CN103111497A - 一种金属板材的激光成形方法 - Google Patents

Abstract

一种金属板材的激光弯曲成形方法，其是通过选择激光弯曲成形方法中合适而独特的工艺参数，实现了准确控制金属薄板的变形量并获得连续弯曲变形的金属薄板，其中道次之间的间隔优选1.5-2mm，而每道次往复扫描次数优选10次，激光束斑直径为0.1mm，功率为20-25W，扫描速度为15-20mm，最终得到薄板的曲率约为0.05mm^-1。

Description

一种金属板材的激光成形方法

技术领域

本发明涉及一种激光加工成形方法，具体的说是一种金属板材的激光弯曲成形方法。 

背景技术

金属板材的成形加工在航空、航天、汽车、船舶及民用工业中占有相当重的比例。如板材成形零件的数量占飞机零件总数的1/2，据统计全世界所生产的材料有半数以上被加工成板材。因此，提高相应的成形技术和制造水平是一个具有普遍意义的课题。 

现代板材成形技术的核心问题集中体现在简化设计、提高质量、缩短周期、降低成本等方面。传统的成形技术通常需要根据板件形状，制造相应的工模具，这不仅需要花费大量的时间和资金，而且还要占用可观的人力资源，势必增加产品成本。在大型板件成形中，这些费用更为昂贵。对于小批量的大型板材零件，尤为如此。 

激光弯曲成形，也称激光热应力成形，它是利用激光辐照在材料表面产生的热效应来成形的，即用高能激光束扫描金属薄板时，在激光束辐照的区域形成了对空间和时间梯度都很大的不均匀温度场，从而诱发在板材厚度方向上不平衡的应力使板材发生变形的。其与传统的借助模具完成塑性成形的方法不同，具有生产周期短、成本低的特点，同时由于其独特的加工原理而具有柔性大，能成形在常温下难以成形的脆性材料等优点。 

激光弯曲成形原理见图1所示，当高度聚焦的激光束沿板料上表面扫描时(如图1(a)所示)，被扫描部分的材料瞬间温度急剧上升，而板料下表面在这瞬间没有明显的变化从而在板厚方向形成强烈的温度梯度，由于加热区域材料的热膨胀，使材料产生反弯曲的塑性变形；当激光束转移后(如图1(b)所示)，上表面材料温度下降，下表面材料由于热传递而温度上升，使板厚方向上的温度梯度急剧下降，这样上表面材料收缩而下表面材料膨胀，而上表面已经堆积的材料又难以复原，当上下表面材料的温度梯度为零时，上表面材料的金属纤维就比下表面材料来的短，产生了面向受照激光扫描轨迹方向的正向弯曲。 

但是在加工过程中，诱导的热应力需超过材料的屈服极限，板材才能变形，因此板材需要十数次甚至上百次的往复扫描，在如此多次的加热扫描过程中，热积累、材料变形、性能 变化等诸多因素使得控制材料的变形量变得困难，不易实现，特别是材料的连续弯曲变形，需要对材料实施多道次往复扫描操作，情况更为复杂。 

发明内容

本发明的目的即在于提供一种能够实现金属板材连续弯曲的激光弯曲成形方法。 

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：步骤一)，根据被处理工件实际需要加工的长度确定激光扫描道次数目及每道次的往复扫描次数；步骤二)，清理被处理工件表面，并对被处理工件进行预处理及固定；步骤三)，用计算机控制激光器以步骤一)中确定的道次数目及往复次数对被处理工件进行扫描；步骤四)，加工完毕后待被处理工件自然冷却后，将其从固定装置中取出实施测量校验。 

被处理件通常为奥氏体不锈钢薄板(例如0Cr18Ni9)、碳素钢薄板等；钢板厚度通常为0.1-0.15mm。 

步骤一)中，扫描道次数目的确定是用被处理工件实际需要加工的长度除以道次之间的间隔得到的；道次之间的间隔优选1.5-2mm，而每道次往复扫描次数优选10次，这是由于如此的设定将使得薄板的加工曲率基本稳定，各道次之间的影响较小。 

步骤二)中，采用刚玉砂纸对被处理工件表面进行打磨以去除异物后，并在表面进行涂敷黑漆的预处理以期增加激光能量的吸收效果；被处理工件的固定优选通过两块玻璃板将其压在中间实现，以避免被处理工件在加工过程中发生弯曲或移动等而影响下一次道次的准确定位。 

