專(zhuān)利名稱(chēng)：板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體是涉及一種借助于脈沖激光照射板材時(shí)所形成的沖擊 力和熱應(yīng)力進(jìn)行塑性成形的方法和裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的板材塑性成形方法，如拉深和彎曲，都是借助于模具來(lái)完成的，具有高精度、 高效率等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是模具費(fèi)用高、準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，并不適合單件小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)，也 不適合于超大零件或脆性材料的成形。近年來(lái)，已有大量關(guān)于噴丸成形制造飛機(jī)機(jī)翼板的報(bào)道，它利用球丸高速?zèng)_擊材料表 面所產(chǎn)生的沖擊力使工件產(chǎn)生塑性變形，優(yōu)點(diǎn)是不用模具，能加工大型零件，能在材料表 層形成殘余壓應(yīng)力，并使工件具有高的抗疲勞性能；缺點(diǎn)是工件表面粗糙、工藝參數(shù)多而 難以控制。美國(guó)加州大學(xué)Hackel Lloyd申請(qǐng)的專(zhuān)利"Contour Forming of Metals by Laser Peening"(專(zhuān)利號(hào)W00105549),提出利用脈沖激光照射板材表面的能量吸收層，并使其 氣化電離生成等離子體，由于板材表面覆蓋著一層水作為約束層，所以當(dāng)?shù)入x子體噴射時(shí) 受到水層的約束并形成反沖力壓向工件，從而在板材表層形成壓應(yīng)力，最終使板材產(chǎn)生背 離激光束的微變形。美國(guó)專(zhuān)利文件US2007細(xì)9933A1則公開(kāi)了 "System and Method of Laser Dynamic Forming"(申請(qǐng)?zhí)枮?1/507064)，用兩束激光照射材料表面，其中一束用 于加熱，另一束脈沖激光照射板材表面的涂層后產(chǎn)生沖擊力，通過(guò)成形凹模的作用，最終 得到與凹模形狀一致的工件。這兩個(gè)專(zhuān)利技術(shù)各自提供了一種由激光誘發(fā)的板材塑性成形 方法，它們都是利用脈沖激光所誘發(fā)的力效應(yīng)而非熱效應(yīng)進(jìn)行成形，所以均屬冷加工方法。 前者通過(guò)脈沖激光沖擊達(dá)到噴丸成形的效果，所以也稱(chēng)為激光噴丸成形。由于它借助于材 料表層殘余壓應(yīng)力釋放時(shí)得到的微曲度進(jìn)行成形，所以?xún)H用于凸向激光束的曲面的成形， 另外，在曲面上連續(xù)多次沖擊時(shí)，變形量和變形方向很難控制，因此僅適應(yīng)于曲率不大的 零件成形。后者在國(guó)內(nèi)稱(chēng)為激光沖壓，可以成形較為復(fù)雜的形狀，但要借助于模具，不宜 成形大型零件。目前還有一種通過(guò)激光誘發(fā)的熱應(yīng)力進(jìn)行塑性成形的方法，也稱(chēng)激光彎曲，通常是利 用連續(xù)激光掃描板材表面時(shí)所形成的溫度梯度，來(lái)誘發(fā)板材厚度方向上不平衡的應(yīng)力，最 終使板材產(chǎn)生塑性變形，其詳細(xì)機(jī)理在劉韌與季忠的學(xué)術(shù)論文"板料激光成形及其研究進(jìn) 展"(鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004， (3))中已有介紹。歐洲專(zhuān)利文獻(xiàn)2007年公開(kāi)了帶主 動(dòng)冷去卩的激光熱應(yīng)力成開(kāi)》系統(tǒng)"Laser Thermal Forming Systems With Active Cooling"(European Patent EP1777030)。激光熱應(yīng)力成形屬非接觸式熱加工方式，不需模具，并 可加工常溫下的難變形材料。