CN103143593A

CN103143593A - 一种激光冲击波金属板料校形方法及装置

Info

Publication number: CN103143593A
Application number: CN 201110402468
Authority: CN
Inventors: 丁华; 周明; 蔡兰; 狄建科
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明提供一种利用激光冲击波进行精密校形方法，由激光器发出激光束通过光路***传输到工件表面，水约束层覆盖工件表面，形成约束层。激光脉冲作用下，在工件表面形成冲击波，在工件内部产生残余压应力，通过控制激光冲击的位置，实现金属板料的校形。一种利用激光冲击波进行精密校形的装置，特别适用于各种金属板料板件的校形，其装置包括激光器、反射镜、水约束层、水管、工件、水槽、夹具、二维移动工作台、计算机，本发明所述方法及装置能对大型结构件进行精密校形，校形精度高，无热影响，与工件表面非接触，能实现凸面和凹面校形。

Description

一种激光冲击波金属板料校形方法及装置

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特别涉及用于金属板料的校形，并且特别适用于大型结构件的校形的激光冲击波金属板料校形方法及装置。

背景技术

金属板料零件的加工和使用过程中，普遍存在着因材料性质、毛坯初始应力状态、加工工艺、零件的几何结构和使用条件等因素的相互作用而产生的变形问题。由于变形控制的研究刚刚起步，短期内还很难将所有工件的制造精度均控制在设计精度范围之内。国内外对板料变形校正问题，尤其是大厚度、高精度板料校形技术的研究较少。

目前金属板料的校形方法主要有热校形、时效应力校形和压力校形。最常见的是热校形和压力校形，热校形缺点是对零件组织有热影响，压力校形与工件表面接触，精度难以控制。

近年来激光冲击加工技术的深入研究为解决校正过程中的部分问题提供了可能。2002年6月，美国加利福尼亚大学的Lawrence Livermore国家重点实验室Hackel等人在美国国家专利中提出了利用激光冲击强化装置对金属板材进行三维弯曲成形的成形原理和精确成形方法，设想了将激光冲击用于板材和杆件的校形，但未对激光冲击开展具体研究。

发明内容

为了克服传统热应力校形对零件组织有热影响，压力校形与工件表面接触，校形精度低的缺点。本发明提供一种激光冲击波金属板料校形方法及装置，直接利用强脉冲激光束(功率密度大于1GW/cm²，)冲击工件表面，使其表层气化电离并形成冲击波，由于金属板料表面水约束层的作用，高压冲击波作用于材料的表面，产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，这使得校形材料表面发生微观塑性变形，产生残余压应力，然后通过多点冲击形成大面积的残余应力区域的分布，并通过应力的释放进行宏观结构的小曲率校形。由激光器发出脉冲激光，由光路***传输到工件表面，在水约束层的作用下，产生冲击波，并使板件内部产生应力分布，进而进行变形的校正，可根据不同厚度的金属板料，合理选择激光脉宽、能量、光斑大小等参数来获得理想的残余压应力分布，达到精确校形的目的。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光冲击波金属板料校形方法，其具体步骤为：

A)把激光条状冲击区域看作为初应力作用的区域，作用效果由加载区域的宽度、应力大小和应力深度三个参数决定，其中应力区域的宽度可以用光斑直径来表示，在模型加载过程中可以假设应力的深度不变，通过应力值大小变化来表示实际激光冲击变形量的大小，在此基础上，使用等效初应力载荷的静态分析方法，把激光冲击工艺参数等效成初应力载荷的大小，建立分析激光冲击作用变形量的有限元模型，可以对板料的激光变形问题进行分析，并且通过试验对模型进行验证，为校形工艺参数的计算奠定基础；

B)通过仿真方法建立等效应力与变形之间的关系，使得等效应力与变形量一一对应；

C)通过试验建立试验参数与变形之间的关系库，即激光参数与变形量之间的一一对应关系；

进而得到试验参数与等效应力的联系；

D)通过ANSYS中进行以等效应力为变量，校形量为计算目标，优化计算校形需要的等效应力和最佳冲击区域分布；

E)根据等效应力与工艺参数的对应关系可得到校形工艺参数，根据校形工艺参数和光斑分布路径，设置激光器参数和二维移动工作台参数，进行校形。

一种激光冲击波金属板料校形装置，包括激光器、反射镜、水约束层、水管、工件、水槽、夹具、二维移动工作台以及计算机，所述工件通过夹具夹持后至于水槽中，水槽连接水管，水在水槽中形成水约束层，水槽设于二维移动工作台上，计算机连接二维移动工作台控制水槽移动，激光器的输出激光束通过反射镜垂直作用于工件的表面。

二维移动工作台带动工件一起移动。短脉冲激光器发出光束经过反射镜后穿过水约束层到达工件表面。计算机通过com口与工装夹具连接，控制工件的移动轨迹。

本发明带来的有益效果是：

1、校形精度高：单次激光冲击，形成的残余应力区域非常微小，几乎不能产生宏观变形，只有通过大量激光冲击才能形成冲击区域，进行板料的宏观校形。所以通过控制脉冲的数量和冲击位置，可以非常精确的控制校形形状。

