专利名称：激光冲击板料成形极限图的制作方法及数据采集装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种金属板料成形极限图的制作方法及装置，尤其是一种激光冲击板
料成形极限图的制作方法及装置。
背景技术：
众所周知，激光冲击板料成形是一种融材料改性强化和成形于一体的复合成形技 术，具有超高压、快速和高应变率等特点，在汽车、航空、国防工业等许多领域有广泛的潜在 应用前景。但是，激光冲击板料成形研究刚刚起步，诸多理论问题和工艺问题尚未得到有效 解决。比如，在激光冲击成形过程中由于冲击力很大，极容易产生板料成形破裂等缺陷。而 成形极限图是评价材料成形性能的重要判据。激光冲击板料成形极限图是预测与控制激光 冲击波高应变率成形性的基本判据。因此，激光冲击板料成形极限图对于激光冲击波高应 变率板料成形件的设计、预测板料的成形性、选择合理优化的工艺参数，使激光冲击成形方 法生产化，具有重要的理论意义和现实意义。 但是，到目前为止，尚未有激光冲击板料成形极限图的制作方法及装置的报道，在 一定程度上限制了激光冲击板料成形的发展和应用。
发明内容
本发明的目的是针对目前由于缺乏激光冲击板料成形极限图的制作方法及装置， 而无法获得激光冲击板料成形极限图，造成不能预测与控制激光冲击波高应变率成形性的 问题，提供一种激光冲击板料成形极限图的制作方法及相应的数据采集装置。
本发明的技术方案之一是 —种激光冲击板料成形极限图的制作方法，包括数据采集和绘制板料成形极限 图，其特征是所述的数据采集包括以下步骤(l)将印有精细圆形网格的板料放在椭圆凹 模上，使带压延筋的压边圈下移并使板料进入压延槽内，在压边圈上施加压边力，使板料被 压死；(2)在板料中心表面施加垂直激光冲击载荷，利用光功率计作为检验板料冲破的仪 器，当光功率计的数码显示器显示出红光灯发出的持续红光时，停止激光冲击，将板料从椭 圆凹模上取出；(3)在板料上选择离破裂点最近的变形后呈椭圆的网格，用网格仪检测椭 圆网格的长轴和短轴值并计算转换成第一主应变和第二主应变值；(4)改变椭圆凹模的椭 圆度，重复步骤(1) (3)，获取至少5组实验数据；所述的绘制板料成形极限图是将通过 上述实验采集到的各组第一主应变和第二主应变值描绘在以第一主应变和第二主应变为 坐标轴的坐标系中，将所有的点连接成曲线，就得到从单拉到等双拉应变状态下金属板料 的激光冲击成形极限图。 所述的椭圆凹模的椭圆度为0 l，并根据0. 1或O. 2的级差更换椭圆凹模。
本发明的技术方案之二是 —种激光冲击板料成形极限图制作数据采集装置，它包括中央控制处理器1、激光 控制器2、重复频率脉冲激光器3、外光路系统4、光斑调节装置6、红光灯7、光功率计8、多轴坐标台14和坐标轴转动控制器15，其特征是所述的中央处理器1分别与激光控制器2、 光斑调节装置6、光功率计8及坐标轴转动控制器15电气连接，激光控制器2的输出与重复 频率脉冲激光器3的输入相连，重复频率脉冲激光器3输出的激光通过外光路系统4进入 光斑调节装置6，光斑调节装置6输出的激光作用在试件11上使试件11发生变形，试件11 通过压边圈10压装在椭圆凹模12上，椭圆凹模12安装在多轴坐标台14上，多轴坐标台14 安装在坐标轴转动控制器(15)上，试件ll面对激光束的一面上设有能量吸收层，能量吸收 层上设有约束层9 ;红光灯7和光功率计8分别安装在试件11的两连，其中红外灯7安装 在压边圈10的外侧，光功率计8安装在椭圆凹模2的内腔中，红光灯7的入射光线能穿过 试件11上冲击形成的裂缝进入椭圆凹模2的内腔并被安装在椭圆凹模2内腔中的光功率 计8所检测到。 重复频率脉冲激光器3发出的激光脉宽为5ns 100ns，光斑调节装置6调节的光 斑直径为2mm 20mm。所述的能量吸收层为柔性贴膜能量吸收层，所述的约束层9为透明约束层。
所述的约束层9为K9玻璃或水流，当所述的约束层9为水流时，它由喷口正对压 边圈10内孔的喷嘴和控制喷嘴动作的约束层控制器13组成，约束层控制器13与中央控制 处理器1电气相连。
