CN114309260B - 一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纤维金属层板激光弯曲成形技术领域，涉及一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法。本发明采用一种上下层交替扫描激光弯曲成形的方法，针对激光多道扫描弯曲成形中弯折区弹性恢复变形进行校形。基于温度梯度机理的上层金属激光弯曲成形与下层金属预弯曲激光弯曲成形交替进行直至达到目标弯曲角度。使下金属层同上金属层一样发生塑性变形，抑制已成形的弯折区受后续扫描干扰产生的弹性恢复。提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度，降低板材内部残余应力，满足金属层板单曲面技术要求。
Description
技术领域
本发明属于纤维金属层板激光弯曲成形领域，涉及一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法，本发明可应用于所需角度精度高的飞机机身、机翼等单曲面蒙皮激光加热弯曲成形领域中。
背景技术
相较于传统热压罐成形方法，激光弯曲成形可通过控制激光束的扫描路径可使板材产生复合弯曲变形，在加工速度，加工柔性以及成本方面优于热压罐成形方法。但是在纤维金属层板的单曲面激光弯曲成形中，当两条激光扫描路径间距较小时(<15mm)，会产生弯折区弹性恢复变形，即后续扫描对先前扫描弯折区产生影响，使其弯曲变形减小。这种现象将导致在纤维金属层板复杂曲面激光弯曲成形精度难以控制。此外弯曲成形后板材内部过大残余应力也是导致成形后板材使用风险的重要因素。目前研究认为，产生弯折区弹性恢复变形，以及板材内部较大残余应力的主要原因是夹层复合材料以及下层金属的非塑性变形。
文献1“Gisario A,Barletta M.Laser forming of glass laminate aluminiumreinforced epoxy:On the role of mechanical,physical and chemical interactionsin the multi-layers material[J].Optics and Lasers in Engineering,2018,110(NOV.):364-376.”通过实验发现，可通过多道并排激光扫描的方式弯曲纤维金属层板，但对GLARE层板进行并排等距多道扫描时，由于后续扫描对前道弯折区产生影响，相当于回火处理，产生热松弛现象，导致板材整体弯曲角度变小，整体曲率半径增大。但未能给出解决办法。
文献2“Xu L,Li W,Wan M,et al.Laser bending process of preloaded sheetmetal[J].Matec Web of Conferences,2015,21.”提出通过夹具使金属板材产生弹性预弯曲，然后用激光束扫描板材的弹性应变能集中区域的方式来提高成形精度高、避免塑性不稳定性。但是该方法需要先采用夹具对板材进行预弯曲，采用此方法对纤维金属层板成形，容易在预弯曲阶段导致其发生分层失效。
发明内容
针对由于纤维金属层板材料与结构特点导致激光弯曲成形后下层金属非塑性变形，进而影响复杂曲面成形精度及板材使用风险的问题，本发明提供一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法，具体步骤如下：
步骤一：基于温度梯度机理的上层金属激光弯曲成形：将纤维金属层板1的一端用夹具2夹持，置于激光加工机的工作台上。根据温度梯度机理仅作用于纤维金属层板1的上金属层4设置激光参数，激光功率P1为20W-35W，光斑直径D1为2.5mm-3mm，激光频率为40-50Hz，脉冲宽度为2-5ms，辅助气体为惰性气体且气体压力为0.1MPa～0.5Mpa，在加工过程中，光斑直径、气体压力、脉冲宽度、激光频率不变，扫描速度V1为800-1200mm/min，扫描次数N1为1次，面能量密度
为0.5-1J/mm2。为避免板材分层失效，扫描线距板材边缘距离L1≥15mm。沿设定好的扫描线S1，在上金属层4表面上移动进行激光扫描加工。
步骤二：下层金属预弯曲激光弯曲成形：当步骤一弯曲变形后，将板材翻转180°，用夹具2装夹；在原有激光参数的基础上设置激光功率P2为20W-30W，光斑直径D2为4.5mm-5mm，扫描速度V2为800-1000mm/min，扫描次数N2为1次，面能量密度
为0.2-0.4J/mm2。沿设定好的扫描线S1’，在下金属层6表面上进行激光扫描。注意确保步骤一与步骤二面能量密度之比E1/E2为1.8-2.2，过高容易导致下层金属塑性变形不完全，过低容易导致下层金属预弯曲激光弯曲成形产生不必要的变形。
