[发明专利]带整体加热的板材激光冲压方法及装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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。

所述的凹模及压边圈均是陶瓷材料。

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。

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。

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。