本发明的有益效果 (1)试样准备时间短，试验过程简单，冲击柔性化，试验模具成本较低。(2)通过改变激光脉宽(5ns 100ns)、能量(3J 100J)、光束直径(2mm 20mm)
等激光参数来调整冲击压力(冲击波峰压达数GPa)的大小，对带能量吸收层和约束层的工
件进行冲击作用，使板料更容易发生破裂，能够更加方便的获得极限应变点。 (3)本发明除了可制作普通薄板的成形极限图，还可以实现常温下难成形材料的
成形极限图的绘制，如高强度结钢、钛合金、镁合金、塑料及复合材料等多种材料，这一特殊
的优点具有其它方法无法替代的实用性。 (4)本发明使用光功率计作为检验板料冲破的仪器，可以及时检查板料破裂的临 界点，避免因视觉误差导致的过度冲击现象，能够准确的获得板料破裂的极限应变点。
图1本发明的激光冲击板料成形极限图的数据采集装置的组成结构示意图。
图2本发明的椭圆凹模的结构模型示意图。
图3本发明的椭圆凹模的模口示意图。
图4本发明的板料破裂后裂的状态示意图。 图5是利用本发明的方法和装置采集制作的激光冲击铝合金板料成形极限图示 意图。 图中1为中央控制处理器，2为激光控制器，3为重复频率脉冲激光器，4、5为外光 路系统，6为光斑调节装置，7为红光灯，8为光功率计，9为水流约束层，10为压边圈，11为 试样，12为椭圆凹模，13为约束层控制器，14为多轴坐标台，15为坐标轴转动控制器，16为 压延槽，17为压延筋，18为椭圆凹模模口，19为椭圆凹模长轴，20为椭圆凹模短轴，21为圆 形网格，22为冲击形成的裂缝，23为椭圆形网格，24为单拉应变路径，25为拉-压变形区
4的极限曲线，26为单拉成形极限点，27为平面应变路径，28为平面应变成形极限点，29为 拉-拉变形区的极限曲线，30为等双拉成形极限点，31为等双拉应变路径。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
如图4、5所示。 —种激光冲击板料成形极限图的制作方法，包括数据采集和绘制板料成形极限 图，所述的数据采集包括以下步骤(l)将印有圆形网格的板料放在椭圆凹模上，使带压延 筋的压边圈下移并使板料进入压延槽内，在压边圈上施加压边力，使板料被压死；(2)在板 料中心表面施加垂直激光冲击载荷，利用光功率计作为检验板料冲破的仪器，当光功率计 的数码显示器显示出红光灯发出的持续红光时，停止激光冲击，将板料从椭圆凹模上取出； (3)在板料上选择离破裂点最近的变形最大的、变形后呈椭圆的网格，用网格仪检测椭圆网 格的长轴和短轴值(如图4所示)并计算转换成第一主应变e工和第二主应变值e 2 ; (4) 改变椭圆凹模的椭圆度，椭圆度可为0 1之间的任意数，具体实施时可根据需要以0. 1或 0. 2的级进变化改变椭圆度，重复步骤(1) (3)，获取至少5组实验数据；所述的绘制板料 成形极限图是将通过上述实验采集到的各组第一主应变和第二主应变值描绘在以第一主 应变和第二主应变为坐标轴的坐标系中，将所有的点连接成曲线，就得到从单拉到等双拉 应变状态下金属板料的激光冲击成形极限图，如图5所示。
具体操作步骤可细分为以下九步
第一步，将印有网格的板料放在椭圆凹模(12)上；
第二步，使带压延筋17的压边圈10下移并使板料进入压延槽16 ;
第三步，在压边圈10上施加压边力，使板料被压死，以便板料进行胀形；
第四步，在板料中心表面施加垂直激光冲击载荷。在试验时，当光功率计8的数码 显示器显示出红光灯(7)发出的持续红光时，即认为板料已经破裂，则停止激光冲击。
第五步，将板料从椭圆凹模12上取出； 第六步，在破裂点附近选择合适的点23，用网格仪检测其主次应变值； 第七步，经换算后将点23处的第一主应变和第二主应变描绘在以第一主应变和
第二主应变为坐标轴的坐标系中； 第八步，改变椭圆凹模的椭圆度，并重复步骤一到步骤七，直到所有的试验都做完 为止； 第九步，将所有的点连接成曲线，就得到从单拉到等双拉应变状态下铝合金板料 的成形极限图(图5)。
实施例二。
如图l-5所示。 —种激光冲击板料成形极限图制作数据采集装置，它包括中央控制处理器l(由 CPU及相应的控制程序及常规外围电路组成)、激光控制器2 (激光器配套件，可由激光器生 产厂家配套提供)、重复频率脉冲激光器3、外光路系统4、光斑调节装置6、红光灯7、光功率 计8、多轴坐标台14和坐标轴转动控制器15，中央处理器1分别与激光控制器2、光斑调节
