CN101332538B - 带同步加热的板材激光微拉深成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带同步加热的板材激光微拉深成形方法。板材夹在微型拉深凹模和压边圈间，用环状激光束透过透明凹模对板材边缘区域进行加热，同时用能量密度大于材料点火阈值的短脉冲激光照射板材，通过激光与材料相互作用时产生的等离子体冲击波冲击板材，并使之发生塑性变形，得到与凹模形状吻合的拉深件。本方法成形速度快，可成形常温下难变形材料，并能显著提高材料的强度、抗磨损、抗腐蚀和抗疲劳性能，特别适合于用超薄板材进行的微小筒形件的拉深成形或微型球形件的胀形成形，可用于制造微机电系统结构元器件。

Description

带同步加热的板材激光微拉深成形方法

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体涉及一种针对超薄板材的、带同步加热的脉冲激光微拉深成形方法及实现该方法的装置。

背景技术

拉深成形是一种常见的板料成形工艺，通常是借助于凸模、凹模和压边圈来完成的。但是，这种宏观制件的传统拉深成形方式，应用于微型零件制造时，存在着很多弊端。比如，微凸模的制造非常困难，凸模与凹模的对中以及间隙保证很不容易，凸模的行程也很难控制。另外，这种借助于凸模和凹模的相对运动进行的机械成形，属于准静态成形方式，成形效率低。再者，材料在微尺度时，由于晶粒数量的减少通常呈现低可成形性，即出现所谓的尺度效应，所以，用传统方法进行微型零件的拉深成形时，往往很难成功。因此，必须寻求板材微拉深成形的新方法。

美国加州大学Hackel Lloyd申请的专利“Contour Forming of Metals by LaserPeening”(专利号WO0105549)，提出通过激光冲击板材表面，利用其残余应力释放产生微曲度进行微变形，但是，这种方法的变形量难以控制。

中国专利文件CN101020276公开了“基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法”(申请号200610161353.5)，它利用脉冲激光冲击工件表面的柔性贴膜，使其气化电离并形成冲击波而压向工件，加上成形半模的作用，最终得到与半模形状一致的塑性成形试样。该方法在板材表面采用了柔性贴膜，变形的驱动力来自材料电离产生的冲击力，而不是激光的热效应，所以属于冷成形方式。但是，很多材料在冷态高应率时的延展性很差，限制了该方法的成形限极和应用范围。

美国专利文件US2007/0039933A1则公开了能够进行预加热的激光动态成形方法“Systemand Method of Laser Dynamic Forming”(申请号为11/507064)，它首先预热板材，然后用一束激光产生材料变形所需的冲击力。其技术缺陷表现在：1)板材预热与激光冲击分开进行，工作效率低；2)预热在是施加了约束层以后进行的，对超薄的金属板材，热量会迅速流向约束层及凹模，影响预热效果；3)不便采用水做约束层，否则会因板材预热而汽化；4)对于拉深成形，工艺要求板材的边缘区域受热软化，以便于往凹模中流动，板材的中心部分要保持冷态，以保证具有足够的强度而不致拉裂，但该专利技术通过激光扫描预热板材时，热量会很快地流到板材的中心区域(对微型零件尤其如此)，使本不该加热的区域受到加热而软化，容易导致微型拉深件的破裂，不能获得大的变形量；5)不便采用压边圈，板料拉深时易于起皱，影响零件质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种能克服上述技术缺陷、成形效率高、零件质量好、操作方便、容易控制、并能获得大的变形量的、带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形方法及其装置。

发明概述

本发明的带同步加热的脉冲激光微拉深成形方法，是一种针对超薄板材(厚度小于0.1mm)、用一束激光在板材背面进行加热、同时另一束激光在板材正面进行冲击、并借助于微凹模(凹模直径小于4mm)和压边圈进行的拉深成形方法。

