專利名稱：一種熱力結(jié)合的金屬板材激光成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱力結(jié)合的金屬板材激光成形方法，特別涉及板材成形領(lǐng)域，適合于金
屬板材無模快速成形或板材矯形。
背景技術(shù)：
金屬板材激光熱成形是一種柔性無模局部熱成形技術(shù)，它利用激光束對(duì)工件局部加熱誘
發(fā)不均勻熱應(yīng)力，如果加熱的不均勻性足以使其引起的熱應(yīng)力超過材料相應(yīng)溫度下的屈服極
限，則會(huì)使板材產(chǎn)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)所需要的目標(biāo)形狀。激光熱成形為無模成形，且無
需外力，因而生產(chǎn)周期短、柔性大，適合于小批量零件生產(chǎn)；由于不受模具限制，可成形各
類異構(gòu)件；激光熱成形屬于熱態(tài)積累成形，能夠成形高硬度和脆性材料。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，
該技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，在航空航天和微電子領(lǐng)域也有初步的應(yīng)用。然而，
由于金屬板材的變形主要依賴于熱應(yīng)力超過屈服極限時(shí)產(chǎn)生的塑性變形，激光每次掃描產(chǎn)生
的變形量較小，為了獲得需要的目標(biāo)型面，需要進(jìn)行多次激光掃描，這大大影響了金屬板材
的加工效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服金屬板材激光熱成形單次掃描變形量小的問題，本發(fā)明提供一種熱力結(jié)合的金 屬板材激光成形方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)激光熱成形加工中金屬板材的大變形，提高板材的成 形或矯形效率。
本發(fā)明任務(wù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是金屬板材置于三維數(shù)控平臺(tái)上， 一端 固定，連續(xù)激光束以一定的掃描速度沿給定的運(yùn)動(dòng)軌跡加熱金屬板材表面，在激光束后約l 3個(gè)光斑直徑的距離處施加壓力。對(duì)于較厚的金屬板材用機(jī)械的方式進(jìn)行壓力施加，對(duì)于較 薄的金屬板材，可用高壓氣流進(jìn)行壓力施加。在激光熱成形中，激光束后約1 3個(gè)光斑直徑 的距離處板材已有反向彎曲轉(zhuǎn)變?yōu)檎驈澢?，上表面材料溫度降低而下表面溫度仍要繼續(xù)升
高一段時(shí)間，下表面熱膨脹量繼續(xù)增加，且溫度仍然很高(約在450。C左右)，該溫度條件下
金屬板材屈服強(qiáng)度大大下降而易于變形，因此在較小壓力下板材可獲得較大的塑性變形。激
光束對(duì)工件局部加熱誘發(fā)的不均勻熱應(yīng)力與壓應(yīng)力相結(jié)合，以提高金屬板材的成形效率。為了求出每次掃描所需要的加工工藝參數(shù)，建立壓力大小、光斑直徑、激光功率和掃描速度與 板材變形基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)庫和板材變形量要求，可以反求出所需要的加工工藝參 數(shù)。
與常規(guī)的金屬板材熱成形相比，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法單次激光掃描的變形量可提高十倍 以上，大大提高金屬板材的成形效率。由于在高溫下進(jìn)行板材成形，該方法不僅適于常規(guī)金 屬材料，而且也可應(yīng)用于高硬脆難變形材料的成形，在航空航天、微電子和船舶制造領(lǐng)域有 著較大的應(yīng)用前景。


圖1熱力結(jié)合金屬板材激光成形裝置示意圖 圖2熱力結(jié)合金屬板材激光成形過程示意圖
l控制系統(tǒng)，2 C02激光器，3反射鏡，4聚焦鏡，5激光束，6成形工件，7三維數(shù)控臺(tái)，8 夾具，9壓力輸出系統(tǒng)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
加以說明。熱力結(jié)合金屬板材激光成形裝置由控 制系統(tǒng)l、 C02激光器2、反射鏡3、聚焦鏡4、壓力輸出系統(tǒng)9、夾具8、三維數(shù)控臺(tái)7和成 形工件6組成，如圖1所示。
