1、激光板料成型技術的研究與應用淺談金屬板料激光成型技術研究與應用摘要：金屬板料成型技術的研究一直是國內學者研究的熱點，其傳統的方法采用 模具加工進行冷沖壓成型，雖然生產效率高和大批量生產的特點，但存在生產準 備時間長，加工柔性差，模具費用高等不足，且僅適用于低碳鋼等薄板材料。由 于金屬材料的熱脹冷縮特性，當其受到不均勻加熱吋，將會在材料內部產生熱應 力。板料激光成型技術就是一種利用高能激光束掃描金屬薄板表面，在熱作用區 產生強烈的溫度梯度，導致非均勻分布的熱應力，使金屬板料發生塑性變形的工 藝方法。隨著中小型高功率激光器技術的成熟和商品化設備的推出，人們紛紛把冃光 轉向激光無模成型，以實現板料的

2、快速、高效、精確和柔性成形，以適應產品快 速更新的市場競爭需要。金屬板料的激光無模成形方法主要包括激光熱應力成型 和激光沖擊成型。關鍵詞：激光 金屈 板料成型 熱應力 沖擊正文：激光成型是一種利用激光作為熱源的熱應力無模成型新技術。介紹了板料激 光成型技術的工藝過程及影響激光成型的主要因素，通過實驗研究了激光能量 因素、板料的材料性能及兒何參數對板料彎曲角度的影響金屈板料的激光熱應力成形是一個非常復雜的熱力耦合過程，成形影響因素 很多。主要與激光參數、材料種類和尺寸等有關。國內外的學者經過實驗研究得 出較為相似的結論：首先，激光能量因素影響著激光熱應力成形中的彎曲角的形成和熱影響區的 大小。激

3、光能量因素由能量密度來表征，同時掃描次數和軌跡也影響激光的吸收。 實驗證明，在輸入總能量一定時，大能量密度的輸入、短時間的加熱有利于增加 彎曲角。其次，材料的熱物性和力學性能對激光彎曲成形的影響較為復雜，fi前尚無 法對此進行定量分析。同吋實驗表明，在同樣的工藝條件下材料的比熱和熱傳導 率越大，則成形過程屮的溫度梯度不明顯，由此產生的熱應力也不大，最后產生 的彎曲角也就越小。屈服極限低、彈性模量小、硬化指數小的材料，易產生大形 在同樣的工藝條件下可獲得大的彎曲角；影響彎曲角的幾何尺寸因索主要是板材 的寬度和厚度。板料越厚，截面模量越大，剛性也越大，因而熱應力彎曲變形的 抗力也越大，從而使成形的

4、彎曲角減小。板料越寬，一個加熱冷卻循環獲得的彎 曲角也就越大，但當板寬超過一定值時，其影響不再顯著。此外，在激光熱應力成形中，坯料的放置、裝夾等也會影響成形的最終質量 金屬板料激光無模成形是一種先進柔性制造技術，它包括激光熱應力成形、激光 沖擊成形二種方法，本文分別介紹它們研究的現狀、機理、特點，同時也指出其 存在的問題。一.激光熱應力成形激光熱應力成形是利用連續c02激光掃描金屬板料時，在熱作用區域內產 牛強烈的溫度梯度，引起超過材料屈服極限的熱應力，使板料實現熱嫂性變形。 1985年，日本學者y. namba發表了 laser fonning inspace 文，在對板料 激光熱應力彎曲成

5、形初步實驗和研究的基礎上，捉出了一個大膽的設想，即用激 光彎曲成形技術構建宇宙空間站。y. namba的奇異構想，引起了學術界對激 光彎曲成形板料的高度重視其實早在1979年，德國就冇人注冊一項關于激光彎 曲成形技術初步應用的專利，但遺憾的是一直沒有引起人們的注意。y. namba 的大膽的構想使人們認識到激光彎曲成形的廣泛應用前景，開始對該技術進行了 系統的研究。作為前期的研究，1987年，y. namba也發表了另一篇關于金屈 和合金板料激光彎曲成形研究的論文，進行了一般的實驗性的研究。80年代末 美國一個研究小組已將該技術用于造船業，并成功地成形了厚度為24.5mm殼 波蘭基礎技術研究所

