金屬層合板激光圓弧掃描彎曲成形試驗研究*

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(大連理工大學機械工程學院，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+軋制工藝生產的不銹鋼—碳鋼層合板，不銹鋼層與碳鋼層界面產生牢固的冶金結合，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度、高硬度特點[2]，使得不銹鋼—碳鋼層合板具備優良的綜合性能，并廣泛開始應用于機械及汽車制造、建筑行業、石油化工、交通橋梁、船舶運載以及核電設備等方面。

金屬板材激光彎曲成形技術是一種無模具、柔性彎曲成形技術，其利用熱源加載到板材表面并形成熱應力、應變最終實現板材的彎曲成形[3]。目前，針對機械制造行業自動化、個性化小批量生產需求的提出，激光彎曲成形技術具有巨大的應用價值。其中，基于激光柔性彎曲成形特點，激光彎曲成形三維曲面成為國內外研究熱點之一。劉順洪[4]等分析了激光三維彎曲成形的發展趨勢，并對成形的影響因素進行分析，并對掃描路徑等激光三維成形因素進行了分析，概括總結了激光彎曲成形技術的關鍵因素與發展前景。Kant R[5]等對鎂合金板材進行了激光圓弧掃描彎曲的數值模擬和實驗研究。相關模型和實驗結果吻合良好，研究結果顯示，離焦量是對激光彎曲影響最大的參數。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。楊立軍[6]等人采用交叉線掃描策略對正方形薄板激光三維彎曲成形球冠面進行了研究，并利用顯式動態有限元對激光彎曲成形過程中正方向薄板的溫度場、應力應變場變化情況進行了分析。Hennige T[7]等在研究掃描方案的同時，建立了環形試件的有限元模型，同時分析了激光束未掃描板材區域預熱作用引起的板材加熱狀態不一致導致激光掃描線區域塑性應變不對稱分布的現象。Maji K[8]等利用正方形金屬板基于溫度梯度機理，通過改變激光束掃描路徑形成了圓形三維形狀，并對各加工參數對穹高的影響進行了回歸分析。Gollo M H[9]等通過不同路徑掃描方式對圓頂形激光彎曲成形結果進行分析，分析結果表明螺旋路徑與圓形路徑相比能夠產生更好的圓頂形樣件，并對全費馬掃描路徑進行了有限元仿真分析，實驗與仿真結果具有一致性。

目前，國內外關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象，采用激光圓弧掃描彎曲成形策略，研究分析加工參數中激光功率P、離焦量H、激光掃描速度v以及層合板厚度h對層合板彎曲角度、曲面變形量變化規律及其影響作用，并最終利用激光圓弧掃描彎曲成形策略進行圓頂形樣件試制，為激光圓弧掃描彎曲成形圓頂形結構提供理論與試驗基礎。

1 試驗方法

1.1 試驗設備及材料

激光試驗所用設備為JK701型激光加工系統，Nd：YAG毫秒脈沖激光器。試驗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(試驗樣件厚度以實測值為準)。該層合板為雙面三層結構，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 質規 格/mm0.12+0.76+0.12SUS304+Q235A+SUS3040.18+1.14+0.180.24+1.52+0.24

1.2 試驗及測量方案

圖2 激光圓弧掃描路徑

激光彎曲試驗基于溫度梯度機理，板材樣品采用單端固定方式，激光沿圓弧線往復掃描，掃描圓弧線與基準線相切，在每次激光圓弧掃描開始時為使激光加工穩定與板材預留一段距離，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為激光掃描基準線至板材自由端長度，W為板材寬度，Δw為激光掃描起始點到板材邊緣預留長度。

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

表2激光圓弧掃描彎曲加工參數值

圖3 層合板彎曲角度及 曲面變形量測量位置

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

2 不銹鋼層合板激光圓弧掃描彎曲試驗

根據游標角度尺測量結果，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，以層合板各測量位置彎曲角度為因變量繪制激光參數對層合板彎曲角度影響曲線圖，結果如圖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變化

根據千分表測量結果，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，以層合板各測量位置曲面變形量為因變量繪制激光參數對層合板曲面變形量影響曲線圖，結果如圖5。

圖5 層合板曲面變形量隨加工參數變化

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上述4組激光參數下，層合板彎曲角度值α2均小于相同參數下彎曲角度值α1與α3，即激光圓弧掃描彎曲成形時矩形層合板長度方向中線彎曲角度小于層合板兩側長度方向邊線。層合板曲面變形是激光掃描線處板材變形結果的傳遞，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，層合板彎折區能量密度顯著增大，層合板彎折區塑性變形明顯增大；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

由矩形板激光彎曲成形試驗可知，激光圓弧掃描彎曲成形方法可實現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。基于矩形板激光圓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行圓頂形三維曲面成形試驗。圓形板圓頂形成形試驗層合板固定方式為中間位置螺釘固定，分別進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。其中，固定起始位置成形試驗掃描次數n=16；變化起始位置成形試驗同一起始位置掃描4次，共4個起始位置，總掃描次數n=16。成形樣件如圖6。

圖6 圓頂形激光圓周掃描彎曲結果

由激光圓形掃描彎曲樣件成形結果可知，該成形方案圓頂形最終變形結果出現明顯的不均勻，板材邊緣產生明顯的扭曲變形。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+圓周掃描策略進行圓頂形樣件彎曲成形，其中徑向掃描基于增厚機理，掃描次數為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；圓周掃描激光參數基于溫度梯度機理，掃描次數為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行掃描，再進行徑向掃描4條長掃描線，最后沿小半徑圓周進行彎曲掃描，該方案圓頂形成形結果更加均勻。

圖7 圓頂形激光徑向+圓周掃描彎曲結果

圖8 激光徑向+周向掃 描彎曲測量結果

利用三坐標測量儀對圓頂形激光徑向+周向掃描彎曲成形樣件進行測量，并利用MATLAB進行數據擬合，結果如圖8。樣件左右近似對稱，呈圓頂形，且上下側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，板材最外側圓周測量線z向最大位移增量為2.23 mm。

4 結論

基于激光圓弧掃描彎曲成形試驗，研究結果表明：激光功率P增大激光作用區域能量密度增大；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構。最終，針對圓形層合板圓周掃描彎曲成形板材扭曲變形嚴重的問題，結合激光彎曲成形溫度梯度機理與增厚機理，采用徑向+圓周激光掃描方式對圓頂形樣件成形結果進行了優化，該激光掃描方式下圓頂形樣件成形結果更加均勻，層合板最外側圓周測量線z向最大位移增量達到2.23 mm。