CN115106429A - 一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统，包括以下步骤：根据板材弯曲成形要求将铝合金板材表面分为内凹表面和外凸表面；在内凹表面涂覆耐热层；利用超声冲击波冲击所述外凸表面，且在超声冲击波冲击的对应位置上的内凹表面处辅助施加连续激光束辐照；按照行进路径同步移动超声冲击波和连续激光束，得到具有弧度的铝合金板材。本发明利用激光辐照热软化与超声冲击声软化的耦合效应，有效降低材料的流动应力与变形抗力，提高铝合金板材成形极限，克服了单一超声冲击成形板材变形量小的缺点。

Description

一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统

技术领域

本发明涉及金属板料成形加工领域，具体涉及一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统。

背景技术

铝合金由于强度高，韧性、塑性好，且具有较好的加工性能，厚度在4～10mm之间的铝合金中厚板材是飞机蒙皮、高铁车厢外壳的主要制作材料，在高铁、飞机装备上应用广泛。为了保证装备的使用性能，铝合金中厚板材件往往被加工成具有复杂曲率，精确尺寸的零部件。由于装备服役环境恶劣，在板材成形的同时兼顾板材表面的质量与基体材料的力学性能具有重要的意义。

当前，使用传统的加工方法，已经很难达到铝合金中厚板材成形件对成形质量的要求，许多的新的成形工艺被探索，用以实现金属板料高质量成形。其中激光热应力成形(激光弯曲成形)，是基于材料热胀冷缩的性质，利用激光辐照在材料表面产生的热效应来成形。高能激光束扫描金属板材表面时，会在金属板材基体材料内部产生空间与时间上的梯度温度场，从而诱导金属板材在厚度方向产生的不平衡热应力使板材发生变形，通过局部形变的累积完成板材的无模成形。例如，现有技术公开了一种铝合金薄板激光弯曲成形工艺方法，该方法利用激光辐照材料表面产生的热效应实现板材的无模成形，但该方法在成形过程中为克服材料的动态屈服强度需要深度加热，容易引起板材基体材料力学性能的下降，且激光直接作用于材料表面会产生烧蚀破坏，成形表面质量差，板材加热不均匀，应力分布难以控制，加热后产生的残余拉应力的，则会降低成形件的使用寿命。

超声冲击成形技术是在超声冲击强化技术和机械冲击成形技术的基础上提出来的，其原理为利用超声波发生器和超声换能器将电信号转换为超声频次的机械振动，换能器输出端连接变幅杆将超声振幅放大，然后作用到金属撞针上使撞针获得较高冲击动能，以此使板材表面发生微观塑性变形，而不均匀的塑性变形会导致材料内部产生残余压应力，使得材料内部原有的平衡力系发生改变，诱导板件发生宏观弯曲变形，从而实现金属板材的成形。相较于传统机械冲击成形技术，其具有加工柔性大，精度高的优点。例如，现有技术公开了一种单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，该方法通过数控程序实现金属板材超声冲击成形的自动化，但超声冲击成形中厚铝合金板材时，其所提供的力相对较小，成形能力弱，使得加工时间较长，难以适应铝合金中厚板材的宏观成形，且伴随超声冲击对材料的硬化作用，后续的冲击成形更难实现。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统，通过综合激光热应力成形和超声冲击成形的优点，将两种技术紧密结合，利用激光辐照热软化与超声冲击声软化的耦合效应，有效降低材料的流动应力与变形抗力，提高铝合金板材成形极限，克服了单一超声冲击成形板材变形量小的缺点；同时，超声冲击成形在板材上下表层引入高幅残余压应力，有效抑制了激光热应力产生的有害拉应力影响，显著增强成形铝合金板材的力学性能；此外，激光局部加热，减少了加热成形区细层片状脆硬相的形成，抑制了整体加热基体材料内部裂纹的萌生，有效提高了成形件表面精度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，包括以下步骤：