6、的h.frackiewicz教授利用激光熱應力成形已先后制造了形 件、球形件、披紋管及金屬管的擴口縮口等，其研究成果已在美國、日本歐共了 技術專利。徳國學者m.geigem口 f.vollertsten等領導的激光研究小組在激力彎 曲成形方面取得了很大的成就，他們不但研究變形的機理，成形過程數值模以及 該技術應用領域與前景等方面進行極冇價值的研究，而且在激光彎曲成形與激光 加工其它加工工藝的復合化方面進行了嘗試性研究，并且該技術已被運用于汽車 制造業，進行了汽車覆蓋件的柔性校平和其它異形件的成形，而且他們對激光彎 曲成形實行計算機閉環控制，捉高板料變形的精度，彎曲角的精度可達。2000 年，p

7、.j.cheng利用神經網絡預測板料彎曲的角度。據互聯網報到g.thomson 等人用激光熱應力成形了汽車車門，代表了該領域應用研究的較高水平，說明其 工藝技術基木上滿足工業需要。國內對激光熱應力成形的研究起步較晚，燕山大學的李緯民首先在國內介紹 了板料激光熱應力成形新工藝，北京航空航天大學的王秀風用實驗的方法對敏合 金等材料板料的激光彎曲成形的規律進行了研究。華中科技大學的劉順洪等人采 用人功率co?激光器研究了低碳鋼板的三維激光熱應力成形，探討了工件原始 截面、掃描路徑、掃描順序對成形結果的影響，指出平板彎曲是在升溫階段瞬間 完成的，而預彎試件彎曲過程耍長得多，從升溫階段持續到降溫后溫差消

8、失，量 終的彎曲角比平板的小。曲北工業大學季忠等人率先對激光熱應力成形時的技術 參數、溫度場和形變場等進行了系統的實驗和理論研究，并采用非線性冇限單元 法，用間歇跳躍式移動光源模擬激光束的連續掃描對厚板激光熱應力成形時的 溫度場進行了動態顯式有限元模擬。激光熱應力彎曲成形與激光器的功率、激光掃射的次數、板料的長寬比等因 素有關。與常規成形技術相比，激光成形技術有一些獨特的優點：1）采用激光源作為成形工具，無需任何形式的外力，因而生產周期短，柔性 大；2）因不受模具限制，可容易地復合成形，制作各類異形件，屬于真正意義上 的無模成型；3）屈于熱態成形，可成形在常溫下難于成形的難變形或脆性材料；4）

9、采用的激光束模式無特殊要求易于實現成形、切割、焊接等激光加工工 序的復合化。但熱應力成形技術中還存在許多問題有待于進一步深入的研究:影響激光成 形的因素較多，目前特別復雜的三維形狀還難以精確成形;熱量直接作用于工件 表面，形成的熱效應負面影響大，表面品質較差;由丁-成形是靠拉應力作用，成 形后冇害殘余的拉應力影響產品的使用性能。二激光沖擊成形術激光沖壓金屈板料成形利用高功率密度短脈沖的強激光透過透明約束層（波 璃或水）作用丁覆蓋在金屈板材表面吸收能量轉換體（黑漆）上吸收能量而汽化，汽 化后的蒸汽急劇吸收激光能量并形成等離子體而爆炸，形成一動量脈沖，產生向 金屬內部傳播的強沖擊波，使板料發牛然性

10、變。最早研究激光沖擊成形是美國加利福尼亞大學的lawrence livermore國家 重點實驗室hackel等人。2002年6月，他們在專利屮捉出了利用激光沖擊強 化裝置對金屬板材進行三維彎曲成形的成形原理和精確成形方法圳，并設想了 將激光沖擊用于板材和桿件的校形。并稱該技術已成功地應用到航空航天和軍事 領域中關鍵部件成形制造中去，如戰斗機的機翅、導彈頭等。同年，美國通用電 器公司的untemshrer, josef robert等人在專利屮也提到了相似的成形理念。 他們在專利屮也特別強調了進行成形時，對些激光參數的控制非常重要。美國 學者hackel領導的研究小組已用激光噴丸方法對2024