发明详述

本发明的技术方案如下：

带同步加热的脉冲激光微拉深成形方法，将板材夹持在压边圈和凹模之间，并放置在三坐标工作台上，来自激光发生器B的加热用激光束和来自激光发生器A的冲击用激光束，分别照射板材的两个表面，使所述的加热用激光束和冲击用激光束同轴；调整所述的三坐标工作台，使加热用的环状激光束与板材对中并达到要求的光斑大小；冲击用激光束的光斑大小则由激光器发生器A的激光束空间调制器进行调整；

激光发生器B发出的环状激光束透过凹模对板材边缘区域进行加热，增加该区域材料的塑性，降低屈服强度，使边缘区域的材料易于发生塑性流动；激光发生器A发出的柱状短脉冲激光束，其能量密度大于板材材料的点火阈值，使冲击用激光束产生垂直于板材表面的冲击力，该冲击力大于板材的动态屈服强度，使板材材料流入凹模之中，最后在凹模中得到微型拉深试样。

所述的压边圈用金属或陶瓷材料制做。

所述的压边圈设有中心孔，中心孔与光束尺寸相当，使激光束能恰好通过压边圈的中心孔。

所述的凹模用透明材料制做，凹模直径小于4mm。

压边圈与凹模之间的间隙或夹紧力按拉深要求调整。

所述的板材是超薄板材，厚度小于0.1mm。

优选的，当板材是铝箔材料时，激光发生器A发出柱状短脉冲激光束的能量密度应大于84J/cm²。要求柱状短脉冲激光束能量密度大于板材材料的点火阈值，使该激光束与材料相互作用产生等离子体，等离子体继续吸收激光能量而爆炸，产生垂直于板材表面的冲击力。

更为优选的技术方案是，为了增加板材对激光能量的吸收，在将板材置入模具之前，在板材表面预先覆盖保护层，该保护层使加热用激光具有更高的热效率，同时使冲击用激光更易在板材表面生成等离子体而不致烧蚀板材本身。保护层一般为黑漆、石墨或镀膜，厚度20-100μm。当板材被压边圈和凹模夹持后，通过压边圈的中心孔，在板材上覆盖一层蒸馏水，厚度约为1-3mm，该蒸馏水层称为约束层，在等离子体爆炸时起约束作用，使冲击力更多地压力板材。实验研究表明，当采用蒸馏水做约束层时，冲击力可以达到没有任何约束层时的4倍。为了保证凹模的刚度以及柱状激光束的透过率，凹模材料优选为蓝宝石。为了保证超薄板材的加热效果，压边圈的热传率应尽可能低，本发明优选ZrO₂陶瓷作为压边圈材料。压边圈的中心孔与光束尺寸相当，其间隙不大于0.05mm，使激光束能恰好通过压边圈的中心孔，其原因在于，等离子体爆炸时是呈近似球状向外高速膨胀的，压边圈的中心孔能够限制等离子体的膨胀和水的飞溅，从而获得更大的冲击力。冲击用激光束优选长波长短脉冲激光。

采用上述优选方案的带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形方法的工作过程如下：将激光发生器B发出的环状激光束，通过透明的蓝宝石凹模，照射超薄板材边缘区域的黑色保护层，板材边缘区域瞬间被加热。同时，激光发生器A发出的高能量密度的柱状短脉冲激光束，通过陶瓷压边圈的中心孔，透过蒸馏水约束层，照射在板材中心区域的黑色保护层上，该保 护层的表层被瞬间烧蚀、气化电离，并产生等离子体，等离子体继续吸收激光能量变得高温高压，向四周爆炸膨胀，因为水约束层的限制作用，等离子体产生垂直于板材表面的冲击力，该冲击压力可达到10⁹Pa量级，远远大于板材的动态屈服强度，并在蓝宝石凹模的作用下，使板材发生微拉深变形。

由以上描述可以看出，本发明的重要技术特点在于：1)使用透明凹模、使用环状激光束进行加热：2)加热用激光束和冲击用激光束在两个方向照射板材，板材夹持在压边圈与凹模之间；3)在柱状激光束进行冲击成形过程中，环状激光束穿过透明凹模对板材的边缘区域进行同步加热。

