激光板料成形技术的研究及应用

文章编号：１００１－３９９７（２００７）０９－０１３２－０３第９期－１３２－２００７年９月ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ机械设计与制造激光板料成形技术的研究及应用＊陈毅彬周建忠孙月庆黄舒（江苏大学机械工程学院，镇江２１２０１３）Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎｓｈｅｅｔ－ｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇＣＨＥＮＹｉ－ｂｉｎ，ＺＨＯＵＪｉａｎ－ｚｈｏｎｇ，ＳＵＮＹｕｅ－ｑｉｎｇ，ＨＵＡＮＧＳｈｕ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!"【摘要】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。分别介绍了激光热应力成形、激光冲击成形（ＬＳＦ）和激光喷丸成形（ＬＰＦ）的成形机理，分析了成形的主要影响因素。影响这三种激光成形方式的因素主要有：激光参数、扫描轨迹、材料性质、板料几何参数和约束边界条件等。分别从机理、工艺参数、成形工艺等方面分析了这三种板料激光成形的技术特点。最后，对这三种激光板料成形技术的应用前景进行了展望，并指出激光板料成形技术在成形的精确控制及成形复杂件方面存在的一些尚待解决的关键问题。关键词：激光技术；板料成形；热应力；冲击波；残余应力【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｌａｓｅｒｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｓｈｅｅｔ－ｍｅｔａｌｉｓａｎａｄｖａｎｃｅｄａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｉｎｉｓｈｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｈａｔｉｓｅｍｅｒｇｉｎｇｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｓｈｅｅｔ－ｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇｂｙｕｓｉｎｇｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｃｏｕｌｄｂｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｓｌａｓｅｒｔｈｅｒｍａｌ－ｓｔｒｅｓｓｆｏｒｍｉｎｇ，ｌａｓｅｒｓｈｏｃｋｆｏｒｍｉｎｇ（ＬＳＦ）ａｎｄｌａｓｅｒｐｅｅｎｉｎｇｆｏｒｍｉｎｇ（ＬＰＦ）．Ｉｔｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｎｄａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ｍａｉｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙａｂｏｕｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｌａｓｅｒｓｈｅｅｔ－ｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｗｈｉｃｈａｒｅｍｅｎｔｉｏｎｅｄａｂｏｖｅ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅｌａｓｅｒｓｈｅｅｔ－ｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｓｏｍｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｍｉｎｇ，ｗｈｉｃｈｎｅｅｄｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄｕｒｇｅｎｔｌｙ，ａｒｅａｌｓｏｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｓｈｅｅｔ－ｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇ；Ｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓ；Ｓｈｏｃｋｗａｖｅ；Ｒｅｓｉｄｕａｌｓｔｒｅｓｓ中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ

＊来稿日期：２００６－１１－２１＊基金项目：国家自然科学基金（ＮＯ．５０４７５１２７，ＮＯ．５０６７５０９０）；江苏省自然科学基金（ＮＯ．ＢＫ２００４０６３）；教育部科学技术研究重点项目（ＮＯ．２０４０５２）和国防航空基金（ＮＯ．０２Ｈ５２０５３）１前言目前，激光技术在金属板料成形领域的应用研究可分为：激光热应力成形、激光冲击成形和激光喷丸成形。从成形机理、影响因素、技术特点、研究现状和存在问题等方面对这三种金属板料的激光成形方式进行了系统地分析和综述。２激光热应力成形２．１成形机理金属板料的激光热应力成形是通过局部瞬态加热产生不均匀的内部热应力，而导致板料变形的一种无模成形技术。根据激光成形过程中的工艺条件和所形成的温度场分布等的不同，可将其成形机理分为温度梯度机理（ＴＧＭ）、增厚机理（ＵＭ）、翘曲机理（ＢＭ）和弹性膨胀机理（ＥＩＭ）［１，２］。事实上，板料激光热应力成形的机理非常复杂，往往是几种机理的相互作用。２．１．１温度梯度机理温度梯度机理是激光热应力成形理论中较为流行的一种理论模型［３］。当高能激光束扫描金属表面时，如果激光束光斑直径较小、能量密度较大、扫描速度较快，则被扫描区域在厚度方向会产生较大的温度梯度，从而使金属板材产生背向激光源的弯曲。冷却时，厚度方向的温度梯度减小，板材又产生面向激光源的正向弯曲。图１温度梯度机理示意图２．１．２翘曲机理当加热区域和光斑直径较大、而扫描速度和强度较低时，加热区板材厚度方向上产生较低的温度梯度，加热区受周围材料的约束而产生压应力。当加热区温度升高到所产生的压应力超过加热区材料的屈服应力时，就会在加热区产生塑性翘曲，从而导致板料的弯曲。图２翘曲机理示意图激光束塑性皱曲第９期－１３３－陈毅彬等：激光板料成形技术的研究及应用＊２．１．３弹性膨胀机理当激光束只照射一点或局部区域时，加热区域产生的热膨胀要比温度梯度机制大。由于弹性膨胀潜力大，就会消除周围冷态材料对其产生的塑性压缩，而只剩下弹性膨胀压缩。这种压缩产生的内应力，将会使板料产生纯的弹性变形，进而出现小的反弹弯曲。图３弹性膨胀机理示意图２．１．４增厚机理当激光束扫描速度、光斑直径都很小时，加热区厚度方向上的温度梯度也很小，几乎均匀热透，因而不会产生弯曲。由于加热区材料的热膨胀受到周围冷态材料的阻碍而形成高的内部压应力，且加热区宽度很小、易压缩，从而使加热区材料在厚度方向上出现镦粗效应，因而加热区板材的厚度增加。图４增厚机理示意图２．２主要影响因素金属板料的激光热应力成形是一个非常复杂的热力耦合过程，成形影响因素很多。主要与激光参数、材料种类和尺寸等有关。国内外的学者经过实验研究得出较为相似的结论：首先，激光能量因素影响着激光热应力成形中的弯曲角的形成和热影响区的大小。激光能量因素由能量密度来表征，同时扫描次数和轨迹也影响激光的吸收。实验证明，在输入总能量一定时，大能量密度的输入、短时间的加热有利于增加弯曲角。其次，材料的热物性和力学性能对激光弯曲成形的影响较为复杂，目前尚无法对此进行定量分析。同时实验表明，在同样的工艺条件下，材料的比热和热传导率越大，则成形过程中的温度梯度不明显，由此产生的热应力也不大，最后产生的弯曲角也就越小。屈服极限低、弹性模量小、硬化指数小的材料，易产生大变形，在同样的工艺条件下，可获得大的弯曲角；影响弯曲角的几何尺寸因素主要是板材的宽度和厚度。板料越厚，截面模量越大，刚性也越大，因而热应力弯曲变形的抗力也越大，从而使成形的弯曲角减小。板料越宽，一个加热冷却循环获得的弯曲角也就越大，但当板宽超过一定值时，其影响不再显著。