CN103056521A - 一种基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺，其特征在于：⑴在钛合金板材表面(3)的连续激光扫描路径上，涂覆吸波涂层(1)，该吸波涂层(1)的化学成分为CaF2与TiO2，两者的质量比为1:1，按配比称取CaF2与TiO2粉末与5～15倍质量比的酒精混合，搅拌成悬浊液，采用该悬浊液涂覆即得到吸波涂层(1)，涂覆的吸波涂层(1)的宽度为5～20mm，厚度为20～100μm；⑵连续激光扫描的光束(2)与钛合金板材表面(3)的法向方向呈15°～25°的入射夹角α；⑶在钛合金板材的底部、沿钛合金板材表面(3)的连续激光扫描路径设置水冷铜槽(4)。与现有技术相比，采用新工艺方法成形相同角度的板材，弯曲效率提高约50%，热影响区厚度显著降低。

Description

一种基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺
技术领域
本发明是一种基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺，属于激光加工技术领域。
背景技术
目前，钛合金板材的成形主要为热成形技术。热成形技术技术成熟度高，对成形母材无损伤特别适合大批量零件的生产。但是热成形技术应用时因其模具的设计与生产造成生产周期长，造价昂贵不适合小批量特别是单个零件的成形。
如图1所示，激光成形利用连续激光直接作用于金属表面，在热作用区内产生强烈的温度梯度，当热应力超过材料的屈服强度时，板材产生弯曲变形。其机理为，当激光照射在金属材料表面时，加热区域的热膨胀使板料产生与激光源相反方向的小弯曲（反向弯曲γ），加热区域的高温降低了该区域材料的屈服应力和弹性模量，同时冷板断面模数较大，这种反向弯曲被部分抑制，使加热区域受压出现材料堆积。激光加热区域冷却时热量流向邻区，上表面材料开始收缩，下表面则继续膨胀。上表面温度降低，屈服应力增加，而下表面则屈服应力降低材料易于变形，产生面向激光源的变形（正向弯曲β）。(β-γ)便为一次加热与冷却循环的变形量，
目前用于金属板材的激光扫描成形技术为的激光热应力成形技术是采用连续激光直接作用于金属表面，经过多次激光扫描加工表面产生高于材料屈服强度的热应力,从而发生热塑性变形。由于激光束直接作用于金属表面，是经过多次扫描后极易造成金属表面烧蚀。特别是对于一些表面活性大、易氧化烧损的材料如钛合金等，极易发生表面烧蚀造成对母材的损伤。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺，该工艺针对钛合金板材表面活性大易氧化、烧蚀的特点，通过在钛合金表面吸波涂层的设计、激光入射方式的改进以及冷却系统的添加，获得了比常规激光成形更高的成形效率，减少了扫描次数，降低了对钛合金板材的损伤。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺，该工艺以连续激光扫描方式对钛合金板材表面进行热加工，实现钛合金板材的弯曲成形，其特征在于：
⑴在钛合金板材表面(3)的连续激光扫描路径上，涂覆吸波涂层(1)，该吸波涂层(1)的化学成分为CaF2与TiO2，两者的质量比为1:1，按配比称取CaF2与TiO2粉末与5～15倍质量比的酒精混合，搅拌成悬浊液，采用该悬浊液涂覆即得到吸波涂层(1)，涂覆的吸波涂层(1)的宽度为5～20mm，厚度为20～100μm；
⑵连续激光扫描的光束(2)与钛合金板材表面(3)的法向方向呈15°～25°的入射夹角α；
⑶在钛合金板材的底部、沿钛合金板材表面(3)的连续激光扫描路径设置水冷铜槽(4)。
连续激光扫描的光束(2)作用于钛合金板材表面(3)的光斑直径在5～8mm。连续激光扫描的光束(2)的功率为500～1500W，扫描速度在0.8～2m/min之间。
吸波涂层作为一种活性剂一方面可以吸收部分激光能量，防止激光对母材的烧蚀，另一方面活性剂可以降低加热区域板材的表面能与屈服强度，减少扫描次数提高成形效率。
激光束采用散焦方式扫描可以防止能量密度过大造成板材的烧损。激光束倾斜照射可以防止反射激光对设备的损伤。激光功率应小于1500W，尽量减小板材的损伤。
激光成形时在板材背面采用水冷基座上嵌装水冷铜槽，水冷温度保持在10～15℃。水冷系统的加入使得板材厚度方向产生较大的温度梯度增大板材上下表面的应力差，提高成形效率。同时板材表面的大量热量被水冷吸收有效降低了母材的损伤。
本发明技术方案的优点是：
