CN1931467A - 一种板材成形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种板材成形的方法和装置，属于激光加工领域。本发明方法用二氧化碳激光作为板材预加热，红外测温仪测控板材加热的温度，钕玻璃激光器为其提供诱导冲击波产生的短脉冲的强激光，激光冲击波作为制作板材的成形力源，并带有板材变形量的测量反馈装置。本发明克服了激光热应力成形表面质量差和激光冲击成形变形量小等不足，它能直接对板材料进行成形，使板材冲击时具有较大的变形量，较高的尺寸精度，较好的表面质量，可直接作为板料成形的工具。

Description

一种板材成形的方法和装置

技术领域

本发明属于激光加工领域，特指一种板材经过激光预加热软化和冲击成形方法和装置，特别适用于高强度金属板材的成形。

背景技术

金属板料塑性成形作为板材深加工主要方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、电子、仪表等生产行业。板料塑性成形的方法有：模具冲压成形、激光热应力成形和激光冲击成形。传统的模具冲压成形是将金属板材置于模具上，在压力机作用下，在板材内部产生使之变形的内力，当内力的作用达到一定程度时，就获得一定的形状的零件，虽然操作简单，生产效率高，但是生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等不足，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝合金以及铜等塑性好的材料。

激光热应力成形，也称激光弯曲，它是利用激光辐照在材料表面产生的热效应的来成形的，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。具有生产周期短、柔性大，能成形在常温下难以成形的脆性材料等优点，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，因此板材需要深度加热，成形件的表面质量难以控制。

激光冲击成形是利用短脉冲的强激光与物质相互作用产生冲击波的力效应使板料发生塑性变形的成形方法，即高能短脉冲激光束穿过透明约束层照射到涂覆在金属板料表面的能量吸收层上，能量吸收层吸收激光能量后气化，气化后的蒸汽吸收激光能量形成等离子体，等离子体继续吸收能量发生爆炸，形成冲击波，当冲击波峰值压力大于材料的动态屈服极限时，板料发生塑性变形，通过多点多次冲击即可完成板材的大面积成形。其加工的柔性大，加工板料表面质量好等优点，例如专利申请号为01134063，“一种激光冲击精密成形的方法和装置”，但是在激光冲击成形过程中，板料变形量微小，对于高强度合金钢，板材变形量更小，甚至没有变形，而且冲击加工过程中伴随着冲击强化，使后续的冲击更难实现变形。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种板材大面积变形的方法和装置，克服了激光热应力成形表面质量差和激光冲击成形变形量小等不足，它能直接对板材料进行成形，使板材冲击时具有较大的变形量，较高的尺寸精度，较好的表面质量，可直接作为板料成形的工具。

本发明方法用二氧化碳激光作为板材预加热，红外测温仪测控板材加热的温度，钕玻璃激光器为其提供诱导冲击波产生的短脉冲的强激光，激光冲击波作为制作板材的成形力源，并带有板材变形量的测量反馈装置。

实施该方法的装置包括激光加热系统、激光冲击系统、控制系统、工件夹具系统、测量反馈系统。激光加热系统包括二氧化碳激光器、导光管、全反射镜、光斑调节装置，光斑调节装置中有聚焦镜；导光管依次把二氧化碳激光器、全反射镜和光斑调节装置连接起来，把二氧化碳激光器产生的连续激光传递到工件需要加热的表面；激光冲击系统包括钕玻璃激光器、导光管、全反射镜、光斑调节装置，光斑调节装置中有聚焦镜，导光管把钕玻璃激光器、全反射镜、光斑调节装置连接起来，把钕玻璃激光器产生的脉冲激光传递并能聚焦到工件的表面待冲击的区域；激光加热系统和激光冲击系统中的聚焦镜光轴位于工件待冲击面的法线上，工件夹具系统包括工件、工件夹具、五轴联动工作台、覆盖在工件二侧表面的能量吸收层，工件装夹于工件夹具中，并将工件夹具置于五轴联动的工作台上；测量反馈系统包括红外测温反馈装置和位移测量反馈装置，控制系统由计算机、中央控制处理器、二氧化碳激光器控制器、钕玻璃激光器控制器组成，其中由计算机输入板料加工信息，并把处理和转换的信息传递给中央控制处理器以控制二氧化碳激光发生器、光斑调节装置、钕玻璃激光器、红外测温反馈装置、位移测量反馈装置、五轴联动工作台，同时中央控制处理器接受和处理反馈信息；测量反馈系统包括红外测温反馈装置和位移测量反馈装置，红外测量反馈装置和位移测量反馈装置分别收集温度信息和位移信息，并反馈给中央控制处理器。

