激光彎曲成形

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1、目錄目 錄1摘 要2Abstract 21 引言32 鈦及鈦合金 TC4 概述 33 激光彎曲成形技術43.1 激光彎曲成形基本原理43.2 激光彎曲成形過程53.3 激光彎曲成形特點53.4 激光彎曲成形機理63.5 激光彎曲成形的影響因素94 研究進展134.1 國外研究進展134.2 國內研究進展135 小結14參考文獻15TC4 鈦合金板料激光彎曲成形工藝研究摘要TC4 鈦合金在室溫下塑性差，冷成形困難，雖然可采用加熱成形技術，但 加工周期長、成本高。將激光成形技術用于鈦合金板料成形，可充分發揮該技術 的獨特優勢，在航空航天領域新品的研制中發揮重要作用。本文介紹了激光彎曲 成形的基本原

2、理，分析了激光功率、光斑直徑、掃描速度、掃描次數以及能量密 度等影響因素對板料激光彎曲角度的影響，在其它參數一定的情況下，彎曲角度 隨著激光功率的增加先增大后減小，隨著掃描速度、光斑直徑的增大而減??；彎 曲角度隨著掃描次數和能量密度的增加而增大。關鍵詞：TC4鈦合金；激光彎曲；成形機理；影響因素；The Research on the Laser Forming ofTitanium Alloy Sheet MetalAbstractTitanium alloy is difficult to forming at room temperature, although the heat for

3、ming technology can be used, but the processing time and cost are very high. Making full use of its unique advantages, the laser forming technology for titanium alloy sheet metal plays an important role in aerospace research and development of new products. In this paper, the forming mechanism was g

4、iven out, and the influence of laser power, spot diameter, scan speed, number of scan and energy density on the bending of sheet metal was analyzed. The results showed that the bending angle increased first and decreased afterwards with the increasing laser power, decreased with the increasing spot

5、diameter and scan speed, increased with the increasing number of scan and energy density if others factors remain unchanged.KeyWords: Titanium alloy, laser forming, forming mechanism, influence factor1 引言金屬板料成形作為薄板直接投入消費前的主要深加工方法，已在整個國民經 濟中占有十分重要的地位，廣泛應用于航空航天、船舶工業、汽車覆蓋件、家電 等生產行業。傳統的金屬板料加工方法主要用模具在壓力機

6、上進行冷沖壓成形， 其生產效率高，適用于大批量生產。隨著市場競爭的日趨激烈，產品的更新換代 速度日益迅速，原有的采用模具加工的技術就表現出生產準備時間長，加工柔性 差，模具費用大，制造成本高等缺陷，且模具冷沖壓成形僅適用于低碳鋼、鋁合 金以及銅等塑性較好的材料，其適用范圍有限。為此國內外許多學者致力于板料 塑性成形新技術的研究，實現金屬板料的快速高效、柔性沖壓和無模成形，以適 應現代制造業產品快速更新的市場需要1。隨著激光技術的發展，特別是大功率工業激光器制造技術的日益成熟，激光 作為一種“萬能”工具，已應用于材料的切割、焊接、彎曲變形和表面改性處理 等領域2，其中板料激光彎曲成形技術已較為成

7、熟，廣泛應用于各種碳鋼、不銹 鋼、合金有色金屬以及金屬基復合材料的彎曲成形，替代了部分零件的沖壓工業。激光彎曲成形是一種新興的塑性加工方法，具有高效、柔性、潔凈等特點。 它是基于材料的熱脹冷縮特性，利用高能激光束掃描金屬板料表面時形成的非均 勻溫度場導致的熱應力來實現塑性變形的工藝方法。與傳統的金屬成形工藝相 比，它不需模具、不需外力，僅僅通過優化激光加工工藝、精確控制熱作用區內 的溫度分布，從而獲得合理的熱應力分布，使板料最終實現無模成形。激光束的 大小和能量精確可控，特別適用于冷加工難以成形的硬且脆，或剛性大的材料， 比如陶瓷、鈦合金等。2 鈦及鈦合金 TC4 概述鈦的資源豐富，它在地殼中

