激光弯曲成形

目录
目录 (1)
摘要 (2)
Abstract (2)
1 引言 (3)
2 钛及钛合金TC4概述 (3)
3 激光弯曲成形技术 (4)
3.1 激光弯曲成形基本原理 (4)
3.2 激光弯曲成形过程 (5)
3.3 激光弯曲成形特点 (5)
3.4 激光弯曲成形机理 (6)
3.5 激光弯曲成形的影响因素 (9)
4研究进展 (13)
4.1 国外研究进展 (13)
4.2 国内研究进展 (13)
5 小结 (14)
参考文献 (15)
TC4钛合金板料激光弯曲成形工艺研究
摘要
TC4钛合金在室温下塑性差，冷成形困难，虽然可采用加热成形技术，但加工周期长、成本高。

将激光成形技术用于钛合金板料成形，可充分发挥该技术的独特优势，在航空航天领域新品的研制中发挥重要作用。

本文介绍了激光弯曲成形的基本原理，分析了激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描次数以及能量密度等影响因素对板料激光弯曲角度的影响，在其它参数一定的情况下，弯曲角度随着激光功率的增加先增大后减小，随着扫描速度、光斑直径的增大而减小；弯曲角度随着扫描次数和能量密度的增加而增大。

关键词：TC4钛合金；激光弯曲；成形机理；影响因素；
The Research on the Laser Forming of
Titanium Alloy Sheet Metal
Abstract
Titanium alloy is difficult to forming at room temperature, although the heat forming technology can be used, but the processing time and cost are very high. Making full use of its unique advantages, the laser forming technology for titanium alloy sheet metal plays an important role in aerospace research and development of new products. In this paper, the forming mechanism was given out, and the influence of laser power, spot diameter, scan speed, number of scan and energy density on the bending of sheet metal was analyzed. The results showed that the bending angle increased first and decreased afterwards with the increasing laser power, decreased with the increasing spot diameter and scan speed, increased with the increasing number of scan and energy density if others factors remain unchanged.
KeyWords: Titanium alloy, laser forming, forming mechanism, influence factor
1 引言
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[1]。

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[2]，其中板料激光弯曲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。

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。

2 钛及钛合金TC4概述
钛的资源丰富，它在地壳中的含量为0.56%，总蕴藏量约为7.6亿吨，在构成地壳的元素中列第9位。

它是20世纪50年代发展起来的一种重要金属，密度小，比强度高和耐腐蚀性好。

目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上。

据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼、弹头壳体等。

因此钛及钛合金一直是航空航天工业的“脊柱”之一。

近年来，钛在石油、化工、冶金、生物医学和体育用品等领域开始得到应用，并己成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料，钛工业进入一个新的发展时期[3]。

钛合金按其退火组织分为α钛合金、β钛合金、α+β钛合金。

钛合金TC4的成分名为Ti-6Al-4V，属α+β型钛合金，该合金是美国水城兵工厂于1954年研制成功的，可用于生产大规格航空零件。

该钛合金在中国的牌号是TC4，美国的牌
号为Ti-6Al-4V，俄罗斯的牌号为BT6，日本的牌号为ST-A410。

TC4属于中等强度耐热性钛合金，其化学主要组成成分如表1所示，室温下力学性能参数如表2所示[4]。

表1 TC4钛合金化学主要组成成分
成分Ti Al V Fe C N H O其它含量余量5.5-6.8 3.5-4.5 ≤0.3≤0.1≤0.05≤0.015≤0.20≤0.4
表2TC4钛合金室温下力学性能参数
抗拉强度σb/MPa 屈服强度σ0.2/MPa 延伸率δ5/% 收缩率ψ/% 硬度值/HV 902 824 10 30 340
钛合金在室温下塑性差，冷成形困难，虽然可采用加热成形技术，但加工周期时间长、成本高。

目前我国主要用钛合金成形飞机、卫星、导弹及火箭上的零件，其中成形简单的直线折弯件及平板曲线弯边件所占比例重。

由于批量小，采用原来的加热辅助成形技术需要制作大量的耐高温模具，且零件的成形尺寸受到加热炉的限制。

为了降低成本、简化工艺条件、缩短零件制作周期、加快新型号产品的研制，将激光成形技术用于钛合金板料成形，可充分发挥该技术的独特优势，在航空航天领域新品的研制中发挥重要作用[5]。

3 激光弯曲成形技术
3.1 激光弯曲成形基本原理
图1 激光弯曲成形的装置示意图
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。

3.2 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[8]。

(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，如图2所示[9]。

图2 加热阶段图3 冷却阶段
(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，如图3所示[9]。

3.3 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]。

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。

3.4 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]。

3.4.1 温度梯度机理（TGM）
图4 温度梯度机理
温度梯度机理如图4所示，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。

3.4.2 屈曲机理（BM）
屈曲机理如图5所示，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。

图5 屈曲机理
3.4.3 增厚机理（UM）
增厚机理如图6所示，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。

