激光喷丸

1.1激光热应力成形激光热应力成形是日本学者Ｙ．Ｎａｍｂａ在１９８５年研究材料温度分布和热变形时提出的一种激光成形工艺，其基本成形原理如图１．５所示，激光束扫描金属薄板时，被照射区域瞬间被加热至高温状态，从而在加热区的板厚方向上形成了对空间和时间梯度都很大的不均匀温度场，加上周围冷态材料的约束，使得该温度场所诱发的热应力超过了随温度变化的屈服极限，从而使板料产生了热塑性变形。

通过调整激光加工参数和选择合适的扫描轨迹就能够成形任意的弯曲件和锥形件等三维曲面零件，因而激光热应力成形实现了无模成形。

最近二十年里，激光热应力成形技术的研究工作取得的巨大的进步。

波兰科学院技术研究所的Ｈ.Ｆｒａｃｋｉｅｗｉｃｚ，自１９８８年起，利用激光热应力成形已先后制造出了筒形件、球形件、波纹管等，其研究成果已在美国，日本，欧共体申请了技术专利。

德国学者Ｍ.Ｇｅｉｇｅｒ等将激光热应力成形与其它加工工序复合应用于汽车制造业，进行了汽车覆盖件的柔性校平和其他成形件的成形。

美国学者ＹＬａｗｒｅｎｃｅＹａｏ等对板料的三维激光弯曲成形方法进行了有益的研究，首先根据待成形形状利用有限元模拟计算出所需的应变场，然后根据平面应变、弯曲应变和温度梯度机理之间的关系得到激光扫描路径，从而能够制造出复杂的三维形状，如图１.６所示。

国内对激光热应力成形的研究起步较晚，在９０年代后，燕山大学、西北工业大学、山东大学等单位的学者相继开始从事激光热应力成形技术的研究，并取得了一定的成果。

激光热应力成形技术是一种先进的柔性塑性加工方法，与常规成形技术相比，激光热应力成形具有一些独特的优势：无需任何形式的外力；不受模具限制；可成形在常温下难于成形的脆性材料。

但激光热应力成形技术中还存在一些问题有待于进一步深入的研究：影响激光成形的因数较多；成形件表面质量较差，成形后有害的残余拉应力影响产品的使用性能等。

１．２激光冲击成形激光冲击成形是江苏大学张永康，周建忠等人在激光冲击强化的研究基础上提出的一种新的板料成形方法。

其基本成形原理如图１．７所示，当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上的能量吸收层时，吸收层部分瞬间汽化，蒸汽温度快速升高并形成等离子体爆炸，结果施与靶面一个冲击载荷，形成冲击波传入材料内部，当冲击波的压力大于板料的动态屈服极限时，板料就发生拉胀式塑性变形。

图1.8为0.5mm厚的304不锈钢经单次激光冲击后的试样变形图。

另外如果采用多次、多点的冲击方法，就能实现大面积板料的冲压成形。

如图1.9 所示，为采用一定程度的光斑重叠度对ＴＡ２方板进行多点激光冲击后得到的变形图。

江苏大学的激光技术课题组对激光冲击成形这一新技术进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。

周建忠等人用实验的方法对锻铝、不锈钢等材料进行了实验研究，总结了激光脉冲的能量、脉宽、光斑直径的大小、材料力学性能等参数对板料变形量的影响〔２８－２９ｌ。

吉维民，王广龙等用ＡＢＡＱＵＳ软件对金属板料的激光冲击变形进行了数值模拟研究，获得了与实验结果相接近的形状〔３０－３１１。

此外张雷洪等对激光斜冲击成形进行了较为深入的研究【３２１，高立等对激光多点大面积冲击成形进行了有益的探索研究【３３】。

激光冲击成形是一种全新的板料塑性成形工艺，与传统的板料拉伸成形相比，具有显著特点：变形压力高（ＧＰａ级），作用时间短，应变率高（１０６～１０７Ｓ。

），使板料成形快速；无需模具，不需外力，属于冷冲压变形；成形后表面留有残余压应力；激光参数精确可控，可以预计板料后续的成形轮廓。

目前许多关键技术亟待解决和完善，如多次冲击成形过程中，不同冲击面相交形成的搭接区的冲击工艺过程和控制较为困难和复杂，并且冲击过程伴随着表面强化，致使板材的屈服强度提高，使后续变形困难等问题。

