激光弯曲成形

目录目录 (1)摘要 (2)Abstract (2)1 引言 (3)2 钛及钛合金TC4概述 (3)3 激光弯曲成形技术 (4)3.1 激光弯曲成形基本原理 (4)3.2 激光弯曲成形过程 (5)3.3 激光弯曲成形特点 (5)3.4 激光弯曲成形机理 (6)3.5 激光弯曲成形的影响因素 (9)4研究进展 (13)4.1 国外研究进展 (13)4.2 国内研究进展 (13)5 小结 (14)参考文献 (15)TC4钛合金板料激光弯曲成形工艺研究摘要TC4钛合金在室温下塑性差，冷成形困难，虽然可采用加热成形技术，但加工周期长、成本高。

将激光成形技术用于钛合金板料成形，可充分发挥该技术的独特优势，在航空航天领域新品的研制中发挥重要作用。

本文介绍了激光弯曲成形的基本原理，分析了激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描次数以及能量密度等影响因素对板料激光弯曲角度的影响，在其它参数一定的情况下，弯曲角度随着激光功率的增加先增大后减小，随着扫描速度、光斑直径的增大而减小；弯曲角度随着扫描次数和能量密度的增加而增大。

关键词：TC4钛合金；激光弯曲；成形机理；影响因素；The Research on the Laser Forming ofTitanium Alloy Sheet MetalAbstractTitanium alloy is difficult to forming at room temperature, although the heat forming technology can be used, but the processing time and cost are very high. Making full use of its unique advantages, the laser forming technology for titanium alloy sheet metal plays an important role in aerospace research and development of new products. In this paper, the forming mechanism was given out, and the influence of laser power, spot diameter, scan speed, number of scan and energy density on the bending of sheet metal was analyzed. The results showed that the bending angle increased first and decreased afterwards with the increasing laser power, decreased with the increasing spot diameter and scan speed, increased with the increasing number of scan and energy density if others factors remain unchanged.KeyWords: Titanium alloy, laser forming, forming mechanism, influence factor1 引言金属板料成形作为薄板直接投入消费前的主要深加工方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、家电等生产行业。

传统的金属板料加工方法主要用模具在压力机上进行冷冲压成形，其生产效率高，适用于大批量生产。

随着市场竞争的日趋激烈，产品的更新换代速度日益迅速，原有的采用模具加工的技术就表现出生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等缺陷，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢、铝合金以及铜等塑性较好的材料，其适用范围有限。

为此国内外许多学者致力于板料塑性成形新技术的研究，实现金属板料的快速高效、柔性冲压和无模成形，以适应现代制造业产品快速更新的市场需要[1]。

随着激光技术的发展，特别是大功率工业激光器制造技术的日益成熟，激光作为一种“万能”工具，已应用于材料的切割、焊接、弯曲变形和表面改性处理等领域[2]，其中板料激光弯曲成形技术已较为成熟，广泛应用于各种碳钢、不锈钢、合金有色金属以及金属基复合材料的弯曲成形，替代了部分零件的冲压工业。

激光弯曲成形是一种新兴的塑性加工方法，具有高效、柔性、洁净等特点。

它是基于材料的热胀冷缩特性，利用高能激光束扫描金属板料表面时形成的非均匀温度场导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。

与传统的金属成形工艺相比，它不需模具、不需外力，仅仅通过优化激光加工工艺、精确控制热作用区内的温度分布，从而获得合理的热应力分布，使板料最终实现无模成形。

激光束的大小和能量精确可控，特别适用于冷加工难以成形的硬且脆，或刚性大的材料，比如陶瓷、钛合金等。

2 钛及钛合金TC4概述钛的资源丰富，它在地壳中的含量为0.56%，总蕴藏量约为7.6亿吨，在构成地壳的元素中列第9位。

它是20世纪50年代发展起来的一种重要金属，密度小，比强度高和耐腐蚀性好。

目前，钛及其合金主要用于航空航天和军事工业上。

据统计，钛在航空航天上的应用约占钛总产量的70%左右，包括军用飞机、民用飞机、航空发动机、航天器、人造卫星壳体连结座、高强螺栓、燃料箱、导弹尾翼、弹头壳体等。

因此钛及钛合金一直是航空航天工业的“脊柱”之一。

近年来，钛在石油、化工、冶金、生物医学和体育用品等领域开始得到应用，并己成为新工艺、新技术、新设备不可缺少的金属材料，钛工业进入一个新的发展时期[3]。

钛合金按其退火组织分为α钛合金、β钛合金、α+β钛合金。

钛合金TC4的成分名为Ti-6Al-4V，属α+β型钛合金，该合金是美国水城兵工厂于1954年研制成功的，可用于生产大规格航空零件。

该钛合金在中国的牌号是TC4，美国的牌号为Ti-6Al-4V，俄罗斯的牌号为BT6，日本的牌号为ST-A410。

TC4属于中等强度耐热性钛合金，其化学主要组成成分如表1所示，室温下力学性能参数如表2所示[4]。

表1 TC4钛合金化学主要组成成分成分Ti Al V Fe C N H O其它含量余量5.5-6.8 3.5-4.5 ≤0.3≤0.1≤0.05≤0.015≤0.20≤0.4表2TC4钛合金室温下力学性能参数抗拉强度σb/MPa 屈服强度σ0.2/MPa 延伸率δ5/% 收缩率ψ/% 硬度值/HV 902 824 10 30 340钛合金在室温下塑性差，冷成形困难，虽然可采用加热成形技术，但加工周期时间长、成本高。