带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形方法的工艺参数包括激光能量、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲次数、光斑直径、材料种类、板材厚度、约束层(可选)厚度、保护层(可选)的类型和厚度。其中激光能量、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲次数，通过激光控制器调节和控制。加热用激光束的光斑大小通过三坐标工作台进行调节，其原理是调节板材与激光束焦点间的距离。冲击用激光束的光斑大小由相应的激光器发生器的附属装置激光束空间调制器进行调节。以上工艺参数可根据加工板材的材料及板料成形的具体要求参照本领域常规技术经有限的实验来确定。

实现该方法的专用装置包括激光控制器、激光发生器A、激光发生器B、凹模、压边圈、三坐标工作台，凹模直径小于4mm，压边圈和凹模之间固定板材，置于三坐标工作台上，来自激光发生器B的加热用激光束和来自激光发生器A的冲击用激光束，分别照射板材的两个表面。

作为该发明的一种变型和延伸，也可以仅使用激光器A，将激光器A发出的激光束，经分光镜分为两束柱状激光，其中一束激光照射在板材的正面用于产生冲击力，另一束激光经Axicon透镜转换为环状激光束，并引导到板材的背面用于加热。

通过本发明的这种方法，可以加工钢、铝、铜等金属及合金材料，也可加工部份非金属材料，能够加工塑性好的材料，也可加工常温下的硬脆材料。

本发明的成形方法能显著提高材料的强度、抗磨损、抗腐蚀和抗疲劳性能，特别适合于用超薄板材进行的微形筒形件或微型球形件的成形，可以应用于微机电系统结构元器件制造领域，如手机微听筒的制造中。

本发明的技术优势在于：

1)是无凸模成形，避免了微塑性成形中最棘手的凸模制造、间隙保证和行程控制等问题，激光束作为柔性冲头能使板材达到高成形精度，并将微尺度摩擦的影响降到最低；

2)环状激光束仅快速加热板材的边缘区域并使之软化，板材中心区域仍然处于冷态，因此，边缘区域的材料易于流向凹模内部，但中心区域的材料仍保持较高强度。所以，板材不易拉裂，能获得更大的成形量；

3)板材预热与冲击成形同步进行，成形速度快、效率高；

4)压边圈约束了等离子体的膨胀，能够获得大的冲击力，并防止板材起皱；

5)是高应变率成形(＞10⁵s^-1)，由于应力波前沿所引起的大量位错和严重塑性变形，能够使变形区组织均匀和细化；

附图说明

图1是带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形装置示意图。图2是带同步加热的板材脉冲激 光微拉深成形原理示意图。其中：1.激光控制器；2.激光发生器A；3.柱状脉冲激光束；4.约束层(可选)；5.保护层(可选)；6.压边圈；7.板材；8.凹模；9.三坐标工作台；10.环状激光束；11.激光发生器B；12.等离子体。

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。

为本发明进行带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形装置如图1。激光控制器1与激光发生器A2和激光发生器B11相连，激光控制器1控制激光发生器A2和激光发生器B11的工作参数，包括能量、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲次数等。压边圈6与凹模8将板材7夹持在其间，并一同放置在三坐标工作台9上。激光发生器A2发出柱状脉冲激光束3，激光发生器B11发出环状激光束10。调整三坐标工作台9，使柱状脉冲激光束3与压边圈6的中心孔对中。由于柱状脉冲激光束3与环状激光束10同轴，所以，环状激光束10也与模具对中。进一步调整三坐标工作台，以调整环状激光束10的光斑大小，使之按工艺要求能够加热板材的边缘区域。调节激光发生器A的附属装置----激光束空间调制器，调整柱状脉冲激光束3的光斑大小，使之能够顺利通过压边圈6的中心孔。

本发明的带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形原理如图2，其具体实施方法是：开启激光发生器A2和激光发生器B11。激光发生器B11发出的环状激光束10，透过透明凹模8，在板材的背面对板材的边缘区域进行加热；同时，激光发生器A2发出柱状短脉冲激光束3，通过压边圈6的中心孔，在板材的正面照射板材的中心区域，并产生等离子体12，等离子体12继续吸收激光能量而爆炸，产生垂直于板材7表面的冲击力，使材料流入凹模8之中，最后在凹模8的约束下得到微型拉深试样(如图2)。