根据板材弯曲成形要求将铝合金板材表面分为内凹表面和外凸表面；

在内凹表面涂覆耐热层；

利用超声冲击波冲击所述外凸表面，且在超声冲击波冲击的对应位置上的内凹表面处辅助施加连续激光束辐照；

按照行进路径同步移动超声冲击波和连续激光束，得到具有弧度的铝合金板材。

进一步，还包括如下步骤：对铝合金板材表面进行预处理，使表面粗糙度值≤5μm。

进一步，所述铝合金板材表面进行预处理，具体为：通过不同粒径的砂纸对板材表面进行打磨后抛光，并使用无水乙醇溶液对处理后表面进行超声清洗。

进一步，所述耐热层为柔性耐热贴膜，厚度为0.1～1mm。

进一步，在行进路径中，所述连续激光束保持垂直作用于内凹表面，且超声冲击波保持垂直作用于外凸表面。

进一步，所述连续激光束的光斑直径为2～6mm，所述连续激光束的波长10.6μm，所述连续激光束最大激光功率250W。

进一步，所述超声冲击波通过超声波发生器产生，所述超声冲击波的振动频率20kHz；所述超声冲击波最大输出功率1500W；所述超声波发生器的超声冲击头撞针振幅范围20～100μm，撞针直径范围2～6mm。

进一步，所述铝合金板材为中厚铝合金板材，中厚铝合金板材的厚度在4～10mm之间。

一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法的系统，包括超声波发生器、激光器和控制器；所述超声波发生器用于产生超声冲击波，所述激光器用于产生连续激光束；

所述超声冲击波作用在铝合金板材的外凸表面，且连续激光束作用在超声冲击的对应位置上的铝合金板材的内凹表面处；

所述控制器控制超声冲击波和连续激光束同步移动。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，在常规超声冲击成形的基础上，采用连续激光束对冲击成形区进行局部加热，热软化效应与声软化效应共同作用，大幅降低冲击作用区材料的流动应力与变形抗力，使材料具有良好的塑性变形能力，减少成形工件的应力回弹量，提高成形表面精度与极限成形尺寸；同时，激光辐照材料表面产生的热效应会在工件厚度方向建立非均匀温度梯度应力场，可有效降低超声冲击成形对超声波发生器输出功率的要求，增大单一超声冲击成形板材的变形量，扩大超声冲击成形在中厚铝合金板材成形领域的应用，使超声冲击成形具有了更好的实用性与通用性。

2.本发明所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，通过超声冲击在工件近表层诱导产生均匀的晶粒细化、高密度位错，同时在工件上下两面形成高幅残余压应力影响层，不仅能对激光加热产生的拉应力进行有效调控，而且还能够显著增加成形工件基体材料的抗疲劳强度，进而提高复杂工况下工件的使用寿命。

3.本发明所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，相较于整体加热铝合金板材成形，会抑制加热成形区细层片状脆硬相的形成，并促进大量高韧性晶粒的产生，解决了板件整体加热成形后基体材料内部裂纹的萌生和表面成形精度低的问题，有效增强成形工件的力学性能。

4.本发明所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，在激光加热区引入了一层去芯石棉网柔性耐热贴膜，有效避免了激光直接作用于工件表面产生烧蚀损伤；本发明使用激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形，所有工艺参数均可实现在计算机中有效的设置，易于实现大规模工业化生产，具有较为广泛的工业应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，显而易见地还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法原理图。

图2为本发明实施例一的超声冲击成形路径图。

图3为本发明实施例一的铝合金板材成形实际效果图。

图4为本发明各实施例变形轮廓曲线图。

图5为本发明各实施例上表面残余应力图。

图中：

1-连续激光束；2-超声冲击波；3-超声冲击头；4-耐热层；5-内凹表面；6-外凸表面。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，包括如下步骤：