针对钛合金板材表面活性大、易烧损的特性设计了一种钛合金板材吸波涂层，并通过激光入射方式的优化以及冷却系统的设计，获得了比常规激光成形更高的成形效率，减少了扫描次数，降低了对金属母材的损伤。
附图说明
图1为激光扫描成形机理示意图
图2为本发明技术工艺装置的示意图
图3为本发明技术工艺激光扫描偏摆角度示意图
图4为未使用水冷系统，板材弯曲成形10°时母材的烧蚀图片
图5为添加水冷系统与吸波涂层，板材弯曲成形10°时母材的烧蚀图片
图6为本发明技术工艺加工的大尺寸样件的照片
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图2～3所示，该种基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺以连续激光扫描方式对钛合金板材表面进行热加工，实现钛合金板材的弯曲成形，其特征在于：
⑴在钛合金板材表面3的连续激光扫描路径上，涂覆吸波涂层1，该吸波涂层1的化学成分为CaF2与TiO2，两者的质量比为1:1，按配比称取CaF2与TiO2粉末与5～15倍质量比的酒精混合，搅拌成悬浊液，采用该悬浊液涂覆即得到吸波涂层1，涂覆的吸波涂层1的宽度为5～20mm，厚度为20～100μm；
⑵连续激光扫描的光束2与钛合金板材表面3的法向方向呈15°～25°的入射夹角α；
⑶在钛合金板材的底部、沿钛合金板材表面3的连续激光扫描路径设置水冷铜槽4。
连续激光扫描的光束2作用于钛合金板材表面3的光斑直径在5～8mm。
连续激光扫描的光束2的功率为500～1500W，扫描速度在0.8～2m/min之间。
当采用2.5mm厚TA15钛合金板材作为弯曲成形母材时，激光扫描前对板材扫描路径上涂刷吸波涂层1的厚度为60μm，宽度为10mm。波长为10.6μm的连续激光扫描的光束2采用散焦方式对钛合金板表面3进行扫描，光斑直径在设定为5mm。连续激光扫描的光束2与钛合金板材表面3的法向方向呈20°的夹角入射，激光功率设定为1000W，扫描速度为1.5m/min，板材经过多次扫描可以成形出不同角度。图4为未使用水冷系统，直接使用吸波涂层激光扫描成形10°后的金相图片。在板材背面采用水冷基座5，水冷铜槽4嵌装在水冷基座5上，水冷温度保持在15℃。图5为该状态下，激光扫描成形10°后的金相图片。研究表明，激光成形板材时采用吸波凸层与水冷设计可以明显提高激光成形效率，减少母材损伤。以2.5mm厚TA15板材成形为例，激光弯曲板材10°时，效率提高50~60%，热影响区厚度从0.5mm降低到0.2mm。
参见附图6所示，当采用大尺寸样件，400mmX700mmX2.5mm的TC4钛合金板材进行成形时，激光扫描前对板材扫描路径上涂刷吸波涂层1的厚度为50μm，宽度为15mm。波长为10.6μm的连续激光扫描的光束2采用散焦方式对钛合金板表面3进行扫描，光斑直径在设定为7mm。连续激光扫描的光束2与钛合金板材表面3的法向方向呈20°的夹角入射，激光功率设定为700W，扫描速度为1.2m/min，板材经过多次扫描可以成形出不同角度。钛合金板表面3背面水冷温度保持在15℃。
与现有技术相比，采用新工艺方法成形相同角度的板材，弯曲效率提高约50%，热影响区厚度显著降低。

Claims (3)

1.一种基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺，该工艺以连续激光扫描方式对钛合金板材表面进行热加工，实现钛合金板材的弯曲成形，其特征在于：
⑴在钛合金板材表面(3)的连续激光扫描路径上，涂覆吸波涂层(1)，该吸波涂层(1)的化学成分为CaF2与TiO2，两者的质量比为1:1，按配比称取CaF2与TiO2粉末与5～15倍质量比的酒精混合，搅拌成悬浊液，采用该悬浊液涂覆即得到吸波涂层(1)，涂覆的吸波涂层(1)的宽度为5～20mm，厚度为20～100μm；
⑵连续激光扫描的光束(2)与钛合金板材表面(3)的法向方向呈15°～25°的入射夹角α；
⑶在钛合金板材的底部、沿钛合金板材表面(3)的连续激光扫描路径设置水冷铜槽(4)。
2.根据权利要求1所述的基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺，其特征在于：连续激光扫描的光束(2)作用于钛合金板材表面(3)的光斑直径在5～8mm。
3.根据权利要求1所述的基于连续激光扫描的钛合金板材成形工艺，其特征在于：连续激光扫描的光束(2)的功率为500～1500W，扫描速度在0.8～2m/min之间。
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