但由于照射區(qū)的材料要被加熱到相變溫度以上，才會(huì)導(dǎo)致明 顯的體積變化，繼而引起超過(guò)屈服極限的熱應(yīng)力，所以完全的熱應(yīng)力成形所必需的深度加 熱，通常會(huì)導(dǎo)致壞的變形組織并影響工件的機(jī)械性能。前述已有的激光噴丸成形都是采用脈沖激光，將功率密度設(shè)定為稍大于閾值強(qiáng)度的一 個(gè)范圍內(nèi)，這時(shí)，板材產(chǎn)生面向激光束的上凸成形，并在凸面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，板材沒(méi)有 明顯的熱影響區(qū)。前述激光沖壓成形中，也沒(méi)有明顯的熱影響區(qū)，功率密度也大于閾值強(qiáng) 度，板材表面具有能量吸收層和約束層，它借助于凹模的作用而產(chǎn)生下凹成形，但這類(lèi)成 形并不適合于整個(gè)板材發(fā)生大曲率變形的情況，因?yàn)楹暧^(guān)大曲率變形時(shí)難以施加約束層。 前述基于熱應(yīng)力的激光彎曲成形，則是采用連續(xù)激光，將材料局部加熱到相變溫度以上， 利用不均勻溫度場(chǎng)引起的不均勻膨脹所導(dǎo)致的不平衡應(yīng)力進(jìn)行成形，通常伴隨著晶粒粗大 現(xiàn)象，影響零件性能。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法及裝 置，可用于金屬及非金屬板材的彎曲及復(fù)雜曲面成形，也可用于鈑金零件的校形中。本發(fā)明板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法，是將脈沖激光束經(jīng)分光鏡按比例分為兩 束激光4a和4b，功率密度小于被照射板材5點(diǎn)火閾值的激光束4a在前，功率密度大于被 照射板材5點(diǎn)火閾值的激光束4b在后，兩束激光在位置上一前一后并保持一定間距，然 后照射在板材5上，并按預(yù)定軌跡進(jìn)行連續(xù)掃描，使板材5產(chǎn)生塑性變形。前述板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法，當(dāng)將脈沖激光束4a和4b作用于板材5， 沿同一軌跡掃描一次或多次后，借助于激光束4a和4b與板材5的相對(duì)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，使激 光束4a和4b按另一軌跡在板材表面進(jìn)行掃描，通過(guò)變形量的累積，可將板材5加工成各 種不同形狀。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法的裝置，由激光發(fā)生器系統(tǒng)、包含分 光鏡的激光頭系統(tǒng)、涂層系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)、形狀測(cè)量系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成，其特征 在于，所述激光發(fā)生器系統(tǒng)包括激光發(fā)生器控制系統(tǒng)1和激光發(fā)生器2;所述激光頭系統(tǒng) 包括沿X和Z方向移動(dòng)、并可繞Y軸擺動(dòng)的激光頭3及其所傳輸并經(jīng)分光的激光束(4a, 4b); 所述涂層系統(tǒng)是指與激光頭3固定在一起并隨之一起運(yùn)動(dòng)的裝置9，所述裝置9由吸墨輥 9.1、傳墨輥9.2、涂墨輥9.3和盛墨盤(pán)9.4構(gòu)成；所述工作臺(tái)系統(tǒng)包括沿Y方向移動(dòng)、并 可繞X軸擺動(dòng)的工作臺(tái)8、夾持于工作臺(tái)8上的工件5;所述形狀測(cè)量系統(tǒng)6用于測(cè)量激 光束掃描后板材端部所產(chǎn)生的位移，并將位移信號(hào)反饋到上位計(jì)算機(jī)10;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7 用于控制激光頭3與工作臺(tái)8的相對(duì)位移，從而使工件5與激光束4a和4b產(chǎn)生預(yù)設(shè)的相 對(duì)移動(dòng)。