１．３金属板料激光喷丸成形技术高功率（ＧＷ／cm2量级），短脉冲（ｎｓ量级）的激光和材料相互作用产生高幅冲击波的技术得到了越来越广泛的应用和研究。

本课题组基于对激光冲击强化机理的研究和认识，提出基于激光喷丸技术的板料柔性精密成形方法，这源于激光喷丸强化过程中在工件表面产生深度分布的高幅残余压应力，导致板料产生一定曲度的变形，由此逐步形成金属板材激光喷丸成形（ＬａｓｅｒＰｅｅｎＦｏｒｍｉｎｇ—ＬＰＦ）的思想，并于２００３年８月申报了相关专利【３４】，以期替代传统的机械喷丸板料成形工艺。

１．３．１国内外研究的现状．据文献检索，美国加利福尼亚大学的劳伦斯利佛摩尔国家重点实验室（ＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒｔａｔｏｒｙ．ＬＬＮＬ）的Ｈａｃｋｌｅ等人也在进行相近的研究，他们对激光喷丸强化和机械喷丸强化所产生的残余应力的大小及其分布进行了研究，发现激光喷丸强化技术产生的残余应力更大更深，并且在多次试验中发现实验结果具有稳定性和一致性，所以提出了控制残余应力分布来实现板料成形的设想，并于２００２年６月申请了美国专利“ＣｏｎｔｏｕｒＦｏｒｍｉｎｇｏｆＭｅｔａｌｓＢｙＬａｓｅｒＰｅｅｎｉｎｇ”【３５】。

专利中形象地提出了激光喷丸成形的概念，指出利用脉冲激光束诱导产生的冲击波锤击金属板料，使其表层产生深度分布的残余压应力，利用该残余压应力可使板料产生弯曲变形。

同时通过控制激光脉冲参数、冲击轨迹以及冲击次数，可控制残余应力场的大小和分布，形成与之相对应的残余应力场，从而能实现板材的精密弯蓝成形。

图１．１０是该实验室利用激光喷丸成形技术成形的马鞍形。

专利中称某些成果已成功应用到航空航天和军事领域中关键零部件的成形制造中去，如飞机的机翅、涡轮发动机的叶片等。

文中特别指出这种成形方法适合厚（厚度超过３／４，英寸）的、难成形材料的金属板材成形，具有其它成形工艺不具备的明显优势和特殊作用。

如图１．１１所示，对于各种厚度的铝合金板料，分别采用激光喷丸成形，机械喷丸成形和预模压加热蠕变成形方法进行弯曲成形，结果发现因板料厚度太大，采用预模压加热蠕变成形方法不能有效成形，而机械喷丸成形方法能成形的曲率明显要小于激光喷丸成形所成形的曲率，因此采用激光喷丸成形技术能够精确成形更大曲率要求的厚板料。

此外激光喷丸成形的潜在用途还可以精确地矫正零件（如图１．１２所示），如机械驱动杆的过度弯曲等。

１．３．２激光喷丸成形的技术特点激光喷丸成形是一门崭新的技术，它与激光冲击成形相比虽然两者都是利用激光诱导的冲击波作为力源，但激光喷丸成形有其自身的技术特点：１）激光冲击成形是利用激光诱导的冲击波压力直接使板料发生宏观塑性变形，属于局部胀形拉深工艺，因此适合用于有拉深比要求的零件成形，为此激光诱导的冲击波压力必须大于材料的动态屈服强度，因而所采用的激光脉冲能量必须足够大，这给激光器带来了较高的要求；而激光喷丸成形采用控制脉冲激光参数，在每次激光作用的过程中，板料不产生宏观的塑性变形，而是在板材表面形成适度的残余压‘ 缩应力，通过板料内部残余应力的作用使板料产生平面到曲面的变形，因而可采用小能量实现大变形。

