專利名稱：金屬板料環形光斑激光沖擊成形方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬板料塑性成形的方法及裝置，尤其是一種金屬板料激光沖擊
成形的方法及裝置，具體地說是一種金屬板料環形光斑激光沖擊成形方法及裝置。
背景技術：
眾所周知，金屬板料塑性成形作為板材成形加工的主要方法之一，已在整個國民經濟中占有十分重要的地位。隨著激光加工技術的發展，激光沖擊板料成形由于融合了材料改性強化和成形于一體，并且具有超高壓、快速和高應變率等特點，在汽車、航空、國防工業等許多領域有廣泛的潛在應用前景。 國內江蘇大學張永康等人公開的發明專利"一種激光沖擊精密成形方法及裝置
(ZL01134063. 0)，在激光沖擊板料成形技術領域中是最具代表性的一種方法及裝置。該專
利技術直接利用強脈沖激光束沖擊工件表面的柔性貼膜，使其表層氣化電離并形成沖擊
波，由于產生的沖擊波壓力峰值超過材料動態屈服強度，從而使成形材料發生塑性變形。該
發明專利為金屬板料成形提供了一個很好的思路，但是也存在如下不足(l)在激光沖擊
成形過程中，由于采用圓形或矩形光斑，沖擊力呈均布或高斯分布，造成成形不均性較大、
板料表面凹凸不平且中心部位極易開裂；(2)板料每次塑性變形量小，對于高強度合金鋼
和較厚板材，變形量更小，成形效率較低，難以適應高強度合金鋼、較厚板材以及大面積成
形等。正是由于上述問題，該方法及裝置距離工業化生產尚存在一定距離。 因此，到目前為止，尚未得到一種可供實際工業化生產的金屬板料激光沖擊成形
方法及裝置。
發明內容
本發明的目的是針對現有的高斯分布和均勻分布激光光束沖擊成形方法存在的易開裂，效率低的問題，利用中空光束輻照在板料表面誘導沖擊波產生沖擊作用而使板料變形均勻性和極限變形深度可大幅提高的特性，發明一種金屬板料環形光斑激光沖擊成形方法及裝置。 本發明的技術方案之一是 —種金屬板料環形光斑激光沖擊成形方法，其特征是采用大功率脈沖激光器，使大功率脈沖激光器發出的可調式激光束通過光路系統形成中空光束，輻照在工件表面形成環形光斑；當該環形激光光斑作用在工件體系的表面，工件表面受到激光誘導的沖擊波作用產生快速的塑性變形，從而實現工件的成形。 所述的大功率脈沖激光器的脈沖寬度10ns 100ns，激光能量0 30J，激光器以重復頻率。所述的環形激光光斑的內徑為2 15mm，外徑為3 25mm。 所述的工件體系依次有約束層、能量吸收層和工件組成，所述的能量吸收層為柔性貼膜能量吸收層，所述的約束層為透明約束層。
本發明的技術方案之二是 —種金屬板料環形光斑激光沖擊成形裝置，它包括激光發生器電源26、控制裝置
25、 機床24、步進電機22、導軌21和激光發生系統45，控制裝置25分別與激光發生器電源
26、 步進電機22及機床24電氣連接，機床24上安裝有能移動的工件體系23，激光發生器電源26通過一個激光發生系統45后輸出中空光束29輻照在工件體系23上形成環形光斑30，其特征是步進電機22通過絲桿與導軌21上的滑塊相連，滑塊與環形光斑形成調節裝置46相連，環形光斑形成調節裝置46由會聚透鏡18、第一圓錐透鏡19和第二圓錐透鏡20組成，會聚透鏡18作為環形光斑形成調節裝置46的激光輸入端與作為激光發生系統45輸出端的第三擴束鏡17相鄰，所述的第二圓錐透鏡20與導軌21上的滑塊47相連，步進電機帶動滑塊47移動以便調節環形光斑30的外徑，工件體系23安裝在第二圓錐透鏡20的激光輸出側的機床24上，工件體系23在機床24上離第二圓錐透鏡20的距離可調且能在機床23的帶動下作平面移動或轉動，以便調節環形光斑30的內徑。 