8、的含量為 0.56%，總蘊藏量約為 7.6 億噸，在構 成地殼的元素中列第 9 位。它是 20世紀 50 年代發展起來的一種重要金屬，密度 小，比強度高和耐腐蝕性好。目前，鈦及其合金主要用于航空航天和軍事工業上。 據統計，鈦在航空航天上的應用約占鈦總產量的 70%左右，包括軍用飛機、民用 飛機、航空發動機、航天器、人造衛星殼體連結座、高強螺栓、燃料箱、導彈尾 翼、彈頭殼體等。因此鈦及鈦合金一直是航空航天工業的“脊柱”之一。近年來， 鈦在石油、化工、冶金、生物醫學和體育用品等領域開始得到應用，并己成為新 工藝、新技術、新設備不可缺少的金屬材料，鈦工業進入一個新的發展時期3。鈦合金按其退火組織分為

9、a鈦合金、P鈦合金、a+p鈦合金。鈦合金TC4的 成分名為Ti-6A1-4V,屬a+p型鈦合金，該合金是美國水城兵工廠于1954年研制 成功的，可用于生產大規格航空零件。該鈦合金在中國的牌號是TC4,美國的牌 號為Ti-6A1-4V,俄羅斯的牌號為BT6,日本的牌號為ST-A410。TC4屬于中等 強度耐熱性鈦合金，其化學主要組成成分如表1所示，室溫下力學性能參數如表 2 所示4 。表 1 TC4 鈦合金化學主要組成成分成分TiAlVFeCNHO其它含量余量5. 5-6. 83. 5-4. 5W0. 3W0. 1W0. 05W0. 015W0. 20 W0. 4表2 TC4鈦合金室溫下力學性能

10、參數抗拉強度b/MPa 屈服強度o/MPa 延伸率企/%收縮率屮/%硬度值/HV9028241030340鈦合金在室溫下塑性差,冷成形困難,雖然可采用加熱成形技術,但加工周 期時間長、成本高。目前我國主要用鈦合金成形飛機、衛星、導彈及火箭上的零 件,其中成形簡單的直線折彎件及平板曲線彎邊件所占比例重。由于批量小,采 用原來的加熱輔助成形技術需要制作大量的耐高溫模具,且零件的成形尺寸受到 加熱爐的限制。為了降低成本、簡化工藝條件、縮短零件制作周期、加快新型號 產品的研制,將激光成形技術用于鈦合金板料成形,可充分發揮該技術的獨特優 勢,在航空航天領域新品的研制中發揮重要作用5。3 激光彎曲成形技術

11、3.1 激光彎曲成形基本原理圖 1 激光彎曲成形的裝置示意圖板材激光彎曲成形是近年來出現的一種板材柔性成形方法,究其根源,可以 追溯到上百年前的火工矯形。它的基本原理是：在基于材料的熱脹冷縮特性上, 利用高能激光束掃描金屬板材表面,通過對金屬板材表面的不均勻加熱,照射區 域內厚度方向上會產生強烈的溫度梯度,從而引起非均勻分布的熱應力6。當這 一熱應力超過了材料相應溫度條件下的屈服極限,就會使板材產生所需要的彎曲 變形，激光彎曲成形的裝置示意圖如圖1 所示7。激光彎曲成形實際上就是這樣 一種基于材料的熱脹冷縮特性、用熱應力代替機械載荷的板料無模成形技術。3.2 激光彎曲成形過程待成形板料的表面受

12、到高度聚焦的激光束照射，當光束以確定的速度沿預定 的軌跡掃描時，被照射的各部位依次經歷加熱和冷卻兩個階段，在其內部產生相 應的應力，從而產生塑性變形，加熱階段產生反向彎曲，冷卻階段將產生正向彎 曲，正反向彎曲變形的角度差即為激光束一次掃描所形成的角度8。(1)加熱階段 板料上表面受到能量密度很高的激光束照射，使得被照射部位的溫度在極短 時間內急劇上升；而遠離上表面處的材料由于沒有受到照射，其溫度在這一短暫 的時間內沒有明顯的變化，從而使被照射部位沿板厚方向形成較大的溫度梯度。 由于上表面處材料的溫度很高，故其熱膨脹量大而屈服極限低，因而在此不均勻 溫度場產生的壓應力的作用下，該處產生較大的塑性