本发明实施过程如下：

(1)根据加工工件的尺寸形状，展开计算毛坯尺寸，激光切割板料至所需毛坯形状，并把表面涂有能量吸收层的工件装夹于夹具上；

(2)二氧化碳激光器的控制器接受到工作指令，使受控的二氧化碳激光器开始工作，发出的二氧化碳激光辐照在吸收层上，使工件待冲击的区域加热；

(3)加热区域发出红外线传到红外测温反馈装置上，当到达指定的温度时，红外测温反馈装置将信息反馈给中央控制处理器，使二氧化碳激光器停止工作，并使钕玻璃激光器开始工作；

(4)当钕激光激光器发出的优化的激光脉冲辐照在工件表面的能量吸收层上，能量吸收层吸收能量后汽化、电离、形成等离子体，等离子体继续吸收激光的能量爆炸，产生高幅冲击波，使材料发生塑性成形；

(5)位移测量反馈装置接受工作指令，测量冲击点的变形量，并把信息反馈给中央控制处理器；随后五轴联动工作台移动，在新的区域再加热、再冲击，再测量，通过由五轴联动工作台有序地进行逐点冲击，形成板料初步成形的形状和相应的信息；

(6)根据板料冲击后反馈的信息，激光控制器优化后续激光冲击过程中的工艺参数，如激光能量、脉冲宽度、光斑尺寸、加热时间和冲击次数，以获取不同的变形量，实现板料精确的局部成形或整体成形。

本发明由于先采用二氧化碳激光对板料进行加热软化，使板材的屈服极限大幅下降，并具使材料具有良好的塑性，因此在其它参数相同的情况下，冲击时的变形量比不加热冲击时大，这将有利于减少了成形时冲击的次数，提高了生产效率，同时使高强度的合金钢的冲击成形容易，使激光冲击成形具有很大的实用性和通用性，同时也降低了对激光器输出功率的要求，为中小功率激光器在板料塑性成形方面开辟了新的领域；与激光热应力成形相比，激光冲击成形中的加热用来达到软化金属材料，使之屈服强度降低，而非向热应力成形那样，通过深度加热获得塑性变形的动力，因此加热温度较低，对金属板材的组织性能和表面的质量影响较小，而且在后续的冲击过程中形成的压缩应力将大大减小板材由于加热过程而产生的有害拉应力，甚至板材的表面仍保持压应力状态；由于激光冲击波作为板料成形力源，因而它是无模具非接触式成形，由于采用五轴联动的工作台，可实现从对板材多个方向冲击，实现了板材的三维立体成形；由于激光光斑尺寸可聚焦至厘米、毫米量级甚至微米级，因此既可进行局部微细的定量精确成形，也能进行大面积的冲击成形；对板材成形前的表面质量要求低于常规的冲压工艺，且使成形表面的光洁度有所提高，因此预热板材的激光冲击成形具有实用范围广、成形的效率高、成形件具有好的使用性能优越的特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是根据本发明方法提出的激光预加热和冲击成形的装置示意图。

1.中央控制处理器  2.五轴联动工作台  3.光斑调节装置  4.全反射镜  5.钕玻璃激光器控制器  6.钕玻璃激光器  7.导光管  8.全反射镜  9.脉冲激光10.工件夹具  11.工件  12.位移测量反馈装置  13.连续激光  14.全反射镜  15.导光管  16.二氧化碳激光器  17.二氧化碳激光器控制器  18.全反射镜19.光斑调节装置  20.红外测温反馈装置  21.能量吸收层  22.计算机23.能量吸收层

具体实施方式

下面结合图1详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。该装置包括激光加热系统、激光冲击系统、控制系统、工件夹具系统、测量反馈系统。激光加热系统包括二氧化碳激光器(16)、导光管(15)、二块全反射镜(14)(18)、光斑调节装置(19)；激光冲击系统包括钕玻璃激光器(6)、导光管(7)，二块全反射镜(4)(8)、光斑调节装置(2)；工件夹具系统包括工件(11)、覆盖在工件表面的能量吸收层(21)、能量吸收层(23)、工件夹具(10)、五轴联动工作台(2)；控制系统由计算机(22)、中央控制处理器(1)、二氧化碳激光器控制器(17)、钕玻璃激光器控制器(5)组成；测量反馈系统包括红外测温反馈装置(20)和位移测量反馈装置(12)。

