浅析薄板激光喷丸成形实验

1、浅析薄板激光喷丸成形实验    0 引言 激光喷丸成形（Laser Peen Forming）是一种利用高功率短脉冲激光按照一定路径和速度辐照施加有吸收层和约束层的金属板表面，通过激光诱导冲击效应，使金属板料发生塑性弯曲变形的工艺。激光喷丸成形工艺除具有激光热弯曲成形洁净、柔性、无模等优点外，与传统喷丸成形类似，可在板材表层形成残余压应力，提高成形零件的疲劳性能。此外，采用激光作为能量源，还克服了传统喷丸成形难以准确控制路径与作用区域，难以应用于薄板微构件成形的缺点。 有关激光喷丸成形工艺的报道最早见于2002 年，美国Lawrence Livermor

2、e 国家实验室Hackle 等人提出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方法1,2。此后，美国MIC 公司在长期从事激光喷丸强化工艺研究与应用基础上，开展了该工艺在7050 铝合金成形中的应用研究3。国内江苏大学周建忠、张永康等也针对中厚板材的激光喷丸成形，进行了实验与理论分析4。近些年来，随着MEMS 技术的发展以及零部件的小型化，薄板激光喷丸成形吸引了越来越多研究人员的注意。2007 年，英国利物浦大学Edwards首次研究了激光喷丸成形薄板的可能性，发现采用合适的工艺参数，厚度为0.075mm 薄板可获得约20 度的弯曲5。西班牙马德里大学Ocana 等人研究激光喷

3、丸弯曲薄金属悬臂梁的可能性6。美国哥伦比亚大学Yao 等人研究了单晶结构材料的激光喷丸成形7, 8。现有针对中厚板材的宏观激光喷丸成形工艺研究表明，与传统喷丸成形类似，激光喷丸成形后工件弯曲方向一般逆着光束方向，产生“”弯曲。但是，近期有关薄板的研究发现，激光喷丸成形会出现“”与“”两种不同的弯曲方向。薄板激光喷丸成形作为一种大量瞬态脉冲激光冲击作用产生的微塑性累积成形工艺，由于其成形过程本身的复杂性以及相关研究才刚刚起步，还需要在在成形规律等方面加以深入研究。 采用多种不同厚度的1060 工业纯铝薄板，通过激光喷丸成形实验，研究了不同工艺参数作用下薄板的弯曲变形特征，分析了激光功率密度、扫描

4、速度等对薄板弯曲方向与弯曲角度的影响规律。 1 成形工艺原理 激光冲击加工（Laser Shock Processing）是根据高功率激光与材料相互作用的物理过程，利用激光产生的等离子体冲击力学效应进行材料加工与表面处理。激光冲击加工一般采用带约束层和吸收层的工艺，如图1 所示。材料待处理的表面覆盖一层吸收层，然后在其上覆盖一层透明约束层（如水、石英玻璃等）。在高功率密度激光照射下，金属材料表面的吸收层吸收激光能量迅速汽化电离，形成等离子体；然后，等离子体快速膨胀，由于约束层作用，在材料被冲击表面产生瞬态冲击压力将比无约束层高一个量级，其幅值一般为数个GPa、持续时间在ns 量级；瞬态冲击压力

5、的作用形成在材料内部传播的冲击波。如果冲击波压力足够高，材料在短时间内以极高的应变率（可高达106s-1）发生变形和动态屈服9。 激光喷丸成形是激光冲击加工技术的一种重要应用。与激光喷丸强化不同，冲击工件厚度方向尺寸较小，其一端或者两端夹紧，而工件底部一般不受任何约束。高功率短脉冲激光按照指定的路径连续辐照施加有吸收层和约束层的板表面，产生的冲击压力作用在吸收层下的板材表面，形成局部塑性变形，诱导非均匀分布应力应变场，使板材整体曲率发生改变。通过改变激光冲击扫描路径和激光束等工艺参数，可实现大曲率弯曲或者复杂曲面成形。 2 实验装置与方法 激光器为调Q 型Nd:YAG 固体激光器。该激光器脉宽

6、为10ns，脉冲重复频率约为10Hz，输出的基频波长为1064nm，最大能量约为2J。外光路系统中垂直布置的透镜焦距用于调节光斑直径。激光喷丸成形实验选用单横、单纵模激光束；激光功率密度分别选择为Ip=1.93GW/cm2、3.85GW/cm2、7.70GW/cm2；采用水作为约束层，黑色胶带作为吸收层。实验试样以悬臂方式单边夹持，并通过试样夹具固定在二维数控平台上。二维数控平台配备有控制系统以及数控软件，通过G 代码编程可实现试样冲击位置控制。 实验材料选用1060 工业纯铝板，试样尺寸为L×W=30×7.5mm2。选用6种不同厚度的1060 工业纯铝板，分别为h=0.5

