带整体加热的板材激光冲压方法及装置

摘要

本发明涉及一种带整体加热的板材激光冲压方法及专用装置。该方法用陶瓷作凹模及压边圈，将凹模、压边圈、板材均置于通电线圈中，通过加热以增强板材的成形性能，然后用能量密度大于材料点火阈值的短脉冲激光照射板材，通过激光与材料相互作用时产生的等离子体冲击波冲击板材，并在刚性凹模的共同作用下，使板材发生塑性变形。本发明属高应变率成形方法，成形速度快，可以成形常温下的难变形材料，特别适合于薄板材微小零件的拉深和胀形，能够应用于微机电系统结构元器件的制造领域中。

权利要求

1.带整体加热的板材激光冲压方法，其特征在于，将表面涂覆有保护层的板材夹持在凹模和压边圈之间，将凹模、压边圈、板材均置于感应线圈中，通过感应线圈加热以增强板材的成形性能，再在板材保护层外加设约束层；然后用能量密度大于材料点火阈值的短脉冲激光照射板材，脉冲激光使板材表面涂覆的保护层汽化电离，并生成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸的等离子体受到保护层外边的约束层的限制，从而产生面向板材的冲击力，使板材产生塑性变形，板材在凹模中被冲压成形；

所述的凹模及压边圈均是陶瓷材料；

所述板材是10-100微米厚的铜板，保护层是20-40微米厚的石墨涂层。

2.一种实施权利要求1所述带整体加热的板材激光冲压方法的专用装置，包括激光控制器(1)、激光发生器(2)、压边圈(6)、凹模(8)、三坐标工作台(9)、感应线圈(10)，涂有保护层(5)和约束层(4)的板材(7)夹持在凹模(8)和压边圈(6)之间，并且共同置于感应线圈(10)中，激光发生器(2)产生的短脉冲激光(3)照射在板材上。

说明书

带整体加热的板材激光冲压方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于先进制造领域，具体涉及一种针对薄板材的、带整体加热的脉冲激光冲压成形方法及实现该方法的装置。

背景技术

[0002] 板材的冲压成形通常是借助于凸模和凹模来完成的。2007年，中国专利文件CN101020276A公开了江苏大学张永康的发明专利“基于大光斑单次冲击的薄板半模精密成形方法(申请号为200610161353.5)，它是采用光致等离体作凸模的一种塑性成形新技术。该专利用一束脉冲激光照射板材表面的吸收保护膜，使其气化电离并生成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，在约束层的限制下，爆炸的等离子体产生面向板材表面的冲击波压力，该压力使板材产生塑性变形，并在成形半模的共同作用下，得到与半模形状一致的工件。由于在常温下，某些材料的塑性很差，即使在激光冲击这种高应变状况下，也不能获得期望的变形量，从而使该方法的应用范围受到限制。

[0003] 2007年美国专利文件US2007/0039933A1公开了另一项用光致等离体作凸模的成形方法“System and Method of Laser Dynamic Forming”(申请号为11/507064)，该方法首先用一束激光预热板材，然后用另一束激光进行冲击，从而提高了材料的成形极限。但该发明采用两台激光器发出两束不同功能的激光束，成形装置复杂，设备投资高。

[0004] 由于技术方法本身的限制，以上两种专利技术都没有采用压边圈。事实上，与常规的冲压成形类似，在用光致等离子体作凸模的塑性成形中，可以是胀形成形，也可以是拉深成形，这取决于板材坯料大小、压边力大小等因素。在胀形成形时，板材的塑性变形主要发生在激光照射区域，即光斑区域是主要的塑性变形区，压边圈与凹模之间的材料几乎不发生塑性流动；而在拉深成形时，压边圈下的材料向凹模孔中流动，板材的边缘区域是主要的塑性变形区，此时，如果没有压边圈或压边力太小，板材的边缘区域可能发生起皱现象。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、容易控制、工件质量好，可用于常温下难变形材料的、带整体加热的脉冲激光冲压成形方法及实现该方法的装置。