5装置6(主要由透镜、放大镜、全反射镜等光学部件组成。可采用现有技术加以实现)、光功 率计8 (可直接从市场购置)及坐标轴转动控制器15 (可直接采用现有机床上相类似的装 置)电气连接，激光控制器2的输出与重复频率脉冲激光器3的输入相连，重复频率脉冲激 光器3输出的激光通过外光路系统4进入光斑调节装置6，光斑调节装置6输出的激光作 用在试件11上使试件11发生变形，试件11通过压边圈10压装在椭圆凹模12上，椭圆凹 模12安装在多轴坐标台14上，多轴坐标台14安装在坐标轴转动控制器(15)上，试件ll 面对激光束的一面上设有能量吸收层，能量吸收层上设有约束层9 ;红光灯7和光功率计8 分别安装在试件11的两连，其中红外灯7安装在压边圈10的外侧，光功率计8安装在椭圆 凹模2的内腔中，红光灯7的入射光线能穿过试件11上冲击形成的裂缝进入椭圆凹模2的 内腔并被安装在椭圆凹模2内腔中的光功率计8所检测到。如图1所示。压边圈10、约束 层9、能量吸收层、试件11和椭圆凹模12组成了本发明的试样体系。重复频率脉冲激光器 3发出的激光脉宽为5ns 100ns，光斑调节装置6调节的光斑直径为2mm 20mm。能量吸 收层可采用柔性贴膜能量吸收层，如铝箔胶带，约束层9为透明约束层，可采用K9玻璃或水 流，当所述的约束层9为水流时，它由喷口正对压边圈10内孔的喷嘴和控制喷嘴动作的约 束层控制器13组成，约束层控制器13与中央控制处理器1电气相连，喷嘴喷出的水直接在 能量吸收层的表面形成一层流动的约束层9，水流一停止，约束层9即消失。
当本发明用于测量从单拉24到等双拉应变31状态下的成形极限图时，可测量应 变比在-1/2到1之间变动时材料的成形极限。 具体实施时可采用钕玻璃激光器作不激光发生器，所产生的激光波长为1. 06 ii m ; 激光脉冲宽度23ns ;有效光斑直径为5 12. 5mm ;单脉冲能量8 50J ;激光脉冲功率I为 2. 0X109W ;输出激光脉冲能量起伏《±4% ;系统重复频率为0. 5Hz。 如图2所示，本实施例的模具模型主要有三个部件组成椭圆凹模12、压边圈10 和试样11。其中椭圆凹模12用来放置板料，压边圈用来约束凹模法兰面上板料的流动，其 中心开有圆孔，激光束可以从中通过冲击板料(试件11)。参照传统制作金属薄板成形极限 图常用的凸模胀形法，在建立制作成形极限图的模型时，采用带有压延筋17的压边圈10和 带有压延槽16的凹模模型，并用激光光束冲击波压力来代替凸模对铝合金薄板进行胀形 试验，通过改变椭圆凹模的椭圆度来获得从平面应变27到等双拉31范围内不同的应变比， 从而获得制作成形极限图所需数据点。当采用的试样为0. 3mm的3003H16铝合金时，其凹 模椭圆度x与应力比a之间的线性关系为
a = 0. 621x+0. 379 (1) 试验前，在板料表面印上圆形网格21 ;试验后，选择离裂缝22最近处的长短轴变 化大的完整的椭圆网格23进行测量。设网格原始内径为dO，变形后椭圆长轴内径为dl，短 轴内径为d2，则:
i 长轴应变^-lnd。，
一 i
短轴应变5 = J^。 在成形极限图上，单拉26、平面应变28和等双拉30三个点是非常重要的。等双 拉点可以通过圆形凹模的激光冲击胀形试验得到，单拉点可以通过高应变率的单向拉伸试
6验得到。由于平面应变状态下应变比P = h/^二0，在简单加载、材料各向同性的情况 下，P与a有如下关系
P = (2a-l)/(2-a) 当|3 = 0， a = 0. 5时，由式(1)可求得x = 0. 195。所以可利用椭圆度为0. 2的 椭圆形凹模进行激光冲击胀形试验，得到平面应变状态下材料的极限应变点。此外利用其 它椭圆度(0.4、0.6、0.8)的激光冲击胀形试验，可获得不同应力比a的极限应变点，其破 裂后形状如图4所示(凹模长轴均为40mm)。 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
