激光板料成形技术的研究与应用

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1、激光板料成形技术的研究与应用——激光热应力成形与激光冲击成形摘要：激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对金属或非金属材料进行切割、焊接、表面处理、打孔以及微加工等的一门加工技术。随着激光技术的发展，特别是大功率工业激光器制造技术的日益成熟，激光作为一种“万能”工具，已应用于材料的切割、焊接、弯曲变形和表面改性处理等领域，其中板料激光成形技术已较为成熟，广泛应用于各种碳钢、不锈钢、合金有色金属以及金属基复合材料的弯曲成形，替代了部分零件的冲压工业。金属板料激光成形技术是近年来出现的一种先进柔性加工技术。金属板料成形作为薄板直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占有十分重要

2、的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、家电等生产行业。传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形，其生产效率高，适用于大批量生产。随着市场竞争的日趋激烈，产品的更新换代速度日益迅速，原有的采用模具加工的技术就表现出生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等缺陷，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝合金以及铜等塑性较好的材料，其适用范围有限。为此国内外许多学者致力于板料塑性成形新技术的研究，实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场需要。本文介绍了激光热应力弯曲成形以及冲击成形的成形机理，分析了成形的主要因素，并对这两种成

3、形技术的未来做出展望。关键词：激光技术、板料成形、热应力弯曲成形、冲击强化技术一、激光弯曲成形技术激光弯曲成形是一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、洁净等特点。它是基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金属板料表面时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。与传统的金属成形工艺相比，它不需模具、不需外力，仅仅通过优化激光加工工艺、精确控制热作用区内的温度分布，从而获得合理的热应力分布，使板料最终实现无模成形。激光束的大小和能量精确可控，特别适用于冷加工难以成形的硬且脆，或刚性大的材料，比如陶瓷、钛合金等。1、激光弯曲成形基本原理：板材激光弯曲成形是近年来出现的一种板材

4、柔性成形方法，究其根源，可以追溯到上百年前的火工矫形。它的基本原理是，在基于材料的热胀冷缩特性上，利用高能激光束扫描金属板材表面，通过对金属板材表面的不均匀加热，照射区域内厚度方向上会产生强烈的温度梯度，从而引起非均匀分布的热应力[6]。当这一热应力超过了材料相应温度条件下的屈服极限，就会使板材产生所需要的弯曲变形，激光弯曲成形的装置示意图如图1所示[7]。激光弯曲成形实际上就是这样一种基于材料的热胀冷缩特性、用热应力代替机械载荷的板料无模成形技术。2、激光弯曲成形过程：待成形板料的表面受到高度聚焦的激光束照射，当光束以确定的速度沿预定的轨迹扫描时，被照射的各部位依次经历加热和冷却两个阶段

5、，在其内部产生相应的应力，从而产生塑性变形，加热阶段产生反向弯曲，冷却阶段将产生正向弯曲，正反向弯曲变形的角度差即为激光束一次扫描所形成的角度。(1)加热阶段板料上表面受到能量密度很高的激光束照射，使得被照射部位的温度在极短时间内急剧上升；而远离上表面处的材料由于没有受到照射，其温度在这一短暂的时间内没有明显的变化，从而使被照射部位沿板厚方向形成较大的温度梯度。由于上表面处材料的温度很高，故其热膨胀量大而屈服极限低，因而在此不均匀温度场产生的压应力的作用下，该处产生较大的塑性变形，形成材料堆积。下表面材料的温度低，屈服极限高，基本不产生或只产生很小的压缩塑性变形，板料上表面材料的膨胀量远远

6、大于下表面，板料将产生反向弯曲。(2)冷却阶段激光束离开后，原来被照射的部位通过热传导进行自然散热冷却，或者在滞后于光斑某距离处用水流或气流沿照射轨迹加快冷却速度。当激光束离开后，上表面处于高温区材料的热量迅速向其它各方向传导，以达到热平衡状态。此过程中，上表面附近材料的温度很快降低而下表面处的温度还要继续升高一段时间。反映在变形上，上表面的材料已开始冷缩时，下表面处的材料还要继续热胀。板料下表面材料的膨胀量远远大于上表面，板料将产生正向弯曲。3、激光弯曲成形特点激光弯曲成形技术是通过各项参数的优化来精确控制板料的弯曲程度，它具有传统的塑性成形方法无可比拟的优点。1）采用激光源作为成形工具

7、，无需任何形式的外力，因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法，属于无外力成形。2）属于无模成形，生产周期短，柔性大，可不受加工环境限制，通过优化激光加工工艺参数，精确控制热作用区域以及热应力的分布，将板料无模成形。因不受模具限制，可容易的复合成形和制作各类异形件，克服了传统的模具弯曲所带来的成本高和生产周期长的缺点。3）加工过程中无外力接触，不存在模具制作、磨损和润滑等问题，也不存在贴膜、回弹现象，成形精