首先，為了防止金屬板材表面油垢影響傳熱，所有板材均用丙酮進(jìn)行清洗。由于選用的 C02激光器產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為10.6um，低碳鋼對(duì)其的吸收率很低，為了提高激光的吸收系數(shù)， 在金屬表面均勻涂上一層涂層，進(jìn)行黑化處理。然后，長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為W、厚為H的工件置于 三維數(shù)控臺(tái)7上，用夾具8固定成形工件6的一端，激光束5和壓力施加裝置9位置固定不 變，依靠工件的移動(dòng)使連續(xù)激光束5以一定的掃描速度v沿給定的運(yùn)動(dòng)軌跡b加熱金屬板材 表面，在激光束后距離激光束中心d處施加壓力F，如圖2所示。對(duì)于較厚的板材用機(jī)械的 方式進(jìn)行壓力施加，d約為1 3個(gè)光斑直徑的距離，對(duì)于較薄的板材可用高壓氣流進(jìn)行壓力 施加，d為零。在激光掃描過程中，被掃描部位依次經(jīng)歷加熱與冷卻兩個(gè)換熱過程，通過自 然冷卻、強(qiáng)制對(duì)流空冷或強(qiáng)制對(duì)流水冷對(duì)加熱區(qū)域進(jìn)行冷卻。
激光束對(duì)工件局部加熱誘發(fā)的不均勻熱應(yīng)力與壓應(yīng)力相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)增大板材變形量
提高成形效率的目的。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，通過改變施加壓力大小、光斑直徑、激光功率 和掃描速度來調(diào)整板材變形量的大小。針對(duì)給定的變形要求，板材變形通常用板材彎曲角或 殘余平面應(yīng)變和彎曲應(yīng)變描述，需要先建立壓力大小、光斑直徑、激光功率和掃描速度與板 材彎曲角或殘余平面應(yīng)變和彎曲應(yīng)變基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫。根據(jù)數(shù)據(jù)庫和板材變形量要求，可以 反求出所需要的加工工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜曲面板材的快速無模成形。
權(quán)利要求
1、一種熱力結(jié)合的金屬板材激光成形方法，成形工件(6)置于三維數(shù)控臺(tái)(7)上，一端固定，連續(xù)激光束(5)以一定的掃描速度沿給定的掃描路徑加熱金屬板材表面，其特征是在激光束(5)后約1～3個(gè)光斑直徑的距離處施加壓力，激光束(5)對(duì)成形工件(6)局部加熱誘發(fā)的不均勻熱應(yīng)力與壓應(yīng)力相結(jié)合使板材產(chǎn)生塑性變形，以提高金屬板材的成形效率。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，熱力結(jié)合金屬板材激光成形裝置由控制系統(tǒng)(1)、 CO2激光器(2)、反射鏡(3)、聚焦鏡(4)、壓力施加裝置(9)、夾具(8)、三維數(shù)控臺(tái)(7)和 成形工件(6)組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于激光束(5)和壓力施加裝置(9)位置不變，成形工件(6)固定于三維數(shù)控臺(tái)(7)上按照給定的掃描路徑進(jìn)行加熱。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是對(duì)于較厚的板材用機(jī)械的方式進(jìn)行壓力施加，對(duì)于較薄的板材，可用高壓氣流進(jìn)行壓力施加。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過改變施加壓力大小、光斑直徑、激光功率和掃描速度來調(diào)整板材變形量的大小。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于通過建立壓力大小、光斑直徑、激光功率和掃描速度與板材變形基本關(guān)系數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)庫和板材變形量要求，反求出所需要的加工工藝參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明為一種熱力結(jié)合的金屬板材激光成形方法。工件置于三維數(shù)控平臺(tái)上，一端固定，連續(xù)激光束以一定的掃描速度沿給定的運(yùn)動(dòng)軌跡加熱金屬板材表面，在激光束后約1～3個(gè)光斑直徑的距離處施加壓力。由于在熱態(tài)條件下板材的彈性模量和屈服極限大大下降，激光束對(duì)工件局部加熱誘發(fā)的不均勻熱應(yīng)力與壓應(yīng)力相結(jié)合使板材產(chǎn)生較大的塑性變形量，從而提高板材的成形效率。該方法不僅適于常規(guī)金屬材料，而且也可應(yīng)用于高硬脆難變形材料的成形，在航空航天、微電子和船舶制造領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B23K26/00GK101204756SQ20071011587
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者鋒 劉, 劉衍聰, 石永軍, 贠平利, 馬建民 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)