基於大光斑單次雷射衝擊的薄板半模精密成形方法

2023-04-24 21:07:06 1

專利名稱：基於大光斑單次雷射衝擊的薄板半模精密成形方法
技術領域：
本發明涉及機械製造領域，特指一種基於大光斑單次雷射的薄板半模精密成形方法和裝置，其適用於小面積金屬薄板(≤Φ120，或≤□120×120，厚度30μm-100μm)半模精密成形，特別適合於常規方法難以成形超薄板料，如精密彈性合金為原材料的波紋膜片、彈跳膜片、不鏽鋼薄片等。
背景技術：
金屬薄板塑性成形方法很多，包括衝壓、爆炸成形、噴丸成形等。最常見的衝壓成形生產各種飯金件，其缺點是模具費用高，生產周期長，而且只能對低碳薄板、鋁合金、以及紫銅及部分黃銅，由於受應變率的影響，成形極限受到限制，且成形後的試樣表面強度降低。噴丸成形是利用球丸高速衝擊材料表層所產生的衝擊力使工件發生塑性成形，優點是可在材料表層形成沿深度分布殘餘壓應力，從而改善了工件的抗疲勞性能，缺點是工件表面變粗糙、參數多而難以精確控制；而爆炸成形是烈性炸藥爆炸產生的衝擊波成形，非常危險，不能精確成形。
經檢索有美國加州大學HACKEL LLOYD和HARRIS FRITZ申請的專利「CONTOUR FORMIMG OF METALS BY LASER PEENING」專利號WO0105549，該專利提出用雷射錘擊金屬板材表面產生殘餘應力，再利用殘餘應力釋放產生微曲度進行的微變形成形，通過各點每次錘擊的微曲度的累積或在同一點實施多次衝擊，就可取得更大尺寸的彎曲。國內江蘇大學張永康等人申請的發明專利「一種雷射衝擊精密成形方法及裝置」，專利授權號ZL01134063.0，該專利採用高性能雷射衝擊精密成形技術，它直接利用強脈衝雷射束(功率密度大於109W/cm2，脈衝寬度8ns～30ns)衝擊工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離並形成衝擊波，由於產生的衝擊波壓力峰值超過材料動態屈服強度，這使成形材料發生明顯塑性變形，這不同於應用殘餘應力釋放彎曲成形中局部衝擊不產生明顯塑性變形而只是宏觀材料變形，然後通過逐點衝擊和有序的衝擊點分布獲得大面積複雜形狀。成形材料包括金屬、複合材料、塑料，以及鍍有脆性塗層(如TiN)的金屬薄板衝擊成形。能有效地對金屬材料、無機材料、高分子材料及複合材料等多種材料進行局部脹形。彎曲、拉伸、板料校平、杆件校直校曲，是集多種成形方式為一體的無模複雜成形。這兩種方法都是通過小面積雷射束多點衝擊大面積薄板成形或單點單次局部脹形。