所述的激光發生系統45主要由第一全反射鏡l，第二反射鏡15，KD*P晶體2，第一偏振器3，第一釹玻璃放大棒4，第二釹玻璃放大棒8，第三釹玻璃放大棒14，輸出鏡5，隔離器6，第一擴束鏡7，第二擴束鏡9，第三擴束鏡17，預放大器8，第一45度全反鏡10，第二45度全反鏡ll，第三45度全反鏡16，第二偏振器12和45度旋轉器13組成，其中KD*P晶體2在激光發生器電源26控制下工作，第一全反射鏡1和第一偏振器3分別位于KD*P晶體2的兩側，第一偏振器3的輸出側依次連接有第一釹玻璃放大棒4、輸出鏡5、隔離器6、第一擴束鏡7、第二釹玻璃放大棒8、第二擴束鏡9和第一 45度全反鏡10 ;第三釹玻璃放大棒14、45度旋轉器13和第二偏振器12依次串接后置于第二反射鏡15和第二 45度全反鏡11之間，第二偏振器12呈45度安裝并緊鄰第二 45度全反鏡ll，第一 45度全反鏡10和第二 45度全反鏡11的夾角為90度；第三45度全反鏡16與第二偏振器12相對安裝，作為激光發生系統45輸出的第三擴束鏡17安裝在第三45度全反鏡16反射線的一側。
所述的工件體系23依次由工件42、能量吸收層40和約束層39組成，工件42位于最底層。 激光輸出總能量可根據激光沖擊成形工藝要求增加激光介質的抽運功率或者增加激光器放大器級數來增加；激光脈寬通過調節諧振腔的腔長和調節激光介質的抽運功率來實現。 本發明的有益效果 (1)本發明可方便地調節激光脈寬、能量、光斑內外徑等激光參數，從而實現調整沖擊壓力(沖擊波峰壓達到幾GPa)的大小和分布，解決了變形不均勻、板料表面凹凸不平等問題，提高了板料的激光沖擊成形表面光滑度，可實現復雜工件的沖擊成形和精密成形。
(2)環形光斑沖擊作用，有利于改變應力波的性質，防止引起層裂現象，提高板料的激光沖擊成形性和成形極限，也適應難成形材料的成形。
(3)本發明兼有沖擊塑性變形成形和應力場成形的雙重特征，可根據板料形狀和成形規律的要求，使板料產生一定的塑性變形和應力場分布而成形。
(4)生產準備時間短，加工柔性化，模具費用小，制造成本低。 (5)本發明除了可對薄板沖壓成形外，還可對厚達20mm的金屬厚板彎曲成形。此外，還可實現難成形材料的成形，如高強度結鋼、鈦合金、鎂合金、塑料及復合材料等多種材料冷沖壓成形，甚至對脆性材料彎曲成形，實現脆塑的動態轉變。
圖1環形激光沖擊精密成形系統示意圖。
圖2環形激光沖擊精密成形過程示意圖。 圖3各種模式激光束沖擊成形工件截面形狀示意圖。 圖4各種模式激光束沖擊成形極限深度示意圖。 圖5環形激光分層逐點沖擊成形示意圖。 1 :第一全反射鏡(簡稱全反射鏡)；2 :KD*P晶體激光發生器電源；3 :第一偏振器(簡稱偏振器)；4 :第一釹玻璃放大棒；8 :第二釹玻璃放大棒；14 :第三釹玻璃放大棒；5 :輸出鏡；6 :隔離器；7 :第一擴束鏡；9 :第二擴束鏡；17 :第三擴束鏡；10 :第一 45°全反射鏡；11:第二45。全反射鏡；16:第三45。