此外，在激光热应力成形中，坯料的放置、装夹等也会影响成形的最终质量。３激光冲击成形３．１成形机理激光冲击成形（ＬａｓｅｒＳｈｏｃｋＦｏｒｍｉｎｇ，ＬＳＦ）是利用激光诱导高幅冲击波的力效应使板料产生塑性变形的一种新技术，成形机理如图５所示，激光器发出的高功率密度、短脉冲的强激光束冲击覆盖在金属板材表面的能量转换体贴膜，使其汽化电离形成高温高压等离子体而爆炸，产生向金属内部传播的强冲击波。１０９ＧＷ／ｃｍ２量级的强冲击波压力远大于材料的动态屈服强度，从而使金属板料产生宏观的塑性变形。３．２技术特点作为一种快速高效的精确成形技术，激光冲击成形主要具有如下技术特点：（１）主要是利用激光诱导的高幅冲击波压力而不是热应力来成形，因而可将其归为冷加工工艺；（２）可成形塑性较差的结构钢、钛合金和复合材料等用常规方法难于成形的材料，拓展了冷冲压成形的零件范围；（３）柔性高、应用范围广；（４）成形精确、效率高、易实现自动化生产；（５）成形质量高。成形后表面粗糙度提高１－２个数量级，且经激光冲击后表面留有有益的残余压应力，因而表面质量得到了较大的提高。图５板料激光冲击波成形机理３．３主要影响因素激光冲击成形利用了激光冲击波的力效应，因此其主要影响因素有能量转换体、激光参数、板料参数和约束边界条件等。（１）能量转换体兼有能量吸收层和约束层的双重功用。控制转换体中能量吸收层厚度（５０～１００!ｍ）和约束层厚度和强度对成形甚为重要。一方面它能有效吸收激光脉冲能量进而形成冲击波，另一方面可提高能量利用率且能保护工件表面。（２）激光参数主要包括功率密度Ｉ０、激光脉宽"、激光能量Ｅ，光斑直径ｄ等。当能量转换体确定以后，激光功率密度就成为激光诱导的冲击波峰值的主要影响因素。激光参数的选择和优化，对实现激光冲击成形的精确控制有重要的意义。（３）板料参数和约束边界条件也是决定板料激光冲击成形的重要因素。激光冲击板料成形属于拉胀复合方式，板料参数如外形尺寸和力学性能，以及压边和“悬空”等约束边界条件均对板料的成形轮廓和深度有较大的影响。４激光喷丸成形４．１成形机理激光喷丸成形是利用激光诱导产生的冲击波压力在金属板料表面产生深度分布的高幅残余压应力而使板料发生变形的一种新方法。其成形原理如图６所示，用功率密度大于１０９Ｗ／ｃｍ２的短脉冲强激光透过透明约束层（水帘）照射在金属板材表面的吸收层（黑漆）上，吸收层吸收激光脉冲能量气化，气化后的蒸汽急剧吸收激光脉冲的能量形成等离子体爆炸而产生强激光冲击波并作用在板材工件的表面，从而在工件表面产生深度分布的残余应力场。由于每一种应力场分布对应一种板材弯曲形状，故可以通过调整激光参数、激光冲击路径以及冲击次数，形成与目标形状相对应的残余应力场，实现板材精密的弯曲成形。激光板料成形技术的研究及应用＊Ｎｏ．９－１３４－Ｓｅｐ．２００７机械设计与制造图６激光喷丸成形示意图４．２技术特点金属板料的激光喷丸成形与传统成形方式相比，具有以下特点：（１）工艺装备简单。无需成形模具，只需简单的夹具，准备周期短，固定投资少。（２）无工艺余料。不仅节省了原材料，还减少了成形后的修边和铣削工序。零件表面光洁，工艺可靠。（３）加工柔性大。既可成形单曲率外形，又可成形双曲率外形（如机翼上下气动弯折区或非直母线区），且零件长度不受喷丸成形方法的限制（如需蒙皮的战斗机机翼的长度达几十米）。（４）激光参数和作用区域可精确控制，参数也具有可重复性。可在同一地方以累积形式多次喷丸，因而残余压应力的大小和深度可精确控制，成形形状精确。（５）提高了零件表面质量。成形后，板料表面会产生有益的残余压应力，可对板料起到强化作用，提高了零件的抗疲劳、抗应力腐蚀等性能。４．３主要影响因素激光喷丸成形主要是利用激光冲击波在板料表面产生的高幅残余压应力而使板料成形，因此影响成形的工艺参数主要有激光能量、光斑大小、涂层厚度、约束层、激光喷丸入射角及板料厚度等。激光喷丸成形的理论研究模型有非约束模型和约束模型两种。由于约束模型较非约束模型具有更多优势，因而理论研究中通常采用前者。激光冲击波压力是板料成形的直接因素，根据约束模式下激光喷丸成形的冲击波峰值压力的计算公式：Ｐ＝０．０１（!２!＋３）１２∑１２Ｉ０１２（１）激光脉冲功率密度的计算公式：Ｉ０＝!Ｅ"Ａ（２）式中，Ｐ为冲击波峰值压力；!为相关系数，一般取０．１－０．