CN111842554A - 预压力激光弯曲低温热成形技术 - Google Patents

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石永军
郭延阔
王晓岗
邴振飞
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D5/00—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves
    • B21D5/008—Bending sheet metal along straight lines, e.g. to form simple curves combined with heating or cooling of the bends
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring

Abstract

本发明提出一种利用激光束实现金属板材低温弯曲成形的方法。首先将板材一端固定，另一端对工件施加一定弹性变形，然后利用连续激光束以一定的扫描速度扫描弹性变形集中区域。由于激光温度使该区域屈服强度降低，从而增加其塑性变形的能力，使更多的弹性变形向着塑性变形转化。相比于普通的激光加工，此工艺成形过程最高理论温度不超过500℃，却完成了通常激光弯曲加热温度高于1000℃以上所达到的板材成形角度，而且能有效避免因高温破坏而导致的板材原有材料属性和力学性能。另外由于较低的加热温度不需要采用大功率激光器，很大程度上降低了设备成本和电力等能源的消耗。此工艺方法对提高工件加工质量和降低生产成本具有重要的实际意义。

Description

预压力激光弯曲低温热成形技术
技术领域
本发明涉及一种利用激光束实现金属板低温弯曲成形的方法，属于机械制造技术领域,可应用于小批量、难成形材料或中厚板的快速成形加工。
技术背景
激光热成形技术作为一种新兴板材成形工艺方法，将激光技术引入到塑性成形技术中，利用高能激光束局部加热材料表面，诱发不均匀热应力，使材料产生塑性变形，从而获得所需目标形状。与传统板材冲压成形等冷成形工艺相比，激光热成形过程中无需模具和外力，因而柔性大，生产周期短，特别适合于多品种、小批量的零部件的加工；由于属于热态累积成形，该技术尤其适合高硬度、高脆性等难成形材料的成形，像钛合金、镍合金、陶瓷和硅片等；激光能量密度高，热影响区小，对成形件材料性能的影响小，且成形过程中不易产生皱曲。因此，激光热成形技术在航空航天、汽车、船舶和微电子等领域具有重大的应用前景，初步的工业应用也显示出该技术巨大的开发潜力。
实际生产当中，激光加热普遍功率较小，不能满足中厚板材热弯曲成形的功率需求。为了获得较大的成形角度，金属板材激光热成形过程往往采用激光器功率要求上千瓦甚至更高，导致加热温度往往要高于1000→C，甚至会超过1500→C。这样的高温会引起材料融化造成严重氧化和重结晶，对金属材料原有力学性质和微观组织造成损坏；另外，高的功率需要采购大功率激光器和消耗大量的电力等资源，造成资源上的消耗，增加设备生产成本。随着现在生产对工件加工质量和成本降低要求的提高，以及绿色环保节能减排意识日益增强，有必要掌握在得到板材激光成形角度的同时又能使用小功率激光器(低温度)的加工方法变得十分有实际意义。
发明内容
为了解决激光大功率对金属板材造成高温损坏和激光加工当中高消耗，成本高的问题，在原来激光弯曲基础上提出一套新的预压力激光低温弯曲成形工艺，即通过施加预压力来减小激光器功率的使用，能用小功率激光器实现大功率激光器使板材弯曲同样角度的效果。通过这样一个较低的加热温度(低温)工艺能有效的避免因为高温破坏而导致的板材原有材料属性和力学性能。避免了大功率激光器采购和使用，很大程度上降低了设备成本和电力等能源的消耗，本发明工艺任务解决该技术问题所采用的技术方案是：
1、利用丙酮对板材进行清洗以便去除影响传热的油污，并对板材表面黑化处理以便增大激光的吸收率；
2、将板材一端固定在平台上，另一端利用简单模具对工件施加一定弹性变形，然后利用连续激光束以一定的扫描速度沿扫描弹性变形集中区域，越靠近固定端弹性变形越大；
3、由于激光温度使该区域屈服强度降低，从而增加其塑性变形的能力，使更多的弹性变形向着塑性变形转化，将预压力F卸载，由于板存在部分弹性压力将被释放，进而发生少量回弹，最终得到比原来的弯曲角度大的变形角；
4、最后通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却。
相比于普通的激光加工，预压力下的整个激光热成形过程最高理论温度不超过500→C，但完成了通常激光弯曲加热温度高于1000→C以上所达到的板材的成形角度。在预压力施加使板控制在弹性范围之内的情况下，随着压力施加的增大，激光器功率可以选用更低的温度，使整个加热过程在更低的加热温度下进行。通过这样一个较低的加热温度，能有效的避免因为高温破坏而导致的板材原有材料属性和力学性能。另外由于较低的加热温度不需要采用大功率激光器，很大程度上降低了设备成本和电力等能源的消耗。将该技术投入到上述激光制造领域，必然会产生巨大的工业价值。
附图说明
图1预压力激光弯曲低温热成形技术整体示意图
图2预压力激光弯曲低温热成形技术过程示意图
1激光器，2反射镜，3聚焦镜,4工件，5平台，6夹具，7激光束，8压力输出系统，
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明。预压力激光弯曲低温热成形技术装置由激光器(1)，反射镜(2)，聚焦镜(3)，成形工件(4)，移动平台(5)，夹具(6)，激光束(7)，压力输出系统(8)，如图1所示。
金属板材具体成形步骤如下：
1、使用丙酮清洗成形工件表面，对工件表面均匀涂激光吸附层进行黑化处理；
2、将工件(4)置于移动平台(5)上，用夹具(6)固定成形工件(4)的一端，激光束(7)和压力施加装置(8)位置固定不变；
3、激光束由激光器(1)发出，通过反射镜(2)和聚焦镜(3)形成一定光斑直径的光束辐射在成形工件(4)表面；
4、移动平台(5)带动成形工件(4)移动，使连续激光束(7)以一定的扫描速度v沿板的运动，在板自由端施加压力F，压力由压力输出系统(8)施加，如图2所示；
5、加热完成后，金属板材通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却；
6、建立工件弯曲角、预应力大小、激光工艺参数基本关系数据库，根据基本关系数据库和板材弯曲变形要求，可以反求出所需要激光工艺参数，预应力值大小、从而提高效率。

Claims (1)

1.一种利用激光束实现金属板材低温弯曲成形的方法，其步骤如下：
1)将板材一端固定在平台上，另一端利用简单模具对工件施加一定弹性变形，然后利用连续激光束以一定的扫描速度沿扫描弹性变形集中区域，越靠近固定端弹性变形越大；
2)由于激光温度使该区域屈服强度降低，从而增加其塑性变形的能力，使更多的弹性变形向着塑性变形转化，将预压力卸载，由于板存在部分弹性压力将被释放，进而发生少量回弹，最终得到比原来的弯曲角度大的变形角；
3)最后通过自然冷却、强制对流空冷或强制对流水冷对加热区域进行冷却。
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