对铝合金板材表面进行预处理：使用不同粒径的砂纸对板材表面进行打磨抛光，使其表面粗糙度值≤5μm，采用无水乙醇溶液对处理后表面进行超声清洗且烘干；

根据板材弯曲成形要求将铝合金板材表面分为内凹表面5和外凸表面6；

在内凹表面5涂覆耐热层；耐热层为柔性耐热贴膜；

利用超声冲击波2冲击所述外凸表面6，且在超声冲击波2冲击的对应位置上的内凹表面5处辅助施加连续激光束1，利用激光热场辅助超声冲击成形；

加热连续激光束1扫描速度与超声冲击头进给速度相同，行进轨迹重合，即按照行进路径同步移动超声冲击波2和连续激光束1，得到具有弧度的铝合金板材。所述连续激光束1保持垂直作用于内凹表面5，且超声冲击波2保持垂直作用于外凸表面6。

根据板材成形要求，设置相应的行进路径及超声冲击参数，在有效激光热场辅助下对中厚铝合金板材进行超声冲击成形，得到具有弧度的成形铝合金板材。所述铝合金板材为中厚铝合金板材，中厚铝合金板材的厚度在4～10mm之间。

本发明所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，提出了一种铝合金中厚板材无模应力调控成形的方法，引入局部激光热场辅助超声冲击板材的成形，在声软化效应与热软化效应的共同作用下，增加了板材的塑性变形能力；同时，将超声冲击高频振动残余应力弯曲成形与激光-材料热效应温度梯度软化成形相结合，相比于常规超声冲击成形工艺，增大了铝合金板材的成形极限尺寸，获得了更大的板材变形量，使得超声冲击成形在铝合金中厚板材成形领域得以应用；此外，超声冲击会在成形板材上下表面影响层内形成高幅残余压应力，有效抑制了激光加热产生的拉应力，显著提高成形板材的力学性能与使用寿命。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面选取材料为2024-T351铝合金板材作为研究对象，结合具体实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一：

实施例一所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，包括如下具体步骤：

选用160mm×40mm×4mm的2024-T351航空铝合金板材，使用不同粒径的砂纸对板材表面进行打磨抛光，使其表面粗糙度值≤5μm，采用无水乙醇溶液对处理后表面进行超声清洗并烘干，在板材激光加热一侧贴敷一层0.2mm厚的去芯石棉网柔性耐热贴膜；

将超声冲击头3调整到的板材外凸表面6冲击起始点位置处，在板材内凹表面5相对位置处同步施加激光热场辅助，加热激光束扫描速度与超声冲击头进给速度相同，轨迹重合，且连续激光束1与超声冲击头2始终垂直作用于成形板材对称两侧表面，激光加热功率选用40W；

根据板材的成形要求，采用如图2所示的行进路径，选用直径3mm超声冲击头撞针、振幅20μm、冲击搭接率0％，在有效激光热场辅助下对铝合金板材进行超声冲击成形，得到具有弧度的成形铝合金板材。

实施例一制备的航空铝合金板材实际成形效果如图3所示，铝合金板材变形轮廓曲线如图4所示，常规超声冲击弯曲成形制备的铝合金板材的弧高度为0.27mm，在激光热场辅助成形机制的影响作用下，铝合金板材的屈服强度降低，成形铝合金板材的弧高度为1.35mm，提升了400％，因此，激光局部加热可以提高铝合金板材的塑性成形能力，使得超声冲击成形板材的形变量显著增加。如图5所示，实施例一制备的成形铝合金板材上表面的平均残余应力为-189.7MPa，而常规超声冲击在板材表面诱导产生的残余压应力为-190.1MPa，激光热场的加入并未对超声冲击成形板材表面的应力值产生明显的影响，可以有效的提高板材成形后基体材料的力学性能。

实施例二：

在实施例一的基础上，实施例二激光加热功率设置为100W，选用0.5mm厚的去芯石棉网柔性耐热贴膜，超声冲击头撞针的直径选用4mm，振幅为50μm。

实施例二制备的铝合金板材变形轮廓曲线如图4所示，成形铝合金板材的弧高度为2.68mm，相较于实施例一成形铝合金板材弧高度1.35mm，提高了98.5％，通过使用更大的激光加热功率与超声冲击头撞针振幅，获得了更大的成形板材弧高度。如图5所示，实施例二制备的成形铝合金板材上表面的平均残余应力为-220.7MPa，与实施例一诱导产生的残余压应力-189.7MPa相比，增长了16.3％，随着超声冲击头撞针振幅的加大，超声冲击强度随之增加，板材表面受到撞针的冲击力变大，在板材表面诱导产生出更大更深的残余压应力分布，同时板材的宏观成形量也得到有效增加。