步骤三：重复交替进行步骤一和步骤二，加工工程中需调整激光功率、激光扫描速度、扫描次数以使得扫描路径S1与S1’所在弯折区的弯曲角度达到单道目标弯曲角度θ。
步骤四：重复步骤一、步骤二和步骤三对下一路径S2与S2’进行激光扫描，为避免板材分层失效，保证各路径之间的扫描间距d≥5mm，直至完成所有路径的加工。
所述纤维金属层板1厚度为1-2mm。
本发明的有益效果是：
本发明采用上下层交替扫描激光弯曲成形的方法对弯折区弹性恢复变形进行校形。首先基于温度梯度机理对上层金属进行一次激光扫描，使板材产生朝向激光束弯曲变形，此时下层金属为弹性变形，并受上层金属约束处于预弯曲状态。然后将板材翻转180°，采用能量密度低的激光束对弯折区下层金属进行一次激光扫描，并确保上下层输入的激光面能量密度之比在1.8-2.2之间，使下层金属产生塑性变形，并将二者交替进行直至达到目标弯曲角度。
本发明的激光弯曲方法，将减小板材内部残余应力，抑制多道扫描激光弯曲成形中后续扫描对前道扫描产生的干扰，整体累积回弹变形降低80％以上，提高纤维金属层板单曲面的激光弯曲成形精度。
附图说明
图1为实例2中基于温度梯度机理的上层金属激光弯曲成形加工过程示意图。
图2为实例1中完成所有路径加工后板材理论弯曲状态与实际弯曲状态示意图。
图3为实例2中下层金属预弯曲激光弯曲成形加工过程示意图。
图4为实例1中加工路径示意图。
图5为实例2中上下层交替扫描激光弯曲成形的方法加工路径示意图。
图6为实例2中上下层交替扫描激光弯曲成形的方法完成所有路径加工后板材弯曲状态示意图。
图中：1纤维金属层板；2夹具；3激光束；4上金属层；5复材层；6下金属层；S1、S2、S3、S4上金属层表面扫描线；S1’、S2’、S3’、S4’下金属层表面扫描线；θ单道目标弯曲角度；L1扫描线距板材边缘距离；d扫描间距；αExpected理论累积弯曲角度；αexperimental实际累积弯曲角度。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明采用一种上下层交替扫描激光弯曲成形的方法，其原理特征为：如图1所示，首先基于温度梯度机理的对纤维金属层板1的上金属层4进行激光弯曲成形，当激光束3扫描上金属层4时，在上金属层4产生较大温度梯度，进而使上金属层4产生弯曲力矩带动复材层5与下金属层6朝向激光方向弯曲。由于上金属层4在激光扫描作用下整体温度较高，屈服极限较低，产生了较大塑性变形。但复材层5与下金属层6为非塑性变形。因此纤维金属层板与整体金属材料相比，在激光弯曲成形后内部存在较大残余应力。当对下一条路径进行扫描，且两条路径间距d较小(<15mm)，后续扫描将使板料上层金属屈服强度降低，进而复材层5与下金属层6发生弹性恢复导致变形减小，如图2所示。因此本发明在基于温度梯度机理的对上金属层进行激光弯曲成形后采用能量密度低的激光束沿弯折区扫描下金属层6，如图3所示。下金属层6温度瞬间加热到高温状态，屈服强度迅速较低，由弹性弯曲转化为永久的塑性弯曲，释放了板材中储存的残余拉应力，后续路径扫描时不再发生弹性恢复，因此抑制了后续扫描对本次扫描弯折区产生的干扰。
可用于弯曲成形的纤维金属层板材料有多种组合形式，例如，玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)、碳纤维增强铝合金层板(CARALL)、石墨纤维增强钛合金层板(TIGR)等，铺层方式也有多种形式，可以是2/1铺层，也可以是3/2铺层等。
实施例：玻璃纤维增强铝合金层板多道并排等距单曲面激光扫描成形。
实例1、未校形样件制作(对比例)：
①纤维金属层板1的材质为玻璃纤维增强铝合金层板，种类为GLARE 4B-2/3，利用磨料水射流加工平台将板材加工为厚为1mm厚、25mm宽、60mm长的矩形样件。扫描路径为如图所示，扫描道数N＝4，单道目标弯曲角度θ＝3°，扫描间距d＝6mm。为了增加光吸收率，在上金属层扫描线S1、S2、S3、S4位置用炭黑处理，为避免板材分层，扫描线距板材边缘距离L1≥15mm，本实施例L1＝16mm。
②将纤维金属层板1的一端用夹具2夹持，置于激光加工机的工作台上。沿设定好的上金属层扫描线S1，在上金属层4表面上移动进行激光扫描加工。为使得板材加工时激光光源稳定，预留一段空走距离，边缘外点距板材3mm。设置激光频率为40Hz，脉冲宽度为2ms，光斑直径为2.5mm，激光功率为20W-35W，扫描速度为800-1200mm/min，每次扫描弯曲角度约为0.3-0.5°，扫描6-10次，每单次激光扫后描停顿时间为10s，加工工程中需调整激光功率、激光扫描速度、扫描次数以使得扫描路径S1弯曲角度达到单道目标弯曲角度θ＝3°。