11、-t3航空鋁合金板料進行 精確成形，即是其成形的厚度為15.9mm、雙向曲率皆為3.81m的馬鞍形的外 形圖。國內最早提岀激光沖擊成形這一新概念的是江蘇大學張永康等人。他們提出 利用激光沖擊波的力效應使金屬板料成形是源于在激光沖擊強化實驗中的發現。 周建忠等人用實驗的方法對鍛鋁、不銹鋼等材料進行了實驗，總結了激光的能量、 脈寬、光斑的直徑的大小、材料的力學性能等工藝參數對板料變形量的影響，吉 維民等人用ansys/lsdyna對金屬板料的激光沖擊過程進行模擬i。單點沖擊 是整個沖擊成形的基礎，復雜形狀的零件可以通過多點沖擊來完成。fi前激光沖 擊板料成形還集中在單點沖擊上，多次多點激光沖擊成形

12、復雜形狀的實驗和工藝 步驟正在研究中。三.與傳統的加工方法相比，其具有顯著特點：1）變形壓力高，作用時間短，應變率高。激光沖擊成形時，沖擊波產生的峰 值壓力可達到gpa量級，而且沖擊波作用時間僅為幾十ns,應變率很高，可以 達到使得激光沖壓成形可以快速高效的實現；2）無需模具，不需外力，僅需要優化激光加工參數，就可以實現無模成形。 屈于力作用下的冷沖壓變形，成形后板料表面有殘余壓應力作用，使金屬板料的 成形性能得到提高；3）選擇激光脈沖能量、激光沖擊軌跡、疊加方式等可實現自動化生產。并可 集大面軍只復雜板料彎曲、局部脹形和仿形、校直等多種工藝于一體；4）激光參數精確可控，可以預計板料以后的成形

13、輪廓。在激光沖擊成形時， 僅是激光和板料發生作用，沒有其他影響因素，因此可以通過控制激光參數和路 徑的方法，來預測板料成形后的形狀。結束語：關于這一成形技術的力學基礎研究述很薄弱;沖擊成形過程屮的一些問題亟 待解決完善，如不同平面相交處沖擊搭接區的沖擊的工藝過程和控制較為復朵， 并11伴隨著表面強化，致使板材的屈服強度提高，導致搭接區的材料塑性流動困 難，使后繼變形困難;高能激光束沖擊靶材引起的高幅應力波的時空分布及其對 材料的加載特性等。本文主耍介紹了兩種金屈板料激光成形方式的成形機理、技術特點、影響因 素、研究現狀和前景，并分析了這兩者各門存在的亟待解決的關鍵問題。國內外 對激光熱應力成形

14、的研究開展得較早，因而這項術在工業加工中的應用相對較多; 而激光沖擊成形和激光噴丸成形作新提出的技術，對這兩者的研究仍處于深入階 段，工業應用業已出現，但主要集中在國外。這兩種激光板料成形方式目前亟代 解決的問題是：（1）精確理論模型的建立和深層機理的研究；（2）成形的精確可控。 可以預見，隨著對這兩種激光板料成形技術研究的深人和計算機數控和數值模擬 分析等相關學科的發展，尤其是高功率和高重復率脈沖激光器問題的解決，激光 板料成形技術將不斷投入工業實用。對于它們的研究，將豐富和發展熱應力成形 和高應變率超快塑性變形的基論.進而豐富和發展現代先進制造技術。作為快速 敏捷和極大柔性的先進制造技術，

15、激光板料成形加工必將產生巨大的經濟效益和 社會效益。金屬板料激光成型技術是一種新技術，它涉及機械學、材料學、力學和熱學 等多學科，是一門多學科交叉的技術，必須以實驗技術為依托，進一步優化工藝 參數，建立完整的工藝數據庫系統。同時它作為一種快速敏捷和極大柔性的先進 制造技術，特別適合新產品的開發和小批量生產，對它的研究必將會對飯金業產 生深遠的影響，并產生良好的經濟效益和社會效益。參考文獻：【1】陳敦軍，吳詩淳，向毅斌，李淼泉.板料激光成形的機制及其應用rji.兵 器材料科學與工程，2000, 23 (6): 58612 . cheng j g' zhang j, chu c c, et

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