激光成形作业

1、金属板料成形是薄板的主要加工方法。传统的金属板料成形加工方法生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高，且模具冷压成形仅适用于低碳钢，铝合金以及铜等材料。大功率工业激光制造技术日益成熟，现在已经应用到材料的切割，焊接，和表面改性处理等领域，其中激光切割技术已广泛用于金属和非金属薄板材料的切割成形。金属板料激光成形技术是一种先进柔性加工技术。 激光技术在板料成形领域的应用可分为两大类：一类是利用激光与材料相互作用所产生的热效应使板料成形，称之为激光的热应力（弯曲）成形; 另一类是利用高能激光和材料相互作用产生的冲击波的力效应来使板料产生塑性变形，称之为激光冲击成形。 一，激光热应力成形

2、1.成形机理 材料温度升高时，其屈服应力降低，因此在激光的照射中，局部被温度加热的区域产生塑性变形，激光照射后，热量向材料内部传导而迅速冷却，使加热部分收缩，由于有塑性变形区存在，因此材料不能恢复到原来的形状，而向下凹陷。最终的变形是两者的叠加，这是一种无模成形技术。激光热应力成形主要包括由两个阶段：加热和冷却两个阶段。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，成形机理分为温度梯度机理，增厚机理，翘曲机理和弹性膨胀机理。（1）温度梯度机理 这种机理可以解释板料在平面外应变下实现弯曲。当高能激光束沿金属板料表面扫描时，如果光束的能量密度较大而扫描速度又较快，板料照射区域上表面瞬间

3、加热至高温状态; 而下表面由于没有直接受到激光照射，其温度在这短暂过程没有明显变化，而在加热区的板厚方向上产生很大的温度梯度，板料上表面的膨胀量远远大于下表面，使板料产生沿扫描轨迹背向激光源的弯曲，即反向弯曲。冷却时，使板料又产生面向激光源的正向弯曲。 （2）增厚机理 当激光束的能量密度和扫描速度都较小时，材料在加热区的温度梯度主要表现在板平面方向上。由于加热区域材料的热膨胀使材料产生堆积。所以在冷却过程中，这部分材料不能完全复原而产生板厚方向的正应变，即板料的增厚效应。（3）翘曲机理在加热区域较大而且温度梯度较低的情况下，板料容易形成翘曲变形。当激光束的直径较大，板料的热导率较高，板厚较小时

4、，在较大的加热区域内板料厚度方向的温度梯度很小，由于周围材料的约束使加热区产生了压应力，致使板料产生局部翘曲。 （4）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。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, 成形影响因素主要有激光参数、材料种类和尺寸等有关。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

5、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

6、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。二，激光冲击成形1. 成形机理激光冲击是利用高功率短冲激光与物质相互作用，产生强冲击波或应力波，并利用冲击波或应力波来开发各种用途的技术。成形机理：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。2. 技术特点 激光冲击波成形的板

7、料变形时间仅为几十纳秒，成形压力达数吉帕。这种异乎寻常的高速变形条件，使激光冲击波成形具有很多特殊规律，使塑性差的难成形材料能实现冷塑性成形。作为一种快速，高效的精确成形技术，激光冲击成形技术所具有的主要特点：( 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

8、质量得到了较大的提高。3. 主要影响因素 激光冲击板料变形时利用激光冲击波的力效应，影响激光冲击金属板料变形的主要因素有能量转换体，激光能量，光斑尺寸，材料性质，板料参数和约束边界条件等。（1）能量转换体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( 50100微米) 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1 激光能量 激光脉冲能量的大小影响作用在靶材料表面的冲击波压力大小，从而直接影响板料的变形。2 光斑尺寸 在相同的激光能量和脉冲宽度条件下，光斑直径的大小决定着作用在靶材上的功率大小，从而直接影响激光诱导