2、可以实现双向校形：压力校形只能从外往里压，单一方向的变形校正。激光冲击校形通过控制激光冲击的功率密度，可以实现凸面和凹面双向变形校正，即可以“拉”又可以“压”。

3、非接触校形：激光冲击校形在校形过程中，只有激光冲击波跟工件表面作用，属于非接触校形，没有任何残留，便于校形后处理工作简单。

4、可以对难校形材料：激光冲击可以适合于多种材料的校形，适用范围广。

附图简述

图1是激光冲击精密校形装置示意图

图2是激光作用区域的示意图

图3是激光冲击校形示意图一

图4是激光冲击校形示意图二

图5是激光冲击二维校形示意图

图6是激光冲击二维校形示意图

图中标号为：

1-激光器 2-反射镜 3-水约束层

4-水管 5-工件 6-水槽

7-夹具 8-二维移动工作台9-计算机

10-冲击波 11-冲击区

12第一校形后工件13第二校形后工件14第三校形后工件

15-激光束 16-等离子体

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示，为校形工艺参数的计算流程；

如图2所示为激光冲击波金属板料校形装置，其包括激光器1、反射镜2、水约束层3、水管4、工件5、水槽6、夹具7、二维移动工作台8、计算机9。

如图2所示，工件5通过夹具7固定在二维移动工作台8上的水槽6内。打开水流开关，让流水覆盖在激光束辐射位置，并形成8-10mm厚的稳定约束层3。激光束15经反射后直接辐射在流水约束层3上，激光冲击工件表面并形成高温等离子体16，它们膨胀受水约束层3的限制。这样，等离子体16剧烈升温进而剧烈***，产生向校形工件5内部传播的高幅冲击波10，调整激光冲击参数，可形成预定幅值的应力波加载。当冲击波峰压超过金属材料动态屈服强度时，并产微观塑性应变，大量冲击点残余压应力的共同作用下，引起应力的重新分布，从而实现宏观校形。

如图3所示，是激光作用区域的示意图，流水在工件5表面形成水约束层3，激光冲击波10激发等离子体16。流水约束层约束了高温等离子体膨胀，同时防止激光的热损坏。

如图4、图5是激光冲击校形示意图，激光按一定轨迹冲击后形成残余应力区11，待校形工件5经过激光参数的选取，可以形成与激光冲击作用方向相反方向的校形(第一校形后工件12)，也可以形成与激光冲击作用相同方向的变形校正(第二校形后工件13)。

如图6所示是激光冲击二维校形示意图，根据图5设计的冲击区域11进行激光冲击，形成理想的应力分布形态，可以进行复杂形态变形的校正(第三校形后工件14)。

同样通过设计应力区的三维分布，可以进行板料的三维变形校正。更多的校形事例不便胜举，这里仅阐明它的技术方案和部分实例。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims

1.一种激光冲击波金属板料校形方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

A)脉冲激光在水约束层条件下，形成激光冲击波对材料进行冲击加工。把激光条状冲击区域看作为初应力作用的区域，作用效果由加载区域的宽度、应力大小和应力深度三个参数决定，其中应力区域的宽度可以用光斑直径来表示，在模型加载过程中可以假设应力的深度不变，通过应力值大小变化来表示实际激光冲击变形量的大小，在此基础上，使用等效初应力载荷的静态分析方法，把激光冲击工艺参数等效成初应力载荷的大小，建立分析激光冲击作用变形量的有限元模型，可以对板料的激光变形问题进行分析，并且通过试验对模型进行验证，为校形工艺参数的计算奠定基础；

D)得到试验参数与等效应力的联系；

E)在有限元模型中进行以等效应力为变量，校形量为计算目标，优化计算校形需要的等效应力和最佳冲击区域分布；

F)根据等效应力与工艺参数的对应关系可得到校形工艺参数，根据校形工艺参数和光斑分布路径，设置激光器参数和二维移动工作台参数，进行校形。

2.根据权利要求1所述的一种激光冲击波金属板料校形方法，其特征在于，脉冲激光的形成能量密度在1GW/cm²以上，所述约束层采用水约束层，约束层厚8-10mm。

3.一种激光冲击波金属板料校形装置，其特征在于，所述装置包括激光器、反射镜、水约束层、水管、工件、水槽、夹具、二维移动工作台以及计算机；所述工件通过夹具夹持后至于水槽中，所述水槽连接水管，水在水槽中形成水约束层，水槽设于二维移动工作台上，所述计算机连接二维移动工作台控制水槽移动，激光器输出的激光束通过反射镜垂直作用于工件的表面。

4.根据权利要求3所述的一种激光冲击波金属板料校形装置，其特征在于，所述激光器为短脉冲激光器，脉宽1-50ns。

5.根据权利要求3所述的一种激光冲击波金属板料校形装置，其特征在于，所述计算机通过com口与夹具连接。