CN101745740B - 金属板料环形光斑激光冲击成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种金属板料环形光斑激光冲击成形方法及装置，其特征是所述的方法是采用环形激光光斑作用在工件体系的表面上，工件表面受到激光诱导的冲击波作用产生快速的塑性变形。所述的装置主要由激光发生器电源(26)、控制装置(25)、机床(24)、步进电机(22)、导轨(21)和激光发生***(45)，激光发生***(45)和圆锥透镜组的作用下能产生中空光束，辐照在工件表面形成环形光斑。本发明有利于改变激光冲击成形力的分布，防止引起成形开裂现象，提高板料的激光冲击成形性和成形极限，提高成品率和加工速度。

Description

金属板料环形光斑激光冲击成形方法及装置

技术领域

本发明涉及一种金属板料塑性成形的方法及装置，尤其是一种金属板料激光冲击成形的方法及装置，具体地说是一种金属板料环形光斑激光冲击成形方法及装置。

背景技术

众所周知，金属板料塑性成形作为板材成形加工的主要方法之一，已在整个国民经济中占有十分重要的地位。随着激光加工技术的发展，激光冲击板料成形由于融合了材料改性强化和成形于一体，并且具有超高压、快速和高应变率等特点，在汽车、航空、国防工业等许多领域有广泛的潜在应用前景。

国内江苏大学张永康等人公开的发明专利“一种激光冲击精密成形方法及装置(ZL01134063.0)，在激光冲击板料成形技术领域中是最具代表性的一种方法及装置。该专利技术直接利用强脉冲激光束冲击工件表面的柔性贴膜，使其表层气化电离并形成冲击波，由于产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，从而使成形材料发生塑性变形。该发明专利为金属板料成形提供了一个很好的思路，但是也存在如下不足：(1)在激光冲击成形过程中，由于采用圆形或矩形光斑，冲击力呈均布或高斯分布，造成成形不均性较大、板料表面凹凸不平且中心部位极易开裂；(2)板料每次塑性变形量小，对于高强度合金钢和较厚板材，变形量更小，成形效率较低，难以适应高强度合金钢、较厚板材以及大面积成形等。正是由于上述问题，该方法及装置距离工业化生产尚存在一定距离。

因此，到目前为止，尚未得到一种可供实际工业化生产的金属板料激光冲击成形方法及装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有的高斯分布和均匀分布激光光束冲击成形方法存在的易开裂，效率低的问题，利用中空光束辐照在板料表面诱导冲击波产生冲击作用而使板料变形均匀性和极限变形深度可大幅提高的特性，发明一种金属板料环形光斑激光冲击成形方法及装置。

本发明的技术方案之一是：

一种金属板料环形光斑激光冲击成形方法，其特征是采用大功率脉冲激光器，使大功率脉冲激光器发出的可调式激光束通过光路***形成中空光束，辐照在工件表面形成环形光斑；当该环形激光光斑作用在工件体系的表面，工件表面受到激光诱导的冲击波作用产生快速的塑性变形，从而实现工件的成形。

所述的大功率脉冲激光器的脉冲宽度10ns～100ns，激光能量0～30J，激光器以重复频率。

所述的环形激光光斑的内径为2～15mm，外径为3～25mm。

所述的工件体系依次有约束层、能量吸收层和工件组成，所述的能量吸收层为柔性贴膜能量吸收层，所述的约束层为透明约束层。

本发明的技术方案之二是：

一种金属板料环形光斑激光冲击成形装置，它包括激光发生器电源26、控制装置25、机床24、步进电机22、导轨21和激光发生***45，控制装置25分别与激光发生器电源26、步进电机22及机床24电气连接，机床24上安装有能移动的工件体系23，激光发生器电源26通过一个激光发生***45后输出中空光束29辐照在工件体系23上形成环形光斑30，其特征是步进电机22通过丝杆与导轨21上的滑块相连，滑块与环形光斑形成调节装置46相连，环形光斑形成调节装置46由会聚透镜18、第一圆锥透镜19和第二圆锥透镜20组成，会聚透镜18作为环形光斑形成调节装置46的激光输入端与作为激光发生***45输出端的第三扩束镜17相邻，所述的第二圆锥透镜20与导轨21上的滑块47相连，步进电机带动滑块47移动以便调节环形光斑30的外径，工件体系23安装在第二圆锥透镜20的激光输出侧的机床24上，工件体系23在机床24上离第二圆锥透镜20的距离可调且能在机床23的带动下作平面移动或转动，以便调节环形光斑30的内径。