該方法是將一束脈沖激光經(jīng)分光鏡按比例分為兩束激光，其中一束的功率密度小于被 照射材料的點(diǎn)火閾值，另一束的功率密度則大于被照射材料的點(diǎn)火閾值，然后將兩束激光 同時(shí)掃描板材，產(chǎn)生塑性變形的原因來(lái)自1)功率密度小于材料點(diǎn)火閾值的激光束按一 定速度進(jìn)行掃描時(shí)的熱效應(yīng)；2)功率密度大于材料點(diǎn)火閾值的激光束按一定速度進(jìn)行掃 描時(shí)，材料表面生成等離子體，等離子體產(chǎn)生爆炸時(shí)的沖擊力效應(yīng)。本發(fā)明與前述已有方 法比，具有成形量大、板材表面不需特殊處理、成本低而效率高，零件性能好，并可以加 工大型零件等特點(diǎn)。本發(fā)明的板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法，是一種將一束脈沖激光分為能量不同 的兩束激光，然后將兩束激光一前一后(能量小的在前，能量大的在后)按一定間距同時(shí) 照射板材，并按一定軌跡進(jìn)行重復(fù)掃描，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度后，換一條掃描軌跡，再 次進(jìn)行重復(fù)掃描，借助于激光照射所形成的熱應(yīng)力、激光引起的材料軟化、激光對(duì)受熱軟 化材料的沖擊等綜合作用，將板材加工成為各種形狀的方法。激光對(duì)板材所形成的熱應(yīng)力成形是這樣實(shí)現(xiàn)的當(dāng)脈沖激光重復(fù)掃描板材時(shí)，如果激 光能量較低，材料表面未被燒蝕和汽化，則板材會(huì)被局部加熱，使被照射處的溫度在極短 的時(shí)間內(nèi)(通常小于0.1s)快速上升，并產(chǎn)生熱膨脹。但這種熱膨脹受到周?chē)鋺B(tài)材料的 約束，所以會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而使膨脹區(qū)產(chǎn)生塑性壓縮變形。停止激光照射或激光掃描過(guò) 后，產(chǎn)生塑性壓縮變形的區(qū)域溫度急劇降低，產(chǎn)生體積收縮并導(dǎo)致拉應(yīng)力，但所產(chǎn)生的塑 性變形并不能完全回復(fù)，必然對(duì)周?chē)牧袭a(chǎn)生牽拉作用，從而使板材產(chǎn)生宏觀(guān)彎曲變形。激光對(duì)板材所形成的沖擊力是這樣實(shí)現(xiàn)的脈沖激光束作用于板材表面時(shí)，板材表面 事先涂上的石墨層被燒蝕、汽化，并引起顯著的電離和原子激發(fā)，生成等離體子云。在未 形成等離體云時(shí)，板材上面的空氣對(duì)激光束近似透明，幾乎不吸收激光能量。當(dāng)形成等離 子體云后，氣氛變得不透明并開(kāi)始吸收激光輻射，部分或全部阻止激光到達(dá)材料表面，使 汽化減弱或終止，形成屏蔽效應(yīng)。由于等離體云急劇吸收激光能量，因此呈汽化物質(zhì)的球 形飛散狀向外爆炸，產(chǎn)生等離子爆轟波，并遵循能量和動(dòng)量守恒原理，產(chǎn)生面向板材的沖 擊力，從而使板材產(chǎn)生塑性變形。等離子體爆轟波是在一定激光強(qiáng)度下產(chǎn)生的，這一強(qiáng)度被稱(chēng)為點(diǎn)火閾值強(qiáng)度，并以功 率密度表示。閾值強(qiáng)度與激光輻照脈寬有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，脈寬越寬閾值越低。不同材 料也對(duì)應(yīng)不同的閾值強(qiáng)度。波長(zhǎng)為10.6pm的激光對(duì)鋁箔、銅板、鈦板、聚四氟乙烯產(chǎn)生 爆轟波的閾值強(qiáng)度大致分別為1.2X107W/cm2、 2.75X 107W/cm2、 2.3 X 107W/cm2、 2.8X 107W/cm2，所對(duì)應(yīng)的激光能量密度分別為84.0 J/cm2、 191.0 J/cm2、 160.1 J/cm2、 195.2 J/cm2。 