激光板料成型技术的研究与应用

激光板料成型技术的研究与应用—金属板料激光成型技术研究与应用摘要:金属板料成型技术的研究一直是国内学者研究的热点，其传统的方法采用模具加工进行冷冲压成型，虽然生产效率高和大批量生产的特点，但存在生产准备时间长，加工柔性差，模具费用高等不足，且仅适用于低碳钢等薄板材料。

由于金属材料的热胀冷缩特性,当其受到不均匀加热时,将会在材料内部产生热应力。

板料激光成型技术就是一种利用高能激光束扫描金属薄板表面,在热作用区产生强烈的温度梯度,导致非均匀分布的热应力,使金属板料发生塑性变形的工艺方法。

随着中小型高功率激光器技术的成熟和商品化设备的推出，人们纷纷把目光转向激光无模成型，以实现板料的快速、高效、精确和柔性成形，以适应产品快速更新的市场竞争需要。

金属板料的激光无模成形方法主要包括激光热应力成型和激光冲击成型。

关键词：激光金属板料成型热应力冲击正文：激光成型是一种利用激光作为热源的热应力无模成型新技术。

介绍了板料激光成型技术的工艺过程及影响激光成型的主要因素,通过实验研究了激光能量因素、板料的材料性能及几何参数对板料弯曲角度的影响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金属板料激光无模成形是一种先进柔性制造技术，它包括激光热应力成形、激光冲击成形二种方法，本文分别介绍它们研究的现状、机理、特点，同时也指出其存在的问题。

一. 激光热应力成形激光热应力成形是利用连续CO2激光扫描金属板料时，在热作用区域内产生强烈的温度梯度，引起超过材料屈服极限的热应力，使板料实现热塑性变形。

1985年，日本学者Y. Namba发表了Laser Fonning inSpace一文，在对板料激光热应力弯曲成形初步实验和研究的基础上，提出了一个大胆的设想，即用激光弯曲成形技术构建宇宙空间站。

Y. Namba的奇异构想，引起了学术界对激光弯曲成形板料的高度重视.其实早在1979年，德国就有人注册一项关于激光弯曲成形技术初步应用的专利，但遗憾的是一直没有引起人们的注意。

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。

作为前期的研究，1987年，Y. Namba也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。

80年代末美国一个研究小组已将该技术用于造船业，并成功地成形了厚度为24.5mm壳波兰基础技术研究所的H.Frackiewicz教授利用激光热应力成形已先后制造了形件、球形件、披纹管及金属管的扩口缩口等，其研究成果已在美国、日本欧共了技术专利。

德国学者M.Geiger和F.Vollertsten等领导的激光研究小组在激力弯曲成形方面取得了很大的成就，他们不但研究变形的机理，成形过程数值模以及该技术应用领域与前景等方面进行极有价值的研究，而且在激光弯曲成形与激光加工其它加工工艺的复合化方面进行了尝试性研究，并且该技术已被运用于汽车制造业，进行了汽车覆盖件的柔性校平和其它异形件的成形，而且他们对激光弯曲成形实行计算机闭环控制，提高板料变形的精度，弯曲角的精度可达。

2000年，P.J.Cheng利用神经网络预测板料弯曲的角度。

据互联网报到G.Thomson 等人用激光热应力成形了汽车车门，代表了该领域应用研究的较高水平，说明其工艺技术基本上满足工业需要。

国内对激光热应力成形的研究起步较晚，燕山大学的李纬民首先在国内介绍了板料激光热应力成形新工艺，北京航空航天大学的王秀凤用实验的方法对敏合金等材料板料的激光弯曲成形的规律进行了研究。

华中科技大学的刘顺洪等人采用大功率CO2激光器研究了低碳钢板的三维激光热应力成形，探讨了工件原始截面、扫描路径、扫描顺序对成形结果的影响，指出平板弯曲是在升温阶段瞬间完成的，而预弯试件弯曲过程要长得多，从升温阶段持续到降温后温差消失，量终的弯曲角比平板的小。

西北工业大学季忠等人率先对激光热应力成形时的技术参数、温度场和形变场等进行了系统的实验和理论研究，并采用非线性有限单元法，用间歇跳跃式移动光源模拟激光束的连续扫描.对厚板激光热应力成形时的温度场进行了动态显式有限元模拟。