２）对于大面积激光冲击成形的零件，其成形精度需分别采用粗冲成形和精冲成形保证，因此其工艺过程及控制较为复杂。

而激光喷丸成形适合于有光滑曲率要求的曲面成形，通过控制激光参数和作用轨迹，控制工件表面的应力场分布形态实现板料成形，因此工艺过程及控制较易实现。

３）激光冲击成形一般适合于薄板件的冲压成形，同时冲击过程中伴随着表面强化，致使板材的屈服强度提高，后续变形困难，因此要实现大面积板料的精密成形较为困难。

而激光喷丸成形通过喷丸参数和轨迹的优化，可实现应力场形态的精确控制，从而可实现大型中厚板材的柔性精密弯曲成形。

由于采用激光冲击波代替有质弹丸进行撞击，激光喷丸成形与传统的机械喷丸成形技术相比更有其独特的优势：１）在成形截面小于２ｃｍ厚的小曲率零件方面，激光喷丸成形优于机械喷丸成形，更重要的是在厚度大于２ｃｍ的厚板上也可成形类似的曲线，而传统机械喷丸成形则因板材太厚而不能有效成形。

２）成形精确可控。

在激光喷丸成形过程中，可以通过调整激光参数的大小和喷丸次数来控制金属板料表面残余压应力的大小和深度，从而控制金属板料内部残余应力场的分布，以实现金属板料的精确成形。

３）成形后的工件表面质量高。

与机械喷丸成形相比，激光喷丸成形不会在金属表面产生畸变和机械损伤，而且激光喷丸进行成形的同时产生的压应力可对板料起到强化作用，提高了零件抗疲劳、抗腐蚀、抗变形的性能。

４）清洁、方便。

机械喷丸成形需要在每次喷丸结束后对弹丸进行收集、清洗、，分级以及破粒去除，而激光喷丸成形是一种绿色制造技术，不需要这个程序。

２．１板料激光喷丸成形的物理过程激光喷丸成形技术是在激光喷丸强化技术和机械喷丸技术的基础上提出的，其基本原理如图２．１所示，利用高功率密度（ＧＷ／ｃｍ２量级）、短脉冲（ｎｓ量级）的激光束取代有质弹丸冲击金属板料表面时，激光束穿过约束层（水帘）照射到板料表面的吸收层（黑漆），黑漆涂层吸收激光能量瞬间汽化产生等离子体，等离子体吸收激光能量后温度升高并向外膨胀。

由于膨胀等离子体被限制在金属表面和约束层之间，因此导致高温高压的等离子体发生爆炸，产生一个高幅值压力脉冲，压力脉冲便以冲击波的形式作用在板料的表面，这犹如若干个有质弹丸喷射到板料表面，由于冲击波压力高达数个ＧＰａ，远大于材料的动态屈服强度，引起材料表层发生微观塑性变形，表层和内层间的不均匀塑性变形便在板料内部产生一定深度的残余压应力，它破坏了板料原有的力系平衡。

对于一定厚度的板料，经过多次多点的激光喷丸后，板料内部的残余应力值增加，当残余压应力值达到一定数值时，板料唯有发生宏观变形才能使其内部力系达到新的平衡，因此受喷板料发生一定的弯曲变形。

由于适度分布的应力场形态对应着一定曲率的板材形状，故可以通过调整激光参数、喷丸轨迹和喷丸次数等，形成与之相对应的残余应力场，实现板材光滑曲率的精密成形。

由以上分析可知，激光喷丸成形技术是利用了激光的力效应，即利用激光诱导产生的冲击波压力在板料厚度方向上产生沿深度分布的高幅残余压应力，在高幅残余压应力的作用下使板料发生弯曲变形的一种板料成形方法。

整个激光喷丸成形过程如图２．２所示，可分成三个阶段：（１）激光冲击波的产生（２）激光冲击波在金属表层产生一定深度分布的残余压应力（３）一定形式分布的残余压应力释放使板料产生弯曲变形。