一种夹持板材进行激光加热成形的方法

摘要

本发明提供了激光高精度热成形的新加工方法，主要是利用主动调整板材的几何约束，抑制“边界效应”，提高成形精度，与现有技术相比，具有精度高和易于实现等特点。现有技术采用单边夹持的非对称约束方式，而本发明采用特定的夹持位置、夹持方式、夹具尺寸等对夹持扫描线两端的两侧夹持采用了对称约束方式。采用根据本发明的夹持板材进行激光加热成形的方法，激光热成形的用弯曲角度变化率由原来的15％～25％下降到2％～5％。

权利要求

1.一种夹持板材进行激光加热成形的方法，包括以下步骤：

步骤一、用工业酒精清洁板材的待扫描表面，在扫描区域均匀涂抹0.2mm厚的炭黑涂料以提高材料的能量吸收系数，并对板材扫描线两侧进行打磨处理；其中所述扫描区域为扫描线两侧各5个光斑直径的宽度内的区域；

步骤二、将经过步骤一处理的板材平放于工作台面上，然后用包括左右两个压块的夹具分别夹持在板材扫描线的两端，其中压块与板材的接触宽度范围在5～10个板材厚度，压块上表面被设置为高于板材上表面1～2个板材厚度，夹持时左右两个压块同时约束在板材扫描线的两端，夹持力大小相等，方向相反，两压块沿着扫描线方向的投影完全一致，且扫描线位于压块的几何中心，夹紧后板材的预变形量小于0.1mm，板材仍保持水平，其中压块的宽度大于5个板材厚度，压块的厚度大于2个板材厚度，压块的长度大于10个板材厚度；压块的硬度大于板材的硬度；

步骤三、扫描时激光扫过整条扫描线，待板材完全冷却后撤除夹具。

2.根据权利要求1所述的夹持板材进行激光加热成形的方法，其中所述光斑直径为

6mm。

3.根据权利要求1所述的夹持板材进行激光加热成形的方法，其中所述激光的扫描速度30mm/s。

说明书

一种夹持板材进行激光加热成形的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种板材激光热成形的方法，可抑制板材热成形所发生的“边界效应”，提高激光热成形的精度，属于激光加工技术领域。

背景技术

[0002] 板材激光热成形技术作为一种新的板材成形工艺方法，将激光技术引入到塑性成形技术中，利用高能激光束局部加热材料表面，诱发不均匀热应力，使材料产生塑性变形，从而获得所需目标形状。与冲压成形等传统冷成形工艺相比，激光热成形具有无需模具和外力、柔性大、生产周期短、特别适合于多品种、小批量、高硬度、高脆性等难成形材料成形的优点。激光热成形不仅能够完成板材的弯曲、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。对于航空航天、医疗、微电子、家电等领域，具有重大的应用前景。

[0003] 目前，激光热成形研究主要以激光直线扫描为主。激光束沿着直线在板材表面进行扫描，扫描结束后理想的变形是板材产生沿着扫描线均匀弯曲，而实际的弯曲角度沿着扫描线是不同的，如图1(a)、(b)所示。这种弯曲角度沿着扫描线不一致的现象称为“边界效应”。“边界效应”现象的存在，严重影响了成形的精度，导致激光热成形在航空、医疗、微电子等要求较高精度的场合的应用受到限制。

[0004] 激光热成形精度的指标主要是弯曲角度α的变化率(弯曲角度差值除以平均弯曲角度)。

发明内容

[0005] 本发明针对现有激光热成形工艺的不足，发明了一种新型的激光热成形加工工艺方法。该工艺保留原有加工工艺的优点的同时，充分抑制“边界效应”，大大提高激光热成形的精度。

[0006] 激光热成形“边界效应”的原因主要是：扫描线上的最高温度分布不均匀和板材在扫描线方向的横向约束不均，并且横向约束不均匀是主导因素。因此，通过主动调整激光热成形的温度场分布，或改变板材在扫描线方向的横向约束来抑制“边界效应”。由于受到板材熔点的限制，温度场的调整范围较小，对弯曲角度分布的调整能力有限，从而考虑改变板材的横向约束。然而工件的几何形状是无法改变的，因此只能通过改变板材的夹持方式、夹持力来改变薄板所受到的几何约束。

[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0008] 本发明提供了一种夹持板材进行激光加热成形的方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤一、用工业酒精清洁板材的待扫描表面，在扫描区域均匀涂抹炭黑涂料以提高材料的能量吸收系数，并对板材扫描线两侧进行打磨处理；其中所述扫描区域为扫描线两侧各5个光斑直径的宽度内的区域。

[0010] 步骤二、将经过步骤一处理的板材平放于工作台面上，然后用包括左右两个压块的夹具分别夹持在板材扫描线的起始两端，其中压块与板材的接触宽度范围在5～10个板材厚度，压块上表面被设置为高于板材上表面1～2个板材厚度，夹持时左右压块同时约束在板材扫描线的两端，夹持力大小相等，方向相反，两压块沿着扫描线方向的投影完全一致，且扫描线位于压块的几何中心，夹紧后板材的预变形量小于0.1mm，板材仍保持水平，其中压块的宽度大于5个板材厚度，压块的厚度大于2个板材厚度，压块的长度大于10个板材厚度；压块的硬度大于板材的硬度。