所述的激光发生***45主要由第一全反射镜1，第二反射镜15，KD*P晶体2，第一偏振器3，第一钕玻璃放大棒4，第二钕玻璃放大棒8，第三钕玻璃放大棒14，输出镜5，隔离器6，第一扩束镜7，第二扩束镜9，第三扩束镜17，预放大器8，第一45度全反镜10，第二45度全反镜11，第三45度全反镜16，第二偏振器12和45度旋转器13组成，其中KD*P晶体2在激光发生器电源26控制下工作，第一全反射镜1和第一偏振器3分别位于KD*P晶体2的两侧，第一偏振器3的输出侧依次连接有第一钕玻璃放大棒4、输出镜5、隔离器6、第一扩束镜7、第二钕玻璃放大棒8、第二扩束镜9和第一45度全反镜10；第三钕玻璃放大棒14、45度旋转器13和第二偏振器12依次串接后置于第二反射镜15和第二45度全反镜11之间，第二偏振器12呈45度安装并紧邻第二45度全反镜11，第一45度全反镜10和第二45度全反镜11的夹角为90度；第三45度全反镜16与第二偏振器12相对安装，作为激光发生***45输出的第三扩束镜17安装在第三45度全反镜16反射线的一侧。

所述的工件体系23依次由工件42、能量吸收层40和约束层39组成，工件42位于最底层。

激光输出总能量可根据激光冲击成形工艺要求增加激光介质的抽运功率或者增加激光器放大器级数来增加；激光脉宽通过调节谐振腔的腔长和调节激光介质的抽运功率来实现。

本发明的有益效果：

(1)本发明可方便地调节激光脉宽、能量、光斑内外径等激光参数，从而实现调整冲击压力(冲击波峰压达到几GPa)的大小和分布，解决了变形不均匀、板料表面凹凸不平等问题，提高了板料的激光冲击成形表面光滑度，可实现复杂工件的冲击成形和精密成形。

(2)环形光斑冲击作用，有利于改变应力波的性质，防止引起层裂现象，提高板料的激光冲击成形性和成形极限，也适应难成形材料的成形。

(3)本发明兼有冲击塑性变形成形和应力场成形的双重特征，可根据板料形状和成形规律的要求，使板料产生一定的塑性变形和应力场分布而成形。

(4)生产准备时间短，加工柔性化，模具费用小，制造成本低。

(5)本发明除了可对薄板冲压成形外，还可对厚达20mm的金属厚板弯曲成形。此外，还可实现难成形材料的成形，如高强度结钢、钛合金、镁合金、塑料及复合材料等多种材料冷冲压成形，甚至对脆性材料弯曲成形，实现脆塑的动态转变。

附图说明

图1环形激光冲击精密成形***示意图。

图2环形激光冲击精密成形过程示意图。

图3各种模式激光束冲击成形工件截面形状示意图。

图4各种模式激光束冲击成形极限深度示意图。

图5环形激光分层逐点冲击成形示意图。

1：第一全反射镜(简称全反射镜)；2：KD*P晶体激光发生器电源；3：第一偏振器(简称偏振器)；4：第一钕玻璃放大棒；8：第二钕玻璃放大棒；14：第三钕玻璃放大棒；5：输出镜；6：隔离器；7：第一扩束镜；9：第二扩束镜；17：第三扩束镜；10：第一45°全反射镜；11：第二45°全反射镜；16：第三45°全反射镜；12：第二偏振器；13：45°旋转器；15：第二全反射镜；18：会聚透镜；19：第一圆锥透镜，20：第二圆锥透镜；21：导轨；22：步进电机；23：工件体系；24：数控机床；25：控制***；26：激光器发生器；27：光斑外径调节间距d1；28：光斑内径调节间距d2；29：中空激光束；30：环形光斑；31：成形件；32：中空激光束照射冲击成形工件截面轮廓；33：高斯分布激光束照射冲击成形工件截面轮廓；34：能量均布激光束照射冲击成形工件截面轮廓；35：高斯分布激光束照射冲击成形极限深度；36：能量均布激光束照射冲击成形极限深度；37：环形分布激光束辐射冲击成形极限深度；38：水流装置；39：透明约束层；40：铝箔胶带；41：夹具；42：工件；43：冲击第一层；44：冲击第n层；45：激光发生***；46：环形光斑形成调节装置；47：滑块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一。

如图2、5所示。

一种金属板料环形光斑激光冲击成形方法，采用大功率脉冲激光器，使大功率脉冲激光器发出的可调式激光束通过光路***形成环形激光光斑，使该环形激光光斑作用在工件体系的表面上，工件表面受到激光诱导的冲击波作用产生快速的塑性变形。如图2所示，根据板料形状/材质/板厚和成形规律的要求，以及成形检测反馈***的信号，通过中央控制***综合调节激光脉冲宽度、激光能量、环形光斑内外径、冲击位置，获得合理的冲击力的大小和分布，以得到精确的工件轮廓和提高成形效率。

