[發明專利]一種激光沖擊波金屬板料校形方法及裝置

無效

• 申請號: 201110402468.X
• 申請日: 2011-12-07
• 公開（公告）號: CN103143593A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 丁華;周明;蔡蘭;狄建科
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B21D1/00
• 分類號: B21D1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及機械制造領域，特別涉及用于金屬板料的校形，并且特別適用于大型結構件的校形的激光沖擊波金屬板料校形方法及裝置。?

背景技術

金屬板料零件的加工和使用過程中，普遍存在著因材料性質、毛坯初始應力狀態、加工工藝、零件的幾何結構和使用條件等因素的相互作用而產生的變形問題。由于變形控制的研究剛剛起步，短期內還很難將所有工件的制造精度均控制在設計精度范圍之內。國內外對板料變形校正問題，尤其是大厚度、高精度板料校形技術的研究較少。?

目前金屬板料的校形方法主要有熱校形、時效應力校形和壓力校形。最常見的是熱校形和壓力校形，熱校形缺點是對零件組織有熱影響，壓力校形與工件表面接觸，精度難以控制。?

近年來激光沖擊加工技術的深入研究為解決校正過程中的部分問題提供了可能。2002年6月，美國加利福尼亞大學的Lawrence?Livermore國家重點實驗室Hackel等人在美國國家專利中提出了利用激光沖擊強化裝置對金屬板材進行三維彎曲成形的成形原理和精確成形方法，設想了將激光沖擊用于板材和桿件的校形，但未對激光沖擊開展具體研究。?

發明內容

為了克服傳統熱應力校形對零件組織有熱影響，壓力校形與工件表面接觸，校形精度低的缺點。本發明提供一種激光沖擊波金屬板料校形方法及裝置，直接利用強脈沖激光束(功率密度大于1GW/cm²，)沖擊工件表面，使其表層氣化電離并形成沖擊波，由于金屬板料表面水約束層的作用，高壓沖擊波作用于材料的表面，產生的沖擊波壓力峰值超過材料動態屈服強度，這使得校形材料表面發生微觀塑性變形，產生殘余壓應力，然后通過多點沖擊形成大面積的殘余應力區域的分布，并通過應力的釋放進行宏觀結構的小曲率校形。由激光器發出脈沖激光，由光路系統傳輸到工件表面，在水約束層的作用下，產生沖擊波，并使板件內部產生應力分布，進而進行變形的校正，可根據不同厚度的金屬板料，合理選擇激光脈寬、能量、光斑大小等參數來獲得理想的殘余壓應力分布，達到精確校形的目的。?

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：?

一種激光沖擊波金屬板料校形方法，其具體步驟為：?

A)把激光條狀沖擊區域看作為初應力作用的區域，作用效果由加載區域的寬度、應力大小和應力深度三個參數決定，其中應力區域的寬度可以用光斑直徑來表示，在模型加載過程中可以假設應力的深度不變，通過應力值大小變化來表示實際激光沖擊變形量的大小，在此基礎上，使用等效初應力載荷的靜態分析方法，把激光沖擊工藝參數等效成初應力載荷的大小，建立分析激光沖擊作用變形量的有限元模型，可以對板料的激光變形問題進行分析，并且通過試驗對模型進行驗證，為校形工藝參數的計算奠定基礎；?

B)通過仿真方法建立等效應力與變形之間的關系，使得等效應力與變?形量一一對應；?

C)通過試驗建立試驗參數與變形之間的關系庫，即激光參數與變形量之間的一一對應關系；?

進而得到試驗參數與等效應力的聯系；?

D)通過ANSYS中進行以等效應力為變量，校形量為計算目標，優化計算校形需要的等效應力和最佳沖擊區域分布；?

E)根據等效應力與工藝參數的對應關系可得到校形工藝參數，根據校形工藝參數和光斑分布路徑，設置激光器參數和二維移動工作臺參數，進行校形。?

一種激光沖擊波金屬板料校形裝置，包括激光器、反射鏡、水約束層、水管、工件、水槽、夾具、二維移動工作臺以及計算機，所述工件通過夾具夾持后至于水槽中，水槽連接水管，水在水槽中形成水約束層，水槽設于二維移動工作臺上，計算機連接二維移動工作臺控制水槽移動，激光器的輸出激光束通過反射鏡垂直作用于工件的表面。?

二維移動工作臺帶動工件一起移動。短脈沖激光器發出光束經過反射鏡后穿過水約束層到達工件表面。計算機通過com口與工裝夾具連接，控制工件的移動軌跡。?

本發明帶來的有益效果是：?

1、校形精度高：單次激光沖擊，形成的殘余應力區域非常微小，幾乎不能產生宏觀變形，只有通過大量激光沖擊才能形成沖擊區域，進行板料的宏觀校形。所以通過控制脈沖的數量和沖擊位置，可以非常精確的控制校形形狀。?

2、可以實現雙向校形：壓力校形只能從外往里壓，單一方向的變形校正。激光沖擊校形通過控制激光沖擊的功率密度，可以實現凸面和凹面雙向變形校正，即可以“拉”又可以“壓”。?

3、非接觸校形：激光沖擊校形在校形過程中，只有激光沖擊波跟工件表面作用，屬于非接觸校形，沒有任何殘留，便于校形后處理工作簡單。?