CN101011777A - 一种中厚板料激光预应力复合喷丸成形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种中厚板料激光预应力复合喷丸成形的方法和装置，其特征是使用机械手作为夹具装置，用二氧化碳激光器实现板料基本形状成形，轮廓测量反馈系统测控板料的变形量，残余应力测定仪在线测量板料表面应力状况，光学扫描测量系统扫描预成形板料，在数值模拟软件中重现板料实体，数值模拟后得到优化的工艺参数指导激光连续喷丸成形过程，使用钕玻璃激光器为其提供诱导冲击波产生的短脉冲的强激光，激光冲击波作为板料精确成形的力源，并再次使用板料变形量的轮廓测量反馈装置和在线测量板料表面应力状态的残余应力测定仪控制板料变形量和表面应力状态，以实现中厚板料板料复杂形状的精确成形。

Description

一种中厚板料激光预应力复合喷丸成形的方法和装置

技术领域

本发明涉及机械制造与激光应用技术领域，特指一种首先用激光热应力法对板料成基本形状，而后进行激光喷丸以实现板料精确成形，同时改善板料表面应力状态，提高板料使用寿命的复合成形方法和装置。

背景技术

金属板料复合成形是指复合不同技术和不同工艺过程，共同发挥和扩展各自的优势，从而形成多种可行的新技术和新工艺的先进方法。现阶段，复合成形已成为金属板料成形的一个重要趋势。

板料的激光成形技术是近年来出现的一种先进的、绿色的柔性精密加工技术。它克服了传统金属板料成形加工柔性差，模具费用大，制造成本高等缺点，实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形，适应了现代制造业产品快速更新的市场竞争需要。激光热应力成形和激光喷丸成形即为激光技术在金属无模成形中的新应用。

激光热应力成形利用激光辐照在材料表面产生的热效应来成形，即用高能激光束扫描金属板料时，在激光束辐照的区域形成了对空间和时间梯度都很大的不均匀温度场，从而诱发在板材厚度方向上不平衡的应力使板材发生变形。具有生产周期短、柔性大、能成形在常温下难以成形的脆性材料、易于实现中厚板料复杂形状成形等优点，但是在加工过程中，诱导的热应力需超过材料的屈服极限，板材才能变形，因此板材需要深度加热，导致成形件的表面粗糙，成形表面呈拉应力状态。

激光喷丸成形利用强激光与材料相互作用产生冲击波的力效应来成形板料，当激光束和材料相互作用后，诱导的冲击波传入工件内部使受喷材料在表面及内部产生深层分布的残余压应力场，从而使板料发生塑性变形。具有加工柔性大，加工板料表面质量好等优点，但是在激光喷丸成形过程中，板料变形量微小，而且喷丸加工过程中伴随着喷丸强化，板料屈服强度的提高使后续的喷丸更难实现变形。仅仅使用激光喷丸成形实现中厚板料复杂形状的成形不仅浪费时间而且成本较高。

在实现中厚板料复杂形状的精确成形的过程中，单一的使用激光热应力成形或激光喷丸成形都因各自具有局限性而不易获得高质量的成形件。因此本发明提出了一种激光预应力复合喷丸成形方法。激光预应力复合喷丸成形是将连续激光的热堆积作用和脉冲激光的冲击波作用相结合的成形技术，是一种热效应和力效应复合的成形方法。该方法综合了激光热应力成形易于实现复杂形状成形以及激光喷丸成形加工表面质量好的优点，可实现中厚板料复杂形状的精确成形。

