CN110064838B - 一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法：需要对工件进行热成形加工时，控制系统控制电光晶体没有电压加载，激光器处于自由震荡模式，激光器输出毫秒激光束照射在工件上，同时使工件按照既定轨迹移动，实现工件热成形加工；需要对钣金进行冲击成形加工时，控制系统控制电光晶体有时序电压加载，激光器处于调Q模式，激光器输出纳秒激光束照射在工件上，同时使工件按照既定轨迹移动，实现工件冲击成形加工。本发明通过控制激光器中的电光晶体是否施加电压，控制激光器的工作模式，将激光热成形和激光冲击成形两种原理不同的加工方式完美地结合在同一台设备中，充分发挥了激光器的作用。

Description

一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法。

背景技术

金属板料的钣金成形或者整形广泛应用于各行各业，如汽车制造业、机床制造业、航空航天制造业等。

其中，激光钣金成形方法主要有基于力学效应的激光冲击成形和基于热效应的激光热成形。激光热成形是一种柔性无模局部热成形技术，它利用脉宽为毫秒量级的激光束对工件局部加热诱发不均匀热应力，当热应力超过材料相应温度下的屈服极限，则会使板材产生朝向激光源方向的凸面塑性变形，从而实现所需要的目标形状。激光冲击成形是利用纳秒激光诱导冲击波，冲击波向板材内部传播使板材发生塑性变形的成形方法，即高功率密度、短脉冲的激光束作用在板材表面的吸收层上，吸收层吸收激光能量迅速气化，气化后的蒸汽继续吸收激光能量形成等离子体并发生爆炸，形成冲击波，当冲击波的峰值压力大于板材的动态屈服强度时，板材发生顺着激光束方向的凹面塑性变形。实际上，在工程应用过程中，在制造或者维修过程中经常需要矫正曲率半径的整形加工，这就要求设备既具有凹面成形能力，又要有凸面成形能力。

现有激光成形装置存在如下不足：大多激光加工装置只能完成单一类型的激光加工，即激光加工装置只能用于激光冲击成形，或者只能用于激光热成形。例如现有技术公开了一种板材的成形方法和装置，利用了激光加热和激光冲击成形的原理来成形板材，该装置中实际也使用了两台激光器，一台用于激光加热板材，一台用于激光冲击成形，装置复杂，增加了设备成本，不利于推广应用。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法，该方法基于一台激光器，能够根据需要选择对钣金进行激光热成形或激光冲击成形加工。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法，获得多种钣金成形效果的激光装置包括控制系统和激光器，所述激光器包括沿光路依次设置的第一全反射镜、电光晶体、偏振片、激光工作介质和输出镜，所述电光晶体与所述控制系统连接，所述控制系统控制所述电光晶体是否有电压加载；

所述激光加工方法为：需要对工件进行热成形加工时，所述控制系统控制所述电光晶体没有电压加载，激光器处于自由振荡模式，所述激光器输出毫秒激光束照射在工件上，同时使工件按照既定轨迹移动，实现工件热成形加工；需要对钣金进行冲击成形加工时，所述控制系统控制所述电光晶体有时序电压加载，激光器处于调Q模式，所述激光器输出纳秒激光束照射在工件上，同时使工件按照既定轨迹移动，实现工件冲击成形加工。

优选的，当工件需要获得凸面时，所述控制系统控制所述电光晶体没有电压加载，激光器处于自由振荡模式，所述激光器输出毫秒激光照射在工件上，工件的表面迎着激光束方向上凸，获得凸面。

优选的，当工件需要获得凹面时，所述控制系统控制所述电光晶体有时序电压加载，激光器处于调Q模式，所述激光器输出纳秒激光照射在工件上，工件的表面顺着激光束方向下凹，获得凹面。

优选的，在工件获得凸面后，所述控制系统控制所述电光晶体有时序电压加载，激光器处于调Q模式，所述激光器输出纳秒激光照射在工件的凸面上，通过调节所述激光器的参数，在不影响热成形变形的基础上，调节工件表面的应力状态。

优选的，所述获得多种钣金成形效果的激光装置还包括导光管、第二全反射镜、第三全反射镜、光斑调节装置和机械手臂，所述激光器输出的激光束依次经过第二全反射镜、第三全反射镜和光斑调节装置后照射到工件上，所述机械手臂用于夹持工件，并与所述控制系统连接，所述控制系统通过控制机械手臂使工件按照预设轨迹移动。