全反射鏡；12 :第二偏振器；13 :45°旋轉器；15:第二全反射鏡；18 :會聚透鏡；19 :第一圓錐透鏡，20 :第二圓錐透鏡；21 :導軌；22 :步進電機；23 :工件體系；24 :數控機床；25 :控制系統；26 :激光器發生器；27 :光斑外徑調節間距dl ;28 :光斑內徑調節間距d2 ;29 :中空激光束；30 :環形光斑；31 :成形件；32 :中空激光束照射沖擊成形工件截面輪廓；33 :高斯分布激光束照射沖擊成形工件截面輪廓；34 :能量均布激光束照射沖擊成形工件截面輪廓；35 :高斯分布激光束照射沖擊成形極限深度；36 :能量均布激光束照射沖擊成形極限深度；37 :環形分布激光束輻射沖擊成形極限深度；38 :水流裝置；39 :透明約束層；40 :鋁箔膠帶；41 :夾具；42 :工件；43 :沖擊第一層；44 :沖擊第n層；45 :激光發生系統；46 :環形光斑形成調節裝置；47 :滑塊。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
實施例一。
如圖2、5所示。 —種金屬板料環形光斑激光沖擊成形方法，采用大功率脈沖激光器，使大功率脈沖激光器發出的可調式激光束通過光路系統形成環形激光光斑，使該環形激光光斑作用在工件體系的表面上，工件表面受到激光誘導的沖擊波作用產生快速的塑性變形。如圖2所示，根據板料形狀/材質/板厚和成形規律的要求，以及成形檢測反饋系統的信號，通過中央控制系統綜合調節激光脈沖寬度、激光能量、環形光斑內外徑、沖擊位置，獲得合理的沖擊力的大小和分布，以得到精確的工件輪廓和提高成形效率。 具體實施時，激光脈沖寬度10ns 100ns，激光能量0 30J，光束內徑2 15mm，光束外徑為3 25mm，激光器以重復頻率工作。 所述工件體系依次由成形工件、約束層和能量吸收層組成，其中約束層在最上一層，它的下面是能量吸收層，能量吸收層的下面是成形工件。能量吸收層可采用柔性貼膜能量吸收層，如鋁箔膠帶。約束層為透明約束層，如流水、K9玻璃等，具體實施時，工件體系還可采用現有專利所公開的工件體系加以實現。
實施例二。
如圖l-5所示。
5
—種金屬板料環形光斑激光沖擊成形裝置，它包括激光發生器電源26、控制裝置25、機床24、步進電機22、導軌21和激光發生系統45及環形光斑形成調節裝置46，控制裝置25分別與激光發生器電源26、步進電機22及機床24電氣連接，機床24上安裝有能移動的工件體系23，上，激光發生器電源26通過一個激光發生系統45后輸出環形光斑作用在工件體系23，步進電機22通過絲桿與導軌21上的滑塊47相連，環形光斑形成調節裝置46由會聚透鏡18、第一圓錐透鏡19和第二圓錐透鏡20組成，會聚透鏡18作為環形光斑形成調節裝置46的激光輸入端與作為激光發生系統45輸出端的第三擴束鏡17相鄰，所述的第二圓錐透鏡20與導軌21上的滑塊47相連，步進電機帶動滑塊47移動以便調節環形光斑30的外徑，工件體系23安裝在第二圓錐透鏡20的激光輸出側的機床24上，工件體系23在機床24上離第二圓錐透鏡20的距離可調且能在機床23的帶動下作平面移動或轉動，以便調節環形光斑30的內徑和沖擊位置。所述的激光發生系統45主要由第一全反射鏡l，第二反射鏡15， KD*P晶體2，第一偏振器3，第一釹玻璃放大棒4，第二釹玻璃放大棒8，第三釹玻璃放大棒14，輸出鏡5，隔離器6，第一擴束鏡7，第二擴束鏡9，第三擴束鏡17，預放大器8，第一 45度全反鏡10，第二 45度全反鏡11 ，第三45度全反鏡16，第二偏振器12， 45度旋轉器13組成，其中KD*P晶體2在激光發生器電源26控制下工作，第一全反射鏡1和第一偏振器3分別位于KD*P晶體2的兩側，第一偏振器3的輸出側依次連接有第一釹玻璃放大棒4、輸出鏡5、隔離器6、第一擴束鏡7、第二釹玻璃放大棒8、第二擴束鏡9和第一 