13、變形，形成材料堆積。下表 面材料的溫度低，屈服極限高，基本不產生或只產生很小的壓縮塑性變形，板料(2)冷卻階段激光束離開后，原來被照射的部位通過熱傳導進行自然散熱冷卻，或者在滯 后于光斑某距離處用水流或氣流沿照射軌跡加快冷卻速度。當激光束離開后，上 表面處于高溫區材料的熱量迅速向其它各方向傳導，以達到熱平衡狀態。此過程 中，上表面附近材料的溫度很快降低而下表面處的溫度還要繼續升高一段時間。 反映在變形上，上表面的材料已開始冷縮時，下表面處的材料還要繼續熱脹。板 料下表面材料的膨脹量遠遠大于上表面，板料將產生正向彎曲，如圖 3 所示9。3.3 激光彎曲成形特點激光彎曲成形技術是通過各項參數的優化

14、來精確控制板料的彎曲程度，它具 有傳統的塑性成形方法無可比擬的優點1。1）采用激光源作為成形工具，無需任何形式的外力，因其是一種僅靠熱應 力而不用模具使板料變形的塑性加工方法，屬于無外力成形。2）屬于無模成形，生產周期短，柔性大，可不受加工環境限制，通過優化 激光加工工藝參數，精確控制熱作用區域以及熱應力的分布，將板料無模成形。 因不受模具限制，可容易的復合成形和制作各類異形件，克服了傳統的模具彎曲 所帶來的成本高和生產周期長的缺點。3）加工過程中無外力接觸，不存在模具制作、磨損和潤滑等問題，也不存 在貼膜、回彈現象，成形精度高，適用于精密儀器的制造。4）激光彎曲屬于熱態累積成形，總的變形量由

15、激光束的多次掃描累積而成， 這就使得一些硬而脆的難變形材料（比如鈦合金、陶瓷、鑄鐵等）的塑性加工易 于進行，可用于許多特種合金和鑄鐵件的彎曲變形。5）對激光模式無特殊要求，易于實現成形、切割、焊接等激光加工工的復 合化，特別適用于大型單件及小批量生產。6）可使板料通過復合成形得到形狀復雜的異形件（如球形件、錐形件和拋 物形件等）。7）成型過程無噪聲、無污染，屬于清潔、綠色制造范疇，被加工材料消耗 少、參數精度控制和高度自動化等特性。3.4 激光彎曲成形機理板料激光彎曲成形是溫度、組織轉變、應力三方面相互作用的復雜過程。由 于材料熱物理性能的差異以及所采用的工藝參數的不同，都會導致不同的變形機

16、理，有時往往會是幾種機理的混合作用。國內外學者對激光彎曲成形機理進行了大量的分析研究，提出了三種主要的 成形機理，即溫度梯度機理（Temperature gradient Mechanism）、屈曲機理（Buckling Mechanism）和增厚機理（Upsetting Mechanism）10。3.4.1溫度梯度機理（TGM）溫度梯度機理如圖4所示，當激光功率較高，光斑直徑較小的激光束照射工 件表面，并沿一定的掃描路徑進行快速掃描時，被激光直接照射的上表面溫度瞬 間急速上升，而未被直接照射的下表面由于熱傳導時間短，溫度較低，此時在加 熱區厚度方向上產生了很大的溫度梯度。這樣便造成上表面熱膨

17、脹變形遠遠大于 下表面，從而使板料繞掃描線產生背向激光束的反向彎曲，此時熱膨脹區域的變 形將受到周圍冷態材料的約束，并且隨著材料溫度的升高，加熱區材料的屈服強 度不斷下降，當由于熱膨脹受約束而產生的壓應力達到該溫度下材料的屈服強度 時，材料便發生塑性壓縮變形。在加熱階段，上表面材料溫度高熱膨脹大，受到 的約束應力也越大，同時溫度較高造成屈服強度下降多，因而產生較大的塑性壓 縮變形，導致板料上表面出現材料的堆積。冷卻階段，上表面材料溫度降低，體 積開始收縮，但屈服強度升高，使加熱受壓時產生的材料堆積不能復原。同時， 下表面則因熱傳導升溫而開始膨脹，材料屈服強度降低而易于變形，使板料繞掃 描線產生