等離子體爆轟波的速度很高，所引起的塑性變形的應(yīng)變率通常大于1053—1，由于慣性效應(yīng)， 當(dāng)脈沖激光束在板材表面沿直線(xiàn)掃描時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以?huà)呙柢壽E為彎曲線(xiàn)的彎曲變形。具體技術(shù)方案是，首先脈沖激光發(fā)生器處于關(guān)閉狀態(tài)，通過(guò)激光頭與工作臺(tái)的相對(duì)移動(dòng)，使固定于激光頭上的涂層系統(tǒng)按預(yù)定的路徑，在板材上涂上一條線(xiàn)狀的石墨層。然后， 開(kāi)啟激光發(fā)生器并發(fā)出激光束，激光束在激光頭內(nèi)通過(guò)分光鏡按比例分成能量不同的兩束 激光，這兩束激光一前一后按預(yù)定路徑掃描板材，第一束激光將掃描區(qū)域加熱，使材料軟 化和膨脹，并導(dǎo)致熱應(yīng)力，并使板材發(fā)生一定的塑性變形。第二束激光將板材表面未被完 全燒蝕的涂層燒蝕汽化并形成等離子體云，等離子體云進(jìn)一步吸收激光能量而爆炸，產(chǎn)生 面向板材的沖擊力，并使板材局部發(fā)生微小的下凹變形。由于激光束與板材的相對(duì)位置不 斷變化，就象沿著一條路徑不斷錘擊板材一樣，激光沖擊形成的微小凹坑不斷延伸，當(dāng)延 伸到板材端部時(shí)，板材產(chǎn)生朝向激光束的宏觀(guān)彎曲變形。爾后，再次涂上含水石墨，增加 對(duì)激光能量的吸收，并起到主動(dòng)冷卻作用，進(jìn)一步增強(qiáng)變形效果。由以上描述可以看出，本發(fā)明的重要技術(shù)特征在于， 一束脈沖激光通過(guò)分光鏡分為兩 束能量不同的激光束，其中一束激光的功率密度小于材料的點(diǎn)火閾值且不致板材熔化，另 一束的功率密度則大于材料的點(diǎn)火閾值。另外的重要的技術(shù)特征是，掃描時(shí)兩束激光在位 置上保持一定間距同時(shí)照射板材，并且能量小的在前，能量大的在后。本發(fā)明綜合了激光噴丸、激光沖壓、激光彎曲的優(yōu)點(diǎn)，是一種利用激光掃描時(shí)所形成 的沖擊力和熱應(yīng)力進(jìn)行復(fù)合成形的方法。本發(fā)明的板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法，其特征在于，所述板材厚度小于 l.Omm，激光功率密度為1 50GW/cm2，脈沖寬度1 60ns，脈沖頻率1 20Hz，適合于多 種波長(zhǎng)脈沖激光，但優(yōu)選波長(zhǎng)較大者。 一個(gè)可行的案例是，厚度為0.08mm的碳鋼板，用 波長(zhǎng)為1064nm的YAG激光，以5mm/s的速度沿直線(xiàn)掃描15次，獲得了約40度的彎曲變 形量。其中激光脈寬10ns，脈沖頻率10Hz，第一束激光的功率密度為0. 6GW/cm2,第二束 激光為6GW/cm2。其它工藝參數(shù)不變時(shí)，僅用一束功率密度為6GW/cm2的激光束進(jìn)行掃描， 所得彎曲角度不到30度。值得說(shuō)明的是，第一束激光的功率密度為0.6GW/cm2,單純從數(shù) 值上看似乎大于材料的閾值強(qiáng)度，但事實(shí)并非如此，原因之一是光斑是運(yùn)動(dòng)的，另外材料 表面也不能對(duì)激光100%吸收，所以激光的能量密度并沒(méi)有達(dá)到閾值。如果激光掃描軌跡為一直線(xiàn)，則得到V形彎曲件；如果掃描軌跡為一系列平行直線(xiàn)， 則得到柱面件；如果掃描軌跡為一系列同心圓，或?yàn)橐幌盗邪l(fā)自一點(diǎn)的射線(xiàn)，則得到球面 圓頂件。實(shí)現(xiàn)板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法的專(zhuān)用裝置，由激光發(fā)生器系統(tǒng)、激光頭系 統(tǒng)、涂層系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)、形狀測(cè)量系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。