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科学新讯


第 8 卷- 2020 年 12 月刊
复杂形状大型板材的激光冲击成形



图1:大型面板激光冲击成形示意图


图2:金属板在激光冲击成形下的弯曲行为:(a)双向弯曲方向,视乎激光强度及板厚而定;(b)铝合金厚板的预应力强化弯曲


图3:通过定义分布式本征矩实现复杂成形的工艺优化(a)优化问题的定义;(b)本征矩的优化分布;(c)具有所需形状的鞍形


图4:大型板材激光冲击成形的三维扫描设备:(a)用带形状校正的电流计扫描,以覆盖大面积;(b)激光冲击成形原型设计;(c)现场激光冲击成形;(d)成形的面板

简介

激光冲击是机械表面处理高价值部件的一种众所周知的方法,尤其在航空航天和核工业中,用于提高耐疲劳和耐腐蚀性。由于高动压载荷引起表面层塑性变形,所以对于刚度较低的构件,通常会产生抗弯挠度。虽然挠度控制仍然是激光冲击中的一个难题,但在复杂的金属板成形和校正过程中可以采用非预期弯曲,从而在21世纪带来了激光冲击成形的发明。
激光冲击成形是一种很有应用前景的高柔性成形工艺。与直径小于0.2毫米的喷丸成形相比,激光冲击成形具有更高的成形性能,可生成厚度为1.0毫米的变形塑料层。此外,喷丸成形是一个随机过程,大量的弹丸射入板表面,而通过对每个激光脉冲的确定性过程来控制激光冲击成形要容易得多。因此,激光冲击成形将在未来的行业中有着广泛的应用前景。

目的

大面板是航空航天行业中获得高结构效率和先进气动性能的关键部件。与装配式结构相比,加筋肋板可使重量降低10-30%,装配成本缩减80-90%,耐疲劳性能提高25-30%。由于板材尺寸大、生产量小,板材成形是目前业界普遍关注的问题。
激光冲击成形是一种无刀具、无模具的柔性成形工艺,是实现小曲率大面板复杂成形的有效工艺,如图1所示。考虑到板材尺寸大、形状复杂、刚度低的主要特点,在大量激光冲击下,实现板材形状的定量控制是板材复杂成形中利用激光冲击成形的一个难题。形状控制需要建立一个有效的形状预测和逆过程优化模型。此外,通常采用的集成激光和工业机器人的固定光束设备并不适用,因为它效率低,需要随激光脉冲频繁移动面板。因此,设计大型板材成形设备是非常必要的。

研究进展

为了提高人们对激光冲击成形中弯曲行为的认识,对激光成形进行了全面的研究。以往的研究从实验上澄清了向上和向下的弯曲,提出了有效的工艺规划模型,并开发了扫描光束设备来演示几种大型面板应用的情况。
对金属薄板和纤维金属薄板的弯曲性能进行了实验研究[1,2]。如图2所示,薄铝板实验观察到了朝向和远离入射激光束的双向弯曲方向。此外,通过增加薄板厚度或降低激光强度,使弯曲变形从凹型向凸型连续平稳变化。向下弯曲通常用来变形小曲率的大型板材,保证激光冲击成形后两侧的残余压应力。为了提高高刚肋壁板主要要求的向下弯曲能力,预应力是通过在表层板上引入更多的面内塑性应变来增大曲率半径的有效途径[3]。如图2b所示,采用预应力激光冲击成形后,板厚为18和23毫米的板可以变形,曲率半径分别为2.7和3.9米。此外,激光辅助激光冲击成形(LALPF)是将激光加热与激光冲击成形相结合以提高弯曲性能的一种混合工艺。它还被证明对强度有热敏效应的钛板有很好的弯曲作用[4]。

激光冲击成形的建模是面板应用中必不可少的一个环节,因为大型表面需要大量的激光冲击,而复杂的无刀具工艺成形使得基于经验的试制和误差无法发挥作用。激光冲击成形工艺的有限元方法模拟目标材料在激光辐照产生的高瞬态压力下的动态响应。但是考虑到几何效应,很难预测大型部件的结果,这就需要一个全尺寸模型。定义等效中间量有助于高效地计算冲击效果,避免逐点模拟。有效中间量必须包括主要工艺参数的所有影响。提出了本征应变作为激光冲击成形小变形过程的有效中间量[5]。它可以分解为伸长和弯曲部件。通过定义弯曲挠度与偏微分方程(PDF)相关的本征矩,将复杂成形工艺优化定义为具有PDF约束的分布本征矩优化问题[6]。本征矩是描述激光冲击成形弯曲行为的内在物理量,采用内点算法可以优化激光冲击的分布,获得所需的形状。如图3所示,以具有鞍形几何形状的复杂形状为例,说明了该方法的可行性。通过对2024-T351铝合金的实验验证,基于PDE的本征矩场优化收敛到预期的鞍形[5]。

为了证明激光冲击成形形成具有所需形状的大型板材的能力,开发了一种三维扫描设备原型,用于实验。如图4a和4b所示,设备中集成了电流计,用于向目标表面输送激光脉冲。光学透镜由于斜入射而校正了畸变的光斑形状。在优化算法的帮助下,实现了成形,如图4c和4d所示。

总结

前人的工作表明,激光冲击成形是一种柔性无刀具成形工艺,具有很高的成形能力。基于PDE的分布式本征矩优化为复杂几何成形提供了一种有效的方法。为了使制造工业中的工艺更容易操作,对激光冲击成形在航空航天面板上的应用做了许多研究,如对弯曲的冲击序列效应、现场快速形状测量和基于工艺的面板开发等,这需要多学科小组作出巨大贡献。

致谢

研究经费由NSFC、STCSM以及来自上海的CMAC、CASC提供。

参考文献

[1] Y. Hu, X. Xu, z.Yao, J. Hu, Laser peen forming induced two way bending of thin sheet metals and its mechanisms, Journal of Applied Physics, 108 (2010) 073117.
[2] Y. Hu, X. Zheng, D. Wang, Z. Zhang, Y. Xie, Z. Yao, Application of laser peen forming to bend fibre metal laminates by high dynamic loading, Journal of Materials Processing Technology, 226 (2015) 32-39.
[3] Y. Hu, Z. Li, X. Yu, Z. Yao, Effect of elastic prestress on the laser peen forming of aluminum alloy 2024-T351: Experiments and eigenstrain-based modeling, Journal of Materials Processing Technology, 221 (2015) 214-224.
[4] M. Luo, Y. Hu, D. Qian, Z. Yao, Numerical modeling and mechanism analysis of hybrid heating and shock process for laser-assisted laser peen forming, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transaction of ASME, 140 (2018) 111009.
[5] Y. Hu, R.V.Grandhi, Efficient numerical prediction of residual stress and deformation for large-scale laser shock processing using the eigenstrain methodology, Surface & Coatings Technology, 206 (2012) 3374-3385.
[6] M. Luo, Y. Hu, L. Hu, Z. Yao, Efficient process planning of laser peen forming for complex shaping with distributed eigen-moment, Journal of Materials Processing Technology, 279 (2020) 116588.



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