金屬層合板激光圓弧掃描彎曲成形試驗(yàn)研究*

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(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116024)

0 引言

不銹鋼—碳鋼層合板屬于金屬基宏觀組合型復(fù)合材料[1]，其基層材料為碳鋼，覆層材料為不銹鋼。其中，爆炸+軋制工藝生產(chǎn)的不銹鋼—碳鋼層合板，不銹鋼層與碳鋼層界面產(chǎn)生牢固的冶金結(jié)合，以其兼顧表層不銹鋼層良好的抗腐蝕性、耐磨性以及碳鋼層高強(qiáng)度、高硬度特點(diǎn)[2]，使得不銹鋼—碳鋼層合板具備優(yōu)良的綜合性能，并廣泛開始應(yīng)用于機(jī)械及汽車制造、建筑行業(yè)、石油化工、交通橋梁、船舶運(yùn)載以及核電設(shè)備等方面。

金屬板材激光彎曲成形技術(shù)是一種無模具、柔性彎曲成形技術(shù)，其利用熱源加載到板材表面并形成熱應(yīng)力、應(yīng)變最終實(shí)現(xiàn)板材的彎曲成形[3]。目前，針對(duì)機(jī)械制造行業(yè)自動(dòng)化、個(gè)性化小批量生產(chǎn)需求的提出，激光彎曲成形技術(shù)具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。其中，基于激光柔性彎曲成形特點(diǎn)，激光彎曲成形三維曲面成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。劉順洪[4]等分析了激光三維彎曲成形的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)成形的影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)掃描路徑等激光三維成形因素進(jìn)行了分析，概括總結(jié)了激光彎曲成形技術(shù)的關(guān)鍵因素與發(fā)展前景。Kant R[5]等對(duì)鎂合金板材進(jìn)行了激光圓弧掃描彎曲的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。相關(guān)模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，研究結(jié)果顯示，離焦量是對(duì)激光彎曲影響最大的參數(shù)。彎曲角度隨著彎曲曲率的增加而增加；自由端邊界翹曲隨著掃描路線向約束邊界方向呈減小趨勢(shì)。楊立軍[6]等人采用交叉線掃描策略對(duì)正方形薄板激光三維彎曲成形球冠面進(jìn)行了研究，并利用顯式動(dòng)態(tài)有限元對(duì)激光彎曲成形過程中正方向薄板的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)變化情況進(jìn)行了分析。Hennige T[7]等在研究掃描方案的同時(shí)，建立了環(huán)形試件的有限元模型，同時(shí)分析了激光束未掃描板材區(qū)域預(yù)熱作用引起的板材加熱狀態(tài)不一致導(dǎo)致激光掃描線區(qū)域塑性應(yīng)變不對(duì)稱分布的現(xiàn)象。Maji K[8]等利用正方形金屬板基于溫度梯度機(jī)理，通過改變激光束掃描路徑形成了圓形三維形狀，并對(duì)各加工參數(shù)對(duì)穹高的影響進(jìn)行了回歸分析。Gollo M H[9]等通過不同路徑掃描方式對(duì)圓頂形激光彎曲成形結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明螺旋路徑與圓形路徑相比能夠產(chǎn)生更好的圓頂形樣件，并對(duì)全費(fèi)馬掃描路徑進(jìn)行了有限元仿真分析，實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果具有一致性。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光彎曲三維曲面成形的研究處于開始階段。本文以矩形金屬層合板為研究對(duì)象，采用激光圓弧掃描彎曲成形策略，研究分析加工參數(shù)中激光功率P、離焦量H、激光掃描速度v以及層合板厚度h對(duì)層合板彎曲角度、曲面變形量變化規(guī)律及其影響作用，并最終利用激光圓弧掃描彎曲成形策略進(jìn)行圓頂形樣件試制，為激光圓弧掃描彎曲成形圓頂形結(jié)構(gòu)提供理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

激光試驗(yàn)所用設(shè)備為JK701型激光加工系統(tǒng)，Nd：YAG毫秒脈沖激光器。試驗(yàn)用板材材料為不銹鋼—碳鋼層合板，此板材采用爆炸軋制工藝生產(chǎn)而成，基層材料為Q235A碳鋼，上下雙面覆層材料均為SUS304不銹鋼，總厚度值為：1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm(試驗(yàn)樣件厚度以實(shí)測(cè)值為準(zhǔn))。該層合板為雙面三層結(jié)構(gòu)，示意如圖1(a)，其中3種厚度板材各層厚度值比均為：1∶6.33∶1。圖1(b)為1 mm厚未激光加工基板，其中碳鋼層為硝酸酒精溶液腐蝕后結(jié)果。不同厚度層合板各層厚度值如表1。