所述激光發(fā)生器系統(tǒng)包 括激光發(fā)生器控制系統(tǒng)和激光發(fā)生器；所述激光頭系統(tǒng)包括沿X和Z方向移動(dòng)、并可繞Y 軸擺動(dòng)的激光頭及其所傳輸?shù)募す馐凰鐾繉酉到y(tǒng)是指與激光頭固定在一起并隨之一起 運(yùn)動(dòng)的裝置，主要由吸墨輥、傳墨輥、涂墨輥和盛墨盤(pán)構(gòu)成，用于在激光掃描之前，沿掃 描軌跡事先涂上一層含水石墨，并在第二次激光掃描時(shí)起冷卻作用；所述工作臺(tái)系統(tǒng)包括沿Y方向移動(dòng)、并可繞X軸擺動(dòng)的工作臺(tái)、夾持于工作臺(tái)上的工件；所述形狀測(cè)量系統(tǒng)用 于測(cè)量激光束掃描后板材端部所產(chǎn)生的位移，并將位移信號(hào)反饋到上位計(jì)算機(jī)；運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)用于控制激光頭與工作臺(tái)的相對(duì)位移，從而使工件與激光束產(chǎn)生預(yù)設(shè)的相對(duì)移動(dòng)。板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法的技術(shù)參數(shù)包括能量參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、工件參數(shù)。 能量參數(shù)包括激光能量、脈沖寬度、脈沖頻率、光斑直徑；運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括激光束與板材的 相對(duì)速度、掃描軌跡；工件參數(shù)包括板材幾何尺寸、材料種類(lèi)等。其中激光總能量、脈沖 寬度、脈沖頻率由激光發(fā)生器控制系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)和控制，兩束激光能量比例由分光鏡系統(tǒng)控 制調(diào)節(jié)；光斑直徑由激光頭及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制；光斑在板材上的移動(dòng)速度和移動(dòng) 軌跡由激光頭、工作臺(tái)調(diào)節(jié)和控制。形狀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得板材端部位移，反饋到上位計(jì)算機(jī)， 求出工件即時(shí)形狀，將信息進(jìn)一步傳遞給激光發(fā)生器控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，從而按要 求的工藝進(jìn)行加工。改變技術(shù)參數(shù)，可以調(diào)整沖擊壓力及溫度場(chǎng)，配合有序的多點(diǎn)連續(xù)激 光沖擊，便可方便地獲得不同規(guī)格的成形件。本發(fā)明突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在(1) 第一束激光使材料受熱膨脹，第二束激光對(duì)受熱區(qū)域進(jìn)行沖擊，其效果類(lèi)似于鍛 造加工，與單純激光熱應(yīng)力成形相比，能得到優(yōu)良的變形組織。(2) 與單純的激光噴丸成形比，既能進(jìn)行凸面成形(背向激光束的彎曲)，也能進(jìn)行 凹面成形(面向激光源的彎曲)。(3) 與單純的激光熱應(yīng)力成形或激光噴丸成形比，能獲得更大的變形量，成形效率高。(4) 與激光沖壓相比，不需成形凹模和約束層，可以成形大型零件。改變技術(shù)參數(shù)及 掃描軌跡，可以成形非常復(fù)雜的形狀。(5) 高應(yīng)變率變形過(guò)程，可以用于常規(guī)方法難變形材料的成形。