[0011] 步骤三、扫描时激光扫过整条扫描线，待板材完全冷却后撤除夹具。

[0012] 在进一步的实施例中，炭黑涂料的涂抹厚度为0.2mm。

[0013] 在进一步的实施例中，光斑直径为6mm。

[0014] 在进一步的实施例中，激光的扫描速度30mm/s。

[0015] 本发明提供了激光高精度热成形的新加工方法，主要是利用主动调整板材的几何约束，抑制“边界效应”，提高成形精度，与原技术相比，具有精度高和易于实现等特点。现有技术采用单边夹持的非对称约束方式，如图2，而本发明采用特定的夹持位置、夹持方式、夹具尺寸等，对夹持扫描线两端的两侧夹持采用了对称约束方式。从图4和图5中的对比试验数据中可见，采用根据本发明的夹持板材进行激光加热成形的方法，激光热成形的用弯曲角度变化率由原来的15％～25％下降到2％～5％，具有极为显著的技术效果。需要指出的是，本发明的方法中的这些设置和参数对于实现本发明的效果至关重要，且并非本领域的公知常识或常用手段。

附图说明

[0016] 图1为“边界效应”示意图。(a)为激光加热成形理想状态，弯曲角度α恒定不变，β为零，(b)为激光加热成形实际情况，α沿着扫描线变化，β不为零。

[0017] 图2为现有技术中单边夹持的示意图。

[0018] 图3为根据本发明的两侧夹持示意图。

[0019] 图4为60mm×60mm×2mm的ANSI304不锈钢在单边夹持、两侧夹持下的弯曲角度对比。

[0020] 图5为40mm×40mm×2mm的ANSI304不锈钢在单边夹持、两侧夹持下的弯曲角度对比。

具体实施方式

[0021] 板材的预处理：包括检查板材1表面质量，确保板材无划痕、预弯曲等缺陷；用工业酒精对板材的待扫描表面进行清洗，防止杂质影响能量吸收系数，降低热成形的精度；确定扫描区域(一般为扫描线两侧各五个光斑直径的宽度内的区域)，然后在扫描区域均匀涂敷0.2mm的炭黑涂层以提高材料能量吸收系数，并使涂层完全干燥；对扫描线两端的板材侧面进行打磨，以利于夹具精确夹持。

[0022] 夹具的要求：夹具包括左右两个压块，并且：1)压块的宽度大于等五个板材厚度，厚度大于两个板材厚度，长度大于十个板材厚度；2)压块的硬度大于板材且接触面光滑。

[0023] 两侧夹持的方式：1)左右压块与板材的接触宽度范围在5～10个板材厚度，压块上表面被设置为高于板材上表面1～2个板材厚度；左右压块同时约束板材扫描线的两端，夹持力大小相等，方向相反，夹紧后板材预变形应小于0.1mm；2)左右两压块沿着扫描线方向的投影要完全一致，且扫描线要位于压块的几何中心。

[0024] 实施例1：对几何尺寸为60mm×60mm×2mm的ANSI304不锈钢板材1进行扫描，激光功率1000W，光斑直径6mm，扫描速度30mm/s。

[0025] 对板材1采用根据本发明的两侧夹持的方式，用本发明要求的夹具2、夹持方式为约束板材扫描线3两端，限制其在扫描线3方向的移动，如图3所示；采用匀速度30mm/s从板材1一端沿着扫描线3，完全掠过板材，待充分冷却后，测量板材绕扫描线3的弯曲角度；

[0026] 为对根据本发明的两侧夹持板材进行激光加热成形的方法的技术效果进行验证，用现有技术中的单边夹持的方法进行了对比试验：

[0027] 对板材1采用现有技术中的单边夹持的方式，夹具夹持与扫描线3平行的一条自由边，夹持深度为2～5mm，如图2所示；采用匀速度30mm/s从板材1一端沿着扫描线3，完全掠过板材1，待充分冷却后，测量板材1绕扫描线3的弯曲角度；

[0028] 最终两板材绕扫描线的弯曲角度如图4所示，采用单边夹持方法加工的板材的平均弯曲角度为1.87°，弯曲角度变化率(弯曲角度差除以平均弯曲角度，其值越小说明成形精度越高)为17.6％；采用根据本发明的双边夹持方法加工的板材的平均弯曲角度为2.00°，弯曲角度变化率下降至2.06％。由此可见，根据本发明的两侧夹持板材进行激光加热成形的方法不仅可以提高激光成形精度，还可以增大弯曲角度，提高激光热成形的效率。

[0029] 实施例2：对几何尺寸为40mm×40mm×2mm的ANSI304不锈钢板材1进行扫描，激光功率1000W，光斑直径6mm，扫描速度30mm/s。采用与实施例1相同的操作步骤，对板材1进行加工。另外同样采用现有技术中的单边夹持的方法进行了对比试验。

[0030] 板材最终的弯曲角度如图5所示。采用单边夹持的板材的平均弯曲角度为1.11°，弯曲角度变化率为25.53％；而采用根据本发明的双边夹持方法的板材的平均弯曲角度为1.28°，弯曲角度变化率下降至4.85％。实施例1和实施例2的试验结果表明，对不同尺寸板材的激光热成形，本发明的两侧夹持工艺也能抑制“边界效应”，提高激光热成形精度和效率，具备普适性。