18、面向激光束的正向彎曲。正反向彎曲變形的角度差，便是激光掃描一次 形成的彎曲角。如果激光束的掃描沿同一路徑反復進行，則可得到任意角度的彎 曲件。3.4.2 屈曲機理（ BM）屈曲機理如圖 5 所示，當激光束的光斑直徑較大、功率較高、板料較薄、熱 傳導率較高時，板料正面首先被加熱，受熱材料先于背面發生膨脹，使板料產生 較小的反向彎曲變形。而在加熱區域內，厚度方向的溫度梯度很小，周圍冷態材 料的約束使加熱區產生很大的壓應力，同時，由于溫度的升高引起材料屈服應力 大大降低，結果導致加熱區材料發生屈曲。由于屈曲發生前工件存在較小的反向彎曲，使下表面壓應力稍大于上表面，因此屈曲區中心下表面材料首先發生塑性

19、 壓縮變形。反向屈曲變形的產生使上表面受到很大的拉應力，因而產生塑性拉伸 變形。隨著激光掃描的繼續，掃描路徑上其他材料陸續發生屈曲變形11。冷卻時， 雖然上下面都產生橫向收縮，但下表面最終的橫向收縮量仍大于上表面，最終得 到繞掃描線的反向彎曲變形。(卻 Initial h聲Hug(g Bulging圖 5 屈曲機理3.4.3增厚機理（UM）增厚機理如圖 6 所示，當激光束光斑直徑接近于材料厚度，掃描速度較小， 材料的熱傳導系數較大，同時板料不易發生屈曲變形，如厚板或剛性零部件等， 可能發生增厚變形。板料在加熱區域厚度方向溫度梯度很小，材料在光斑周圍的 溫度主要表現在平面方向。此時，由于加熱區材

20、料的熱膨脹受到周圍冷態材料的 阻礙而形成較高的內部壓應力，致使材料產生堆積。冷卻過程中，材料堆積不能 完全復原，從而產生板厚方向的正應變，被加熱板料縮短，發生墩粗增厚。增厚 的大小取決于材料的熱膨脹系數和激光加工參數。th 右 rm(a) Heating(b) CoDliingFinal slwpeInitial shape圖 6 增厚機理3.4.4 三種機理的應用范圍國外有學者曾指出用激光熱影響區直徑與板料厚度的比值D/t的大小來區分 三種機理12,當D/t小于1時，采用增厚機理；當D/t大于1時，采用溫度梯度 機理；當D/t大于10時，采用屈曲機理。從工藝參數上來說，當采用的激光功率高、光

21、斑直徑小、掃描速度快時，溫度梯度機理占主導地位；當采用的激光光 斑直徑較大、掃描速度慢，掃描較薄的板料時，屈曲機理將占主導地位；當采用 的激光光斑直徑小、掃描速度慢，掃描較厚板料時，增厚機理將占主導地位。從 成形結果上來說，基于溫度梯度機理的彎曲成形只能得到板料的正向彎曲，而基 于屈曲機理的彎曲成形，可以獲得板料的正向彎曲或反向彎曲，增厚機理則可以 實現板料局部的增厚和管材彎曲。在不同的工藝參數組合下，激光彎曲成形的機理有所不同，從而可得到不同 的成形效果。表 3 比較了三種激光彎曲成形機理13。表 3 三種激光彎曲成形機理的比較成形機理溫度梯度機理屈曲機理增厚機理工藝參數光斑直徑與板厚相似掃

22、描速度高光斑直徑板厚掃描速度低光斑直徑和板厚相似掃描速度低不易發生屈曲成形效率成形效果1215幾微米可控性好但效率低效率高但可控性差增厚大小取決于材料的熱膨脹系數和激光加工參數3.5 激光彎曲成形的影響因素圖 7 影響激光彎曲成形的主要因素影響激光彎曲成形的主要因素如圖 7 所示14，分類有：1）激光工藝參數，主要包括激光功率、掃描速度、光斑直徑、掃描路徑、 掃描次數、材料對激光的吸收系數等。2）材料的性質，分為熱物理性能和力學性能，包括材料的熱膨脹系數、比 熱容、熱擴散系數、密度、熔點、彈性模量、屈服應力、硬化指數、泊松比等3）板料的幾何參數，主要是板料的寬度和厚度。由于激光彎曲成形過程受許