实施例三：

在实施例一的基础上，实施例三激光加热功率设置为150W，选用1mm厚的去芯石棉网柔性耐热贴膜，超声冲击头撞针的直径选用6mm，振幅为100μm。

实施例三所制备的铝合金板材的变形轮廓曲线如图4所示，成形铝合金板材的弧高度为3.89mm，相较于实施例二成形铝合金板材弧高度2.68mm，提高了45.1％，随着激光加热功率与超声冲击撞针振幅的增加，板材的弯曲变形量不断增加。实施例三所制备的成形铝合金板材上表面的平均残余应力如图5所示，为-231.7MPa，相较于实施例二诱导产生的残余压应力-220.7Mpa，进一步提高。在板材超声冲击成形一侧，采用MVC-1000A1维氏显微硬度计对板材表面进行测量，经过超声冲击的铝合金板材表面硬度值为171HV，相比未经过超声冲击的铝合金板材表面硬度130HV，提高了约31.5％；此外，在激光加热一侧，铝合金板材的硬度也有所提高，板材成形前后表面粗糙度值近乎相同，热效应对成形板材表面的影响较小。本发明提出的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，实现了铝合金板材宏观塑形成形的同时完成基体材料的有效强化。

一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法的系统，包括超声波发生器、激光器和控制器；所述超声波发生器用于产生超声冲击波2，所述激光器用于产生连续激光束1；所述超声冲击波2作用在铝合金板材的外凸表面6，且连续激光束1作用在超声冲击的对应位置上的铝合金板材的内凹表面5处；所述控制器控制超声冲击波2和连续激光束1同步移动。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据板材弯曲成形要求将铝合金板材表面分为内凹表面(5)和外凸表面(6)；

在内凹表面(5)涂覆耐热层；

利用超声冲击波(2)冲击所述外凸表面(6)，且在超声冲击波(2)冲击的对应位置上的内凹表面(5)处辅助施加连续激光束(1)辐照；

按照行进路径同步移动超声冲击波(2)和连续激光束(1)，得到具有弧度的铝合金板材。

2.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，还包括如下步骤：对铝合金板材表面进行预处理，使表面粗糙度值≤5μm。

3.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，所述铝合金板材表面进行预处理，具体为：通过不同粒径的砂纸对板材表面进行打磨后抛光，并使用无水乙醇溶液对处理后表面进行超声清洗烘干。

4.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，所述耐热层为柔性耐热贴膜，厚度为0.1～1mm。

5.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，在行进路径中，所述连续激光束(1)保持垂直作用于内凹表面(5)，且超声冲击波(2)保持垂直作用于外凸表面(6)。

6.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，所述连续激光束(1)的光斑直径为2～6mm，所述连续激光束(1)的波长10.6μm，所述连续激光束(1)最大激光功率250W。

7.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，所述超声冲击波(2)通过超声波发生器产生，所述超声冲击波(2)的振动频率20kHz；所述超声冲击波(2)最大输出功率1500W；所述超声波发生器的超声冲击头(3)撞针振幅范围20～100μm，撞针直径范围2～6mm。

8.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，所述铝合金板材为中厚铝合金板材，中厚铝合金板材的厚度在4～10mm之间。

9.一种根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法的系统，其特征在于，包括超声波发生器、激光器和控制器；所述超声波发生器用于产生超声冲击波(2)，所述激光器用于产生连续激光束(1)；

所述超声冲击波(2)作用在铝合金板材的外凸表面(6)，且连续激光束(1)作用在超声冲击的对应位置上的铝合金板材的内凹表面(5)处；

所述控制器控制超声冲击波(2)和连续激光束(1)同步移动。

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