激光热应力弯曲成形与激光器的功率、激光扫射的次数、板料的长宽比等因素有关。

与常规成形技术相比，激光成形技术有一些独特的优点:1)采用激光源作为成形工具，无需任何形式的外力，因而生产周期短，柔性大;2)因不受模具限制，可容易地复合成形，制作各类异形件，属于真正意义上的无模成型;3)属于热态成形，可成形在常温下难于成形的难变形或脆性材料;4)采用的激光束模式无特殊要求.易于实现成形、切割、焊接等激光加工工序的复合化。

但热应力成形技术中还存在许多问题有待于进一步深入的研究:影响激光成形的因素较多，目前特别复杂的三维形状还难以精确成形;热量直接作用于工件表面，形成的热效应负面影响大，表面品质较差;由于成形是靠拉应力作用，成形后有害残余的拉应力影响产品的使用性能。

二. 激光冲击成形术激光冲压金属板料成形利用高功率密度短脉冲的强激光透过透明约束层(菠璃或水)作用于覆盖在金属板材表面吸收能量转换体(黑漆)上吸收能量而汽化，汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量并形成等离子体而爆炸，形成一动量脉冲，产生向金属内部传播的强冲击波，使板料发生塑性变。

最早研究激光冲击成形是美国加利福尼亚大学的Lawrence Livermore国家重点实验室Hackel 等人。

2002 年6 月，他们在专利中提出了利用激光冲击强化装置对金属板材进行三维弯曲成形的成形原理和精确成形方法[圳，并设想了将激光冲击用于板材和杆件的校形。

并称该技术已成功地应用到航空航天和军事领域中关键部件成形制造中去，如战斗机的机翅、导弹头等。

同年，美国通用电器公司的Untemshrer，Josef Robert等人在专利中也提到了相似的成形理念。

他们在专利中也特别强调了进行成形时，对-些激光参数的控制非常重要。

美国学者hackel领导的研究小组已用激光喷丸方法对2024-T3航空铝合金板料进行精确成形，即是其成形的厚度为15.9mm、双向曲率皆为3.81m的马鞍形的外形图。

国内最早提出激光冲击成形这一新概念的是江苏大学张永康等人。

他们提出利用激光冲击波的力效应使金属板料成形是源于在激光冲击强化实验中的发现。

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，总结了激光的能量、脉宽、光斑的直径的大小、材料的力学性能等工艺参数对板料变形量的影响，吉维民等人用ANSYS/LSDYNA对金属板料的激光冲击过程进行模拟l。

单点冲击是整个冲击成形的基础，复杂形状的零件可以通过多点冲击来完成。

目前激光冲击板料成形还集中在单点冲击上，多次多点激光冲击成形复杂形状的实验和工艺步骤正在研究中。

三. 与传统的加工方法相比，其具有显著特点:1)变形压力高，作用时间短，应变率高。

激光冲击成形时，冲击波产生的峰值压力可达到GPa量级，而且冲击波作用时间仅为几十ns，应变率很高，可以达到。

使得激光冲压成形可以快速高效的实现;2)无需模具，不需外力，仅需要优化激光加工参数，就可以实现无模成形。

属于力作用下的冷冲压变形，成形后板料表面有残余压应力作用，使金属板料的成形性能得到提高;3)选择激光脉冲能量、激光冲击轨迹、叠加方式等可实现自动化生产。

并可集大面军只复杂板料弯曲、局部胀形和仿形、校直等多种工艺于一体;4) 激光参数精确可控，可以预计板料以后的成形轮廓。

在激光冲击成形时，仅是激光和板料发生作用，没有其他影响因素，因此可以通过控制激光参数和路径的方法，来预测板料成形后的形状。

结束语：关于这一成形技术的力学基础研究还很薄弱;冲击成形过程中的一些问题亟待解决完善，如不同平面相交处冲击搭接区的冲击的工艺过程和控制较为复杂，并且伴随着表面强化，致使板材的屈服强度提高，导致搭接区的材料塑性流动困难，使后继变形困难;高能激光束冲击靶材引起的高幅应力波的时空分布及其对材料的加载特性等。

本文主要介绍了两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，并分析了这两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。

这两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。

可以预见，随着对这两种激光板料成形技术研究的深人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。

金属板料激光成型技术是一种新技术，它涉及机械学、材料学、力学和热学等多学科，是一门多学科交叉的技术，必须以实验技术为依托，进一步优化工艺参数，建立完整的工艺数据库系统。

同时它作为一种快速敏捷和极大柔性的先进制造技术，特别适合新产品的开发和小批量生产，对它的研究必将会对饭金业产生深远的影响，并产生良好的经济效益和社会效益。

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