③按照扫描路径S1加工方式，顺次完成路径S2、S3、S4的加工，如图所示。理论累积弯曲角度αExpected＝N×θ＝12°。加工完成后采用三坐标测量机测量实际累积弯曲角度αexperimental＝9.05°，累积回弹变形为2.95°，不满足加工精度。
实例2、校形样件制作：
①纤维金属层板2的材质为玻璃纤维增强铝合金层板，种类为GLARE 4B-2/3，利用磨料水射流加工平台将板材加工为厚为1mm厚、25mm宽、60mm长的矩形样件。上金属层表面扫描路径为如图4所示，扫描道数N＝4，单道弯曲角度θ＝3°，扫描间距P＝6mm。下金属层表面扫描路径为如图5所示，位于上金属层表面扫描路径正下方，与其一一对应。为了增加光吸收率，在上金属层扫描线S1、S2、S3、S4，下金属层扫描线S1’、S2’、S3’、S4’位置用炭黑处理，为避免板材分层，扫描线距板材边缘距离L1≥15mm，本例L1＝16mm。
②基于温度梯度机理的上层金属激光弯曲成形：将纤维金属层板1的一端用夹具2夹持，置于激光加工机的工作台上。沿设定好的上金属层扫描线S1，在上金属层4表面上移动进行激光扫描加工。为使得板材加工时激光光源稳定，预留一段空走距离，边缘外点距板材3mm。设置激光功率为20W-35W，频率为40Hz，脉冲宽度为2ms，光斑直径为2.5-3mm，扫描速度为800-1200mm/min，扫描次数为1次，面能量密度
为0.5-1J/mm2，弯曲角度约为0.3-0.5°。
③下层金属预弯曲激光弯曲成形：将夹具2同板材一起翻转180°，沿设定好的下金属层扫描线S1’，在下金属层6表面上移动进行激光扫描加工。为使得板材加工时激光光源稳定，预留一段空走距离，边缘外点距板材3mm。在原有激光参数的基础上降低面能量密度E。设置激光功率为20W-25W，光斑直径为4.5mm-5mm，扫描速度为800-1000mm/min，扫描次数为1次，面能量密度
为0.2-0.4J/mm2。沿扫描线4产生的弯折区，在下金属层6表面上进行激光扫描，面能量密度之比E1/E2为1.8-2.2。
④重复交替进行步骤一，步骤二6-10次，加工工程中需调整激光功率、激光扫描速度、扫描次数以使得扫描路径S1与S1’所在弯折区的弯曲角度达到单道目标弯曲角度θ＝3°。
⑤按照扫描路径S1、S1’加工方式，顺次完成路径S2、S2’、S3、S3’、S4、S4’的加工，如图6所示。理论累积弯曲角度αExpected＝N×θ＝12°。加工完成后用采用德国蔡司公司生产的Prismo navigator型号的三坐标测量机测量实际累积弯曲角度αexperimental＝11.84°，累积回弹变形为0.16°。
与未校形层板相比，抑制了已成形弯折区受后续扫描的干扰，整体累积回弹变形减小了94.58％，提高了单曲面的激光弯曲成形精度，同时降低了板材内部残余应力。
Claims (2)
1.一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：基于温度梯度机理的上层金属激光弯曲成形：将纤维金属层板（ 1） 的一端用夹具（ 2） 夹持，置于激光加工机的工作台上；根据温度梯度机理仅作用于纤维金属层板（1） 的上金属层（ 4） 设置激光参数，激光功率P1为20W-35W，光斑直径D1为2.5mm-3mm，激光频率为40-50Hz，脉冲宽度为2-5ms，辅助气体为惰性气体且气体压力为0.1MPa～0.5Mpa，在加工过程中，光斑直径、气体压力、脉冲宽度、激光频率不变，扫描速度V1为800-1200mm/min，扫描次数N1为1次，面能量密度
为0.5-1J/mm2；为避免板材分层失效，扫描线距板材边缘距离L1≥15mm；沿设定好的扫描线S1，在上金属层（ 4） 表面上移动进行激光扫描加工；
步骤二：下层金属预弯曲激光弯曲成形：当步骤一弯曲变形后，将板材翻转180°，用夹具（ 2） 装夹；在原有激光参数的基础上设置激光功率P2为20W-30W，光斑直径D2为4.5mm-5mm，扫描速度V2为800-1000mm/min，扫描次数N2为1次，面能量密度
为0.2-0.4J/mm2；沿设定好的扫描线S1’，在下金属层（ 6） 表面上进行激光扫描；且步骤一与步骤二的面能量密度之比E1/E2为1.8-2.2；
步骤三：重复交替进行步骤一和步骤二，加工工程中调整激光功率、激光扫描速度、扫描次数以使得扫描路径S1与S1’所在弯折区的弯曲角度达到单道目标弯曲角度θ；
步骤四：重复步骤一、步骤二和步骤三对下一路径S2与S2’进行激光扫描，为避免板材分层失效，保证各路径之间的扫描间距d≥5mm，直至完成所有路径的加工。
2.根据权利要求1所述的一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法，其特征在于；所述纤维金属层板（ 1） 厚度为1-2mm。
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