一个弯曲半径的问题，即弯曲角度的顶端不是尖锐的，而是有一定的曲率半径的圆弧，把该圆弧区定义为变形区，它是以激光的扫描路径为中心、宽度为H的带状区域。可以利用变形区的曲率半径拟合三维曲面的曲率半径，以成形三维曲面形状。当扫描间距L大于变形区宽度H时，两次扫描之间有一段板料没有发生变形，保持板料原有的平面，而变形区形成了棱边，则得到多面体筒形件；当扫描间距小于或等于变形区宽度H时，两次扫描的变形区相互叠加形成了光滑的曲面，则得到柱面零件，即柱面件成形的前提条件是：

L≤H

由于成形时弯曲半径的存在，使得变形区在微观上呈现为具有一定弯曲半径和一定宽度的带状小曲面。通过控制激光成形的工艺参数，以改变变形区的曲率半径和宽度，将不同曲率半径的小曲面组合起来就可以构成多种不同的三维曲面形状。

Claims (3)

1、板材激光冲击与热应力复合成形方法，其特征在于，将脉冲激光束经分光镜按比例分为两束激光(4a)和(4b)，功率密度小于被照射板材(5)点火阈值的激光束(4a)在前，功率密度大于被照射板材(5)点火阈值的激光束(4b)在后，两束激光在位置上保持一定间距，并且照射于板材(5)上，然后按预定轨迹进行连续扫描，使板材(5)产生塑性变形。

2、权利要求1所述板材激光冲击与热应力复合成形方法，其特征在于，将脉冲激光束(4a)和(4b)作用于板材(5)，沿同一轨迹扫描一次或多次后，借助于激光束(4a)和(4b)与板材(5)的相对平移和转动，使激光束(4a)和(4b)按另一轨迹在板材表面进行扫描，通过变形量的累积，将板材(5)加工成不同形状。

3、实现板材激光冲击与热应力复合成形方法的装置，由激光发生器系统、包含分光镜的激光头系统、涂层系统、工作台系统、形状测量系统和运动控制系统构成，其特征在于，所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统(1)和激光发生器(2)；所述激光头系统包括沿X和Z方向移动、并可绕Y轴摆动的激光头(3)及其所传输并经分光的激光束(4a，4b)；所述涂层系统是指与激光头(3)固定在一起并随之一起运动的装置(9)，所述装置(9)由吸墨辊(9.1)、传墨辊(9.2)、涂墨辊(9.3)和盛墨盘(9.4)构成；所述工作台系统包括沿Y方向移动、并可绕X轴摆动的工作台(8)、夹持于工作台(8)上的工件(5)；所述形状测量系统(6)用于测量激光束扫描后板材端部所产生的位移，并将位移信号反馈到上位计算机(10)；运动控制系统(7)用于控制激光头(3)与工作台(8)的相对位移，从而使工件(5)与激光束(4a和4b)产生预设的相对移动。

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