激光热应力成形技术始于1986年，日本学者Y.Namba首次提出了利用激光成形技术将空间站的卷状外壳展成圆筒仓体的设想。1988年，波兰学者H.Frackiewicz申请了0317830 A2“Amethod of bending metal objects”的专利，并于1994年通过运用专用机床，进行了杯形件、球形件、波纹管及金属管的扩口缩口和弯曲成形等。德国学者M.Geiger和麻省理工K.Masubuchi对激光热应力成形的研究稍稍滞后于H.Frackiewicz，但它涵盖了激光弯曲的变形机理、成形过程的数值模拟以及该技术的应用领域与前景分析等，同时将激光热应力成形与冲压等其它加工工艺进行了复合化尝试，应用于汽车制造业，进行了汽车覆盖件的柔性校平和其他成形件的成形。目前可查阅文献中的激光喷丸成形技术在国外的研究始于2002年，美国加利福尼亚大学LawrenceLivermore国家重点实验室Hackel等人提出用激光冲击强化装置来实现板料塑性成形的原理和方法，并申请了专利U.S.6410884B1“Contour Forming ofMetals by Laser Peening”。他们在研究中发现激光强化技术产生的残余应力比机械喷丸强化所产生的更大更深，并且在多次试验中发现实验结果具有稳定性和一致性，从而提出了控制残余应力分布来实现板料成形的设想，即激光喷丸成形。美国通用电器公司的RobertL.Yeaton.在专利US5744781“Method and apparatus for laser shock peening”中也提到了相似的成形概念。国内江苏大学等单位对这一新技术的基本原理和喷丸成形中的关键技术进行了较为系统的研究，并申请了ZL01134063.0“一种激光冲击精密成形方法和装置”、CN200510040116.9“中厚板材激光喷丸成形的方法和装置”等几项专利。未能检索到中厚板料激光预应力复合喷丸成形方法等方面的研究文献和相关专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光预应力复合喷丸成形的方法和装置，用以实现中厚板料复杂形状的精确成形，同时改善板料表面残余应力场的分布，提高板料的抗应力腐蚀能力和疲劳寿命。

本发明方法的特征在于使用机械手作为夹具装置，用二氧化碳激光器实现板料基本形状成形，轮廓测量反馈系统测控板料的变形量，残余应力测定仪在线测量板料表面应力状况，光学扫描测量系统扫描预成形板料，在数值模拟软件中重现板料实体，数值模拟后得到优化的工艺参数指导激光连续喷丸成形过程，使用钕玻璃激光器为其提供诱导冲击波产生的短脉冲的强激光，激光冲击波作为板料精确成形的力源，并再次使用板料变形量的轮廓测量反馈装置和在线测量板料表面应力状态的新型残余应力测定仪控制板料变形量和表面应力状态。

实施该方法的装置包括激光热应力加工系统、激光喷丸系统、工件夹具系统、光学扫描系统、控制系统和测量反馈系统，这些系统各自通过中央控制处理器连接在一起。工作时，首先调整工件夹具系统，然后开启激光热应力加工系统和控制系统，当激光热应力加工系统完成后，光学扫描系统和测量反馈系统开始工作，扫描完成后，再次调整工件夹具系统，开启激光喷丸系统、控制系统以及光学扫描系统和测量反馈系统。

激光热应力加工系统包括二氧化碳激光器、导光管、全反射镜、光斑调节装置，光斑调节装置包含能够自由伸缩的弹簧、聚焦透镜和冲击头；导光管依次把二氧化碳激光器、全反射镜和光斑调节装置连接起来，把二氧化碳激光器产生的连续激光传递到待加工的工件表面；激光喷丸系统包括钕玻璃激光器、导光管、全反射镜、光斑调节装置，导光管把钕玻璃激光器、全反射镜、光斑调节装置连接起来，把钕玻璃激光器产生的脉冲激光传递并能聚焦到工件的表面待喷丸的区域；工件夹具系统包括机械手装置、工件和覆盖在工件表面的柔性贴膜，工件装夹子机械手装置中；光学扫描测量系统；控制系统包括计算机、中央控制处理器、二氧化碳激光器控制器、钕玻璃激光器控制器，计算机中包含了专用数值模拟软件；其中由计算机输入板料加工信息，并把处理和转换的信息传递给中央控制处理器以控制二氧化碳激光发生器、光斑调节装置、钕玻璃激光器、应力测定仪、轮廓测量反馈系统、光学扫描测量系统及工件夹具系统，同时中央控制处理器接受和处理反馈信息；测量反馈系统由应力测定仪、轮廓测量反馈系统组成，分别收集应力信息和变形信息，并反馈给中央控制处理器。