具体实施时，激光脉冲宽度10ns～100ns，激光能量0～30J，光束内径2～15mm，光束外径为3～25mm，激光器以重复频率工作。

所述工件体系依次由成形工件、约束层和能量吸收层组成，其中约束层在最上一层，它的下面是能量吸收层，能量吸收层的下面是成形工件。能量吸收层可采用柔性贴膜能量吸收层，如：铝箔胶带。约束层为透明约束层，如流水、K9玻璃等，具体实施时，工件体系还可采用现有专利所公开的工件体系加以实现。

实施例二。

如图1-5所示。

一种金属板料环形光斑激光冲击成形装置，它包括激光发生器电源26、控制装置25、机床24、步进电机22、导轨21和激光发生***45及环形光斑形成调节装置46，控制装置25分别与激光发生器电源26、步进电机22及机床24电气连接，机床24上安装有能移动的工件体系23，上，激光发生器电源26通过一个激光发生***45后输出环形光斑作用在工件体系23，步进电机22通过丝杆与导轨21上的滑块47相连，环形光斑形成调节装置46由会聚透镜18、第一圆锥透镜19和第二圆锥透镜20组成，会聚透镜18作为环形光斑形成调节装置46的激光输入端与作为激光发生***45输出端的第三扩束镜17相邻，所述的第二圆锥透镜20与导轨21上的滑块47相连，步进电机带动滑块47移动以便调节环形光斑30的外径，工件体系23安装在第二圆锥透镜20的激光输出侧的机床24上，工件体系23在机床24上离第二圆锥透镜20的距离可调且能在机床23的带动下作平面移动或转动，以便调节环形光斑30的内径和冲击位置。所述的激光发生***45主要由第一全反射镜1，第二反射镜15，KD*P晶体2，第一偏振器3，第一钕玻璃放大棒4，第二钕玻璃放大棒8，第三钕玻璃放大棒14，输出镜5，隔离器6，第一扩束镜7，第二扩束镜9，第三扩束镜17，预放大器8，第一45度全反镜10，第二45度全反镜11，第三45度全反镜16，第二偏振器12，45度旋转器13组成，其中KD*P晶体2在激光发生器电源26控制下工作，第一全反射镜1和第一偏振器3分别位于KD*P晶体2的两侧，第一偏振器3的输出侧依次连接有第一钕玻璃放大棒4、输出镜5、隔离器6、第一扩束镜7、第二钕玻璃放大棒8、第二扩束镜9和第一45度全反镜10；第三钕玻璃放大棒14、45度旋转器13和第二偏振器12依次串接后置于第二反射镜15和第二45度全反镜11之间，第二偏振器12呈45度安装并紧邻第二45度全反镜11，第一45度全反镜10和第二45度全反镜11的夹角为90度；第三45度全反镜16与第二偏振器12相对安装，即第三45度全反镜16应安装在第二偏振器12能反射到的位置处，图1中第三45度全反镜16安装在第二偏振器12的下部，作为激光发生***45输出端的第三扩束镜17安装在第三45度全反镜16反射线的一侧，会聚透镜18、第一圆锥透镜19及第二圆锥透镜20依次安装在第三扩束镜17的输出侧，第二圆锥透镜20与导轨21上的滑块47相连，步进电机带动滑块47移动以便调节环形光斑30的外径大小，机床位于第二圆锥透镜20的光线输出侧，工件体系23安装在机床23上并能在机床23上移动以便调节环形光斑的内径大小；所述的工件体系23依次由工件42、能量吸收层40和约束层39组成，工件42位于最底层。

本发明的KD*P晶体2(电光调Q晶体)由磁脉冲压缩开关和闸流管组合作为放电开关控制电脉冲宽度，通过改变谐振腔腔长和激光介质的改变抽运功率，调节激光脉宽获得10ns～100ns脉冲宽度的激光束；由圆锥透镜组组成的可调式中空激光束***输出环形光斑，通过调节圆锥透镜19、20之间的距离输出不同外径的环形光束；通过数控机床移动工件，调节与圆锥透镜20的距离以改变环形光斑内径。

