激光弯曲成形技术的原理及其应用

一、前言

借助于模具来完成的传统金属塑性加工，不能完全适应制造业多品种小批量的生产方式。板料激光成形是一种新兴的塑性加工方法。这是一种无模具、无外力的非接触式热态积累成形技术，具有生产周期短，柔性大，精度高等特点。并且，借助红外测温仪及形状测量仪, 可在数控激光加工机上实现全过程闭环控制, 从而保证工件质量, 改善工作条件。板材激光弯曲作为一种新型无模具成形技术正日益受到板材成形加工界的密切关注，其基本原理是：利用高能激光束扫描金属板材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。当激光束相对于板料的运动轨迹为直线时，便得到v形弯曲件；当运动轨迹不重复或为非直线时，便得到符合弯曲的异形件。所以，激光成形常常被称为激光弯曲成形或激光弯曲。激光成形技术不仅能够完成平板的弯曲、卷曲、浅拉伸等工艺，还可进行曲板的反弯曲、校平或卷板的开卷，以及方管或圆管的弯曲、缩口、胀形等。尽管对该项技术的研究尚处于起步阶段，关于其变形机理的解释是初步的，对于其成形过程中的各种影响因素也还缺少理论分析和定量描述，但板材激光弯曲成形的独特优点已使人们感受到它所潜在的巨大效益，其工业应用可以遍及航空、航天、微电子、船舶制造和汽车工业等多个领域。本文综述了激光弯曲成形的研究现状，并对其应用范围和发展前景做了展望。

二、板材激光弯曲成形的研究现状

2.1板材激光成形机理

根据激光加热时板料厚度方向的温度分布，激光成形有以下四种机理：①温度梯度机理。当金属板料的一侧受到激光的照射时，当金属板料的一侧受到激光照射时，在照射区域的厚度方向会产生很大的温度梯度。由于温度的不同, 在靠近光源的区域金属材料容易受热产生膨胀变形, 使板料弯向反向区域, 但弯曲量会很小, 在背向光源的区域由于没有受到激光的照射温度变化不大, 而受热膨胀区域会受到周围区域的约束而产生压应变。在冷却时, 热量流向周围的材料, 变形区的材料收缩, 它们会对压缩区的材料产生拉应力, 但是变形区的材料难以恢复原来的形状, 从而使板料弯向靠近光源的方向。如图1-a，此时所获得的变形类似于板料的三点折弯成形。②屈曲机理。如果加热区过大, 材料的热传导率高且厚度过小时, 在板料厚度方向上的温度梯度就会很小, 由于周围材料的约束会使加热区板料产生压应力, 当压应力超过材料的屈服应力时, 加热区的材料产生局部失稳, 产生弯曲, 在进行冷却时, 周围材料对变形区的约束力减小, 从而使板料产生更大的弯曲变形。如图1-b，此时所获得的变形类似于薄板在板平面方向施加挤压力时的变形。③增厚机理，加热区的材料受热膨胀后, 由于受到周围材料的约束, 所以在厚度方向上材料就会产生较高的内部压应力使材料堆积, 这样就会使材料厚度方向增加而长度或宽度减少, 在冷却过程中, 加热区的材料不能恢复从而产生增厚。通过选择正确的加热路径, 可以实现零件的加工。如图1-c，此时所产生的变形类似于厚板在平面方向施加挤压力时的变形。④弹性膨胀机理，当激光仅照射一个局部区域时, 在板料加热区导致的热膨胀要比温度梯度机理大, 同时热膨胀表现在局部, 会使板料产生纯的弹性变形，从而使板料产生小的弯曲。但是这种弯曲是有限的, 因此, 我们可以通过对邻近区域进行点或块的照射方式来增大变形，如图1-d。但是，这种机理不能通过在同一个位置反复加热来进一步加大变形量，因为这样会使上次获得的弹性变形产生松驰，而通常采用对邻近区域进行点或块照射的方式来增大变形。

2.2板材激光成形的影响因素

板料的激光成形是一种非常复杂的热力耦合过程，影响其成形的因素主要有：

一是板料的几何尺寸，尤其是板料的厚度影响非常显著。一般认为，当板材很薄时，随板厚的增加，板料对弯曲的阻力矩、板料上下表面的温度梯度及与此相应的弯曲力矩均有所增加。在一定范围内，弯曲力矩的增大占主导，随板厚的增加弯曲角度增大。但是随厚度的继续增加，阻力矩的增大成为主要因素，弯曲角随厚度的增加而减小。