本发明的有益效果：

1)本发明通过控制激光器中的电光晶体是否施加电压，控制激光器的工作模式，将激光热成形和激光冲击成形两种原理不同的加工方式完美地结合在同一台设备中，充分发挥了激光器的作用。并且根据待加工工件的要求，本发明灵活切换电光晶体上电压加载方式和激光器的工作模式，实现激光热成形和激光冲击成形两种钣金成形方法的灵活变换，节约了设备成本和生产成本。

2)在对工件进行凸面成形后，由于激光热成形会在板材表面形成拉应力，本发明可以利用控制系统使得电光晶体处于工作模式，则激光器处于调Q模式，输出纳秒激光脉冲并通过调节激光器的参数在不影响热成形变形的基础上，调节工件表面的应力状态，实现了一台激光设备既可进行热成形加工又可对热成形加工的工件表面进行处理。

附图说明

图1为根据本发明实施例的获得多种钣金成形效果的激光装置的结构示意图。

图2为根据本发明实施例激光器的结构示意图。

附图标记：

1.控制系统；2.激光系统；3.导光管；4.全反射镜；5.全反射镜；6.光斑调节装置；7.机械手臂；8.工件；9.输出镜；10.激光工作介质；11.偏振片；12.电光晶体；13.全反射镜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法。

请参阅图1，根据本发明实施例的一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法，基于获得多种钣金成形效果的激光装置，该装置包括控制系统1、激光器2、导光管 3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、光斑调节装置6和机械手臂7，其中激光器2包括沿光路依次设置的第一全反射镜13、电光晶体12、偏振片11、激光工作介质10和输出镜9，电光晶体12与控制系统1连接，控制系统1控制电光晶体12是否有电压加载，以控制电光晶体12的工作模式，从而控制激光器2产生的脉冲激光的脉宽，进而控制不同的钣金成形加工方式。当控制系统1控制电光晶体12有时序电压加载时，电光晶体12处于工作模式，则激光器2处于调Q工作模式，激光器2输出纳秒激光脉冲；当控制系统1控制电光晶体12 没有电压加载时，电光晶体12处于休息模式，则激光器2处于自由振荡模式，激光器2输出毫秒激光脉冲。激光器2输出的激光束依次经过第二全反射镜4、第三全反射镜5和光斑调节装置6后聚焦作用在工件8的表面上，机械手臂7用于夹持工件8，并与控制系统1连接，控制系统1通过控制机械手臂7使工件8按照预设轨迹移动。

根据本发明实施例的一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法具体为：需要对工件8进行热成形加工时，控制系统1控制电光晶体12没有电压加载，激光器2 处于自由振荡模式，激光器2输出毫秒激光束照射在工件8上，同时使工件8按照既定轨迹移动，实现工件8热成形加工；需要对钣金进行冲击成形加工时，控制系统1控制电光晶体12有时序电压加载，激光器2处于调Q工作模式，激光器2输出纳秒激光束照射在工件8上，同时使工件8按照既定轨迹移动，实现工件8冲击成形加工。

根据本发明的一个实施例，当工件8需要凸面成形时，选用激光器2的激光热成形工作模式。首先将准备好的工件8夹持在机械臂7上；然后通过控制系统1使电光晶体12没有电压加载，电光晶体12处于休息模式，则激光器2处于自由振荡模式，输出毫秒激光，激光器2产生的毫秒激光经过导光管3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、光斑调节装置6聚焦作用在待加工工件8的表面上，然后移动机械臂7，对工件8进行加工，直至实现工件8凸面激光热成形。

根据本发明的一个实施例，当工件8需要凹面成形时，选用激光器2的激光冲击成形工作模式。首先将准备好的工件8夹持在机械臂7上；然后通过控制系统1使电光晶体12有时序电压加载，电光晶体12处于工作模式，则激光器2处于调Q工作模式，输出纳秒激光脉冲，激光器2产生的纳秒激光脉冲经过导光管3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、光斑调节装置6聚焦作用在待加工工件8的表面上，然后移动机械臂7，对工件8进行逐点加工，直至实现工件8凹面激光冲击成形。

根据本发明的一个实施例，当需要成形凹凸面都有的复杂钣金件时，则可以根据需要灵活切换激光器2的工作模式。以S型曲面工件为例，根据实际情况可以选择先成形凹面后成形凸面，或者先成形凸面后成形凹面。以先成形凸面后成形凹面为例，具体步骤如下：