板料激光预应力复合喷丸成形的实施步骤如下：

[1]根据待成形板料进行三维CAD曲面造型。

[2]采用CAE软件对板料预成形进行数值模拟。确定板料复杂形状预成形所对应的激光轨迹和工艺参数，如激光能量、脉冲宽度、光斑尺寸和扫描次数，以获取特定的变形量；

[3]采用二氧化碳激光器对板料进行连续激光热应力扫描以施加预应力，通过控制激光束所走轨迹及激光工艺参数使板料形成特定的形状，同时利用新型应力测定仪在线检测成基本形状的板料表面应力状态；

[4]通过光学扫描测量系统测量曲面形状，建立物理模型，然后逆向反求，建立板料三维曲面模型，与三维CAD曲面模型进行比较。[5]基于应力场分析软件进行激光喷丸的有限元模拟，获得优化的激光喷丸轨迹和工艺参数。

[6]利用脉冲激光装置对预成形表面实施喷丸过程，同时利用新型应力测定仪进行板料表面应力场的在线检测，获得所需的形状和表面残余应力场分布。

本发明的优点如下：

[1]本方法能够适用于复杂曲面加工，尤其对中厚板料典型形状(半球面、抛物面、马鞍型面)的复杂曲面精确成形具有特别的优势。

[2]成形件表面质量好，成形后板料表面形成适度的残余压缩应力分布，抗疲劳性能、耐磨性能、耐腐蚀性能得到提高，使用寿命得以延长。

[3]激光脉冲参数和作用区域可以实时调整和控制，通过计算机控制激光器应用系统，可以测量并记录受喷零件在任何位置的脉冲能量。若某时刻激光脉冲能量低于指定值，可在该时刻重新调定能量值，而不需等到加工失效后才重新进行。同时参数具有可重复性，可以在同一地方通过累积的方式成形，精确控制变形量。

[4]可实现板料表面应力场的在线检测与控制，在激光喷丸过程中，通过应力测定仪在线检测表面应力场的分布，通过调整激光参数控制金属板料表面残余应力的大小，从而通过数控程序控制金属板料表面残余应力场的分布，实现板料的精确成形。

[5]应变率高，达10⁶～10⁷S^-1，成形压力高，达GPa量级，可实现塑性较差的材料成形。

[6]本方法将数值模拟和实验研究相结合，使激光复合喷丸技术步入到以工程计算和少量典型试验相结合的科学途径。

[7]本方法为清洁方便的绿色制造工艺，具有非接触，无热损伤的突出特点。由于非接触，成形后的金属表面不产生畸变和机械损伤；而由于激光脉冲短，激光与金属表面作用时间短，且大部分激光能量被能量吸收层吸收，传到金属表面的热量很少，所以不会引起表面的热损伤。

附图说明

下面结合附图和具体实例作进一步说明。

图1是中厚板料激光预应力复合喷丸成形工艺流程。

图2是根据本发明提出的中厚板料激光预应力复合喷丸成形的装置示意图。

1.计算机    2.中央控制处理器    3.机械手装置

4.工件                 5.柔性贴膜                 6.光斑调节装置

7.全反射镜             8.二氧化碳激光器控制器     9.二氧化碳激光器

10.残余应力测定仪      11.光学扫描测量系统        12.导光管

13.全反射镜            14.连续激光                15.轮廓测量反馈系统

16.全反射镜            17.导光管                  18.钕玻璃激光器

19.钕玻璃激光器控制器  20.脉冲激光                21.全反射镜

22.光斑调节装置

具体实施方式

实施例：对SUS304不锈钢板进行激光预应力喷丸复合成形马鞍形曲面

如图2所示，该装置包括激光热应力加工系统、激光喷丸系统、工件夹具系统、光学扫描系统、控制系统和测量反馈系统。激光热应力加工系统包括二氧化碳激光器(9)、导光管(12)、两块全反射镜(7)、(13)、光斑调节装置(6)；激光喷丸系统包括钕玻璃激光器(18)、导光管(17)、两块全反射镜(16)、(21)、光斑调节装置(22)；工件夹具系统包括工件(4)、柔性贴膜(5)、机械手装置(3)；光学扫描系统为ATOS-II光学扫描测量系统(11)；控制系统包括计算机(1)、中央控制处理器(2)、二氧化碳激光器控制器(8)、钕玻璃激光器控制器(19)，计算机中包含了专用数值模拟软件；测量反馈系统由X-350A射线应力测定仪(10)、轮廓测量反馈系统(15)组成。