[0006] 本发明的带整体加热的板材激光冲压方法，将表面涂覆有保护层的板材夹持在凹模和压边圈之间，将凹模、压边圈、板材均置于感应线圈中，通过感应线圈加热以增强板材的成形性能，再在板材保护层外加设约束层。然后用能量密度大于材料点火阈值的短脉冲激光照射板材，脉冲激光使板材表面涂覆的保护层汽化电离，并生成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸的等离子体受到保护层外边的约束层的限制，从而产生面向板材的冲击力，使板材产生塑性变形，板材在凹模中被冲压成形。

[0007] 所述的凹模及压边圈均是陶瓷材料。

[0008] 所述保护层可选黑色有机漆、石墨、铝或铜的涂层或镀膜，这些膜可以通过涂覆、喷溅、或化学气相沉积法覆盖在工件上。保护层的成分和厚度影响其气化形成的等离子体的能量和压力。例如，20微米厚的铜板变形需要20-30微米厚的石墨保护层，但用金属涂层或金属镀膜作保护层时，保护层的厚度只需要15微米。优选的，所述板材是10-100微米厚的铜板，保护层是20-40微米厚的石墨涂层。

[0009] 所述约束层的目的是限制等离子体的发散并使其产生的冲击波朝向板材，约束层优选石英玻璃。当采用石英玻璃作约束层时，冲击应力可达到10GPa以上，没有约束层时，相同激光脉冲所产生的冲击力只有1GPa左右。

[0010] 有关工艺参数包括激光能量、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲次数、光斑大小、保护层的材料及厚度、约束层的厚度等，可根据加工板材的材料及板料成形的具体要求参照本领域常规技术经有限的实验来确定。

[0011] 所述带整体加热的板材激光冲压方法中的等离子体是在一定激光强度下产生的，这一强度被称为点火阈值强度，并以功率密度表示。阈值强度与激光辐照脉宽有关，在一定范围内，脉宽越宽阈值越低。不同材料也对应不同的阈值强度。波长为10.6μm的激光对7 2 7 2 7 2
铝箔、铜板、钛板的阈值强度大致分别为1.2×10W/cm、2.75×10W/cm、2.3×10W/cm。所述带整体加热的脉冲激光冲压成形方法，其激光束的功率密度必须大于材料的点火阈值强度，才能得到理想的冲击力。一组可行的技术参数是，采用波长为10.6μm的激光照射时，
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产生冲击力时的功率密度大致为5GW/cm。采用脉冲宽度为20ns、功率密度为6GW/cm、光斑直径为1mm、波长为0.248μm的准分子激光，照射厚度为0.05mm铝板时，一个脉冲所形成的凹坑深度约为200μm。

[0012] 控制板材加热的主要技术参数是感应线圈的电流、电压和频率。频率越高，电流的集肤效应越显著，加热深度越浅，即受加热的区域越靠近板材的边缘；否则，电流频率越小，加热深度越深，直至接近板材的中心部位。很显然，当进行拉深成形时，板材的边缘区域会产生明显的塑性变形，这部分材料会往凹模孔内流动，所以应采用较高的电流频率，以加热并软化板材的边缘区域，而中心部位则保持较低的温度，以保证这部份材料具有较高的强度，不致在拉深成形中产生破裂。当进行胀形成形时，应采用较低的电流频率，使板材的中心部分也受到加热，以便该区域的材料发生变薄胀形。

[0013] 所述本发明带整体加热的脉冲激光冲压成形方法的另一个重要工艺参数是压边力。在胀形成形时，压边力应足够大，以限制板材边缘区域材料的向内流动，从而得到理想的球面零件。拉深成形时，压边力应适当，既要保证板材边缘区域材料能够顺利向凹模孔内流动，又要保证边缘区域不要起皱。压边的大小可以通过调整压边圈与凹模之间的间隙，或在压边圈上施加垂直方向的力来控制。

[0014] 实现该方法的专用装置，包括激光控制器、激光发生器、压边圈、凹模、三坐标工作台、感应线圈，涂有约束层和保护层的板材夹持在凹模和压边圈之间共同置于感应线圈中，激光发生器产生的短脉冲激光照射在板材上。

