一种能消除钛合金板料在激光成形中的边缘效应和氧化的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于板料激光弯曲成形技术领域，具体是一种能消除钛合金板料激光成形中的边缘效应和氧化的方法。
【背景技术】
[0002]板料成形通常指的是利用金属板料在固态下通过模具的外力作用制成所需零件的一种加工方法。从力学角度上讲，板料成形是一个几何形状、材料性质和边界接触条件等因素综合影响的非线性过程，问题涉及材料在拉深和胀形的复杂应力状态下材料的塑性流动、塑性强化和起皱、破裂的防止，以及回弹的预测等。激光成形技术是一种新型的柔性无模成形方法，利用高能激光束扫描金属板料使热作用区内产生特定分布的温度场，从而诱发不同的热应力使板料产生塑性弯曲变形。该技术为非接触式热态积累成形，具有生产周期短、柔性大、精度高、无污染、无模具、无外力、无回弹等特性，对常温下难以加工成形的材料有技术优势。特别适合单件小批量生产或大型工件生产，可广泛应用于航空航天、微电子、船舶和汽车制造等领域。
[0003]当激光弯曲板料较长时，由于板料各点加热冷却时间不一致，板料会随热源移动出现不同的弯曲，最终板料自由端变形量会出现不一致的现象，板料弯曲成形面呈两端弯曲角较大，中间变形量较小的状态，难以满足产品精度要求，这就是板料加工中的“边缘效应”。
[0004]钛合金常温下塑性差，弹性模量小，冷变形的回弹能力强，冷成形困难，同时钛也是一种非常活泼的金属，常温下钛表面附有一层致密稳定的氧化膜起保护作用，高温下钛会与许多气体剧烈反应，与空气和其他气体的亲和能力极强，是一种极易氧化的材料。空气中的钛在250°C开始吸收氢气，400°C至500°C吸收氧气，600°C吸收氮气，且温度越高，气体吸收能力越强。钛与钛合金在吸收很少量气体的情况下，硬度就会显著增加，延性、韧性则会降低，所以钛合金的热成形必须在真空或惰性保护气体环境下进行。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了解决钛合金板料在激光成形时易氧化，产生的边缘效应使产品成形尺寸精度不高等问题，提供一种能消除钛合金板料在激光成形中的边缘效应和氧化的方法。
[0006]本发明的一种能消除钛合金板料在激光成形中的边缘效应和氧化的方法，包括以下步骤:
(I)制作钛合金板料成形装置:该装置包括激光系统和板料夹持装置，激光系统具有激光头，激光头发射激光束，激光头上设有一根惰性气体保护气喷嘴导管，保护气喷嘴导管底部开有密集通气孔，以便加工成形时对整个板料进行气体保护，保护气喷嘴导管的前端设有激光器，板料夹持装置包括上、下夹板，上、下夹板的两端通过螺栓固定连接，上夹板的宽度比下夹板的宽度小，上、下夹板上均设有导气管，上夹板的两侧开有密集通气孔，下夹板的上表面沿钛合金板料折弯处开有两排密集通气孔，所述上、下夹板导气管通入惰性气体到各通气孔中对钛合金板料进行保护，从而保证钛合金板料不被氧化；
(2)夹持钛合金板料:将待加工的钛合金板料置于上、下夹板之间进行夹持；
(3)惰性气体保护:开启保护气喷嘴导管和导气管，使钛合金板料处于惰性气体保护中；
(4)激光扫描:采用激光功率为500-1100W，激光扫描速度为l_3m/min，扫描间距为78.5-78.7mm的工艺参数，激光束沿夹具边缘采用矩形变向扫描路径对钛合金板料的折弯处进行扫描加工，先沿顺时针方向扫描15-25次，再沿逆时针方向扫描相同的次数，控制温度场朝着预定的方向发展；
(5)冷却成形:激光扫描完成后，在惰性气体保护下冷却至200°C以下，关闭惰性气体，冷却至室温。
[0007]本发明所述步骤(4)的最佳激光扫描参数为:激光功率1100 W，激光扫描速度3m/min，扫描间距78.6mm，顺时针和逆时针方向各扫描20次。
[0008]本发明结构简单，操作方便，成本低，使用专用夹持装置夹持板料，从而为板料弯曲提供足够刚度，同时可以提供加工定位基准，能够消除激光成形的边缘效应，防止材料氧化，产品的成形尺寸精度高；适用性强，不仅适用于钛合金板料，也可用于其他易氧化的金属板料。
【附图说明】
[0009]图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的下夹板俯视图；
图3是本发明加工成形的产品结构示意图；
图中，Ia—导气管，Ib—导气管，2—激光头，3—保护气喷嘴导管，4一激光器，5—激光束，6—上夹板，7—下夹板，8—螺栓，9一通气孔，10—钛合金板料。
【具体实施方式】
[0010]本发明以657mmX290mmX Imm的TC4钛合金板料加工成如图3所示的“ Π ”形结构为例。
[0011]实施例1
参见图1，本实施例的一种能消除钛合金板料在激光成形中的边缘效应和氧化的方法，包括以下步骤:
(I)制作钛合金板料成形装置:该装置包括激光系统和板料夹持装置，激光系统具有激光头2，激光头2发射激光束5，激光头2上设有一根惰性气体保护气喷嘴导管3，保护气喷嘴导管3底部开有密集通气孔9，以便加工成形时对整个板料进行气体保护，保护气喷嘴导管3的前端设有激光器4，板料夹持装置包括上、下夹板6、7，上、下夹板6、7的两端通过螺栓8固定连接，上夹板6的宽度比下夹板7的宽度小，上、下夹板6、7上均设有导气管la、lb,上夹板6的两侧开有密集通气孔9，下夹板7的上表面沿钛合金板料10折弯处开有两排密集通气孔9，所述上、下夹板6、7的导气管la、lb通入惰性气体到各通气孔中对钛合金板料10进行保护，从而保证钛合金板料10不被氧化；
(2)夹持钛合金板料:将待加工的钛合金板料10置于上、下夹板6、7之间进行夹持；
(3)惰性气体保护:开启保护气喷嘴导管3和导气管la、lb，使钛合金板料10处于惰性气体保护中；
(4)激光扫描:采用德国IPG公司生产的YLR-4000型4KW的连续光纤激光器，波长为1070nm，光斑直径为3mm，激光扫描速度为3m/min，激光功率为1100W，扫描间距为78.6 mm的工艺参数激光弯曲钛合金板料至“ Π ”形状，“ Π ”形状底边外部尺寸要求为80 + 0.50mm，竖直边高度为100mm，弯曲处曲率半径3mm。采用矩形变向扫描路径对钛合金板料10进行扫描加工，先沿顺时针方向扫描20次，再沿逆时针方向扫描20次；
(5)冷却成形:激光扫描完成后，在惰性气体保护下冷却至200°C以下，关闭惰性气体，冷却至室温。
[0012]本实施例的加工后的钛合金板料成形结构参见图3，本实施例中“ Π ”形状底边外部尺寸为80.1mm，成形产品尺寸精度高，激光扫描处无氧化及裂纹。
[0013]实施例2
参见图1，本实施例的一种能消除钛合金板料在激光成形中的边缘效应和氧化的方法，包括以下步骤: