关于板料激光弯曲成形技术的综述

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1、关于板料激光弯曲成形技术的综述me2014290于广州小谷围岛摘要：当前造船业采用的水火弯板工艺中，火焰的精确控制是罪常困难的，有赖于经验丰富的技术人员。板材激光弯曲成形是一种板材柔性成形技术；以高能激光束为热源，利用激光束扫描金属表面进行局部加热形成的不均匀热应力来实现板材的塑性变形。激光可控性高，有助于板材成形工艺的自动化。本文将综述板材激光成形技术的相关机理，介绍国内外的研究进展，探究此项技术的前景。0引言：金属板材的成型通常包括冷成形与热成形，冷成形包括辗压成形、模压成形、无模成形等几种方式；热成形又分为整体热成形和局部

2、热成形。二十世纪五六十年代，源于日本的局部热成形技术（水火弯板）以其加工快、操作灵活、无需模具等优点成为船体外板的主要加工方式。板材激光弯曲成形是一种新兴金属板材柔性成形的技术；以高能激光束为热源，利用激光束扫描金屈表面进行局部加热形成的不均匀热应力来实现板材的塑性变形。激光能量密度高，可控性好，从而克服了水火弯板法难以实现精确控制的弱点。1板材激光弯曲成形概述1.1温度梯度原理LaserbeamHT1»T:Isotherm图1.2温度梯度机理如图1.2,当直径小、扫描速度快、能量密度高的激光束照射在板材的上表面时，上表面瞬间被

3、加热至高温状态，而下表面的温度在短时间内没有明显变化，此时在加热区的厚度上产生很大的温度梯度。板材上表面的膨胀量远远大于下表面，从而使板材背向激光束绕扫描线的弯曲，但是未加热区限制了上表面材料的膨胀，而此时加热区域金属材料的屈服极限大大降低，在热应力的作用下，上表面处的材料产生较大的塑性变形，导致板材的上表面出现材料的少量堆积。在冷却阶段，温度梯度珠江变小，上表面的材料温度降低，体积开始收缩，屈服极限升高，加热受压时产生的堆积不可复原。同时，下表面则因热传导而开始膨胀，材料屈服应力降低而易于变形，使板材产生面向激光源绕扫描线的正

4、向弯曲。1-2屈曲原理：图1.3屈曲机理如图1.3,当激光光斑直径较大，板材较薄时，板材正面被加热时，在较大的加热区域内板材厚度方向的温度梯度很小，由于周围材料的约束使加热区产生了压应力，同时由于温度的升高引起材料屈服应力的降低，导致加热区材料发生屈曲，屈曲区中心的材料发牛塑性变形、而此时屈曲区两侧及扫描路径上的其他区域依然是弹性变形。冷却后，由于相邻材料的约束降低，屈曲区两侧的弹性约束减小，从而使钢材产生一定的弯曲变形。板材极可能产生面向激光束的正面弯曲,也可能产生产生背向激光束的反面弯曲，这与板材的初始状态有关，弯曲方向不依

5、赖于激光照射方向而是依赖于初始曲率方向。此机理多用于板材的反向弯曲，通过预弯曲来控制激光弯曲成形的方向。1.3增厚原理：Laserbeam图1.4增厚机理如图1.4,当光束直径较大，而金展板的厚度较薄，激光束直径远远大于板厚时，在板的厚度方向上的升温近乎同步。由于扫描区域材料的热膨胀收到周围冷态材料的约束，加热区域材料产牛堆积而导致板材变厚。冷却过程中，这部分材料不能完全复原，而产生板厚方向的正应变，板材在垂直于扫描线的方向产生收缩变短。2国内外研究状况：2.1国外研究现状：PJ.Cheng等建立了板材激光弯曲成形的三围温度场分

6、析模型。模型假设激光束以恒速在板材表面移动，能量分布近似为高斯分布。采用此模型研究了激光成形参数对成形过程屮温度分布的影响，结果表明，分析模型比FEM（有限单元法）和FDM（熔融沉积成型）节省计算时间。Z.Hu等对激光直线扫描薄板进行了三维有限元分析，模拟了不锈钢AISI304和铝在多道扫描时的温度场变化。不锈钢导热性较差，加热过程中升温较快，冷却过程相对缓慢；铝是热的良导体，热循环过程与不锈钢不同，在板厚方向上铝的温度梯度较不锈钢的小。弯曲角岁激光扫描次数增加而线性增加，随板材厚度的增加而减小，并受激光功率和扫描的速度影响。P

7、.K.Cheng等利用神经网络系统来预测板材激光成形的弯曲角，并进行实验验证。结果表明神经网络模型在预测弯曲角上具有很高的精度。2.2国内研究现状：张立文等利用非线性有限元分析软件MSC.Marc建立三维热力耦合有限元模型，实现了对船用中厚钢板激光弯曲过程中温度场与变形场的数值模拟，预测了激光弯曲成形的最终弯曲角。石永军、姚振强采用数值模拟与实验验证相结合的方法，对深入分析了激光弯曲成形过程中板材的成形机理、成形精度控制方法。季忠、王忠雷等采用动态显式有限元法结合遗传算法进行板料激光弯曲成形工艺参数的优化设计，通过算例证实了系统

8、的有效性。3激光弯曲成形技术的特点与应用前景(1)无模具成形，适合单件、小批量或大型工件的生产，适合于造船、航空航天、汽车及各式仪器的样机制造。(2)非接触成形，不存在贴模、回弹现象，成形精度高，可用于精密仪器的制造。(3)热态累积成形，能够成形常温下难变形材料