[0015] 压边圈、板材、凹模重叠后，套在感应线圈内，一起放置在三坐标工作台上，通过三坐标工作台来调整板材与激光束焦点之间的距离，从而调整光斑的大小。而激光能量、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲次数，则由激光控制器进行调节和控制。

[0016] 从前述描述可以看出，本项发明的重要技术特征在于，使用感应线圈对板材进行加热，通过激光冲击，并在陶瓷凹模和压边圈的共同作用下，使板材产生拉深或胀形。

[0017] 本发明属高应变率成形方法，成形速度快，可以成形常温下的难变形材料，特别适合于薄板材微小零件的拉深和胀形，能够应用于微机电系统结构元器件的制造领域中。

[0018] 本发明的技术优势具体体现在：

[0019] (1)采用感应加热方式，加热深度易于控制，能够根据工艺需要(如拉深或胀形)，选择加热区域(如板材边缘区域加热或板材整体加热)。

[0020] (2)采用陶瓷凹模和陶瓷压边圈，在感应加热过程中，只有金属板材受到加热，加热温度易于控制。

[0021] (3)激光冲击所达到的应变率非常高(可达105s-1)，本发明集激光强化和塑性成形于一体，能够在材料内部产生高密度位错和大量亚晶结构，改善变形组织和零件性能。

[0022] (4)材料适应性广，能对常温下准静态变形时延展性差的脆性材料进行有效的成形。

[0023] (5)采用凹模和压边圈结构，金属的流动状态易于控制，能有效避免起皱等冲压缺陷的产生。

附图说明

[0024] 图1是带整体加热的脉冲激光冲压成形装置示意图。图2是脉冲激光冲压成形过程示意图。
图3是板材冲击后形成的工件示意图。
其中：1.激光控制器；2.激光发生器；3.激光束(短脉冲激光)；4.约束层；5.保护层；
6.压边圈；7.板材；8.凹模；9.XYZ三坐标工作台；10.感应线圈；11.爆炸的等离子体。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图详细说明本发明的技术细节和实施情况。

[0026] 图1是本发明的成形装置示意图。首先将板材7表面涂覆保护层5，保护层5选用黑漆、石墨或金属镀膜，厚度10-100μm，保护层5的作用是在激光照射下产生等离子体并保护板材免受烧蚀；在保护层5外盖上约束层4，约束层4选用石英玻璃，厚度1-3mm，约束层对激光束3近乎完全透明，以减小激光束3的能量损失，并避免约束层被烧坏；将压边圈6、约束层4、涂有保护层5的板材7、凹模8对中夹紧，一起放置在感应线圈10中；将夹持着板材7的模具、感应线圈10一同置于三坐标工作台9上；调节三坐标工作台9，使板材7与激光束3对中；感应线圈10上电，由于电磁感应原理，感应线圈10中通以交变电流时，其周围产生交变磁场，则导体板材7上必然产生感应电流，即涡流，当感应线圈10的电流频率较高时，这种感应电流主要集中在板材周边，由于板材本身的阻抗使电能转变为热能而迅速加热板材边缘区域，因此，可通过选择电流频率来达到不同加热层深度；板材7受热后，开启激光控制器1，调节激光发生器2，改变激光束3的输出能量、脉冲宽度、脉冲次数、脉冲频
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率，激光束3的功能密度一般大于10GW/cm，脉冲宽度一般取几十纳秒；激光束3透过约束层4到达保护层5，保护层5被汽化电离形成等离子体11，等离子体11进一步吸收激光束
3的能量并产生爆炸(如图2所示)，爆炸的等离子体11在约束层5的作用下，产生面向板材7的冲击压力，在凹模8的作用下，将板材7进行冲压成形。

[0027] 带整体加热的脉冲激光冲压成形方法操作步骤为：开始→选择板材和凹模→将保护层涂覆在板材上→调整工件与凹模的位置→在保护层上盖上约束层→压边圈夹紧或与凹模保持固定间隙→将模具放置在感应线圈中→通过三坐标工作台调整板材与激光束的相对位置→开启感应线圈→将一个或多个激光脉冲作用于板材→移去凹模→移去约束层→取出并清洗工件→结束。