图6 增厚机理
3.4.4 三种机理的应用范围
国外有学者曾指出用激光热影响区直径与板料厚度的比值D/t的大小来区分三种机理[12]，当D/t小于1时，采用增厚机理；当D/t大于1时，采用温度梯度机理；当D/t大于10时，采用屈曲机理。

从工艺参数上来说，当采用的激光功
率高、光斑直径小、扫描速度快时，温度梯度机理占主导地位；当采用的激光光斑直径较大、扫描速度慢，扫描较薄的板料时，屈曲机理将占主导地位；当采用的激光光斑直径小、扫描速度慢，扫描较厚板料时，增厚机理将占主导地位。

从成形结果上来说，基于温度梯度机理的弯曲成形只能得到板料的正向弯曲，而基于屈曲机理的弯曲成形，可以获得板料的正向弯曲或反向弯曲，增厚机理则可以实现板料局部的增厚和管材弯曲。

在不同的工艺参数组合下，激光弯曲成形的机理有所不同，从而可得到不同的成形效果。

表3比较了三种激光弯曲成形机理[13]。

温度梯度机理光斑直径与板厚相似
扫描速度高
1~2°
可控性好
但效率低
屈曲机理光斑直径>板厚
扫描速度低
15°
效率高
但可控性差
增厚机理光斑直径和板厚相似
扫描速度低
不易发生屈曲
几微米
增厚大小取决于材料
的热膨胀系数和激光
加工参数
3.5 激光弯曲成形的影响因素
图7 影响激光弯曲成形的主要因素
影响激光弯曲成形的主要因素如图7所示[14]，分类有：
1）激光工艺参数，主要包括激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描路径、扫描次数、材料对激光的吸收系数等。

2）材料的性质，分为热物理性能和力学性能，包括材料的热膨胀系数、比热容、热扩散系数、密度、熔点、弹性模量、屈服应力、硬化指数、泊松比等。

3）板料的几何参数，主要是板料的宽度和厚度。

由于激光弯曲成形过程受许多因素影响，当材料确定之后，激光参数的选择对板料成形的效果起着决定性的作用。

本文主要讨论激光的加工参数对成形弯曲角度的影响。

3.5.1 激光功率的影响
在其它参数一定的情况下，弯曲角度随着激光扫描功率的增加而增大，这是因为随着功率的增加，激光作用的能量也随之增加。

实质上，增加功率就是增加了单位面积内的能量密度，板料所吸收的能量也较高，导致板料上表面的加热区温度大幅度增加，而下表面的温度影响不大，由此产生了板料厚度方向上温度梯度增加，从而导致了局部的热应力增大，从而引起的弯曲力矩也随之增加，最终导致了弯曲角度的增大。

但是扫描功率并不是可以无限增大，随着激光功率继续增加，照射部位的热影响区变大，从而使板料沿厚度方向的温度梯度减少，所以弯曲角度逐渐变小。

当激光功率增加到一定时，会对板料表面有烧灼的痕迹。

如果继续增加功率，就转变成为激光焊接或切割，导致弯曲工艺失败。

3.5.2 扫描速度的影响
在其它参数一定的情况下，随着扫描速度的增大，弯曲角度反而变小，这是因为随着激光扫描速度的增大，光束在板料表面被照射区内的停留时间减小，板料被照射的区域在单位时间内获取的能量减少，导致板料厚度方向上温度梯度减小，板料的最终弯曲变形角度随之减小。

扫描速度继续增大，被照射处板料塑性变形更小，相对而言，板料的约束较大，加热阶段产生的塑性变形在冷却阶段得不到恢复，从而产生了背向激光束的弯曲，弯曲角度变小甚至是反向弯曲。

3.5.3 扫描次数的影响
由于一次激光扫描所能获得的弯曲角度较小，在实际的弯曲成形中，工件的最终变形通常由数次扫描累积而成。

随着扫描次数的增加，弯曲角度不断增大，但分析不同功率下弯曲角度变化量随扫描次数变化的规律曲线，发现弯曲角度并不是随着扫描次数的增加呈线性增加。

排除测量误差对实验数据的影响，起始扫描时，弯曲角度变化很大，当扫描次数增加时，其弯曲角度的变化量呈缩小趋势。

这是因为刚开始板料局部被照射，热影响区范围较小，上表面吸收的能量来不及传导到下表面，因而厚度方向上产生较大的温度梯度，塑性变形程度较大，弯曲变形的角度增量较大；随着扫描次数的增加，一方面整个板料由于热传导作用都会受热升温，温度梯度变小，弯曲变形减小；另一方面扫描次数的增加直接导致板料增厚现象明显，截面模量也随之增加，弯曲阻力增大，因而弯曲变形的角度增量也随之减小。

如图8所示，板料弯曲处曲率半径的几何模型，板料弯曲时，弯曲处的曲率半径为r，光斑直径为D，弯曲中性位置弧长为l，对应弯曲角度为α，建立如下几何关系：l=α×r，光斑直径越大，对应弯曲部分的弧长也大，在弯曲成形相同的角度时，形成的曲率半径也随之增大。

