激光成形工艺方法及其发展前景

作者：信息来源:模具 2008-6-26

字体大小:小 中 大网友评论条 进入论坛

摘要：介绍了激光成形的工艺特点和四种不同的工艺方法：板材正向弯曲，板材反向弯曲，型材弯曲，空间变形。分别阐述了这四种工艺的成形机理和可能的应用领域，以及激光成形的发展前景。关键词：激光成形。板材。...

　摘　要：　介绍了激光成形的工艺特点和四种不同的工艺方法：板材正向弯曲，板材反向弯曲，型材弯曲，空间变形。分别阐述了

四种工艺的成形机理和可能的应用领域，以及激光成形的发展前景。
　　关键词：　激光成形；板材；型材；成形机理
　　中图分类号：TN249　　　文献标识码：A　　　文章编号：1001-3814(2000)03 -0050-02

Process and Development of Laser Forming

CHEN Dun-jun　XIANG Yi-bin　WU Shi-chun　LI Miao-quan
（College of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytec hnical University）

　　Abstract:　Process characteristics and four different types of met hods which include sheet bending towards the laser beam,sheet bending away from the laser beam,rod bending and space deformation are introduced.The different f orming mechanisms and possible applying fields are stated.The development prospe ct of laser forming is forecast.
　　Key words:　 laser forming; sheet; rod; forming mechanism

　　激光成形一种利用激光束照射材料表面时形成的内部非均匀热应力场来实现材料成形的新技术。通过调整激光加工工艺数和选择合适的扫描轨迹就能够成形任意的弯曲件、异型件和其它复杂的三维曲面等零件。与常规成形相比，其显著特点是^［1～5］： ①激光成形为无模成形，因而生产周期短、柔性大，特别适合批量小的大型零件生产；②激光成形为非接触式成形，变形时无外力作用，因而不产生回弹变形和由此带来的问题；③激光成形属热态成形，总的变形由多次扫描累积而成。而且是在热态下进行，因此能够成形在常温下难于板料成形的难变形或脆性材料。

1　激光成形加工设备

　　由于激光成形对激光束的模式无特定要求，因此，目前市场上用于切割、焊接等的常规激光加工机(如CO₂、准分子、Nd：YAG激光器)均可用于激光成形。根据工件成形的要求不同，可选择二轴、三轴或五轴激光加工机，以期获得任意的激光扫描轨迹。如果作为专用的激光成形设备，还应当具有冷却装置、形状检测装置及红外测温仪等。

2　激光成形工艺方法及机理

　　激光成形技术的发展史不过十多年，在外目前开发了不少具体的激光成形工艺方法，已初步应用于工业生产中的工艺方法主要为以下四种，至于其机理的研究还正处于探索阶段，但目前已有多种不同的成形机理得到普遍认可^{［1，2，6～12］}。
2.1　板材正向弯曲
　　板材正向弯曲依赖于板材被照射表面和非照射表面之间的高的温度差，典型的温差为该材料融点温度的一半左右。其机理如下：(1)加热阶段。当高能激光束垂直照射在待弯曲板材的上表面时，被照射的上表面处瞬间被加热至高温状态。但是板材下表面没有直接受到激光照射，其温度在短暂时间内没有明显变化。因此，被照射区域在板厚方向产生大的温度梯度。同时，在板平面内，加热区域是被相对处于冷态的材料所包围。由于加热区域的热膨胀，板材必然产生沿激光束送进轨迹而背向激光束的小弯曲——反向弯曲，但是加热区域的高温也降低了该区域材料的屈服应力，并且相对冷态部分的板材的断面模数较大，反向弯曲过程必然受到部分抑制，势必使加热区域受压，因而板材的上表面出现材料少量堆积。(2)冷却阶段。由于加热区域热量迅速流向邻区，温度梯度变小或几近消逝，上表面材料温度降低，体积开始收缩；而下表面则因被传热而开始膨胀。同时，上表面材料的屈服应力开始增加，加热受压时产生的材料堆积不能完全复原，而下表面材料则因屈服应力降低而易于变形，因此，板材又产生面向激光束的正向弯曲变形。其过程如图1所示。板材正向弯曲可用于非封闭型的直线和曲线弯边件。

图1　板材正向弯曲

2.2　板材反向弯曲
　　对于要弯曲成封闭型的零件，弯到最后，只能在零件外面扫描，因此必须使用反向弯曲机理。板材反向弯曲采取被加热区宽度略大于板材厚度、激光给进速度和强度比温度梯度机制中的低的方法，所用板材是预先采用机械方法或温度梯度方法获得了带初始曲率的预弯曲件。由于这种方法所产生的温度梯度比较小，在加热时，加热区材料上下表面因热膨胀所受到的压应力基本同步且均衡，加之预弯曲板材在其初始曲率方向上(内侧)存在预压应力，板材外侧存在预拉应力，因此当激光束照射在预弯曲板材的外侧时，由于压应力作用必将会使预弯曲板材易于在其内侧产生塑性变形的皱曲，从而导致板材反向弯曲。采用这种塑性皱曲机理可以获得弯曲角超过180°的弯曲件或封闭型的零件。图2为采用反向弯曲方法制作筒形件的示意图。

图2　板材反向弯曲

2.3　型材弯曲
　　型材弯曲方法比较复杂，根据型材外形和所要弯曲的几何形状的不同，采取的激光照射方法也大不相同。一般是先通过精确的有限元计算，然后确定照射方法和照射区域以及工艺参数。通过选择不同的照射区域，就可成形变化多端的形状。其变形机理很复杂，往往是好几种机理的混合。图3是一种型材弯曲的照射方法。

图3　型材弯曲

2.4　空间变形
　　这种成形方法类似于火焰弯曲，采取相对低的激光给进速度和小的光束直径的方法。这样可使板料在厚度方向上几乎均匀热透，温度梯度很小，使其不会产生反向弯曲，也不会产生皱痕。但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高的内部压应力，使加热区材料在厚度方向上有镦粗效应。这种镦粗的结果使得加热区缩短，加热区板材的厚度增加，而致使整个板材产生曲面变形。通过控制激光束的扫描轨迹，就可以得到预期的曲面形状。图4为利用镦粗机理成形的球状罩。采用镦粗机理还有校正零件、处理轮廓等用途。

3　激光成形工艺的发展前景

图4　空间变形

　　无论国内外，由于激光成形研究尚处于起步阶段，再加之激光加工成本高，还没有大量使用该技术的应用报道。但板料激光成形是在热态下累积成形，所以对常温下难变形的材料(比如钛合金、陶瓷、铸铁等)具有独特优势。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、成本高。目前我国主要用钛合金成形飞机、卫星及火箭上的零件，其中成形简单的直线折弯件及平板曲线弯边件所占比重较大。由于批量小，采用原来的加热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材成形，可以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。另外，因激光成形工艺对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，还可以将激光成形与模具成形复合化，达到简化模具的目的。与其它工序的复合化也是激光成形的一个重要发展方向。
　　随着激光技术的快速发展和普遍应用，必将促使激光加工成本的降低，使激光成形变得越来越容易控制，从而推动激光成形技术在各个工业领域的普遍应用。