7、mm、0.7 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0mm、2.25mm。为保证试样性能稳定，同厚度试样在同一板材上按照相同方向通过线切割获取。试样夹持宽度Wc 为12.5mm。激光冲击扫描起始位置距离夹持端Wd=4mm。 激光束与工件相对位置的控制采用y 方向连续扫描与x 方向间断进给的方法。当二维运动平台在y 轴方向连续运动一段距离后，触发x 轴方向的进给，即控制二维平台在y 轴方向的连续扫描速度Vy 和x 轴方向进给步长x，控制冲击路径与速度，实现试样自由端绕y 轴的弯曲。扫描速度选取三种Vy=180mm/min、360mm/min、720mm/min，激光冲击扫描线数Nx=7。每组工艺

8、参数至少进行三次重复实验。 成形试样的弯曲轮廓测量采用VGS BASIC300 非接触式投影测量系统，该仪器可实现大范围复杂平面轮廓的高精度测量，测量精度约为5m。根据测量得到的轮廓数据，变形角度选用自由端附近未冲击区域与夹持部分未弯曲区域的测量数据进行计算。如图5 所示，朝向激光束“”弯曲角度假设为“”，背向激光束的“”弯曲的角度假设为“”。 3 实验结果分析与讨论 3.1 试样厚度 功率密度Ip=3.85GW/cm2、Vy=720mm/min 条件下，厚度为0.5mm 与2mm 试样冲击实验弯曲变形照片。实验得到厚度为0.5mm 的板产生了朝向激光冲击束的“”弯曲，端部变形量较大；而厚度为

9、2mm 的板弯曲方向与厚度为0.5mm 的板相反，产生背向激光束的“”弯曲，弯曲变形量相对较小。给出了弯曲变形角度随厚度的变化规律。可以看出，弯曲角度随厚度的变化规律表现为一个连续变化曲线。由图可以看出，板较薄时，主要产生“”弯曲；当板厚从0.5mm 增加到1.0mm，“”弯曲角度逐渐减小；随着板厚的进一步增加，1.5mm、2.0mm 与2.25mm 厚度的板在激光喷丸成形后，板主要产生背向激光束的“”弯曲。 3.2 功率密度 给出了在三种不同激光功率密度下，弯曲角度随厚度变化的实验结果。此外，给出的两种厚度h=1.0mm、1.5mm 板的弯曲角度随激光功率密度的变化可以看出： （1） 三种功

10、率密度下，板厚h=0.5mm、0.7mm 均表现为“”弯曲，弯曲角度随着激光功率密度的增大而增大（如图8a 所示）； （2） 三种功率密度下，板厚h=2.0mm、2.25mm 均表现为“”弯曲，并且同种厚度的“”弯曲角度随着激光功率密度的增大而增大（如图8a 所示）； （3） 三种功率密度下，产生“”向弯曲的h=1.5mm、2.0mm、2.25mm 三种厚度板，其“”向弯曲角度随板厚的变化趋势不同，Ip=1.93GW/cm2 条件下，板厚增加，“”向弯曲角度变小；Ip=3.85GW/cm2 条件下，板厚增加，“”向弯曲角度表现为先增后减小；Ip=7.70GW/cm2 条件下，板厚增加，“”向弯

11、曲角度一直增大； （4） 厚度h=1.0mm 时，在功率密度Ip=1.93GW/cm2 条件下板表现为“”弯曲；而在功率密度Ip=3.85GW/cm2、7.70GW/cm2 条件下，板均表现为“”弯曲，并且功率密度增大，板变形角度增大； （5） 厚度h=1.5mm 时，三种功率密度下，板均表现为“”弯曲，而且随着功率密度增大，弯曲角度变小，这种变形趋势与h=2.0mm、2.25mm 两种板厚试样变形角度随激光功率密度的变化相反。 3.3 扫描速度 给出在功率密度Ip=3.85GW/cm2 条件下，采用三种扫描速度进行激光喷丸成形实验后，变形角度随厚度的变化结果。由图9 可以发现： （1） 改变

12、扫描速度，各种厚度板的弯曲变形方向不发生改变； （2） 不同扫描速度下弯曲角度随厚度变化的曲线存在一个无弯曲变形的交点，这个交点对应的板厚约为1.20mm； （3） 由于激光喷丸成形是多次冲击累积成形过程。降低扫描速度，会增加作用在板表面的冲击次数。因而，不同扫描速度下，不同弯曲方向的各种厚度板，弯曲角度均随着扫描速度的增大而减小。 4 结论 本文主要采用激光喷丸成形实验，以1060 工业纯铝为对象，重点研究了不同工艺参数对激光喷丸成形的影响，揭示了板材厚度、功率密度、扫描速度等工艺参数作用下，薄板弯曲变形的演化规律。主要研究结论如下： （1） 同种工艺条件下，发现不同厚度薄板会产生朝向激光束的“”的弯曲与背向激光束的“”弯曲，并且弯曲角度随板厚的演变关系是一个连续变化的曲线； （2） 同种工艺条件下，不考虑弯曲方向，厚度增加，“”特征的弯曲角度降低，背向激光束的“”特征的弯曲角度先增大后减小； （3） 其他工艺条件不变，提高功率密度，“”弯曲角度增加，“”弯曲角度也增加，但是“”与“”弯曲转换临界厚度的板则表现为“”弯曲趋势增加，“”弯曲趋势减弱； （4） 其他工艺条件不变，降低扫描速度，不同厚度下“”与“”的弯曲角度均增大，并且弯曲角度与板厚的变化关系曲线存在