专利名称：一种带均热与恒压的激光冲击温成形方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光加工领域，特指对一种板料进行预加热和激光冲击温成形的方法和装置，特别适用于难成形金属板料的成形。
背景技术：
激光冲击成形具有超高压、高能、高应变率特征，是一种集材料改性强化和成形于一体的复合成形技术，特别适合于有抗疲劳及抗应力腐蚀要求的板料。由于吸收层和约束层的热障保护，激光不会对金属板料形成热伤害；由于激光的脉冲能量、光斑尺寸及脉冲宽度、激光能量等参数精确可控，通过数控系统可实现对板料成形的精确控制。但是对于一些难成形板料，如镁合金，在空气中进行激光冲击成形时，在激光冲击波作用下，板料在变形中心区域容易产生破裂，破裂影响了激光冲击加载下板料成形性能的发挥和提高。若对这一类难成形板料采用热成形又会产生有害的热应力，而采用温成形的方法可以较好改善板料的成形性能，也不会对板料造成较大的热伤害，但由于温成形时的温度范围较窄，温度难以控制，使这种方法的广泛运用受到了限制。专利号为200810138715. 8的专利，发明名称为带同步加热的板材激光微拉伸成形方法，该专利采用环状激光对板材边缘进行预热，使板材塑性提高后，再对板材进行激光冲击成形。该方法的缺点是激光加热的温度较高，容易对板材形成热伤害；加热不均勻， 其应力分布难以控制，会在板材表面形成有害的残余拉应力；也无法实现对系统温度的精确控制，对于一些特定的难成形材料，如镁合金，其温成形的温度在一定的范围内，用此方法不能保证其成形的效果。此外，该方法在空气中对板材进行激光冲击成形，易造成板材的破裂和起皱。专利号为200810138720. 9的专利，发明名称为带整体加热的板材激光冲击方法及装置，该专利采用通电感应线圈对板材进行加热后，使板材屈服强度降低，再进行激光冲击成形。该方法的缺点是板材受热的均勻程度不易控制，且无法实现对系统温度的精确控制，对于一些诸如镁合金一类的难成形材料，其温成形的温度在一个较窄的范围内，故此方法不能保证其成形的效果。该方法同样是在空气中对板材进行激光冲击成形，板材破裂和起皱的情况较易发生。专利号为200610096474. 6的专利，发明名称为一种板料成形的方法和装置，提出了一种激光冲击的方法对板料进行成形和表面强化，该方法先用二氧化碳激光对板料进行加热软化，降低板材的屈服强度，再控制激光冲击装置对金属材料进行冲击成形。但采用二氧化碳激光进行预热，其温度范围难以控制，而一旦温度过高就会对板料造成热伤害；由于激光加热的局部性，不能对板料进行均勻加热，应力分布难以控制，残余有害拉应力普遍存在，无法在对板料进行成形的同时，实现板料的强化；此外，采用二氧化碳激光对板料进行加热时，由于激光的温度很高，很容易造成板料上能量吸收层的破坏，其生产过程也难以控制。美国专利文件US2007/0039933A1公开了一种用光致等离子体做凸模的成形方法"System and Method of Laser Dynamic Forming”(申请号为 11/507064)，该方法先用激光对板材进行冲击，再进行激光冲击，该方法无法实现对板材加热温度的控制，且易对板材造成热伤害，其成形设备复杂，成本较高。专利号为01134063. 0的发明专利，发明名称为一种激光冲击精密成形方法及装置，采用高性能激光冲击精密成形技术，直接利用强脉冲激光束冲击工件表面的柔性贴膜， 使其表层气化电离并形成冲击波，由于产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，这使成形材料发生明显塑性变形。其缺点如下由于板料每次塑性变形量小，而冲击区局部变形过大，易产生破裂，特别是对于难成形材料，如镁合金。
发明内容
