激光弯曲成形及应用前景

　　一、前言
　　借助于模具来完成的传统金属塑性加工，不能完全适应制造业多品种小批量的生产方式。板料激光成形是一种新兴的塑性加工方法。这是一种无模具、无外力的非接触式热态积累成形技术，具有生产周期短，柔性大，精度高等特点。并且，借助红外测温仪及形状测量仪, 可在数控激光加工机上实现全过程闭环控制, 从而保证工件质量, 改善工作条件。板材激光弯曲作为一种新型无模具成形技术正日益受到板材成形加工界的密切关注，其基本原理是：利用高能激光束扫描金属板材表面时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。当激光束相对于板料的运动轨迹为直线时，便得到V形弯曲件；当运动轨迹不重复或为非直线时，便得到符合弯曲的异形件。所以，激光成形常常被称为激光弯曲成形或激光弯曲。激光成形技术不仅能够完成平板的弯曲、卷曲、浅拉伸等工艺，还可进行曲板的反弯曲、校平或卷板的开卷，以及方管或圆管的弯曲、缩口、胀形等。尽管对该项技术的研究尚处于起步阶段，关于其变形机理的解释是初步的，对于其成形过程中的各种影响因素也还缺少理论分析和定量描述，但板材激光弯曲成形的独特优点已使人们感受到它所潜在的巨大效益，其工业应用可以遍及航空、航天、微电子、船舶制造和汽车工业等多个领域。本文综述了激光弯曲成形的研究现状，并对其应用范围和发展前景做了展望。
　　二、板材激光弯曲成形的研究现状
　　2.1板材激光成形机理
　　根据激光加热时板料厚度方向的温度分布，激光成形有以下四种机理：①温度梯度机理。当金属板料的一侧受到激光的照射时，当金属板料的一侧受到激光照射时，在照射区域的厚度方向会产生很大的温度梯度。由于温度的不同, 在靠近光源的区域金属材料容易受热产生膨胀变形, 使板料弯向反向区域, 但弯曲量会很小, 在背向光源的区域由于没有受到激光的照射温度变化不大, 而受热膨胀区域会受到周围区域的约束而产生压应变。在冷却时, 热量流向周围的材料, 变形区的材料收缩, 它们会对压缩区的材料产生拉应力, 但是变形区的材料难以恢复原来的形状, 从而使板料弯向靠近光源的方向。如图1-a，此时所获得的变形类似于板料的三点折弯成形。②屈曲机理。如果加热区过大, 材料的热传导率高且厚度过小时, 在板料厚度方向上的温度梯度就会很小, 由于周围材料的约束会使加热区板料产生压应力, 当压应力超过材料的屈服应力时, 加热区的材料产生局部失稳, 产生弯曲, 在进行冷却时, 周围材料对变形区的约束力减小, 从而使板料产生更大的弯曲变形。如图1-b，此时所获得的变形类似于薄板在板平面方向施加挤压力时的变形。③增厚机理，加热区的材料受热膨胀后, 由于受到周围材料的约束, 所以在厚度方向上材料就会产生较高的内部压应力使材料堆积, 这样就会使材料厚度方向增加而长度或宽度减少, 在冷却过程中, 加热区的材料不能恢复从而产生增厚。通过选择正确的加热路径, 可以实现零件的加工。如图1-c，此时所产生的变形类似于厚板在平面方向施加挤压力时的变形。④弹性膨胀机理，当激光仅照射一个局部区域时, 在板料加热区导致的热膨胀要比温度梯度机理大, 同时热膨胀表现在局部, 会使板料产生纯的弹性变形，从而使板料产生小的弯曲。 但是这种弯曲是有限的, 因此, 我们可以通过对邻近区域进行点或块的照射方式来增大变形，如图1-d。但是，这种机理不能通过在同一个位置反复加热来进一步加大变形量，因为这样会使上次获得的弹性变形产生松驰，而通常采用对邻近区域进行点或块照射的方式来增大变形。
　　2.2板材激光成形的影响因素
　　板料的激光成形是一种非常复杂的热力耦合过程，影响其成形的因素主要有：
　　一是板料的几何尺寸，尤其是板料的厚度影响非常显著。一般认为，当板材很薄时，随板厚的增加，板料对弯曲的阻力矩、板料上下表面的温度梯度及与此相应的弯曲力矩均有所增加。在一定范围内，弯曲力矩的增大占主导，随板厚的增加弯曲角度增大。但是随厚度的继续增加，阻力矩的增大成为主要因素，弯曲角随厚度的增加而减小。
　　二是材料物理性质。热膨胀系数的增加有利于弯曲成形，而比热的增加则会减少弯曲角度。就材料力学参数而言，屈服强度、弹性模量、硬化指数的增加都会增加弯曲成形的难度。
　　三是激光参数，主要是激光束功率，光斑直径，扫描速度和扫描次数。试验研究表明，在材料承受的最高温度范围内，增加激光束能量，板材弯曲角度增大，减小光斑直径可以增大板料表面单位面积上的吸收能量，降低扫描速度则可以增加板料与激光束间的能量交换时间，从而达到增大板材弯曲变形的目的。另外，由于一次扫描形成的弯曲角度很小，往往将激光束沿同一轨迹反复扫描，板材弯曲角度随扫描次数增加呈线性增加。