[发明专利]一种激光冲击波金属板料校形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特别涉及用于金属板料的校形，并且特别适用于大型结构件的校形的激光冲击波金属板料校形方法及装置。 

背景技术

金属板料零件的加工和使用过程中，普遍存在着因材料性质、毛坯初始应力状态、加工工艺、零件的几何结构和使用条件等因素的相互作用而产生的变形问题。由于变形控制的研究刚刚起步，短期内还很难将所有工件的制造精度均控制在设计精度范围之内。国内外对板料变形校正问题，尤其是大厚度、高精度板料校形技术的研究较少。 

目前金属板料的校形方法主要有热校形、时效应力校形和压力校形。最常见的是热校形和压力校形，热校形缺点是对零件组织有热影响，压力校形与工件表面接触，精度难以控制。 

近年来激光冲击加工技术的深入研究为解决校正过程中的部分问题提供了可能。2002年6月，美国加利福尼亚大学的Lawrence Livermore国家重点实验室Hackel等人在美国国家专利中提出了利用激光冲击强化装置对金属板材进行三维弯曲成形的成形原理和精确成形方法，设想了将激光冲击用于板材和杆件的校形，但未对激光冲击开展具体研究。 

发明内容

为了克服传统热应力校形对零件组织有热影响，压力校形与工件表面接触，校形精度低的缺点。本发明提供一种激光冲击波金属板料校形方法及装置，直接利用强脉冲激光束(功率密度大于1GW/cm²，)冲击工件表面，使其表层气化电离并形成冲击波，由于金属板料表面水约束层的作用，高压冲击波作用于材料的表面，产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，这使得校形材料表面发生微观塑性变形，产生残余压应力，然后通过多点冲击形成大面积的残余应力区域的分布，并通过应力的释放进行宏观结构的小曲率校形。由激光器发出脉冲激光，由光路系统传输到工件表面，在水约束层的作用下，产生冲击波，并使板件内部产生应力分布，进而进行变形的校正，可根据不同厚度的金属板料，合理选择激光脉宽、能量、光斑大小等参数来获得理想的残余压应力分布，达到精确校形的目的。 

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 

一种激光冲击波金属板料校形方法，其具体步骤为： 

A)把激光条状冲击区域看作为初应力作用的区域，作用效果由加载区域的宽度、应力大小和应力深度三个参数决定，其中应力区域的宽度可以用光斑直径来表示，在模型加载过程中可以假设应力的深度不变，通过应力值大小变化来表示实际激光冲击变形量的大小，在此基础上，使用等效初应力载荷的静态分析方法，把激光冲击工艺参数等效成初应力载荷的大小，建立分析激光冲击作用变形量的有限元模型，可以对板料的激光变形问题进行分析，并且通过试验对模型进行验证，为校形工艺参数的计算奠定基础； 

B)通过仿真方法建立等效应力与变形之间的关系，使得等效应力与变 形量一一对应； 

C)通过试验建立试验参数与变形之间的关系库，即激光参数与变形量之间的一一对应关系； 

进而得到试验参数与等效应力的联系； 

D)通过ANSYS中进行以等效应力为变量，校形量为计算目标，优化计算校形需要的等效应力和最佳冲击区域分布； 

E)根据等效应力与工艺参数的对应关系可得到校形工艺参数，根据校形工艺参数和光斑分布路径，设置激光器参数和二维移动工作台参数，进行校形。 

一种激光冲击波金属板料校形装置，包括激光器、反射镜、水约束层、水管、工件、水槽、夹具、二维移动工作台以及计算机，所述工件通过夹具夹持后至于水槽中，水槽连接水管，水在水槽中形成水约束层，水槽设于二维移动工作台上，计算机连接二维移动工作台控制水槽移动，激光器的输出激光束通过反射镜垂直作用于工件的表面。 

二维移动工作台带动工件一起移动。短脉冲激光器发出光束经过反射镜后穿过水约束层到达工件表面。计算机通过com口与工装夹具连接，控制工件的移动轨迹。 

本发明带来的有益效果是： 

1、校形精度高：单次激光冲击，形成的残余应力区域非常微小，几乎不能产生宏观变形，只有通过大量激光冲击才能形成冲击区域，进行板料的宏观校形。所以通过控制脉冲的数量和冲击位置，可以非常精确的控制校形形状。 

2、可以实现双向校形：压力校形只能从外往里压，单一方向的变形校正。激光冲击校形通过控制激光冲击的功率密度，可以实现凸面和凹面双向变形校正，即可以“拉”又可以“压”。 

3、非接触校形：激光冲击校形在校形过程中，只有激光冲击波跟工件表面作用，属于非接触校形，没有任何残留，便于校形后处理工作简单。