圖1是板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法的專(zhuān)用裝置示意圖。圖2是激光頭內(nèi)的分 光鏡的原理及兩束激光的能量特點(diǎn)示意圖，峰A是激光束4a的能量分布、峰B是激光束4 b的能量分布，M,是反光鏡，M2是分光鏡。其中1.激光發(fā)生器控制系統(tǒng)；2.激光發(fā)生器； 3.X/Z向移動(dòng)并繞Y擺動(dòng)激光頭；4.激光束，其中4a第一束激光，4b第二束激光；5.板 材；6.形狀測(cè)量系統(tǒng)；7.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；8. Y向移動(dòng)并繞X擺動(dòng)工作臺(tái)；9.涂層系統(tǒng)；io.計(jì)算機(jī)。圖3是涂層系統(tǒng)9的側(cè)視圖。其中9.1吸墨輥；9.2傳墨輥；9.3涂墨輥；9.4盛墨盤(pán)。 圖4是多面體筒形件和柱面件成形原理圖。圖中，ll.掃描軌跡I; 12.掃描軌跡II; 13.掃描軌跡III; 14.板材夾持端；R.曲率半徑；a.彎曲角度。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明提出的技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和工作情況。圖1為本發(fā)明進(jìn)行板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法的裝置示意圖，圖2為激光頭 內(nèi)的分光鏡的原理及兩束激光的能量特點(diǎn)示意圖。激光發(fā)生器系統(tǒng)包括依次相連的激光發(fā) 生器控制系統(tǒng)1和激光發(fā)生器2。激光頭系統(tǒng)包括沿X和Z方向移動(dòng)、并可繞Y軸擺動(dòng)的 激光頭3及其所傳輸?shù)募す馐?，激光束?jīng)分光鏡分為兩束，即4a和4b，如圖2所示。涂 層系統(tǒng)是指與激光頭3固定在一起并隨之一起運(yùn)動(dòng)的裝置9，主要由吸墨輥9.1、傳墨輥 9.2、涂墨輥9.3和盛墨盤(pán)9.4構(gòu)成，用于在激光掃描之前，沿掃描軌跡事先涂上一層含水 石墨，并在第二次激光掃描時(shí)起冷卻作用。工作臺(tái)系統(tǒng)包括沿Y方向移動(dòng)、并可繞X軸擺 動(dòng)的工作臺(tái)8、夾持于工作臺(tái)8上的工件5;所述形狀測(cè)量系統(tǒng)6用于測(cè)量激光束掃描后 板材端部所產(chǎn)生的位移，并將位移信號(hào)反饋到上位計(jì)算機(jī)10。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7用于控制激 光頭3與工作臺(tái)8的相對(duì)位移，從而使工件5與激光束4a及4b產(chǎn)生預(yù)設(shè)的相對(duì)移動(dòng)。上 位計(jì)算機(jī)統(tǒng)一協(xié)調(diào)激光功率、光斑大小、掃描速度、掃描路徑等各種技術(shù)參數(shù)，以及涂層 動(dòng)作、涂層路徑等。板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法的具體實(shí)施方式
是首先，脈沖激光發(fā)生器2在 其控制器1的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)。通過(guò)激光頭3帶動(dòng)涂層系統(tǒng)9，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7的 作用下，與工作臺(tái)8產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。涂層系統(tǒng)的吸墨輥9.1、傳墨輥9.2、涂墨輥9.3繞各 自的軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，吸墨輥9.1將盛墨盤(pán)9.4中的含水石墨通過(guò)傳墨輥9.2傳遞給涂墨輥9.3， 涂墨輥9.3與板材5密切接觸，并沿預(yù)定軌跡滾動(dòng)，從而將石墨呈線(xiàn)狀涂在板材5上。開(kāi) 啟激光發(fā)生器2并發(fā)出激光束，激光束經(jīng)分光鏡分為4a和4b，激光束4a和4b沿預(yù)定路 徑進(jìn)行掃描，并保證低能量的激光束在前，高能量激光束在后。