23、多因素影響，當材料確定之后，激光參數的選擇 對板料成形的效果起著決定性的作用。本文主要討論激光的加工參數對成形彎曲 角度的影響。3.5.1 激光功率的影響 在其它參數一定的情況下，彎曲角度隨著激光掃描功率的增加而增大，這是 因為隨著功率的增加，激光作用的能量也隨之增加。實質上，增加功率就是增加 了單位面積內的能量密度，板料所吸收的能量也較高，導致板料上表面的加熱區 溫度大幅度增加，而下表面的溫度影響不大，由此產生了板料厚度方向上溫度梯 度增加，從而導致了局部的熱應力增大，從而引起的彎曲力矩也隨之增加，最終 導致了彎曲角度的增大。但是掃描功率并不是可以無限增大，隨著激光功率繼續 增加，照射部位的

24、熱影響區變大，從而使板料沿厚度方向的溫度梯度減少，所以 彎曲角度逐漸變小。當激光功率增加到一定時，會對板料表面有燒灼的痕跡。如果繼續增加功率， 就轉變成為激光焊接或切割，導致彎曲工藝失敗。3.5.2 掃描速度的影響 在其它參數一定的情況下，隨著掃描速度的增大，彎曲角度反而變小，這是 因為隨著激光掃描速度的增大，光束在板料表面被照射區內的停留時間減小，板 料被照射的區域在單位時間內獲取的能量減少，導致板料厚度方向上溫度梯度減 小，板料的最終彎曲變形角度隨之減小。掃描速度繼續增大，被照射處板料塑性變形更小，相對而言，板料的約束較 大，加熱階段產生的塑性變形在冷卻階段得不到恢復，從而產生了背向激光束

25、的 彎曲，彎曲角度變小甚至是反向彎曲。3.5.3 掃描次數的影響 由于一次激光掃描所能獲得的彎曲角度較小，在實際的彎曲成形中，工件的 最終變形通常由數次掃描累積而成。隨著掃描次數的增加，彎曲角度不斷增大， 但分析不同功率下彎曲角度變化量隨掃描次數變化的規律曲線，發現彎曲角度并 不是隨著掃描次數的增加呈線性增加。排除測量誤差對實驗數據的影響，起始掃 描時，彎曲角度變化很大，當掃描次數增加時，其彎曲角度的變化量呈縮小趨勢。 這是因為剛開始板料局部被照射，熱影響區范圍較小，上表面吸收的能量來不及 傳導到下表面，因而厚度方向上產生較大的溫度梯度，塑性變形程度較大，彎曲 變形的角度增量較大；隨著掃描次數

26、的增加，一方面整個板料由于熱傳導作用都 會受熱升溫，溫度梯度變小，彎曲變形減??；另一方面掃描次數的增加直接導致 板料增厚現象明顯，截面模量也隨之增加，彎曲阻力增大，因而彎曲變形的角度 增量也隨之減小。3.5.4 光斑直徑的影響如圖 8 所示，板料彎曲處曲率半徑的幾何模型，板料彎曲時，彎曲處的曲率 半徑為r,光斑直徑為D,彎曲中性位置弧長為1,對應彎曲角度為a,建立如下 幾何關系：1=axr，光斑直徑越大，對應彎曲部分的弧長也大，在彎曲成形相同 的角度時,形成的曲率半徑也隨之增大。圖 8 板料彎曲處曲率半徑幾何模型國外研究表明,曲率半徑隨著光斑直徑的增大而增大,如圖9所示曲率半徑 隨光斑直徑變化

27、的規律曲線,光斑直徑增大,板料受熱影響區面積增大,板料呈 現出曲面彎曲,彎曲曲率半徑變大15。同時考慮到光斑直徑對能量密度的影響,這里存在一個較合理的光斑直徑, 既保證了曲率半徑的要求,又能滿足激光彎曲所需的能量密度和效率。mm2823456 mmbeam diameter圖 9 曲率半徑隨光斑直徑變化的規律曲線Ijending angle：-a graphite coailns abnormal absorption3.5.5 能量密度的影響由于激光彎曲成形同時受到激光功率、掃描速度、光斑直徑的影響，為了研 究加工參數的影響，可以將激光功率P、掃描速度v和光斑直徑D等工藝參數耦 合成能量密度