45度全反鏡10 ;第三釹玻璃放大棒14、45度旋轉器13和第二偏振器12依次串接后置于第二反射鏡15和第二 45度全反鏡11之間，第二偏振器12呈45度安裝并緊鄰第二 45度全反鏡11，第一 45度全反鏡10和第二 45度全反鏡11的夾角為90度；第三45度全反鏡16與第二偏振器12相對安裝，即第三45度全反鏡16應安裝在第二偏振器12能反射到的位置處，圖1中第三45度全反鏡16安裝在第二偏振器12的下部，作為激光發生系統45輸出端的第三擴束鏡17安裝在第三45度全反鏡16反射線的一側，會聚透鏡18、第一圓錐透鏡19及第二圓錐透鏡20依次安裝在第三擴束鏡17的輸出側，第二圓錐透鏡20與導軌21上的滑塊47相連，步進電機帶動滑塊47移動以便調節環形光斑30的外徑大小，機床位于第二圓錐透鏡20的光線輸出側，工件體系23安裝在機床23上并能在機床23上移動以便調節環形光斑的內徑大小；所述的工件體系23依次由工件42、能量吸收層40和約束層39組成，工件42位于最底層。 本發明的KD*P晶體2 (電光調Q晶體)由磁脈沖壓縮開關和閘流管組合作為放電開關控制電脈沖寬度，通過改變諧振腔腔長和激光介質的改變抽運功率，調節激光脈寬獲得10ns 100ns脈沖寬度的激光束；由圓錐透鏡組組成的可調式中空激光束系統輸出環形光斑，通過調節圓錐透鏡19、20之間的距離輸出不同外徑的環形光束；通過數控機床移動工件，調節與圓錐透鏡20的距離以改變環形光斑內徑。
詳述如下 如圖1所示。由KD*P晶體2(固體激光發生器，受控于激光發生器電源26)、偏振器3、釹玻璃放大棒4以及全反射鏡1和輸出鏡5 (輸出耦合鏡)組成多橫模激光諧振腔，使得輸出激光模體積大，相應輸出激光能量就比較大。激光器由磁脈沖壓縮開關和閘流管組合作為放電開關控制電脈沖寬度，通過改變諧振腔腔長和激光介質的抽運功率，調節激光脈寬獲得10ns 100ns脈沖寬度的激光束。諧振腔輸出激光通過隔離器6和擴束鏡7進入放大器8進行放大，繼續擴束通過偏振方向和偏振器3偏振方向相同的偏振器12，通過45度光束旋轉器13，繼續通過放大器14進行放大，通過全反鏡15反射第二次通過放大器14進行放大以輸出一定能量的激光，輸出激光第二次通過45度旋轉器13，第二次通過偏振器12時激光被反射，反射的激光通過準直擴束鏡17，準直擴束鏡17主要是用來壓縮激光的發散角，提高激光的光束質量。激光繼續通過會聚透鏡18、圓錐透鏡19、20，產生環形激光光斑。控制系統25通過步進電機22調節兩個會聚圓錐透鏡19和20之間的距離調節環形光斑的外徑，同時通過數控機床24調節試樣體系23與圓錐透鏡20的間距28 (d2)來調節環形光斑的內徑，達到激光沖擊成形的工藝要求。調整好工藝參數后，中空激光束輻照工件體系23，對板料進行成形加工。 由環形激光器輸出的激光脈寬10ns 100ns，能量0 30J根據激光沖擊成形工藝要求可以增加激光器放大器級數來增加激光輸出總能量，光束內外直徑2 25mm，激光器以重復頻率工作。 如圖2所示。激光器發出的中空激光束29輻射在工件體系(由工件+能量吸收層+約束層23組成)上，形成環形光斑30，能量吸收層吸收環形激光能量產生等離子體并爆炸，爆炸沖擊波在約束層的限制下，產生強大的沖擊壓力作用在工件上，產生大塑性變形，形成一定形狀的成形件31。 如圖3所示。