为了增强激光能量的利用率并保护板材不被灼伤，可以在板材7表面覆盖保护层5，保护层5可以如图1所示仅覆盖板材7正面被激光束3照射的部位，也可以同时覆盖在板材7背面被激光束10照射的部位。为了对等离子体12的爆炸起约束作用，可以在压边圈6与凹模8将板材7夹紧后，通过压边圈6的中心孔，在板材7的中心部位覆盖一层厚度约为1-3mm的、称之为约束层的蒸馏水4(如图1)。

采用优化方案的带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形方法的具体实施方式是，在激光控制器1的控制下，将激光发生器B11发出的环状激光束10，通过透明凹模8，照射超薄板材7边缘区域的黑色保护层，板材边缘区域瞬间被加热。同时，激光发生器A2发出的高能量密度的柱状短脉冲激光束3，通过压边圈6的中心孔，透过蒸馏水约束层4，照射在板材中心区域的黑色保护层5上，该保护层5的表层被瞬间烧蚀、气化电离，并产生等离子体12，等离子体12继续吸收激光能量变得高温高压，向四周爆炸膨胀，因为水约束层4和压力圈6中心孔的限制作用，等离子体12产生垂直于板材7表面的冲击力，并在凹模8的作用下，使板材7发生微拉深变形，最终得到图2中的拉深件7。

产生环状激光束10的另一种变通方式是，将激光器A2发出的激光束，经分光镜分为两束柱状激光，其中一束为柱状激光束3，它照射在板材7的正面用于产生冲击力，另一束柱状激光经Axicon透镜转换为环状激光束10，并引导到板材7的背面用于加热。

板材7可以是钢、铝、铜等金属及合金材料，也可是硅等非金属材料，可以是塑性好的材料，也可加工常温下的硬脆、难变形的材料。

Claims (1)

1.带同步加热的板材脉冲激光微拉深成形方法，采用的装置为：激光控制器(1)与激光发生器A(2)和激光发生器B(11)相连，激光控制器(1)控制激光发生器A(2)和激光发生器B(11)的工作参数，包括能量、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲次数；压边圈(6)与凹模(8)将板材(7)夹持在其间，并一同放置在三坐标工作台(9)上；激光发生器A(2)发出柱状脉冲激光束(3)，激光发生器B(11)发出环状激光束(10)；调整三坐标工作台(9)，使柱状脉冲激光束(3)与压边圈(6)的中心孔对中；由于柱状脉冲激光束(3)与环状激光束(10)同轴，所以，环状激光束(10)也与模具对中；进一步调整三坐标工作台，以调整环状激光束(10)的光斑大小，使之按工艺要求能够加热板材的边缘区域；调节激光发生器A的附属装置激光束空间调制器，调整柱状脉冲激光束(3)的光斑大小，使之能够顺利通过压边圈(6)的中心孔；

开启激光发生器A(2)和激光发生器B(11)；激光发生器B(11)发出的环状激光束(10)，透过透明凹模(8)，在板材的背面对板材的边缘区域进行加热；同时，激光发生器A(2)发出柱状短脉冲激光束(3)，通过压边圈(6)的中心孔，在板材的正面照射板材的中心区域，并产生等离子体(12)，等离子体(12)继续吸收激光能量而爆炸，产生垂直于板材(7)表面的冲击力，使材料流入凹模(8)之中，最后在凹模(8)的约束下得到微型拉深试样；

在板材(7)表面覆盖保护层(5)，保护层(5)仅覆盖板材(7)正面被柱状脉冲激光束(3)照射的部位，或者同时覆盖在板材(7)背面被环状激光束(10)照射的部位；为了对等离子体(12)的爆炸起约束作用，在压边圈(6)与凹模(8)将板材(7)夹紧后，通过压边圈(6)的中心孔，在板材(7)的中心部位覆盖一层厚度为1-3mm的、称之为约束层的蒸馏水(4)；

所述的板材(7)是钢、铝、铜或硅材料。

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