步骤三)中，激光束斑直径为0.1mm，功率为20-25W，扫描速度为15-20mm，这是由于在此束斑及功率下的能量密度，在此扫描速度下获得最大的曲率，如果扫描速度过小，则局部过热而使得前一道次激光辐照产生的残余应力有所减缓，而扫描速度过大则使得板材内部产生应力的部分变小；此外，道次顺序采取由两端向中心的扫描次序(如图2中标号顺序，从①至⑥顺次扫描)，即先对被处理工件的一端(称为第一端)最外侧的道次进行扫描，然后对另一端(称为第二端)最外侧的道次进行扫描，再对第一端紧邻最外侧道次的次外侧道次进行扫描，然后对第二端紧邻最外侧道次的次外侧道次进行扫描，如此顺序直至被处理工件的中心道次，扫描结束，这样安排扫描顺序是为了避免道次间的相互影响而获得稳定的曲率。 

步骤四)中，扫描结束后，静置被处理工件在室温环境下自然冷却，移开固定装置，取出被处理工件实施测量校验，最终完成对薄板的加工。 

通过上述方法步骤，即可获得具有较大曲率且连续弯曲的金属板。 

本发明的优点是：通过选择激光弯曲成形方法中合适而独特的工艺参数，实现了准确控制金属薄板的变形量并获得连续弯曲变形的金属薄板。

附图说明

图1是激光弯曲成形原理示意图； 

图2是激光弯曲成形是激光扫描道次顺序示意图。 

具体实施方式

下面，通过具体的实施例对本发明进行详细说明。 

实施例. 

以0.15mm厚度的0Cr18Ni9不锈钢薄板作为被处理工件，薄板长25mm(实际需要加工部分约20mm)、宽5mm。道次间的间隔设定为2mm，由此计算共扫描10道次，每道次往复扫描10次。采用刚玉砂纸对被处理工件表面进行打磨以去除异物后，在表面进行涂敷黑漆的预处理，而后将薄板压在两块玻璃板之间。设定激光束斑直径为0.1mm，功率为22W，扫描速度为18mm，按照由薄板两端向中心的扫描次序进行。扫描结束后，静置被处理工件在室温环境下自然冷却，移开固定装置，取出被处理工件实施测量校验，测得薄板的曲率约为0.05mm^-1，最终完成对薄板的加工。 

Claims (6)

1.一种金属板材的激光成形方法，其包括以下步骤，步骤一)，根据被处理工件实际需要加工的长度确定激光扫描道次数目及每道次的往复扫描次数；步骤二)，清理被处理工件表面，并对被处理工件进行预处理及固定；步骤三)，用计算机控制激光器以步骤一)中确定的道次数目及往复次数对被处理工件进行扫描；步骤四)，加工完毕后待被处理工件自然冷却后，将其从固定装置中取出实施测量校验。

2.根据权利要求1所述的一种金属板材的激光成形方法，其中，所述金属板材为奥氏体不锈钢薄板或碳素钢薄板，板厚优选0.1-0.15mm。

3.根据权利要求1所述的一种金属板材的激光成形方法，其中，步骤一)中扫描道次数目的确定是用被处理工件实际需要加工的长度除以道次之间的间隔得到的；道次之间的间隔优选1.5-2mm，而每道次往复扫描次数优选10次。

4.根据权利要求1所述的一种金属板材的激光成形方法，其中，步骤三)中激光束斑直径为0.1mm，功率为20-25W，扫描速度为15-20mm。

5.根据权利要求1所述的一种金属板材的激光成形方法，其中，步骤三)中道次顺序采取由两端向中心的扫描次序，即先对被处理工件的一端这里称为第一端的最外侧的道次进行扫描，然后对另一端这里称为第二端的最外侧的道次进行扫描，再对第一端紧邻最外侧道次的次外侧道次进行扫描，然后对第二端紧邻最外侧道次的次外侧道次进行扫描，如此顺序直至被处理工件的中心道次，扫描结束。

6.根据权利要求1所述的一种金属板材的激光成形方法，其中，步骤二)中被处理工件的固定优选通过两块玻璃板将其压在中间实现。

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