28、I(=P/vD),考慮其耦合作用對板料激光彎曲變形的影響，彎曲角度 將隨著能量密度的增加而增大。研究發現，使板料發生明顯彎曲的能量密度存在 一個閥值，不同材料對應的閥值也不同。當I增大到閥值以上時，彎曲效果較為 明顯，但能量密度過高時，導致板料表面有燒痕。3.5.6 掃描策略的影響激光成形不僅可以成形由平面V形彎曲構成的三維形狀，合理地控制激光 的掃描策略，可以成形復雜的曲面。掃描策略包括掃描的路徑、掃描間距 L 和 掃描時間間隔。掃描路徑決定了熱輸入在板料上產生的溫度場分布，不同的掃描路徑將會得 到不同的溫度場分布，產生的彎曲變形也不同。直線掃描得到的是V型彎曲， 圓形線掃描可以得到球冠型的

29、曲面。掃描間距的大小決定了板料彎曲變形后的幾何形狀，因為激光彎曲成形時， 存在熱影響區，熱影響區內的板料將發生塑性變形，我們把這個區域定義為變形 區，它是以激光的掃描路徑為中心的帶狀區域。顯然，當掃描間距L大于變形 區時，兩次掃描路線之間有一段板料沒有發生變形，保持板料原有的平面，而在 變形區形成了棱邊。當掃描間距L小于變形區時，兩次掃描的變形區相互影響、 相互疊加形成了光滑的曲面，曲面半徑取決于L和光斑直徑的大小，彎曲角度 是每次掃描彎曲角度的簡單疊加16。頁mpjID-duradL 一云匚ID8圖 10 掃描時間間隔對彎曲角度的影響掃描時間間隔是指一次掃描完成后到下次掃描之間的間隔時間，圖

30、 10 顯示 了掃描時間間隔對彎曲角度的影響17。彎曲角度隨著掃描時間間隔的增加先增 大后減小，這是因為在這段間隔時間里，熱影響區將有一個冷卻的過程，掃描時 間間隔短，板料在一次掃描后來不及冷卻緊接著接受二次掃描，板料整體溫度較 高，彎曲變形更加容易；掃描時間間隔長，隨著熱傳導和冷卻的作用，板料上下 表面溫度梯度明顯下降，彎曲變形小。但過短的掃描間隔時間相當于對板料表面 進行了回火處理，會降低板料的表面硬度。4 研究進展4.1 國外研究進展日本學者Y.Namba在對板料激光熱應力彎曲成形初步實驗和研究的基礎上， 首次提出利用激光彎曲成形技術，將空間站的卷狀外殼展成圓筒倉體的設想18， Y.Na

31、mba的大膽的構想使人們認識到激光彎曲成形的廣泛應用前景，開始對該技 術進行了系統的研究。Y.Namba發表了另一篇關于金屬和合金板料激光彎曲成形 研究的論文，進行了一般的實驗性的研究19。德國學者M.Geiger和麻省理工K.Masubuchi對激光成形的研究涵蓋了激光 彎曲的變形機理、成形過程的數值模擬以及該技術的應用領域與前景分析等，同 時將激光成形與其他激光加工工藝進行了復合化嘗試20。T.Hennige對激光彎曲成形過程進行計算機閉環控制，提高了成形精度，同 時介紹了三維激光成形的工藝策略21。P.J.Cheng與An.K.Kyrsanidi分別介紹了激光成形中溫度場及變形量的分析

32、模型22-24，利用人工神經網絡預測了板料彎曲角度25。據國際互聯網上的最新消息，英國Dunder大學的GThomson和M.Pridham 完成了汽車門的成形，并已用于工業生產，代表了該領域應用研究的較高水平。4.2 國內研究進展國內首次發布了 Frackiewicz利用激光彎曲金屬板的消息，隨后燕山大學的 李緯民撰文對激光彎曲成形技術進行了簡要介紹26。1994年起，季忠對激光彎曲成形的實施技術、理論模型、數值模擬等方面進行了系統的研究，并在其博士學位論文中，詳細介紹了根據人工智能理論所建 立的技術參數與板料彎曲角度之間關系的人工神經網絡仿真系統27。1998年，李緯民采用板殼元討論了板料