本发明专利的目的是为了克服激光冲击成形在常温下进行时易造成板料的破裂的缺点，也为在常温下塑性低、难成形板料的成形提供一种新方法，提出将板料预热到一定温度再对其进行温成形，温度的提高使得板料屈服强度降低，塑性提高，改善了其成形性能，同时本专利可以实现对系统温度的精确控制和对板料的均勻预热，实现了对不同材料的板料可以在其对应的温成形温度范围内进行激光冲击，避免了在预热过程中系统或板料局部温度过高造成的热伤害。由于温成形时的温度范围较窄，温度难以控制，因此采用液体加热和本发明方法的温控系统。对于板料在空气中进行激光冲击成形易产生破裂和起皱的情况，本专利采用压控系统使得其成形过程在液体中完成，液体在成形过程中产生的持续背压降低了板料破裂和起皱的可能性。本发明专利的装置为该装置由激光冲击装置、温度控制装置装置和压力控制装置三部分组成，这三者均连接到计算机控制系统上，由计算机控制系统分别通过这三部分装置对激光冲击成形、系统温度及系统压力进行控制。激光冲击装置由大功率激光器、数控工作台、计算机控制系统、固定装置压边圈和全反射镜组成，激光冲击时用压边圈将板料进行固定，由计算机控制系统对数控工作台的运行路径进行控制，大功率激光器可根据成形要求发射参数不同的激光，其可调节的参数有波长、脉冲宽度、光斑半径、激光能量等，激光束的方向由全反射镜进行控制。温度控制装置中将热电偶均勻埋入凹模中，凹模型腔中注满液体，在凹模型腔中安装温度传感器对凹模型腔内的温度进行反馈，加热过程中由加热线圈对液体进行加热，再由液体对板料进行均勻加热，通过计算机控制系统、吸油阀和温度传感器来控制系统温度。凹模下端有出油口，出油口外部有吸油泵、单向阀、压力表和溢流阀，由溢流阀设定系统压力后，由吸油泵将液体吸入凹模型腔，使其至系统设定压力，通过计算机控制系统、吸油阀和溢流阀来控制系统压力。以上就组成了集固定、加热、激光冲击成形于一体的激光温成形装置。本发明的操作方法是将板料进行预处理，在其表面贴上约束层和能量吸收层，以防止激光冲击对板料的热伤害。将板料用压边圈固定在上述的激光冲击温成形装置上，设定溢流阀的压力，并由吸收泵向凹模型腔中吸入液体，使凹模型腔至设定压力。启动温度控制装置，由加热线圈加热凹模型腔内液体，再由液体对板料进行均勻加热，由计算机控制系统通过加热线圈和吸油泵来控制系统温度，通过温度传感器将凹模型腔的温度进行反馈， 若系统温度低于设定的温度范围，可通过加热线圈提高系统温度；若系统温度高于设定的温度范围，由吸油阀吸入冷液体降低系统温度，将板料加热到预定的温成形温度范围内。根据板料的成形要求调节激光的波长、脉冲宽度、光斑半径及激光能量等参数，并通过计算机控制系统对数控工作台的运行路径进行编程，激光束的方向由全反射镜进行控制，对板料进行激光冲击温成形。在成形过程中，由计算机控制系统控制吸油泵和溢流阀来控制系统压力，当板料受到激光冲击波压力的作用产生变形时，凹模型腔内压力会逐渐增加，液体会对板料产生背压，板料受力及变形较均勻，减小了板料破裂的可能性，当其压力超过所设定的溢流阀的压力时，水从溢流阀溢出，由此凹模型腔压力恢复到溢流阀设定压力以内，避免因型腔内压力过高造成板料的反变形，当板料变形产生一定量的回弹时，型腔内压力会降低，由计算机控制系统控制吸油阀吸入一定的液体，使系统压力恢复到设定状态。在激光冲击成形的同时，会在板料表面产生有益的残余压应力，起到强化的效果。加工完成后对板料进行后处理。本发明的有益效果是
1)综合了激光冲击成形和温成形各自的优点；
2)采用了温度控制装置，热量由液体传递给板料，使得板料受热均勻，且通过计算机控制系统、温度传感器和吸油阀实现了对系统温度的精确控制，可以满足不同材料板料的不同温成形温度范围要求；
3)将板料加热到预定温度使其屈服强度降低，成形性能提高，克服了板料在常温下进行激光冲击成形易破裂的问题，且为在常温下的难成形材料的成形提供了一种新的思路；
4)采用了压力控制装置，通过计算机控制系统、溢流阀和吸油阀实现对系统压力的控制，使凹模型腔的压力保持恒定，且液体在板料成形过程中产生背压，进一步改善了其成形性能；
5)在激光冲击成形的同时会在板料表面产生残余压应力，起到表面强化的效果，提高了材料的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能，实现了对板料成形和强化的一体化；
6)激光冲击过程中由于吸收层和约束层的热保护，不会对板料形成热伤害；