[1]在计算机(1)中使用CAD软件对待成形板料形状进行三维马鞍形曲面造型，然后采用专用的CAE软件对板料预成形进行数值模拟，确定板料复杂形状预成形所对应的轨迹和激光工艺参数；

[2]采用2.5kWSM200快轴流二氧化碳激光器对板料进行连续激光热应力扫描以施加预应力。试验所用材料为SUS304不锈钢，尺寸为160mm×100mm，厚度为2mm，试验激光功率为500w，扫描速度为500mm/min，光斑直径为4mm，扫描次数为3次，在此激光参数组合下，按轨迹进行激光热应力扫描，使板料成马鞍形。在成形过程中在线测量板料表面应力状态，此时为残余拉应力场分布，表面状态不理想。

具体操作如下：将加工的信息编写成加工程序输入到计算机(1)中，由计算机(1)发出控制信息和工作指令相继传给中央控制处理器(2)，经过二氧化碳激光器控制器(8)传递给二氧化碳激光器(9)，二氧化碳激光器(9)接受到工作指令后，发出连续功率密度10³～10⁴W/cm²量级的激光(14)，并经过导光管(12)、全反射镜(7)、(13)和光斑调节装置(6)，辐照在板料(4)表面能量吸收层(5)上使板料加热成形，连续激光(14)的能量由激光控制器(8)调节。在此过程中X-350A射线应力测定仪(10)在线检测板料表面应力分布情况，同时轮廓测量反馈系统(15)测量板料板形量，将信息反馈给中央控制处理器(2)，当达到预期应力值和变形量时，中央控制处理器(2)发出指令，使二氧化碳激光器(9)停止工作。

[3]中央控制处理器(2)发出指令，使ATOS-II光学扫描测量系统(11)开始工作，对成基本形状的板料正反面进行轮廓扫描，建立物理模型，如图6所示；物理模型建立好后，中央控制处理器(2)发出指令在计算机(1)中逆向反求，建立板料三维曲面模型；然后用CAE分析软件进行激光连续喷丸的数值模拟，为了分析喷丸后板料表面的质量，可将激光连续喷丸模拟后板料的表面形貌图，在纵向放大了20000倍，从放大的板料变形图中可以清楚地看到激光喷丸后留下的轨迹。分析喷丸后板料表面和厚度方向的残余应力场分布，在此基础上优化工艺参数，得出最佳的激光喷丸工艺参数组合和喷丸轨迹；

[4]模拟结束后，使用钕玻璃强激光试验装置按模拟得出的优化工艺参数和喷丸轨迹对板料进行激光喷丸成形的实验，实现板料复杂形状的精确成形，同时利用新型X-350A射线应力测定仪在线检测板料表面应力状态。从得到德激光喷丸前和喷丸后板料的轮廓曲线图上看，板料变形增量不是很大，这主要因为此时激光喷丸板料属于精加工，实验时所加激光冲击波压力也相应的减小。激光喷丸前后板料表面残余应力的分布曲线表明，残余应力分布由拉应力场转变为压应力场，能够抑制零件使用过程中疲劳裂纹的产生，延长零件的疲劳使用寿命。

具体操作步骤如下：将加工的信息编写成加工程序输入到计算机(1)中，由计算机(1)发出控制信息和工作指令相继传给中央控制处理器(2)，经过钕玻璃激光器控制器(19)传递给激光发生器(18)，钕玻璃激光器(18)产生能量在10～100焦尔、持续时间为8～80纳秒的激光脉冲束(20)，功率密度大于GW/cm²，经过光斑模式可以是基模、多模等多种模式，经过导光管(17)、全反射境(16)、(21)，传到光斑大小调节装置(22)上，中央处理器(2)控制机械手装置(3)将工件(4)调整到易加工位置，随后激光辐照在板料表面的能量转化体的柔性贴膜(5)上，柔性贴膜(5)吸收高能激光后，迅速汽化、电离形成等离子体，等离子体继续吸收激光能量，形成爆轰波，作用在工件(4)上，在爆轰波的压力和机械手装置(3)作用下实现对板料的喷丸，由于机械手装置(3)有三个坐标的移动和三个方向的转动，可实现工件(4)的三维立体成形，机械手装置(3)移动或转动后，中央控制处理器(2)再次发出指令控制钕玻璃激光器控制器(19)工作，在此过程中X-350A射线应力测定仪(10)在线检测板料表面应力分布情况，同时轮廓测量反馈系统(15)测量板料板形量，将应力和变形信息反馈给中央控制处理器(2)，当达到预期应力值和变形量时，中央控制处理器(2)发出指令，使钕玻璃激光器(18)停止工作，至此，实现了板料的精确成形，同时表面为残余压应力场分布，表面质量较好。