圖1 不銹鋼-碳鋼層合板

表1不同層合板厚度下不銹鋼層與碳鋼層厚度

材 質(zhì)規(guī) 格/mm0.12+0.76+0.12SUS304+Q235A+SUS3040.18+1.14+0.180.24+1.52+0.24

1.2 試驗(yàn)及測(cè)量方案

圖2 激光圓弧掃描路徑

激光彎曲試驗(yàn)基于溫度梯度機(jī)理，板材樣品采用單端固定方式，激光沿圓弧線往復(fù)掃描，掃描圓弧線與基準(zhǔn)線相切，在每次激光圓弧掃描開始時(shí)為使激光加工穩(wěn)定與板材預(yù)留一段距離，激光圓弧曲線掃描路徑如圖2所示，O、R分別為激光圓弧掃描路徑的圓心與半徑，L為激光掃描基準(zhǔn)線至板材自由端長(zhǎng)度，W為板材寬度，Δw為激光掃描起始點(diǎn)到板材邊緣預(yù)留長(zhǎng)度。

試驗(yàn)中，層合板尺寸為：100 mm×50 mm，激光圓弧掃描半徑R=50 mm，激光掃描基準(zhǔn)線至板材自由端長(zhǎng)度L=25 mm，激光掃描次數(shù)n=20，脈沖寬度tp=2 ms，激光掃描起始點(diǎn)到板材邊緣預(yù)留長(zhǎng)度Δw=3 mm。激光圓弧掃描彎曲加工主要參數(shù)為：激光功率P、離焦量H、激光掃描速度v以及層合板厚度h。其參數(shù)值如表2。

表2激光圓弧掃描彎曲加工參數(shù)值

圖3 層合板彎曲角度及 曲面變形量測(cè)量位置

為對(duì)激光圓弧掃描彎曲后層合板彎曲角度及曲面變形量進(jìn)行測(cè)量，定義激光掃描線至自由端間層合板兩側(cè)邊線所在平面為基準(zhǔn)面1，激光掃描線至固定端間層合板兩側(cè)邊線所在平面為基準(zhǔn)面2。α1為左側(cè)邊線處層合板彎曲角度，α2為長(zhǎng)度中線處層合板彎曲角度，α3為右側(cè)邊線處層合板彎曲角度；Δ1為自由端中點(diǎn)a至基準(zhǔn)面1垂直距離，Δ2為激光圓弧掃描線中點(diǎn)b至基準(zhǔn)面1垂直距離，Δ3為激光圓弧掃描線中點(diǎn)b至基準(zhǔn)面2垂直距離，如圖3各測(cè)量位置示意圖所示。

2 不銹鋼層合板激光圓弧掃描彎曲試驗(yàn)

根據(jù)游標(biāo)角度尺測(cè)量結(jié)果，利用origin畫圖軟件，分別以激光功率P、離焦量H、激光掃描速度v以及層合板厚度h為自變量，以層合板各測(cè)量位置彎曲角度為因變量繪制激光參數(shù)對(duì)層合板彎曲角度影響曲線圖，結(jié)果如圖4。

由圖4(a)可知層合板彎曲角度隨激光功率P增加而增大，激光功率P從80 W增至140 W，層合板彎曲角度α1由48′增大至38°34′，α2由38′增大至35°48′，α3由46′增大至38°24′；由圖4(b)可知層合板彎曲角度隨離焦量H增加而減小，離焦量H從8 mm增至14 mm，層合板彎曲角度α1由38°2′減小至24′，α2由35°48′減小至24′，α3由38°52′減小至12′；由圖4(c)可知層合板彎曲角度隨激光掃描速度v增加而減小，激光掃描速度v從400 mm·min-1增至1000 mm·min-1，層合板彎曲角度α1由37°34′減小至2°24′，α2由35°40′減小至2°16′，α3由38°10′減小至2°28′；由圖4(d)可知層合板彎曲角度隨層合板厚度h增加而減小，層合板厚度h從1.0 mm增加至2.0 mm，層合板彎曲角度α1由38°30′減小至1°12′，α2由37°10′減小至1°10′，α3由38°48′減小至1°12′。

圖4 層合板彎曲角度隨加工參數(shù)變化

根據(jù)千分表測(cè)量結(jié)果，利用origin畫圖軟件，分別以激光功率P、離焦量H、激光掃描速度v以及層合板厚度h為自變量，以層合板各測(cè)量位置曲面變形量為因變量繪制激光參數(shù)對(duì)層合板曲面變形量影響曲線圖，結(jié)果如圖5。