图8 板料弯曲处曲率半径几何模型
国外研究表明，曲率半径随着光斑直径的增大而增大，如图9所示曲率半径随光斑直径变化的规律曲线，光斑直径增大，板料受热影响区面积增大，板料呈现出曲面弯曲，弯曲曲率半径变大[15]。

同时考虑到光斑直径对能量密度的影响，这里存在一个较合理的光斑直径，既保证了曲率半径的要求，又能满足激光弯曲所需的能量密度和效率。

图9曲率半径随光斑直径变化的规律曲线
由于激光弯曲成形同时受到激光功率、扫描速度、光斑直径的影响，为了研究加工参数的影响，可以将激光功率P、扫描速度v和光斑直径D等工艺参数耦合成能量密度I(=P/vD)，考虑其耦合作用对板料激光弯曲变形的影响，弯曲角度将随着能量密度的增加而增大。

研究发现，使板料发生明显弯曲的能量密度存在一个阀值，不同材料对应的阀值也不同。

当I增大到阀值以上时，弯曲效果较为明显，但能量密度过高时，导致板料表面有烧痕。

3.5.6 扫描策略的影响
激光成形不仅可以成形由平面V形弯曲构成的三维形状，合理地控制激光的扫描策略，可以成形复杂的曲面。

扫描策略包括扫描的路径、扫描间距L和扫描时间间隔。

扫描路径决定了热输入在板料上产生的温度场分布，不同的扫描路径将会得到不同的温度场分布，产生的弯曲变形也不同。

直线扫描得到的是V型弯曲，圆形线扫描可以得到球冠型的曲面。

扫描间距的大小决定了板料弯曲变形后的几何形状，因为激光弯曲成形时，存在热影响区，热影响区内的板料将发生塑性变形，我们把这个区域定义为变形区，它是以激光的扫描路径为中心的带状区域。

显然，当扫描间距L大于变形区时，两次扫描路线之间有一段板料没有发生变形，保持板料原有的平面，而在变形区形成了棱边。

当扫描间距L小于变形区时，两次扫描的变形区相互影响、相互叠加形成了光滑的曲面，曲面半径取决于L和光斑直径的大小，弯曲角度是每次扫描弯曲角度的简单叠加[16]。

图10 扫描时间间隔对弯曲角度的影响
扫描时间间隔是指一次扫描完成后到下次扫描之间的间隔时间，图10显示了扫描时间间隔对弯曲角度的影响[17]。

弯曲角度随着扫描时间间隔的增加先增
大后减小，这是因为在这段间隔时间里，热影响区将有一个冷却的过程，扫描时间间隔短，板料在一次扫描后来不及冷却紧接着接受二次扫描，板料整体温度较高，弯曲变形更加容易；扫描时间间隔长，随着热传导和冷却的作用，板料上下表面温度梯度明显下降，弯曲变形小。

但过短的扫描间隔时间相当于对板料表面进行了回火处理，会降低板料的表面硬度。

4研究进展
4.1 国外研究进展
日本学者Y.Namba在对板料激光热应力弯曲成形初步实验和研究的基础上，首次提出利用激光弯曲成形技术，将空间站的卷状外壳展成圆筒仓体的设想[18]，Y.Namba的大胆的构想使人们认识到激光弯曲成形的广泛应用前景，开始对该技术进行了系统的研究。

Y.Namba发表了另一篇关于金属和合金板料激光弯曲成形研究的论文，进行了一般的实验性的研究[19]。

德国学者M.Geiger和麻省理工K.Masubuchi对激光成形的研究涵盖了激光弯曲的变形机理、成形过程的数值模拟以及该技术的应用领域与前景分析等，同时将激光成形与其他激光加工工艺进行了复合化尝试[20]。

T.Hennige对激光弯曲成形过程进行计算机闭环控制，提高了成形精度，同时介绍了三维激光成形的工艺策略[21]。

P.J.Cheng与An.K.Kyrsanidi分别介绍了激光成形中温度场及变形量的分析模型[22-24]，利用人工神经网络预测了板料弯曲角度[25]。

据国际互联网上的最新消息，英国Dunder大学的G.Thomson和M.Pridham 完成了汽车门的成形，并已用于工业生产，代表了该领域应用研究的较高水平。

4.2 国内研究进展
国内首次发布了Frackiewicz利用激光弯曲金属板的消息，随后燕山大学的李纬民撰文对激光弯曲成形技术进行了简要介绍[26]。

1994年起，季忠对激光弯曲成形的实施技术、理论模型、数值模拟等方面进行了系统的研究，并在其博士学位论文中，详细介绍了根据人工智能理论所建立的技术参数与板料弯曲角度之间关系的人工神经网络仿真系统[27]。

1998年，李纬民采用板壳元讨论了板料厚度对成形的影响规律，提出了最小弯曲半径的概念[8]。

1999年，北京航空航天大学的王秀凤通过实验方法，研究了工艺参数、板料几何尺寸和板料受的几何约束等对不锈钢、Q235以及钛合金板料的激光弯曲成形的影响规律[28]。

2001年，华中科技大学的刘顺洪等人采用大功率二氧化碳轴快流激光器进。