激光冲击成形技术研究现状

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1、蘑论坛激光冲击成形技术研究现状术CurrentStatusofLaserShockFormingTechnologyResearch天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室李国和张兴会戚厚军李国和博士．天津职业技术师范大学机械工程学院副教授．主要研究方向为先进制造技术。激光冲击成形

2、l剖是利用激光作用所产生的冲击波压力使材料变形的一种无模新技术。它是利用高能激光诱导的高幅冲击波压力的力效应而非热效应来实现金属板料的塑性成形。激光冲击金属板料变形时，冲击波压力达数千兆帕，远大于材料的动态屈服强度，从而使材料发生塑性

3、变形，并改善金属板料性能。激光冲击成形这种高能加工新方法非常适合宇航工业中产品型号更迭频繁、批量不大、零件的形状复t天津职业技术师范大学科研发展基金资助项目(KJYll一02)资助。48航空制造技术·2013年第11期激光冲击成形是利用激光诱导高幅冲击波的力效应使板材产生塑性变形的快速、高效、精确的成形新技术，具有加工柔性高、精确可控、无小曲率成形的回弹问题、成形后材料性能好和无污染等特点。是一种无模、柔性成形新工艺，它可以充分发挥激光高能量的优点，是激光在板材成形领域的新应用。具有广阔的应用前景和巨大的开发潜力。杂多样、尺寸

4、稳定性及精度要求高等特点，且金属板材冲击成形后表面形成了很深的高幅值残余压应力，可显著提高其疲劳寿命，对有抗疲劳性能要求的钣金件，如飞机机翼蒙皮等，可减去常规的强化工艺，同时在小曲率板材弯曲成形以及难成形材料的成形方面也有极大的应用潜力，因此受到了越来越广泛的关注。现阶段对金属板料在激光冲击下变形的分析大多采用试验研究和理论分析相结合的方法，开展激光冲击成形加工机理及工艺研究，随着有限元、神经网络以及计算机技术的发展，有限元模拟和神经网络也开始被用于激光冲击成形的研究中。本文从激光冲击成形工艺及优化研究、激光冲击成形残余应力分

5、析以及激光冲击成形有限模拟3个方面总结激光冲击成形技术的研究现状，指出了存在问题及其发展趋势。激光冲击成形原理金属板料激光冲击成形的基本原理如图1所示『4】，将高功率密度(109W／cm2级)、短脉冲(10一s级)的强激光作用于覆盖在金属板材表面上的能量转换体，能量转换体兼有能量吸收层和约束层双重功能，其主要作用是把激光束产生的热能转成机械能(冲击波压力)，并提高激光能量的利用率，保护工件表面不受激光的热损伤。转换体和金属板料相接触一侧的薄层因吸收能量而汽化，汽化后的蒸汽急剧吸收激光能量形成等离子体而爆炸，爆炸时形成一动量脉冲

6、，产生向金属成形方向的应力波，板料在这种应力波的作用下产生塑性变形。通过选择激光脉冲能量、冲击轨迹和脉冲次数，在数控系统控制下，可实现板料的局部或大面积成形。采用预先制作好的凹模，则可实s畔剧帅。。。。哪特种加工J求层激光束吸收层金瞩板}l＼獭、＼黝rKX湫K×X‘>(，巧乃◇<×>◇<×．。X於文．><。×，K。ⅪX×××K)4＼＼／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／^㈧卜∑∑王一二二二二／。心图1激光冲击成形原理现激光冲击仿形。可见，激光冲击成形是一种集板料成形和强化于一体的复合工艺。激光冲击

7、成形工艺及优化研究在激光冲击成形过程中，离子体和由激光能量支持的爆炸波，形成高压冲击波传人工件内部，从而使板料在冲击波的力效应作用下产生塑性变形。由于采用激光束作为加载工具，而激光的脉冲能量、光斑尺寸及脉冲间隔宽度等参数精确可控，通过数控系统控制激光冲击头和板料的相对运动轨迹，可实现板料单次冲击局部成形，也可采用优化的激光参数对板料实施多点多次冲击，从而实现板料的柔性冲压成形。其工艺过程如图2所示。在激光冲击成形工艺研究方面，周建忠等人阻71利用Nd：Glass脉冲激光对厚度为0．8mm的LD31薄板进行了激光冲击变形实验，根

8、据爆轰波和爆炸气体动力学理论，建立了板料激光冲击成形中激光一能量转换体一靶材系统冲击波压力的物理模型和理论估算式：‰=√斋‰犏川式中，P。为激光脉冲产生的峰值压力；彳为吸收系数，通常取0．8～0．95；y为等离子体的绝热指数，取1．67；瓦、z。。为靶材和约束层材料的声阻抗；％、K为与能量吸收和约束层密度有关的参量；p为等离子体密度，可以看成是约束层材料、能量吸收层和工件材料汽化蒸汽的综合体；‘．为激光功率密度。杨超君等人【8l介绍了激光冲击变形机理和冲击波产生原因，建立了激光冲击下的板料变形模型，并推导了板料变形量计算公式：

9、w=等赭”肌川2)式中，p。为作用在板料上的冲击波压力；‰为板料变形所需要的临界压力，且有风=言菩蒜叽；形为板料最大变形量；以为材料的屈服强度；而为板料厚度；口为冲击)部修肜t¨最终1}￡；状图2激光冲击成形工艺过程波压力的作用圆半径；肌为参与变形的板料的单位质量。这为探讨板