33、厚度對成形的影響規律，提出了最 小彎曲半徑的概念8。1999年，北京航空航天大學的王秀鳳通過實驗方法，研究了工藝參數、板 料幾何尺寸和板料受的幾何約束等對不銹鋼、Q235以及鈦合金板料的激光彎曲 成形的影響規律28。2001年，華中科技大學的劉順洪等人采用大功率二氧化碳軸快流激光器進 行了低碳鋼板的三維激光成形的規律研究。討論了不同幾何形狀的板料激光彎曲 與時間、溫度之間的關系，研究了不同激光掃描路徑和順序對球冠成形的影響， 結果表明原始工件形狀和掃描引起截面慣性矩的變化對三維激光彎曲成形有很 大影響29。2002 年，季忠進一步公布了包括材料性能參數對成形規律的影響、用隱式 有限元和動態顯式

34、有限元進行成形過程仿真，以及基于遺傳算法的板料激光成形 工藝優化等研究結果30,31。2003 年，王秀鳳用數值模擬的方法研究了薄板激光彎曲的溫度場，通過溫 度傳感器測量與激光掃描線相對應的薄板下表面溫度變化的規律來驗證數值模 擬的結果。模擬值與實測值基本吻合，表明數值模擬結果可作為激光加工工藝參 數選擇的依據32。2009 年，王秀鳳等人研究了圖像處理技術在板料激光彎曲中的應用，使用 MV21300UM CCD 拍攝板料上測量點在激光照射過程中的動態變化過程，通過 軟件測試系統中實時采集軟件記錄動態變化過程、圖像處理軟件進行圖像處理， 得到了測量點動態變化的實測曲線。實測曲線表明，板料厚度對

35、激光彎曲過程的 位移變化影響較大，板料越薄，邊界效應越明顯，使得位移的變化曲線越易出現 突變33。5 小結激光彎曲成形作為一種新興的塑性加工方法，具有高效、柔性、潔凈等特點。 將激光成形技術用于鈦合金板料成形，可充分發揮該技術的獨特優勢，在航空航 天領域新品的研制中發揮重要作用。本文研究了 TC4 鈦合金薄板的激光彎曲成 形的基本規律，系統分析了激光功率、光斑直徑、掃描速度、掃描次數以及能量 密度對彎曲成形的影響，隨著激光功率的增加，彎曲角度先增大后減小，激光功 率過大，板料容易燒傷，彎曲失效；隨著光斑直徑和掃描速度的增大，彎曲角度 逐漸減??；隨著掃描次數的增加，彎曲角度逐漸增大；隨著能量密度

36、的增加，彎 曲角度逐漸增大。激光彎曲成形過程是一個極其復雜的熱彈塑性力學過程，精確地了解整個 變形過程中的溫度、應力、應變及變形的發生、發展的動態行為，是一個很艱深 的學術課題。因為材料的物理、力學參數幾乎都是與溫度有關的，這是一個高度 非線性問題。利用有限元方法的最新成就，借助于高性能的計算機來分析激光成 形過程的力學行為，定量地研究各個因素對成形質量的影響將是未來的主要方 向。參考文獻1 張永康，周建忠，葉云雷激光加工技術M.北京：化學工業出版社，2004.2 方剛激光成形技術的特點及其應用J.應用激光，2001(2)： 107-111.3 李 梁， 孫健科， 孟祥軍. 鈦合金的應用現狀及

37、發展前景 J. 鈦工業發展 ， 2004， (9):19-23.4 王桂生，田榮璋.鈦的應用技術M.長沙：中南大學出版社,2007.5 陳敦軍， 吳詩惇， 向毅斌等 . 鈦合金板材激光彎曲成形的研究 J. 航空學 報.2001，22(2)：187-189.張曉敏.金屬板材激光成形工藝參數及成形規律研究D.秦皇島：燕山大 學， 2009.7張杰剛，陳明和.板料激光成形技術J.鑄造鍛壓，2006,35(13):87-89. 李緯民,M Geiger, F Vollertsen.金屬板材激光彎曲成形規律的研究J.中國 激光，1998，25(9):859-864.9 李緯民，盧秀春,劉助柏激光彎曲工藝

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