２；Ｚ为约束层阻抗；Ｉ０为激光功率密度；Ｅ为激光束能量；"脉冲宽度；Ａ为光斑面积。由此，我们可以定性的得出结论：冲击波峰值压力与激光功率密度有关，前者随后者的升高而增大，同时ｐ随着约束层阻抗Ｚ的增大而增大；而激光脉冲功率密度Ｉ０又与!、Ｅ、"和Ａ具有如式（２）所示的关系。考虑到约束层和涂层对形成激光冲击波的共同影响，可以采用冲击波峰值压力的修正计算公式：Ｐ＝Ａ（#－１）Ｉｔ０Ｚｔ０Ｚｃ０$（２#－１）（Ｋ%Ｚｃ０＋ＫｃＺｔ０）"（３）式中，Ｐ为激光脉冲产生的峰值压力；Ａ为吸收系数，在０．８０－０．９５之间；&为等离子体的绝热指数取１．６７；Ｚｔ０、Ｚｃ０分别为靶材和约束层材料的声阻抗；Ｋ%、Ｋｃ分别为与能量吸收层和约束层密度有关的参量；$为等离子体的密度，可以看作为是约束层材料、能量吸收层和工件材料气化蒸汽的综合体；Ｉｔ０为激光功率密度。此外，板料厚度对激光喷丸成形也有一定的影响，板料越厚，板料的变形量也越小。４．４存在问题激光喷丸成形源于对激光冲击强化和机械喷丸强化的研究。激光喷丸成形的进一步发展必须有效解决的关键技术：（１）多参数关联的残余应力理论模型的建立。激光喷丸成形中各种参数对板材中残余应力的分布产生影响，如何根据待加工板材的曲面形状，建立多参数关联的残余应力场的分布模型是板材成形的关键，也是揭示成形规律、优化成形参数的前提。（２）应力场分布的有效控制方法。一定的应力场分布对应着相应的工件变形形状，激光参数的合理选择和轨迹优化是获得合理的应力场分布的条件，因而需对有关主要参数进行有效地约束。（３）板料变形的定量测定和变形过程的控制技术。求出不同激光喷丸参数下板材的变形量是实现激光喷丸柔性精密成形的必要条件，必须建立完善的数据库和控制系统。５结论主要介绍了三种金属板料激光成形方式的成形机理、技术特点、影响因素、研究现状和前景，并分析了这三者各自存在的亟待解决的关键问题。国内外对激光热应力成形的研究开展得较早，因而这项技术在工业加工中的应用相对较多；而激光冲击成形和激光喷丸成形作为新提出的技术，对这两者的研究仍处于深入阶段，工业应用业已出现，但主要集中在国外。这三种激光板料成形方式目前亟代解决的问题是：（１）精确理论模型的建立和深层机理的研究；（２）成形的精确可控。但可以预见，随着对这三种激光板料成形技术研究的深入和计算机数控和数值模拟分析等相关学科的发展，尤其是高功率和高重复率脉冲激光器问题的解决，激光板料成形技术将不断投入工业实用。对于它们的研究，将丰富和发展热应力成形和高应变率超快塑性变形的基础理论，进而丰富和发展现代先进制造技术。作为快速敏捷和极大柔性的先进制造技术，激光板料成形加工必将产生巨大的经济效益和社会效益。参考文献１陈敦军，吴诗淳，向毅斌，李淼泉．板料激光成形的机制及其应用［Ｊ］．兵器材料科学与工程，２０００，２３（６）：５８￣６１．２ＣｈｅｎｇＪＧ，ＺｈａｎｇＪ，ＣｈｕＣＣ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｓｈｅｅｔｍｅｔａｌａｆｔｅｒｌａｓｅｒｆｏｒｍｉｎｇ［Ｊ］．ＴｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，２４（１２）：８３０￣８３６．３Ｍ．Ｇｅｉｇｅｒ，Ｍ．Ｍｅｒｋｌｅｉｎ．Ｌａｓｅｒａｎｄｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－－ａｎｉｄｅａａｎｄｔｈｅｗａｙｏｆｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５１（２００４）：３￣１１．４ＴＨｅｎｎｉｇｅ，ＨｏｌｚｅｒＳ，ＶｏｌｌｅｒｔｓｅｎＦ，ｅｔａｌ．Ｏｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｌａｓｅｒｂｅｎｄｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９７，７１：４２２￣４３２．５季忠．板料激光弯曲成形工艺参数优化设计．锻压技术，２００２，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