激光掃描使板材5產(chǎn)生朝 向激光束的宏觀(guān)彎曲變形。形狀測(cè)量系統(tǒng)6實(shí)時(shí)地測(cè)量板材5變形過(guò)程中端部產(chǎn)生的位移， 并將該位移在上位計(jì)算機(jī)10中換算為板材形狀，并由計(jì)算機(jī)10確定下一步的工藝參數(shù)。激光束總的能量大小、激光模式、脈沖寬度、脈沖頻率，由激光發(fā)生器控制系統(tǒng)l調(diào) 節(jié)和控制。激光束4a與激光束4b的能量比例由圖2所示的分光鏡系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)；激光束 的光斑直徑通過(guò)激光頭3的Z向移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)7進(jìn)行控制。運(yùn)動(dòng)控制 系統(tǒng)7同時(shí)控制激光頭3的X向移動(dòng)和繞Y的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度、工作臺(tái)8的Y向移動(dòng)和繞X 的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)通過(guò)插補(bǔ)使工件5與激光束4a及4b按預(yù)定速度和預(yù)定軌 跡進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)。圖3是涂層系統(tǒng)的示意圖。圖4是制造多面體筒形件和柱面件的原理圖和實(shí)物圖片。多面體筒形件是通過(guò)多次彎 曲漸進(jìn)成形的。首先涂層系統(tǒng)9在板材5上沿掃描軌跡I (Y向)涂石墨，然后激光束4a 和4b沿該軌跡進(jìn)行掃描，如此步驟重復(fù)1次或多次，至本次彎曲角達(dá)到a止。板材5與 激光束4a和4b在X向相對(duì)位移L距離，涂層系統(tǒng)在板材5上沿掃描軌跡II ( Y向)涂石墨，然后激光束4沿掃描軌跡n進(jìn)行掃描，如此步驟重復(fù)i次或多次，至本次彎曲角也達(dá)到a止。然后沿掃描軌跡III、 IV....，重復(fù)上述步驟，由可得到多面體筒形件。掃描軌跡 之間的距離L決定了多面體筒形件的邊長(zhǎng)，沿每條掃描軌跡的彎曲角度決定了多面體的邊 數(shù)n，其中邊數(shù)和彎曲角度存在如下關(guān)系a = 2*;r/w因此，選取合適寬度的板料，精確控制掃描間距L和在每個(gè)位置掃描的成形角度a ， 可以成形任意高度，任一邊數(shù)和邊長(zhǎng)的多面體筒形件。板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形也存在一個(gè)彎曲半徑的問(wèn)題，即彎曲角度的頂端不是 尖銳的，而是有一定的曲率半徑的圓弧，把該圓弧區(qū)定義為變形區(qū)，它是以激光的掃描路 徑為中心、寬度為H的帶狀區(qū)域?？梢岳米冃螀^(qū)的曲率半徑擬合三維曲面的曲率半徑， 以成形三維曲面形狀。當(dāng)掃描間距L大于變形區(qū)寬度H時(shí)，兩次掃描之間有一段板料沒(méi)有 發(fā)生變形，保持板料原有的平面，而變形區(qū)形成了棱邊，則得到多面體筒形件；當(dāng)掃描間 距小于或等于變形區(qū)寬度H時(shí)，兩次掃描的變形區(qū)相互疊加形成了光滑的曲面，則得到柱 面零件，即柱面件成形的前提條件是L《H由于成形時(shí)彎曲半徑的存在，使得變形區(qū)在微觀(guān)上呈現(xiàn)為具有一定彎曲半徑和一定寬 度的帶狀小曲面。通過(guò)控制激光成形的工藝參數(shù)，以改變變形區(qū)的曲率半徑和寬度，將不 同曲率半徑的小曲面組合起來(lái)就可以構(gòu)成多種不同的三維曲面形狀。
權(quán)利要求
1、板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法，其特征在于，將脈沖激光束經(jīng)分光鏡按比例分為兩束激光(4a)和(4b)，功率密度小于被照射板材(5)點(diǎn)火閾值的激光束(4a)在前，功率密度大于被照射板材(5)點(diǎn)火閾值的激光束(4b)在后，兩束激光在位置上保持一定間距，并且照射于板材(5)上，然后按預(yù)定軌跡進(jìn)行連續(xù)掃描，使板材(5)產(chǎn)生塑性變形。