目前我国主要用钛合金成形飞机、卫星、导弹及火箭上的零件，其中成形简单的直线折弯件及平板曲线弯边件所占比例重。

由于批量小，采用原来的加热辅助成形技术需要制作大量的耐高温模具，且零件的成形尺寸受到加热炉的限制。

为了降低成本、简化工艺条件、缩短零件制作周期、加快新型号产品的研制，将激光成形技术用于钛合金板料成形，可充分发挥该技术的独特优势，在航空航天领域新品的研制中发挥重要作用[5]。

3 激光弯曲成形技术3.1 激光弯曲成形基本原理图1 激光弯曲成形的装置示意图板材激光弯曲成形是近年来出现的一种板材柔性成形方法，究其根源，可以追溯到上百年前的火工矫形。

它的基本原理是：在基于材料的热胀冷缩特性上，利用高能激光束扫描金属板材表面，通过对金属板材表面的不均匀加热，照射区域内厚度方向上会产生强烈的温度梯度，从而引起非均匀分布的热应力[6]。

当这一热应力超过了材料相应温度条件下的屈服极限，就会使板材产生所需要的弯曲变形，激光弯曲成形的装置示意图如图1所示[7]。

激光弯曲成形实际上就是这样一种基于材料的热胀冷缩特性、用热应力代替机械载荷的板料无模成形技术。

3.2 激光弯曲成形过程待成形板料的表面受到高度聚焦的激光束照射，当光束以确定的速度沿预定的轨迹扫描时，被照射的各部位依次经历加热和冷却两个阶段，在其内部产生相应的应力，从而产生塑性变形，加热阶段产生反向弯曲，冷却阶段将产生正向弯曲，正反向弯曲变形的角度差即为激光束一次扫描所形成的角度[8]。

(1)加热阶段板料上表面受到能量密度很高的激光束照射，使得被照射部位的温度在极短时间内急剧上升；而远离上表面处的材料由于没有受到照射，其温度在这一短暂的时间内没有明显的变化，从而使被照射部位沿板厚方向形成较大的温度梯度。

由于上表面处材料的温度很高，故其热膨胀量大而屈服极限低，因而在此不均匀温度场产生的压应力的作用下，该处产生较大的塑性变形，形成材料堆积。

下表面材料的温度低，屈服极限高，基本不产生或只产生很小的压缩塑性变形，板料上表面材料的膨胀量远远大于下表面，板料将产生反向弯曲，如图2所示[9]。

图2 加热阶段图3 冷却阶段(2)冷却阶段激光束离开后，原来被照射的部位通过热传导进行自然散热冷却，或者在滞后于光斑某距离处用水流或气流沿照射轨迹加快冷却速度。

当激光束离开后，上表面处于高温区材料的热量迅速向其它各方向传导，以达到热平衡状态。

此过程中，上表面附近材料的温度很快降低而下表面处的温度还要继续升高一段时间。

反映在变形上，上表面的材料已开始冷缩时，下表面处的材料还要继续热胀。

板料下表面材料的膨胀量远远大于上表面，板料将产生正向弯曲，如图3所示[9]。

3.3 激光弯曲成形特点激光弯曲成形技术是通过各项参数的优化来精确控制板料的弯曲程度，它具有传统的塑性成形方法无可比拟的优点[1]。

1）采用激光源作为成形工具，无需任何形式的外力，因其是一种仅靠热应力而不用模具使板料变形的塑性加工方法，属于无外力成形。

2）属于无模成形，生产周期短，柔性大，可不受加工环境限制，通过优化激光加工工艺参数，精确控制热作用区域以及热应力的分布，将板料无模成形。

因不受模具限制，可容易的复合成形和制作各类异形件，克服了传统的模具弯曲所带来的成本高和生产周期长的缺点。

3）加工过程中无外力接触，不存在模具制作、磨损和润滑等问题，也不存在贴膜、回弹现象，成形精度高，适用于精密仪器的制造。

4）激光弯曲属于热态累积成形，总的变形量由激光束的多次扫描累积而成，这就使得一些硬而脆的难变形材料（比如钛合金、陶瓷、铸铁等）的塑性加工易于进行，可用于许多特种合金和铸铁件的弯曲变形。

5）对激光模式无特殊要求，易于实现成形、切割、焊接等激光加工工的复合化，特别适用于大型单件及小批量生产。

6）可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形件（如球形件、锥形件和抛物形件等）。

7）成型过程无噪声、无污染，属于清洁、绿色制造范畴，被加工材料消耗少、参数精度控制和高度自动化等特性。