详述如下：

如图1所示。由KD*P晶体2(固体激光发生器，受控于激光发生器电源26)、偏振器3、钕玻璃放大棒4以及全反射镜1和输出镜5(输出耦合镜)组成多横模激光谐振腔，使得输出激光模体积大，相应输出激光能量就比较大。激光器由磁脉冲压缩开关和闸流管组合作为放电开关控制电脉冲宽度，通过改变谐振腔腔长和激光介质的抽运功率，调节激光脉宽获得10ns～100ns脉冲宽度的激光束。谐振腔输出激光通过隔离器6和扩束镜7进入放大器8进行放大，继续扩束通过偏振方向和偏振器3偏振方向相同的偏振器12，通过45度光束旋转器13，继续通过放大器14进行放大，通过全反镜15反射第二次通过放大器14进行放大以输出一定能量的激光，输出激光第二次通过45度旋转器13，第二次通过偏振器12时激光被反射，反射的激光通过准直扩束镜17，准直扩束镜17主要是用来压缩激光的发散角，提高激光的光束质量。激光继续通过会聚透镜18、圆锥透镜19、20，产生环形激光光斑。控制***25通过步进电机22调节两个会聚圆锥透镜19和20之间的距离调节环形光斑的外径，同时通过数控机床24调节试样体系23与圆锥透镜20的间距28(d2)来调节环形光斑的内径，达到激光冲击成形的工艺要求。调整好工艺参数后，中空激光束辐照工件体系23，对板料进行成形加工。

由环形激光器输出的激光脉宽10ns～100ns，能量0～30J根据激光冲击成形工艺要求可以增加激光器放大器级数来增加激光输出总能量，光束内外直径2～25mm，激光器以重复频率工作。

如图2所示。激光器发出的中空激光束29辐射在工件体系(由工件+能量吸收层+约束层23组成)上，形成环形光斑30，能量吸收层吸收环形激光能量产生等离子体并***，***冲击波在约束层的限制下，产生强大的冲击压力作用在工件上，产生大塑性变形，形成一定形状的成形件31。

如图3所示。中空激光束辐射冲击成形工件截面轮廓32比高斯分布激光束辐射冲击成形工件截面轮廓33和能量均布激光束辐射冲击成形工件截面轮廓34的形状更为合理，通过调节激光脉宽、能量、光斑内外径等激光参数来调整冲击压力(冲击波峰压达到几GPa)的大小和分布，可解决激光冲击变形中的不均匀，板料表面凹凸不平等问题，提高板料的激光冲击成形表面光滑度，实现复杂工件的冲击成形和精密成形。

如图4所示。由于环形激光冲击变形更为均匀合理，环形激光辐照冲击成形极限深度37比高斯分布激光束辐射冲击成形极限深度35和能量均布激光束辐射冲击成形极限深度36更大，采用环形激光冲击成形，可提高板料的激光冲击成形极限，充分发挥材料的成形特性，使激光冲击成形工艺更完善，应用更广泛。

如图5所示。试样体系由成形工件42及其表面贴设柔性贴膜能量吸收层如：铝箔胶带40和透明约束层39(如：流水或其它透明层)组成。采用环形激光冲击精密成形***，夹载试样体系的工作台可按数控指令向待冲击位置作三维运动。根据优化的冲击参数，计算机控制***自动选择激光脉冲参数激光脉宽、能量、光斑内外径等)，编制NC加工程序用于计算机控制***以控制各控制执行***，完成冲击。成形件分别采用粗冲成形和精冲成形保证。粗冲成形采用分层制造的思想，在将复杂的三维型面根据被冲击材料的塑性变形量分解成一系列的二维等高线断面层43、44的基础上，采用逐层冲击成形，在冲击每层时可通过使工件体系转动、移动实现冲击位置的变化，也可使激光发生***45及环形光斑形成调节装置46相对工件上的需冲击位置进行移动，这些都可以借助现有技术加以实现。