圖5 層合板曲面變形量隨加工參數(shù)變化

由圖5(a)可知，激光功率P從80 W增大至140 W，層合板自由端變形量Δ1由0.084 mm增大至0.728 mm，掃描線變形量Δ2由0.134 mm增大至1.471 mm，掃描線變形量Δ3分由0.099 mm增大至2.031 mm，開始時(shí)曲面變形量增大緩慢，之后迅速增大；由圖5(b)可知，離焦量H由8 mm增大至14 mm，層合板自由端變形量Δ1由0.733 mm減小至0.209 mm，掃描線變形量Δ2由1.508 mm減小至0.180 mm，掃描線變形量Δ3由2.088 mm減小至0.165 mm；由圖5(c)可知，激光掃描速度v由400 mm·min-1增至1000 mm·min-1，層合板自由端變形量Δ1由0.727 mm減小至0.109 mm，掃描線變形量Δ2由1.473 mm減小至0.183 mm，掃描線變形量Δ3由2.033 mm減小至0.141 mm；由圖5(d)可知，層合板厚度h由1.0 mm增至2.0 mm，層合板自由端變形量Δ1由0.730 mm減小至0.007 mm，掃描線變形量Δ2由1.474 mm減小至0.054 mm，掃描線變形量Δ3由2.030 mm減小至0.169 mm。

激光圓弧掃描彎曲試驗(yàn)上述4組激光參數(shù)下，層合板彎曲角度值α2均小于相同參數(shù)下彎曲角度值α1與α3，即激光圓弧掃描彎曲成形時(shí)矩形層合板長(zhǎng)度方向中線彎曲角度小于層合板兩側(cè)長(zhǎng)度方向邊線。層合板曲面變形是激光掃描線處板材變形結(jié)果的傳遞，激光掃描線處曲面變形量最大，其變形由下向上傳遞并逐漸減小，板材激光曲面變形結(jié)果為多次激光作用效果的累加。隨激光功率P增大，層合板彎折區(qū)能量密度隨之增大，開始階段隨激光功率P增大，層合板彎曲角度及曲面變形量增大幅度均較小，激光功率P達(dá)到120 W后層合板迅速增大，這是由于層合板能量密度較小時(shí)層合板厚度方向溫度梯度較小且層合板散熱，難以形成較大塑性變形，隨激光功率P增大，層合板彎折區(qū)能量密度顯著增大，層合板彎折區(qū)塑性變形明顯增大；隨離焦量H增大，層合板彎曲角度及曲面變形量均隨之減小。由于離焦量H增大層合板彎折區(qū)輸入能量密度減小，而隨離焦量H增大激光光斑直徑增大彎折區(qū)寬度亦隨之增大。離焦量H由8 mm增大至10 mm，由于能量密度與彎折區(qū)寬度作用共同影響，層合板彎曲角度減小幅度較小，此后隨離焦量H增大，激光光斑作用面積呈二次方增大，層合板彎折區(qū)激光輸入能量密度顯著降低，層合板彎曲角度及曲面變形量均迅速減小。隨激光掃描速度v增大，層合板彎曲角度及曲面變形量減小。層合板彎折區(qū)輸入能量密度與激光掃描速度v呈反比，層合板彎曲角度及曲面變形量減小與激光掃描速度v增大趨勢(shì)均近似呈反比。隨層合板厚度h增大，層合板彎曲變形抗力顯著增大，層合板彎曲角度及曲面變形量均隨之減小。

3 圓形板圓頂形成形試驗(yàn)

由矩形板激光彎曲成形試驗(yàn)可知，激光圓弧掃描彎曲成形方法可實(shí)現(xiàn)板材無模具三維曲面變形，激光圓弧掃描彎曲后層合板三維曲面變形特征顯著?；诰匦伟寮す鈭A弧掃描三維曲面變形特征，利用圓形層合板采用激光圓弧掃描彎曲方法進(jìn)行圓頂形三維曲面成形試驗(yàn)。圓形板圓頂形成形試驗(yàn)層合板固定方式為中間位置螺釘固定，分別進(jìn)行激光圓形掃描半徑R=50 mm的固定起始位置及變化起始位置的激光彎曲成形試驗(yàn)。其中，固定起始位置成形試驗(yàn)掃描次數(shù)n=16；變化起始位置成形試驗(yàn)同一起始位置掃描4次，共4個(gè)起始位置，總掃描次數(shù)n=16。成形樣件如圖6。