Claims (3)

1.一种中厚板料激光预应力复合喷丸成形的方法，其首先调整工件夹具系统，然后开启激光热应力加工系统和控制系统，当激光热应力加工系统完成后，光学扫描系统和测量反馈系统开始工作，扫描完成后，再次调整工件夹具系统，开启激光喷丸系统、控制系统以及光学扫描系统和测量反馈系统，其特征是使用机械手作为夹具装置，用二氧化碳激光器实现板料基本形状成形，轮廓测量反馈系统测控板料的变形量，残余应力测定仪在线测量板料表面应力状况，光学扫描测量系统扫描预成形板料，在数值模拟软件中重现板料实体，数值模拟后得到优化的工艺参数指导激光连续喷丸成形过程，使用钕玻璃激光器为其提供诱导冲击波产生的短脉冲的强激光，激光冲击波作为板料精确成形的力源，并再次使用板料变形量的轮廓测量反馈装置和在线测量板料表面应力状态的残余应力测定仪控制板料变形量和表面应力状态。

2.根据权利要求1所述的一种中厚板料激光预应力复合喷丸成形的方法，其特征在于板料激光预应力复合喷丸成形的实施步骤如下：

[1]根据待成形板料进行三维CAD曲面造型；

[2]采用CAE软件对板料预成形进行数值模拟；

[3]采用二氧化碳激光器对板料进行连续激光热应力扫描以施加预应力，控制激光束所走轨迹及激光工艺参数使板料形成特定的形状，同时利用应力测定仪在线检测成基本形状的板料表面应力状态；

[4]通过光学扫描测量系统测量曲面形状，建立物理模型，然后逆向反求，建立板料三维曲面模型，与三维CAD曲面模型进行比较；

[5]基于应力场分析软件进行激光喷丸的有限元模拟，获得优化的激光喷丸轨迹和工艺参数；

[6]利用脉冲激光装置对预成形表面实施喷丸过程，同时利用应力测定仪进行板料表面应力场的在线检测，获得所需的形状和表面残余应力场分布。

3.一种中厚板料激光预应力复合喷丸成形的装置，其包括激光热应力加工系统、激光喷丸系统、工件夹具系统、光学扫描系统、控制系统和测量反馈系统，这些系统各自通过中央控制处理器连接在一起；激光热应力加工系统包括二氧化碳激光器(9)、导光管(12)、全反射镜(7、13)、光斑调节装置(6)；光斑调节装置包含弹簧、聚焦透镜和冲击头；导光管依次把二氧化碳激光器、全反射镜和光斑调节装置连接起来；激光喷丸系统包括钕玻璃激光器(18)、导光管(17)、全反射镜(16、21)、光斑调节装置(22)；导光管把钕玻璃激光器、全反射镜、光斑调节装置连接起来；工件夹具系统包括机械手装置、工件(4)和覆盖在工件表面的柔性贴膜(5)，工件装夹于机械手装置(3)中；控制系统包括计算机(1)、中央控制处理器(2)、二氧化碳激光器控制器(8)、钕玻璃激光器控制器(19)，计算机与中央控制处理器相连，中央控制处理器分别与二氧化碳激光发生器、光斑调节装置、钕玻璃激光器、应力测定仪、轮廓测量反馈系统、光学扫描测量系统及工件夹具系统相连；测量反馈系统由应力测定仪、轮廓测量反馈系统组成，且与中央控制处理器相连。

Images