專利名稱：一種激光沖擊波金屬板料校形方法及裝置的制作方法
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lGW/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:—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。4、可以對難校形材料:激光沖擊可以適合于多種材料的校形，適用范圍廣。附圖簡述
圖1是激光沖擊精密校形裝置示意2是激光作用區域的示意3是激光沖擊校形示意圖一圖4是激光沖擊校形示意圖二圖5是激光沖擊二維校形示意圖 圖6是激光沖擊二維校形示意中標號為:1-激光器2-反射鏡3-水約束層4-水管5-工件6-水槽7-夾具8-二維移動工作臺9-計算機10-沖擊波11-沖擊區12第一校形后工件13第二校形后工件14第三校形后工件15-激光束16-等離子體
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。如圖1所示，為校形工藝參數的計算流程；如圖2所示為激光沖擊波金屬板料校形裝置，其包括激光器1、反射鏡2、水約束層
3、水管4、工件5、水槽6、夾具7、二維移動工作臺8、計算機9。如圖2所示，工件5通過夾具7固定在二維移動工作臺8上的水槽6內。打開水流開關，讓流水覆蓋在激光束輻射位置，并形成8-10_厚的穩定約束層3。激光束15經反射后直接輻射在流水約束層3上，激光沖擊工件表面并形成高溫等離子體16，它們膨脹受水約束層3的限制。這樣，等離子體16劇烈升溫進而劇烈爆炸，產生向校形工件5內部傳播的高幅沖擊波10，調整激光沖擊參數，可形成預定幅值的應力波加載。當沖擊波峰壓超過金屬材料動態屈服強度時，并產微觀塑性應變，大量沖擊點殘余壓應力的共同作用下，引起應力的重新分布，從而實現宏觀校形。如圖3所示，是激光作用區域的示意圖，流水在工件5表面形成水約束層3，激光沖擊波10激發等離子體16。流水約束層約束了高溫等離子體膨脹，同時防止激光的熱損壞。如圖4、圖5是激光沖擊校形示意圖，激光按一定軌跡沖擊后形成殘余應力區11，待校形工件5經過激光參數的選取，可以形成與激光沖擊作用方向相反方向的校形(第一校形后工件12)，也可以形成與激光沖擊作用相同方向的變形校正(第二校形后工件13)。如圖6所示是激光沖擊二維校形示意圖，根據圖5設計的沖擊區域11進行激光沖擊，形成理想的應力分布形態，可以進行復雜形態變形的校正(第三校形后工件14)。同樣通過設計應力區的三維分布，可以進行板料的三維變形校正。更多的校形事例不便勝舉，這里僅闡明它的技術方案和部分實例。以上所述，僅為本發明的具體實施方式
，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本領域的技術人員在本發明所揭露的技術范圍內，可不經過創造性勞動想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書所限定的保護范圍為準。
權利要求
1.一種激光沖擊波金屬板料校形方法，其特征在于，所述方法的具體步驟為: A)脈沖激光在水約束層條件下，形成激光沖擊波對材料進行沖擊加工。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; D)得到試驗參數與等效應力的聯系； E)在有限元模型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； F)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。
2.根據權利要求1所述的一種激光沖擊波金屬板料校形方法，其特征在于，脈沖激光的形成能量密度在lGW/cm2以上，所述約束層采用水約束層，約束層厚8-10mm。
3.一種激光沖擊波金屬板料校形裝置，其特征在于，所述裝置包括激光器、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，所述水槽連接水管，水在水槽中形成水約束層，水槽設于二維移動工作臺上，所述計算機連接二維移動工作臺控制水槽移動，激光器輸出的激光束通過反射鏡垂直作用于工件的表面。
4.根據權利要求3所述的一種激光沖擊波金屬板料校形裝置，其特征在于，所述激光器為短脈沖激光器，脈寬l_50ns。
5.根據權利要求3所述的一種激光沖擊波金屬板料校形裝置，其特征在于，所述計算機通過com 口與夾具連接。
全文摘要
本發明提供一種利用激光沖擊波進行精密校形方法，由激光器發出激光束通過光路系統傳輸到工件表面，水約束層覆蓋工件表面，形成約束層。激光脈沖作用下，在工件表面形成沖擊波，在工件內部產生殘余壓應力，通過控制激光沖擊的位置，實現金屬板料的校形。一種利用激光沖擊波進行精密校形的裝置，特別適用于各種金屬板料板件的校形，其裝置包括激光器、反射鏡、水約束層、水管、工件、水槽、夾具、二維移動工作臺、計算機，本發明所述方法及裝置能對大型結構件進行精密校形，校形精度高，無熱影響，與工件表面非接觸，能實現凸面和凹面校形。
文檔編號B21D1/00GK103143593SQ201110402468
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者丁華, 周明, 蔡蘭, 狄建科 申請人:江蘇大學