發明內容
本發明的目的是提供一種能夠小面積金屬薄板(≤Φ120，或≤□120×120，厚度30μm-500μm)半模精密成形，特別是常規方法難以成形的材料成形的單次雷射衝擊薄板半模精密成形方法及裝置。
本發明是按下述技術方案實現的它由雷射發生器、雷射束空間調製器、工裝夾具系統和控制系統組成，其成形方法的特徵在於由雷射發生器發出的雷射束通過雷射束空間調製器傳輸到安裝在夾具中的工件表面，粘貼在工件表面的雷射吸收保護膜受到雷射誘導的衝擊波作用而壓向工件，加上成形半模的作用，使工件產生快速的塑性變形，形成與半模一致的精確成形，且成形曲率半徑為0～2。
可通過改變雷射脈寬、能量和雷射束空間調製器等雷射參數來調整光束直徑、衝擊壓力和成形半徑的大小，加上成形半模的作用，就可獲得精確的成形試樣。
試樣體系由工件表面的透明約束層和雷射吸收保護模膜。大光斑單次雷射的薄板半模精密成形裝置的雷射發生器內的調製器產生的雷射束的脈衝寬度為10ns～30ns。在雷射發生器發出雷射的同時，夾載試樣體系的工作檯由工作檯控制系統向待衝擊位置作三維運動，從而達到控制衝擊位置的目的。
本發明提出大光斑單次雷射的薄板半模精密成形技術，利用雷射束空間調製器調整雷射光斑直徑為Φ0.5-120或≤□120×120，利用強脈衝雷射束(功率密度≥107W/cm2，脈衝寬度10ns～30ns)衝擊試樣表面的雷射吸收保護膜，使其表層氣化電離並形成衝擊波，由於產生的衝擊波壓力峰值超過材料動態屈服強度，加上成形半模的作用，單次雷射衝擊使金屬薄板整體精確成形。成形材料包括恆彈合金、結構鋼、鈦合金等。
本發明具有如下技術優勢(1)採用雷射束空間調製器調整雷射衝擊的光斑直徑從Φ0.5-Φ120，這樣雷射衝擊可以使小面積的金屬薄板(≤Φ120，或≤□120×120，厚度30μm-100μm)半模精確一次整體成形。
(2)單次雷射衝擊薄板半模精密成形裝置採用產生脈衝寬度為10ns～30ns脈衝能量0.1J～50J的強雷射束，衝擊波的峰壓達數Gpa量級，加上成形半模的作用，單次雷射衝擊就能夠整體精確成形。
(3)大光斑單次雷射的薄板半模精密成形精確，衝擊成形過程中，是非接觸式的，塑性變形超快，成本低，效率高。以雷射衝擊凹模成形為例估算，就可節約一半模具。
(4)金屬薄板雷射衝擊半模成形後表面形成了很深的高幅值殘餘壓應力，可顯著提高疲勞壽命。由於雷射衝擊在材料表面形成硬化層和高幅殘餘壓應力，因此提高了材料成形的穩定性，無回彈。同時衝擊後材料表面質量提高，如表面粗糙度降低，硬度提高、晶粒細化、工件抗疲勞性能和抗應力腐蝕性能大幅提高。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是基於大光斑單次雷射衝擊的薄板半模精密成形裝置示意圖。
圖2是大光斑雷射衝擊金屬薄板成形的剖面圖。
圖3是大光斑雷射單次衝擊薄板半模成形試樣。
1.雷射發生器控制裝置2.雷射發生器3.雷射束4.雷射束空間調製器5.約束層6.雷射吸收保護膜7.試樣8.半模9.工作檯 10.夾具 11.工作檯控制裝置 12.排氣孔具體實施方式
下面結合圖1和圖2詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。
圖1是用本發明方法進行大光斑雷射單次衝擊薄板半模成形裝置，包括雷射發生器控制裝置(1)、雷射發生器(2)、雷射束(3)、雷射束空間調製器(4)、約束層(5)、雷射吸收保護膜(6)、試樣(7)、半模(8)、工作檯(9)、夾具(10)、工作檯控制裝置(11)和排氣孔(12)，其中雷射束空間調製器由凹透鏡、凸透鏡及均質器等組成。雷射發生器(2)產生的雷射束(3)經雷射束空間調製器(4)，照射在覆蓋有約束層(5)和雷射吸收保護膜(6)的金屬薄板上，試樣(7)放置在半模(8)上，利用工作檯(含夾具)(9)上的夾具系統夾住試樣(7)，通過工作檯控制裝置(10)可以自由調整夾具(10)上的試樣(7)和雷射束(3)的相對位置。
圖2是大光斑雷射衝擊金屬薄板成形的剖面圖，由約束層(5)、雷射吸收保護膜(6)、試樣(7)、半模(8)、工作檯(9)、夾具(10)、工作檯控制裝置(11)和排氣孔(12)組成，約束層(5)約束高溫等離子體膨脹，雷射吸收保護膜(6)起提高雷射吸收率和保護試樣免受雷射燒蝕的作用，在半模(8)上設有排氣孔(12)。圖3為大光斑雷射單次衝擊鈦合金薄板半模成形試樣。以日常所用較多的45#不鏽鋼50μm薄板衝擊成形為例45#不鏽鋼50μm薄板雷射衝擊強化區的表面顯微硬度變化比較，雷射參數能量12.1J，脈寬30ns，光斑直徑Φ6mm，塗層厚度40μm，K9玻璃作為約束層，用維氏硬度計測量其顯微硬度，基體平均硬度為313HV，衝擊區硬度範圍為376～488HV，平均值為413HV，提高了32％左右。低頻疲勞試驗是在INSTRON1341點液伺服疲勞試驗機上進行，試驗頻率為15Hz，最大載荷16KN，最小載荷1.6KN，六根試件的疲勞壽命平均提高了60％左右，最高能達到一倍以上。在95％的置信度下，雷射衝擊強化處理試件的中值疲勞壽命是未衝擊試件中值疲勞壽命的的1.11～2.13倍。
權利要求
1.一種大光斑雷射單次衝擊薄板半模成形的方法，其特徵在於雷射發生器(2)產生的雷射束(3)經雷射束空間調製器(4)，照射在覆蓋有約束層(5)和雷射吸收保護膜(6)的金屬薄板上，粘貼在工件表面的雷射吸收保護膜(6)受到雷射誘導的衝擊波作用而壓向金屬薄板，依據成形半模的作用，單次雷射衝擊使金屬薄板整體精確成形，其中利用雷射束空間調製器(4)調整雷射光斑直徑為Ф0.5-120或≤□120×120，雷射束的功率密度≥107W/cm2，脈衝寬度10ns～30ns，成形曲率半徑為0～2，金屬薄板厚度30μm-100μm。
全文摘要
本發明涉及機械製造領域，特指一種基於大光斑單次雷射的薄板半模精密成形方法和裝置，其適用於常規方法難以成形的小面積金屬超薄板料(≤Φ120，或≤□120×120)半模精密成形，如航空儀表的金屬薄板(恆彈合金)、結構鋼、鈦合金等。本方法提出的裝置由包括雷射發生器控制裝置、雷射發生器、雷射束、雷射束空間調製器、約束層、雷射吸收保護膜、試樣、模具(半模)、工作檯、夾具、工作檯控制裝置和排氣孔組成。在衝擊成形過程中，是非接觸式的，塑性變形超快，成本低，效率高，單次雷射衝擊就能使金屬薄板整體精確成形。
文檔編號B23K26/073GK101020276SQ20061016135
公開日2007年8月22日 申請日期2006年12月22日 優先權日2006年12月22日
發明者張永康, 李國傑, 楊超君, 王偉, 周建忠, 馮愛新, 王戰生 申請人:江蘇大學