2、 權(quán)利要求1所述板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法，其特征在于，將脈沖激光 束(4a)和(4b)作用于板材(5)，沿同一軌跡掃描一次或多次后，借助于激光束(4a)和(4b) 與板材(5)的相對(duì)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光束(4a)和(4b)按另一軌跡在板材表面進(jìn)行掃描， 通過(guò)變形量的累積，將板材(5)加工成不同形狀。
3、 實(shí)現(xiàn)板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法的裝置，由激光發(fā)生器系統(tǒng)、包含分光 鏡的激光頭系統(tǒng)、涂層系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)、形狀測(cè)量系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成，其特征在 于，所述激光發(fā)生器系統(tǒng)包括激光發(fā)生器控制系統(tǒng)(1)和激光發(fā)生器(2);所述激光頭 系統(tǒng)包括沿X和Z方向移動(dòng)、并可繞Y軸擺動(dòng)的激光頭(3)及其所傳輸并經(jīng)分光的激光 束(4a，4b);所述涂層系統(tǒng)是指與激光頭(3)固定在一起并隨之一起運(yùn)動(dòng)的裝置(9)， 所述裝置(9)由吸墨輥(9.1)、傳墨輥(9.2)、涂墨輥(9.3)和盛墨盤(pán)(9.4)構(gòu)成； 所述工作臺(tái)系統(tǒng)包括沿Y方向移動(dòng)、并可繞X軸擺動(dòng)的工作臺(tái)(8)、夾持于工作臺(tái)(8) 上的工件(5);所述形狀測(cè)量系統(tǒng)(6)用于測(cè)量激光束掃描后板材端部所產(chǎn)生的位移， 并將位移信號(hào)反饋到上位計(jì)算機(jī)(10);運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(7)用于控制激光頭(3)與工作 臺(tái)(8)的相對(duì)位移，從而使工件(5)與激光束(4a和4b)產(chǎn)生預(yù)設(shè)的相對(duì)移動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種板材激光沖擊與熱應(yīng)力復(fù)合成形方法及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。該方法是將一束脈沖激光經(jīng)分光鏡按比例分為兩束激光，其中一束的功率密度小于被照射材料的點(diǎn)火閾值但不致材料熔化，另一束的功率密度則大于被照射材料的點(diǎn)火閾值，然后將兩束激光一前一后按一定間距同時(shí)照射于板材上，并按預(yù)定軌跡進(jìn)行連續(xù)掃描，借助于激光照射所形成的熱應(yīng)力和沖擊力和進(jìn)行塑性成形，將板材加工為各種形狀。實(shí)現(xiàn)該方法的裝置由激光發(fā)生器系統(tǒng)、激光頭系統(tǒng)、涂層系統(tǒng)、工作臺(tái)系統(tǒng)、形狀測(cè)量系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。該方法具有無(wú)需模具、無(wú)需外力等特點(diǎn)，加工柔性大，工件性能好，可用于金屬及非金屬板材的彎曲及復(fù)雜曲面成形，也可用于零件的校形中。
文檔編號(hào)B23K26/08GK101332537SQ200810138718
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者晶 劉, 韌 劉, 劉曉軍, 忠 季, 楊丹丹, 林樂(lè)嘉, 巍 王 申請(qǐng)人:山東大學(xué)