步骤一：将准备好的工件8装夹在机械臂7上，调整机械臂7使工件8的表面与光束垂直；

步骤二：通过控制系统1使电光晶体12没有电压加载，电光晶体12处于休息模式，则激光器2处于自由振荡模式，输出毫秒激光，激光器2产生的毫秒激光经过导光管3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、光斑调节装置6聚焦作用在待加工工件8的表面上，然后移动机械臂7，使工件8按照既定轨迹运动，对工件8进行加工，直至实现指定部位凸面成形。

步骤三：移动机械手臂7，将激光器2输出的光束对准待加工工件8需要凹面成形的部位。

步骤四：通过控制系统1使电光晶体12有时序电压加载，电光晶体12处于工作模式，则激光器2处于调Q工作模式，输出纳秒激光脉冲，激光器2产生的纳秒激光脉冲经过导光管3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、光斑调节装置6聚焦作用在待加工工件8的表面上，然后移动机械臂7，使工件8按照既定轨迹运动，对工件8进行逐点加工，直至实现指定部位凹面成形完成。

根据本发明的一个实施例，通过激光热成形工作模式加工出来的凸面成形工件表面会存在拉应力，这时我们可以选用激光器的激光冲击模式来调节工件表面的应力状态。以尺寸为 100mm×100mm×1mm的工件为例，首先通过控制系统1使电光晶体12没有电压加载，电光晶体12处于休息模式，则激光器2处于自由振荡模式，输出功率为500W的毫秒激光，激光器2产生的毫秒激光经过导光管3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、光斑调节装置6聚焦作用在待加工工件8的表面上，移动机械臂7，对工件8进行加工，直至实现工件8凸面激光热成形。然后通过控制系统1使电光晶体12有时序电压加载，电光晶体12处于工作模式，则激光器2处于调Q工作模式，输出能量为0.5J的纳秒激光脉冲，激光器2产生的纳秒激光脉冲经过导光管3、第二全反射镜4、第三全反射镜5、光斑调节装置6聚焦作用在待加工工件8的表面上，对工件8的凸面进行加工，进而起到调节工件8表面应力状态的作用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法，其特征在于，获得多种钣金成形效果的激光装置包括控制系统(1)和激光器(2)，所述激光器(2)包括沿光路依次设置的第一全反射镜(13)、电光晶体(12)、偏振片(11)、激光工作介质(10)和输出镜(9)，所述电光晶体(12)与所述控制系统(1)连接，所述控制系统(1)控制所述电光晶体(12)是否有电压加载；

所述激光加工方法为：需要对工件(8)进行热成形加工时，所述控制系统(1)控制所述电光晶体(12)没有电压加载，所述激光器(2)处于自由振荡模式，所述激光器(2)输出毫秒激光束照射在工件(8)上，同时使工件(8)按照既定轨迹移动，实现工件(8)热成形加工；需要对钣金进行冲击成形加工时，所述控制系统(1)控制所述电光晶体(12)有时序电压加载，所述激光器(2)处于调Q模式，所述激光器(2)输出纳秒激光束照射在工件(8)上，同时使工件(8)按照既定轨迹移动，实现工件(8)冲击成形加工。

2.根据权利要求1所述的基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法，其特征在于，当工件(8)需要获得凸面时，所述控制系统(1)控制所述电光晶体(12)没有电压加载，所述激光器(2)处于自由振荡模式，所述激光器(2)输出毫秒激光照射在工件(8)上，工件(8)的表面迎着激光束方向上凸，获得凸面。

3.根据权利要求1所述的基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法，其特征在于，当工件(8)需要获得凹面时，所述控制系统(1)控制所述电光晶体(12)有时序电压加载，所述激光器(2)处于调Q模式，所述激光器(2)输出纳秒激光照射在工件(8)上，工件(8)的表面顺着激光束方向下凹，获得凹面。

4.根据权利要求2所述的基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法，其特征在于，在工件(8)获得凸面后，所述控制系统(1)控制所述电光晶体(12)有时序电压加载，所述激光器(2)处于调Q模式，所述激光器(2)输出纳秒激光照射在工件(8)的凸面上，通过调节所述激光器(2)的参数，在不影响热成形变形的基础上，调节工件(8)表面的应力状态。

5.根据权利要求1所述的基于同一激光器获得多种钣金成形效果的激光加工方法，其特征在于，所述获得多种钣金成形效果的激光装置还包括导光管(3)、第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)、光斑调节装置(6)和机械手臂(7)，所述激光器(2)输出的激光束依次经过第二全反射镜(4)、第三全反射镜(5)和光斑调节装置(6)后照射到工件(8)上，所述机械手臂(7)用于夹持工件(8)，并与所述控制系统(1)连接，所述控制系统(1)通过控制机械手臂(7)使工件(8)按照预设轨迹移动。

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