7)该方法操作方便，利于进行生产化，也提高了生产效率。
图1激光冲击温成形装置简图。图1中标记1、大功率激光器，2、激光束，3、压边圈，4、约束层，5、吸收层，6、板料， 7、凹模，8、液体，9、出油口，10、吸油泵，11、单向阀，12、压力表，13、溢流阀14、数控工作台， 15、加热线圈，16、温度传感器，17、计算机控制系统，18、全反射镜。
具体实施例方式本实例以镁合金板料为例。结合图1，将镁合金板料进行预处理后，在其表面贴上铝箔为能量吸收层5，再在铝箔外贴上耐高温玻璃为约束层4，以在激光冲击过程中对板料 6进行热保护，减小激光对板料6的热伤害；将镁合金板料用压边圈2固定到图1所示装置上；本实例中用水作为凹模7型腔内的液体，设定溢流阀13的压力，通过吸油泵10将水由单向阀11吸满凹模7型腔(可在装置中设计一单向出气口，便于凹模内气体的排出)，使凹模7型腔达到设定压力后，用加热线圈15对凹模7进行加热，热量通过凹模7传递到型腔内的水再均勻传到镁合金板料，使镁合金板料达到180°C至270°C之间；温度的提高使镁合金的成形性能得到改善，屈服强度降低，塑性增强；通过温度传感器16将水的温度反馈到计算机控制系统17，由计算机控制系统17通过加热线圈15和吸油泵10来控制系统温度， 若系统温度低于设定的温度范围，可通过加热线圈提高系统温度，若系统温度高于设定的温度范围，可由吸油阀吸入冷液体降低系统温度，使水和板料可以保持在指定温度范围内； 根据成形要求调节激光的波长、脉冲宽度、光斑半径及激光能量等参数，并通过计算机控制系统17对数控工作台14的运行路径进行编程；本实例中可设置波长为1. OM μ m，脉冲宽度为20. 1ns，脉冲能量为36J ；激光束2由大功率激光器1发出后通过全反射镜18控制方向，对板料表面进行冲击，激光诱导会产生冲击波，冲击波产生后，等离子体迅速膨胀，但其被限制在镁合金表面和约束层之间，从而产生一个向板料内部传播的强冲击压缩波，该冲击压缩波就会对镁合金产生强化成形作用，从而得到我们所需要的成形效果；在成形过程中，当板料受到激光冲击波压力的作用产生变形时，凹模7型腔内压力会逐渐增加，水会对板料6产生背压，板料6受力及变形较均勻，减小了板料6破裂的可能性，当其压力超过所设定的溢流阀13的压力时，水从溢流阀13溢出，由此凹模7型腔压力恢复到溢流阀13设定压力以内，避免因型腔内压力过高造成板料的反变形，当板料6变形产生一定量的回弹时， 型腔内压力会降低，由计算机控制系统17控制吸油阀10吸入一定的液体，使系统压力恢复到设定状态；同时，激光冲击会使金属表面产生微小塑性拉伸变形，冲击后材料弹性恢复就会在金属表面形成有益的残余压应力，提高了板料6的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能，对板料6表面产生强化效果；加工完成后对板料进行后处理。
权利要求
1.一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形方法，其特征在于，对板料施以均热与恒定背压的方法，用激光诱导冲击波作为力源对板料(6)进行温成形；其具体步骤为A)将板料(6)进行预处理；B)在板料(6)表面贴上能量吸收层(5)和约束层(4)；C)将板料用压边圈(2)固定在激光冲击温成形装置上；D)设定溢流阀的压力，由吸收泵向凹模(7)型腔中吸入液体(8)，使凹模(7)型腔的压力上升至设定压力，并由压力控制装置维持激光冲击过程中系统压力的恒定；E)根据板料的材料性能确定其温成形温度，启动温度控制装置对型腔内液体(8)进行加热，再由液体(8)对板料(6)均勻加热至温成形温度；F)根据板料(6)的成形要求调节大功率激光器(1)的参数，编译程序以控制数控工作台(14)的运行路径；G)对板料(6)进行激光冲击温成形及表面强化；H)加工完成后对板料(6)进行后处理。
2.根据权利要求1所述的一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形方法，其特征在于，激光波长的调节范围为220-1100nm、激光脉冲宽度的调节范围为0. 002-99ns、激光光斑半径的调节范围为0. 02-29mm、激光脉冲能量大小的调节范围为0. 1-99J。