中空激光束輻射沖擊成形工件截面輪廓32比高斯分布激光束輻射沖擊成形工件截面輪廓33和能量均布激光束輻射沖擊成形工件截面輪廓34的形狀更為合理，通過調節激光脈寬、能量、光斑內外徑等激光參數來調整沖擊壓力(沖擊波峰壓達到幾GPa)的大小和分布，可解決激光沖擊變形中的不均勻，板料表面凹凸不平等問題，提高板料的激光沖擊成形表面光滑度，實現復雜工件的沖擊成形和精密成形。 如圖4所示。由于環形激光沖擊變形更為均勻合理，環形激光輻照沖擊成形極限深度37比高斯分布激光束輻射沖擊成形極限深度35和能量均布激光束輻射沖擊成形極限深度36更大，采用環形激光沖擊成形，可提高板料的激光沖擊成形極限，充分發揮材料的成形特性，使激光沖擊成形工藝更完善，應用更廣泛。 如圖5所示。試樣體系由成形工件42及其表面貼設柔性貼膜能量吸收層如鋁箔膠帶40和透明約束層39(如流水或其它透明層)組成。采用環形激光沖擊精密成形系統，夾載試樣體系的工作臺可按數控指令向待沖擊位置作三維運動。根據優化的沖擊參數，計算機控制系統自動選擇激光脈沖參數激光脈寬、能量、光斑內外徑等)，編制NC加工程序用于計算機控制系統以控制各控制執行系統，完成沖擊。成形件分別采用粗沖成形和精沖成形保證。粗沖成形采用分層制造的思想，在將復雜的三維型面根據被沖擊材料的塑性變形量分解成一系列的二維等高線斷面層43、44的基礎上，采用逐層沖擊成形，在沖擊每層時可通過使工件體系轉動、移動實現沖擊位置的變化，也可使激光發生系統45及環形光斑形成調節裝置46相對工件上的需沖擊位置進行移動，這些都可以借助現有技術加以實現。
具體實施時，激光發生系統45除了可采用圖1中所示的放大轉換系統外，還可采用與現有的形成圓形光斑或矩形光斑的激光發生器相同。 總之，借助環形激光光斑優良的沖擊性能是本發明的關鍵，但凡利用環形激光光
斑進行沖擊成形的類似的裝置或系統均被認為涵蓋在本發明之中。 本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
一種金屬板料環形光斑激光沖擊成形方法，其特征是采用大功率脈沖激光器，使大功率脈沖激光器發出的可調式激光束通過光路系統形成中空光束，輻照在工件表面形成環形光斑；當該環形激光光斑作用在工件體系的表面上，工件受到激光誘導的沖擊波作用產生快速的均勻塑性變形，從而實現工件的成形。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的大功率脈沖激光器的脈沖寬度10ns 100ns，激光能量0 30J，激光器以重復頻率。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的環形激光光斑的內徑為2 15mm，外徑為3 25mm。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特征是所述的工件體系由依次由約束層、能量吸收層和工件組成，所述的能量吸收層為柔性貼膜能量吸收層，所述的約束層為透明約束層。
5. —種金屬板料環形光斑激光沖擊成形裝置，它包括激光發生器電源(26)、控制裝置(25)、機床(24)、步進電機(22)、導軌(21)和激光發生系統(45)，控制裝置(25)分別與激光發生器電源(26)、步進電機(22)及機床(24)電氣連接，機床(24)上安裝有能移動的工件體系(23)，其特征是步進電機(22)通過絲桿與導軌(21)上的滑塊相連，滑塊與環形光斑形成調節裝置(46)相連，環形光斑形成調節裝置(46)主要由會聚透鏡(18)、第一圓錐透鏡(19)和第二圓錐透鏡(20)組成，會聚透鏡(18)作為環形光斑形成調節裝置(46)的激光輸入端與作為激光發生系統(45)輸出端的第三擴束鏡(17)相鄰，所述的第二圓錐透鏡(20)與導軌(21)上的滑塊(47)相連，步進電機帶動滑塊(47)移動以便調節環形光斑(30)的外徑，工件體系(23)安裝在第二圓錐透鏡(20)的激光輸出側的機床(24)上，工件體系(23)在機床(24)上離第二圓錐透鏡(20)的距離可調且能在機床(23)的帶動下作平面移動或轉動，以便調節環形光斑(30)的內徑。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其特征是所述的激光發生系統(45)主要由第一全反射鏡(1)，第二反射鏡(15) ，KD*P晶體(2)，第一偏振器(3)，第一釹玻璃放大棒(4)，第二釹玻璃放大棒(8)，第三釹玻璃放大棒(14)，輸出鏡(5)，隔離器(6)，第一擴束鏡(7)，第二擴束鏡(9)，第三擴束鏡(17)，預放大器(8)，第一45度全反鏡(10)，第二45度全反鏡(11)，第三45度全反鏡(16)，第二偏振器(12)和45度旋轉器(13)組成，其中KD*P晶體(2)在激光發生器電源(26)控制下工作，第一全反射鏡(1)和第一偏振器(3)分別位于KD承P晶體(2)的兩側，第一偏振器(3)的輸出側依次連接有第一釹玻璃放大棒(4)、輸出鏡(5)、隔離器(6)、第一擴束鏡(7)、第二釹玻璃放大棒(8)、第二擴束鏡(9)和第一45度全反鏡(10);第三釹玻璃放大棒(14)、45度旋轉器(13)和第二偏振器(12)依次串接后置于第二反射鏡(15)和第二45度全反鏡(11)之間，第二偏振器(12)呈45度安裝并緊鄰第二45度全反鏡(11)，第一45度全反鏡(10)和第二45度全反鏡(11)的夾角為90度；第三45度全反鏡(16)與第二偏振器(12)相對安裝，作為激光發生系統(45)輸出的第三擴束鏡(17)安裝在第三45度全反鏡(16)反射線的一側。
7. 根據權利要求5所述的裝置，其特征是所述的工件體系(23)依次由工件(42)、能量吸收層(40)和約束層(39)組成，工件(42)位于最底層。
8. 根據權利要求5所述的激光發生系統，其特征是所述的激光輸出總能量可根據激光沖擊成形工藝要求增加激光介質的抽運功率或者增加激光器放大器級數來增加；激光脈寬通過調節諧振腔的腔長和調節激光介質的抽運功率來實現。
全文摘要
一種金屬板料環形光斑激光沖擊成形方法及裝置，其特征是所述的方法是采用環形激光光斑作用在工件體系的表面上，工件表面受到激光誘導的沖擊波作用產生快速的塑性變形。所述的裝置主要由激光發生器電源(26)、控制裝置(25)、機床(24)、步進電機(22)、導軌(21)和激光發生系統(45)，激光發生系統(45)和圓錐透鏡組的作用下能產生中空光束，輻照在工件表面形成環形光斑。本發明有利于改變激光沖擊成形力的分布，防止引起成形開裂現象，提高板料的激光沖擊成形性和成形極限，提高成品率和加工速度。
文檔編號B23K26/06GK101745740SQ200910264809
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月23日 優先權日2009年12月23日
發明者葉云霞, 唐振州, 姜銀方, 尤建, 張永康, 方雷, 李志飛, 楊超君, 王宏宇, 管海兵, 錢曉明, 魯金忠 申請人:江蘇大學