二是材料物理性质。热膨胀系数的增加有利于弯曲成形，而比热的增加则会减少弯曲角度。就材料力学参数而言，屈服强度、弹性模量、硬化指数的增加都会增加弯曲成形的难度。

三是激光参数，主要是激光束功率，光斑直径，扫描速度和扫描次数。试验研究表明，在材料承受的最高温度范围内，增加激光束能量，板材弯曲角度增大，减小光斑直径可以增大板料表面单位面积上的吸收能量，降低扫描速度则可以增加板料与激光束间的能量交换时间，从而达到增大板材弯曲变形的目的。另外，由于一次扫描形成的弯曲角度很小，往往将激光束沿同一轨迹反复扫描，板材弯曲角度随扫描次数增加呈线性增加。
2.3板材激光成形的研究方法

近年来，国内外学者着重在数值模拟和试验研究方面对板材激光弯曲技术展开研究，对激光弯曲技术的要点和存在的问题进行了分析。

2.3.1数值模拟

激光弯曲是一个温度场与形变场相互影响相互作用的过程，属于复杂的热力耦合问题。建立数学模型时，为了与实际情况相吻合，采用三维非线性热力耦合模型。由于材料的热物理性能（热导率、热膨胀系数、比热、密度），力学性能参数（弹性模量、屈服极限）都与温度有关，分析中考虑了材料性能与温度的函数关系。在大多数模型中，都同时考虑了板材表面与周围环境存在的对流和辐射换热。另外，热载荷以热流密度的形式，通过用户子程序施加到相应单元表面，来描述动态热源。目前对激光弯曲成形的数值模拟比较成熟的有以下三种：一是有限元法。利用有限元法实现激光弯曲成形过程的数值模拟，既能够具体形象的表示出成形过程中温度、应力、位移等变化情况，从而揭示其成形机理及规律，又能通过数值模拟并结合一定的工艺实验优化成形工艺参数，为生产提供最佳的工艺参数组合。并且，在确定工艺参数后，可以通过数值模拟预测工件形状，校验工艺参数的选择是否合理，节省研究中大量的人力和物力。二是人工神经网络算法。对于精度要求不特别高、或者是粗加工的激光弯曲成形，刘韧、王忠雷和季忠等提出了人工神经网络算法，其解算效率较有限元法大大提高，而且运算效率不像有限元程序那样与板料的几何尺寸有关 , 更适合于解算大板料的优化问题。三是遗传算法。将板料激光弯曲成形分为粗加工及精加工阶段，针对不同加工阶段提出了不同的优化目标，利用遗传优化算法，以动态显式有限元为成形角度解算器，对激光成形的工艺参数进行了优化设计，为激光多次扫描弯曲成形制定了快速、精确的成形工艺。

2.3.2试验研究

板材激光弯曲成形试验过程在常规激光加工机上即可完成。如图所示。对于复杂形状的工件，还需要冷却装置、监测装置、转台等附属装置。实验中板材一端被夹持在工作台上，通过移动工作台或激光头使激光束与板材产生相对位移，令激光束在板材表面进行扫描。一般在板材被照射表面涂石墨以提高材料对激光的吸收率，用热电耦测量板材表面温度，利用位移传感器测量弯曲角度。采用不同的激光加工工艺参数（包括激光束功率、激光束移动速度、光斑直径），分别对不同材料、不同几何形状的板材进行激光弯曲试验，得到该工艺成形过程中的变化规律。

另外，如果借助位移传感器和红外测温仪在数控激光加工机上实现全过程的闭环控制，就可以根据闭环系统的反馈结果将工艺参数进行及时修正，准确获得所要求的变形量，提高加工精度。

三、研究趋势与应用展望

尽管在过去的20年中，激光弯曲成形技术的研究已取得了一定进展,但仍然有许多问题亟待解决。

首先，如何加工满足预定形状及尺寸要求的工件是能否将激光弯曲成形技术大规模应用于实际的瓶颈。这是因为工件成形精度和热应力成形的不确定因数太多是一对矛盾，热应力成形工艺的最大难点在于要制作出满足预定形状及尺寸要求的工件。激光弯曲成形工艺参数较多,而且参数之间是相互作用的，因而效率高、耗能少、工艺稳定的最佳工艺参数组合与获取就成为了本领域的难点之一。

再次，工件原始的几何形状和加工过程中的几何形状对最后成形的影响还了解不多。通常薄板件成形加工前都有一种微小的弯曲，进行激光弯曲成形时,即使是直线弯曲,这种微小的弯曲也会以一种很复杂的方式影响加载和塑性变形的发展。此外,前道工序(如轧制板料)产生的残余应力的松弛也将影响热应力成形。

虽然该项技术起步较晚，各项研究还不成熟，但是随着理论的不断深入和完善，以及数值模拟技术和柔性光纤传输等相关技术的飞速发展，板材激光成形技术作为现代工业生产中一种重要加工工艺必将在各个领域中得到越来越广泛的应用。

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