激光板料成形技术的研究与应用

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，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，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，成形精度高，适用于精密仪器的制造。

4）激光弯曲属于热态累积成形，总的变形量由激光束的多次扫描累积而成，这就使得一些硬而脆的难变形材料（比如钛合金、陶瓷、铸铁等）的塑性加工易于进行，可用于许多特种合金和铸铁件的弯曲变形。

5）对激光模式无特殊要求，易于实现成形、切割、焊接等激光加工工的复合化，特别适用于大型单件及小批量生产。

6）可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件（如球形件、锥形件和抛物形件等）。

7）成型过程无噪声、无污染，属于清洁、绿色制造范畴，被加工材料消耗少、参数精

度控制和高度自动化等特性。

4、激光弯曲成形机理

板料激光弯曲成形是温度、组织转变、应力三方面相互作用的复杂过程。由于材料热物理性能的差异以及所采用的工艺参数的不同，都会导致不同的变形机理，有时往往会是几种机理的混合作用。

国内外学者对激光弯曲成形机理进行了大量的分析研究，提出了三种主要的成形机理，即温度梯度机理(Temperature gradient Mechanism)、屈曲机理(Buckling Mechanism)和增厚机理(Upsetting Mechanism)[10]。

1）温度梯度机理（TGM）

当激光功率较高，光斑直径较小的激光束照射工件表面，并沿一定的扫描路径进行快速扫描时，被激光直接照射的上表面温度瞬间急速上升，而未被直接照射的下表面由于热传导时间短，温度较低，此时在加热区厚度方向上产生了很大的温度梯度。这样便造成上表面热膨胀变形远远大于下表面，从而使板料绕扫描线产生背向激光束的反向弯曲，此时热膨胀区域的变形将受到周围冷态材料的约束，并且随着材料温度的升高，加热区材料的屈服强度不断下降，当由于热膨胀受约束而产生的压应力达到该温度下材料的屈服强度时，材料便发生塑性压缩变形。在加热阶段，上表面材料温度高热膨胀大，受到的约束应力也越大，同时温度较高造成屈服强度下降多，因而产生较大的塑性压缩变形，导致板料上表面出现材料的堆积。冷却阶段，上表面材料温度降低，体积开始收缩，但屈服强度升高，使加热受压时产生的材料堆积不能复原。同时，下表面则因热传导升温而开始膨胀，材料屈服强度降低而易于变形，使板料绕扫描线产生面向激光束的正向弯曲。正反向弯曲变形的角度差，便是激光扫描一次形成的弯曲角。如果激光束的扫描沿同一路径反复进行，则可得到任意角度的弯曲件。

2）屈曲机理

当激光束的光斑直径较大、功率较高、板料较薄、热传导率较高时，板料正面首先被加热，受热材料先于背面发生膨胀，使板料产生较小的反向弯曲变形。而在加热区域内，厚度方向的温度梯度很小，周围冷态材料的约束使加热区产生很大的压应力，同时，由于温度的升高引起材料屈服应力大大降低，结果导致加热区材料发生屈曲。由于屈曲发生前工件存在较小的反向弯曲，使下表面压应力稍大于上表面，因此屈曲区中心下表面材料首先发生塑性压缩变形。反向屈曲变形的产生使上表面受到很大的拉应力，因而产生塑性拉伸变形。随着激光扫描的继续，扫描路径上其他材料陆续发生屈曲变形[11]。冷却时，虽然上下面都产生横向收缩，但下表面最终的横向收缩量仍大于上表面，最终得到绕扫描线的反向弯曲变形。

3）增厚机理

当激光束光斑直径接近于材料厚度，扫描速度较小，材料的热传导系数较大，同时板料不易发生屈曲变形，如厚板或刚性零部件等，可能发生增厚变形。板料在加热区域厚度方向温度梯度很小，材料在光斑周围的温度主要表现在平面方向。此时，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较高的内部压应力，致使材料产生堆积。冷却过程中，材料堆积不能完全复原，从而产生板厚方向的正应变，被加热板料缩短，发生墩粗增厚。增厚的大小取决于材料的热膨胀系数和激光加工参数。