具体实施时，激光发生***45除了可采用图1中所示的放大转换***外，还可采用与现有的形成圆形光斑或矩形光斑的激光发生器相同。

总之，借助环形激光光斑优良的冲击性能是本发明的关键，但凡利用环形激光光斑进行冲击成形的类似的装置或***均被认为涵盖在本发明之中。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种金属板料环形光斑激光冲击成形方法，采用大功率脉冲激光器，激光束通过光路***形成中空光束，中空光束辐照在工件体系表面形成环形光斑,其特征在于：辐照在工件体系表面的环形光斑诱导冲击波，在工件上产生冲击力, 通过调整环形光斑的内、外径、脉冲宽度和激光能量以调节冲击力的大小和分布，使工件产生快速的均匀塑性变形来提高板料的成形极限和成形精度，从而有效地实现工件的成形；所述的激光器由磁脉冲压缩开关和闸流管组合作为放电开关控制电脉冲宽度，通过改变谐振腔腔长和激光介质的抽运功率，调节激光脉宽获得10ns～100ns脉冲宽度的激光束；谐振腔输出激光通过隔离器（6）和扩束镜（7）进入放大器（8）进行放大，继续扩束通过偏振方向和第一偏振器（3）偏振方向相同的第二偏振器（12），通过45度光束旋转器（13），继续通过放大器（14）进行放大，通过全反镜（15）反射第二次通过放大器（14）进行放大以输出一定能量的激光，输出激光第二次通过45度旋转器（13），第二次通过第二偏振器（12）时激光被反射，反射的激光通过准直扩束镜（17），准直扩束镜（17）主要是用来压缩激光的发散角，提高激光的光束质量；激光继续通过会聚透镜（18）、第一圆锥镜（19）和二圆锥透镜（20），产生环形激光光斑；控制***（25）通过步进电机（22）调节第一圆锥透镜（19）与第二圆锥透镜（20）之间的距离来调节环形光斑的外径，同时通过数控机床（24）调节试样体系(23)与第二圆锥透镜(20)的间距来调节环形光斑的内径，达到激光冲击成形的工艺要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的大功率脉冲激光器的脉冲宽度10ns～100ns，激光能量0～30J，调整激光器的脉冲宽度和激光能量，获得合理的冲击力大小和分布。

3.根据权利要求1所述的一种金属板料环形光斑激光冲击成形方法，其特征是所述的环形激光光斑的内径为2～15mm，外径为3～25mm，调整环形光斑的内、外径大小和比例，获得合理的冲击力大小和分布。

4.根据权利要求1所述的一种金属板料环形光斑激光冲击成形方法，其特征是所述的工件体系由依次由约束层、能量吸收层和工件组成，所述的能量吸收层为柔性贴膜能量吸收层，所述的约束层为透明约束层。

5.一种权利要求1所述方法的装置，主要包括脉冲激光的能量调节、脉宽调节、中空激光转换和光斑内外径调整等部分，具体包括激光发生器电源（26）、控制装置（25）、机床（24）、步进电机（22）、导轨（21）和激光发生***（45），控制装置（25）分别与激光发生器电源（26）、步进电机（22）及机床（24）电气连接，机床（24）上安装有能移动的工件体系（23），其特征是步进电机（22）通过丝杆与导轨（21）上的滑块相连，滑块与环形光斑形成调节装置（46）相连，环形光斑形成调节装置（46）主要由会聚透镜（18）、第一圆锥透镜（19）和第二圆锥透镜（20）组成，会聚透镜（18）作为环形光斑形成调节装置（46）的激光输入端与作为激光发生***（45）输出端的第三扩束镜（17）相邻，所述的第二圆锥透镜（20）与导轨（21）上的滑块（47）相连，步进电机带动滑块（47）移动以便调节环形光斑（30）的外径，工件体系（23）安装在第二圆锥透镜（20）的激光输出侧的机床（24）上，工件体系（23）在机床（24）上离第二圆锥透镜（20）的距离可调且能在机床（23）的带动下作平面移动或转动，以便调节环形光斑（30）的内径。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征是所述的激光发生***（45）主要由第一全反射镜（1），第二反射镜（15），KD*P晶体（2），第一偏振器（3），第一钕玻璃放大棒（4），第二钕玻璃放大棒（8），第三钕玻璃放大棒（14），输出镜（5），隔离器（6），第一扩束镜（7），第二扩束镜（9），第三扩束镜（17），预放大器（8），第一45度全反镜（10），第二45度全反镜（11），第三45度全反镜（16），第二偏振器（12）和45度旋转器（13）组成，其中KD*P晶体（2）在激光发生器电源（26）控制下工作，第一全反射镜（1）和第一偏振器（3）分别位于KD*P晶体（2）的两侧，第一偏振器（3）的输出侧依次连接有第一钕玻璃放大棒（4）、输出镜（5）、隔离器（6）、第一扩束镜（7）、第二钕玻璃放大棒（8）、第二扩束镜（9）和第一45度全反镜（10）；第三钕玻璃放大棒（14）、45度旋转器（13）和第二偏振器（12）依次串接后置于第二反射镜（15）和第二45度全反镜（11）之间，第二偏振器（12）呈45度安装并紧邻第二45度全反镜（11），第一45度全反镜（10）和第二45度全反镜（11）的夹角为90度；第三45度全反镜（16）与第二偏振器（12）相对安装，作为激光发生***（45）输出的第三扩束镜（17）安装在第三45度全反镜（16）反射线的一侧。

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