将加工的信息编写成加工程序输入到计算机(22)中，由计算机(22)发出控制信息和工作指令相继传给中央控制处理器(1)，经过二氧化碳激光器控制器(17)传递给二氧化碳激光器(16)，二氧化碳激光器(16)接受到工作指令后，发出连续功率密度10³～10⁴W/cm²量级的激光(13)，并经过导光管(15)、全反射镜(14)(18)和光斑调节装置(19)，辐照在板材(11)表面能量吸收层(21)上使板材(11)加热，连续激光(13)的能量由激光控制器(16)调节。板材(11)被加热激光(13)加热后，温度上升并不断向外发出相应稳定波长的红外线，测温反馈装置(20)根据收集到的红外波长测定板材的温度，并把信息反馈给中央控制处理器(1)，当板材的温度达到设定的温度时，中央控制处理器(1)发出指令，使二氧化碳激光器(16)停止工作，钕玻璃激光器(6)开始工作，激光器(6)发出脉冲能量40-160J，脉冲宽度50-120ns，功率密度在10⁸W/cm²以上脉冲激光束(9)，激光束(9)的光斑模式可以是基模、多模等多种模式，其由钕玻璃激光器控制器(5)调节和控制。由钕玻璃激光器(6)优化后的激光束经导光管(7)、全反射镜(8)(4)、光斑调节装置(3)辐照到工件(11)表面的能量吸收层(23)上，能量吸收层(23)吸收高能脉冲激光(9)后，迅速汽化、电离形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量，形成爆轰波，产生向金属板料工件(11)内部传播的高幅冲击波，当其峰值压力高于金属板料的动态屈服强度，金属板料产生塑性变形。随后钕玻璃激光器(6)接受指令停止工作，位移测量反馈装置(12)开始工作，位移测量(12)反馈装置测量变形量，并反馈给中央控制处理器(1)，以优化下次冲击前连续激光(13)加热时的能量，加热的区域以及加热的时间等参数，以及脉冲激光(9)工作时能量、光斑大小等参数。随后中央控制处理器(1)发出指令，使五轴联动工作台(2)的移动，固定在五轴联动工作台(2)上的工件夹具(10)上以及工件(11)随同移动，由于五轴联动工作台(10)能作沿三个轴向的移动和绕二个轴转动，从而实现板材(11)的三维立体成形，工作台(10)移动后，完成了加热-冲击-测量-移动的工作循环，中央控制处理器(1)再发出指令完成加热-冲击-测量-移动的工作循环，直到冲击的形状和尺寸符合要求为止，从而实现整个板材的精确成形。

Claims (3)

1、一种板材成形的方法，其特征在于：二氧化碳激光器(17)发出二氧化碳激光辐照在工件(11)表面的能量吸收层(21)上，使工件(11)待冲击的区域加热；加热区域发出的红外线传到红外测温反馈装置(20)上，当到达指定的温度时，红外测温反馈装置(20)将信息反馈给中央控制处理器(1)，使二氧化碳激光器(16)停止工作，钕激光激光器(6)发出脉冲激光(9)辐照在工件(11)表面的能量吸收层(21)上，能量吸收层(21)吸收能量后汽化、电离、形成等离子体，等离子体继续吸收激光的能量爆炸，产生高幅冲击波，使材料发生塑性成形。

2、根据权利要求1所述的一种板材成形的方法，其特征在于：位移测量反馈装置(12)在冲击过程中装测量冲击点的变形量，并把信息反馈给中央控制处理器(1)；根据板料冲击后反馈的信息，钕玻璃激光控制器(5)优化后续激光冲击过程中的工艺参数，以获取不同的变形量，实现板料精确的局部成形或整体成形。

3、一种板材成形的装置，其特征在于：包括激光加热系统、激光冲击系统、控制系统、工件夹具系统、测量反馈系统，激光加热系统包括二氧化碳激光器(16)、导光管(7)、全反射镜(8)、光斑调节装置(3)，光斑调节装置(3)中有聚焦镜；导光管(7)依次把二氧化碳激光器(16)、全反射镜(8)和光斑调节装置(3)连接起来，把二氧化碳激光器(16)产生的连续激光传递到工件(11)需要加热的表面；激光冲击系统包括钕玻璃激光器(6)、导光管(7)、全反射镜(8)、光斑调节装置(3)，光斑调节装置(3)中有聚焦镜，导光管(7)把钕玻璃激光器(6)、全反射镜(8)、光斑调节装置(3)连接起来，把钕玻璃激光器(6)产生的脉冲激光传递并能聚焦到工件(11)的表面待冲击的区域；激光加热系统和激光冲击系统中的聚焦镜光轴位于工件(11)待冲击面的法线上，工件夹具系统包括工件(11)、工件夹具(10)、五轴联动工作台(2)、覆盖在工件二侧表面的能量吸收层(21)，工件(11)装夹于工件夹具(20)中，工件夹具(10)置于五轴联动工作台(2)上；测量反馈系统包括红外测温反馈装置(20)和位移测量反馈装置(12)，控制系统由计算机(22)、中央控制处理器(1)、二氧化碳激光器控制器(17)、钕玻璃激光器控制器(5)组成，计算机(22)通过中央控制处理器(1)控制二氧化碳激光器控制器(17)、钕玻璃激光器控制器(5)、光斑调节装置(3)、、红外测温反馈装置(20)、位移测量反馈装置(12)、五轴联动工作台(2)；二氧化碳激光器控制器(17)控制二氧化碳激光器(16)，钕玻璃激光器控制器(5)控制钕玻璃激光器(6)。

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