3.根据权利要求1所述的一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形方法，其特征在于，能量吸收层(5)可以使用铝箔、黑漆或黑胶带。
4.根据权利要求1所述的一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形方法，其特征在于，约束层(4)可以使用水、K9光学玻璃、有机玻璃、硅胶或合成树脂。
5.据权利要求1所述的一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形方法，其特征在于， 液体(8)使用不可燃的液体或不可燃的粘性液体。
6.一种根据权利要求1所述的一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形方法的激光冲击温成形装置，其特征在于，该装置由激光冲击成形装置、温度控制装置和压力控制装置三部分组成，这三部分均连接到计算机控制系统(17)上，由计算机控制系统(17)分别通过这三部分装置对激光冲击成形、系统温度及系统压力进行控制。
7.根据权利要求6所述的一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形的装置，其特征在于，由大功率激光器(1)、数控工作台(14)、计算机控制系统(17)、固定装置压边圈(3)和全反射镜(18)组成，用压边圈(3)对板料(6)进行固定，由计算机控制系统(17)对数控工作台(14)的运行路径进行控制，由大功率激光器(1)发射激光束(2)，其方向由全反射镜(18) 进行控制。
8.根据权利要求6所述的一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形的装置，其特征在于，将加热线圈(15)均勻分布在凹模(7)里，凹模型腔内注满液体(8)，通过加热线圈(15) 加热凹模(7)型腔内的液体，再由液体(8)对板料(6)均勻加热，在型腔中安装温度传感器 (16)对凹模(7)型腔内温度进行反馈，由计算机控制系统(17)调节加热线圈(15)和吸油泵(10)来控制系统温度，若系统温度低于设定的温度范围，可通过加热线圈提高系统温度， 若系统温度高于设定的温度范围，可由吸油阀吸入冷液体降低系统温度。
9.根据权利要求6所述的一种带均热与恒压的板料激光冲击温成形的装置，其特征在于，凹模(7)下端有出油口(9)，出油口(9)外部有吸油泵(10)、单向阀(11)、压力表(12)和溢流阀(13)，由溢流阀(13)设定系统压力后，由吸油泵(10)将液体(8)吸入凹模(7)型腔， 使其至设定压力，通过计算机控制系统(17)和吸油阀(10)来控制系统压力，若系统压力低于设定的压力范围，由计算机控制系统(17)控制吸油阀(10)吸入一定液体以提高系统压力，若系统压力低于设定的压力范围，则部分液体由溢流阀流(13)出，系统压力降低。全文摘要
本发明是一种带均热与恒压的激光冲击温成形方法与装置。本发明采用加热线圈提高系统温度，吸油泵吸入冷液体来降低系统温度，保证系统温度控制在预定温度范围内；用溢流阀设定系统压力，由吸油阀吸入液体至凹模型腔，使其达到指定压力；用激光诱导冲击波作为力源对板料进行温成形及强化。本发明专利综合了温成形技术和激光冲击技术的各自优势，采用液体加热板料，加热温度均匀易控制；压力控制装置保证了在成形过程中产生持续背压，使板料受力均衡。本发明方法改善了激光冲击成形时板料的成形性能，为难成形板料的成形提供了一种新的思路；板料在成形的同时，提高了板料的疲劳寿命和抗应力腐蚀性能。
文档编号B23K26/18GK102513698SQ201110448739
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者丁报, 姜文帆, 姜银方, 张永康, 张青来, 金华, 黄宇 申请人:江苏大学