圖6 圓頂形激光圓周掃描彎曲結(jié)果

由激光圓形掃描彎曲樣件成形結(jié)果可知，該成形方案圓頂形最終變形結(jié)果出現(xiàn)明顯的不均勻，板材邊緣產(chǎn)生明顯的扭曲變形。分析可知圓頂形樣件成形除需沿激光掃描線法平面的彎曲變形外，還需產(chǎn)生沿與圓形層合板同心圓周方向的板材收縮變形。采用徑向掃描+圓周掃描策略進(jìn)行圓頂形樣件彎曲成形，其中徑向掃描基于增厚機(jī)理，掃描次數(shù)為n=4，激光功率P=200 W，離焦量H=15 mm，激光掃描速度v=200 mm·min-1；圓周掃描激光參數(shù)基于溫度梯度機(jī)理，掃描次數(shù)為n=4次。掃描方案及其成形樣件如圖7，先徑向掃描4條短掃描線4次，然后沿大半徑圓周進(jìn)行掃描，再進(jìn)行徑向掃描4條長(zhǎng)掃描線，最后沿小半徑圓周進(jìn)行彎曲掃描，該方案圓頂形成形結(jié)果更加均勻。

圖7 圓頂形激光徑向+圓周掃描彎曲結(jié)果

圖8 激光徑向+周向掃 描彎曲測(cè)量結(jié)果

利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)圓頂形激光徑向+周向掃描彎曲成形樣件進(jìn)行測(cè)量，并利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果如圖8。樣件左右近似對(duì)稱，呈圓頂形，且上下側(cè)板材邊緣處變形量更大，板材邊緣均明顯向上彎曲。其中，與板材中心位置相比，板材最外側(cè)圓周測(cè)量線z向最大位移增量為2.23 mm。

4 結(jié)論

基于激光圓弧掃描彎曲成形試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：激光功率P增大激光作用區(qū)域能量密度增大；離焦量H以及激光掃描速度v增大激光作用區(qū)域能量密度減小；層合板厚度h增大層合板彎曲變形抗力顯著增大，并得出以下結(jié)論：

1)層合板彎曲角度隨激光功率P增加而增大，激光功率P從80 W增至140 W，層合板彎曲角度α1、α2及α3分別增大37°46′、35°10′、37°38′；層合板彎曲角度隨離焦量H增加而減小，離焦量H從8 mm增至14 mm，層合板彎曲角度α1、α2及α3分別減小37°38′、35°24′、38°34′；可知層合板的彎曲角度隨激光掃描速度v的增加而減小，激光掃描速度v從400 mm·min-1增至1000 mm·min-1，層合板彎曲角度α1、α2及α3分別減小35°10′、33°24′、35°42′；層合板彎曲角度隨層合板厚度h增加而減小，層合板的厚度h由1.0 mm增大至2.0 mm，層合板彎曲角度α1、α2及α3分別減小37°18′、36°0′、37°36′。

2)激光功率P從80 W增至140 W，層合板自由端變形量Δ1、掃描線變形量Δ2以及掃描線變形量Δ3分別增大0.644 mm、1.337 mm、1.932 mm，開始時(shí)曲面變形量增大緩慢，之后迅速增大；離焦量H由8 mm增至14 mm，層合板自由端變形量Δ1、掃描線變形量Δ2以及掃描線變形量Δ3分別減小0.524 mm、1.328 mm、1.923 mm；激光掃描速度v由400 mm·min-1增至1000 mm·min-1，層合板自由端變形量Δ1、掃描線變形量Δ2以及掃描線變形量Δ3分別減小0.618 mm、1.290 mm、1.892 mm；層合板厚度h由1.0 mm增至2.0 mm，層合板自由端變形量Δ1、掃描線變形量Δ2以及掃描線變形量Δ3分別減小0.723 mm、1.420 mm、1.861 mm。

3)依據(jù)激光圓弧掃描彎曲成形后激光掃描線至自由端間板材曲面變形特征，基于激光掃描路徑柔性化特征，利用激光圓弧掃描彎曲成形了圓頂形結(jié)構(gòu)。最終，針對(duì)圓形層合板圓周掃描彎曲成形板材扭曲變形嚴(yán)重的問題，結(jié)合激光彎曲成形溫度梯度機(jī)理與增厚機(jī)理，采用徑向+圓周激光掃描方式對(duì)圓頂形樣件成形結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，該激光掃描方式下圓頂形樣件成形結(jié)果更加均勻，層合板最外側(cè)圓周測(cè)量線z向最大位移增量達(dá)到2.23 mm。