一种激光冲击板料成形极限图的制作方法，包括数据采集和绘制板料成形极限图，其特征是所述的数据采集包括以下步骤(1)将印有精细圆形网格的板料放在椭圆凹模上，使带压延筋的压边圈下移并使板料进入压延槽内，在压边圈上施加压边力，使板料被压死；(2)在板料中心表面施加垂直激光冲击载荷，利用光功率计作为检验板料冲破的仪器，当光功率计的数码显示器显示出红光灯发出的持续红光时，停止激光冲击，将板料从椭圆凹模上取出；(3)在板料上选择离破裂点最近的变形后呈椭圆的网格，用网格仪检测椭圆网格的长轴和短轴值并计算转换成第一主应变和第二主应变值；(4)改变椭圆凹模的椭圆度，重复步骤(1)～(3)，获取至少5组实验数据；所述的绘制板料成形极限图是将通过上述实验采集到的各组第一主应变和第二主应变值描绘在以第一主应变和第二主应变为坐标轴的坐标系中，将所有的点连接成曲线，就得到从单拉到等双拉应变状态下金属板料的激光冲击成形极限图。
2. 根据权利要求1所述的激光冲击板料成形极限图的制作方法，其特征是所述的椭圆 凹模的椭圆度为0 1，并根据0. 1或0. 2的级差更换椭圆凹模。
3. —种激光冲击板料成形极限图制作数据采集装置，它包括中央控制处理器(1)、激 光控制器(2)、重复频率脉冲激光器(3)、外光路系统(4)、光斑调节装置(6)、红光灯(7)、光 功率计(8)、多轴坐标台(14)和坐标轴转动控制器(15)，其特征是所述的中央处理器(1) 分别与激光控制器(2)、光斑调节装置(6)、光功率计(8)及坐标轴转动控制器(15)电气 连接，激光控制器(2)的输出与重复频率脉冲激光器(3)的输入相连，重复频率脉冲激光 器(3)输出的激光通过外光路系统(4)进入光斑调节装置(6)，光斑调节装置(6)输出的 激光作用在试件(11)上使试件(11)发生变形，试件(11)通过压边圈(10)压装在椭圆凹 模(12)上，椭圆凹模(12)安装在多轴坐标台(14)上，多轴坐标台(14)安装在坐标轴转动 控制器(15)上，试件(11)面对激光束的一面上设有能量吸收层，能量吸收层上设有约束层 (9);红光灯(7)和光功率计(8)分别安装在试件(11)的两连，其中红外灯(7)安装在压边 圈(10)的外侧，光功率计(8)安装在椭圆凹模(2)的内腔中，红光灯(7)的入射光线能穿 过试件(11)上冲击形成的裂缝进入椭圆凹模(2)的内腔并被安装在椭圆凹模(2)内腔中 的光功率计(8)所检测到。
4. 根据权利要求3所述的采集装置，其特征是重复频率脉冲激光器(3)发出的激光脉 宽为5ns 100ns，光斑调节装置(6)调节的光斑直径为2mm 20mm。
5. 根据权利要求3所述的采集装置，其特征是所述的能量吸收层为柔性贴膜能量吸收 层，所述的约束层(9)为透明约束层。
6. 根据权利要求3或5所述的采集装置，其特征是所述的约束层(9)为K9玻璃或水 流，当所述的约束层(9)为水流时，它由喷口正对压边圈(10)内孔的喷嘴和控制喷嘴动作 的约束层控制器(13)组成，约束层控制器(13)与中央控制处理器(1)电气相连。
全文摘要
本发明公开了一种激光冲击板料成形极限图的制作方法及数据采集装置，极限制作包括数据采集和绘制板料成形极限图，数据采集包括(1)将印有精细圆形网格的板料放在椭圆凹模上；(2)在板料中心表面施加垂直激光冲击载荷，利用光功率计作为检验板料冲破的仪器，当光功率计的数码显示器显示出红光灯发出的持续红光时，停止激光冲击，将板料从椭圆凹模上取出；(3)在板料上选择离破裂点最近的变形后呈椭圆的网格，用网格仪检测椭圆网格的长轴和短轴值并计算转换成第一主应变和第二主应变值；(4)改变椭圆凹模的椭圆度，重复步骤(1)～(3)，获取至少5组实验数据后绘制成曲线；所述的装置的关键是采用红外灯和光功率计检测是否击穿。本发明具有简单易行，实验成本低，能快速绘制出各种板料的激光冲击成形极限图。
文档编号B23K26/42GK101745739SQ200910264808
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者任爱国, 唐振州, 姜银方, 尤建, 张永康, 张磊, 方雷, 李志飞, 王宏宇, 管海兵, 钱晓明, 顾永玉, 鲁金忠 申请人:江苏大学