[发明专利]一种降低金属薄板激光弯曲成形翘曲量的能量调控方法

说明书

本发明属于金属薄板激光弯曲成形领域，涉及一种降低金属薄板激光弯曲成形翘曲量的能量调控方法。本发明采用“三段变速度+局部能量补偿”相结合方法针对翘曲变形进行校形，能量粗调：采用三段变速度方式在弯曲角度小的段位采用低速度保证较高的能量输入量，弯曲角度大的采用高速度保证较低的能量输入量；能量精调：采用局部能量补偿方式加工完成后再在弯曲角度小的局部区域扫描少量次数进一步对弯曲角度小的段位进行能量补偿；两方面组合可以有效降低金属薄板激光弯曲过程中的翘曲量，满足技术要求。本发明可应用于激光无模弯曲加工所需角度精度高的金属薄板成形领域。

技术领域

本发明属于金属薄板激光弯曲成形领域，涉及一种降低金属薄板激光弯曲成形翘曲量的能量调控方法。

背景技术

相较于传统模具加工方法，激光弯曲成形作为一种柔性、无模、无外力和非接触的快速成形技术，其易于实现自动化。但是激光直线扫描加工过程中金属薄板自由端翘曲变形严重影响成形质量，虽然翘曲量较小，但在某些对精度要求较高的场合，这种变形量可能造成十分大的影响。目前的研究认为，翘曲现象的产生原因主要有两个方面：一是激光能量输入产生的沿扫描线非均匀分布的温度场；二是板材扫描线上不同点受到的几何约束不尽相同。通过降低激光直线扫描金属薄板加工过程中翘曲量来提高板件弯曲角度一致性的方法迫切需要。

文献1“沈洪.激光弯曲成形的精度控制研究[D].上海：上海交通大学,2007.”从材料微观应力角度解释了翘曲现象产生的原因，通过有限元分析认为，加热阶段，激光光斑扫描区域受到来自材料热膨胀与周围冷态材料作用的压应力，而局部的压缩应力导致前后产生相对应的拉应力。在冷却阶段，扫描线的两端是残余压应力，扫描线的其他位置则为残余的拉应力，因为板材的两端与中间受到的几何约束是不同的，在两端冷态材料对约束比中间要小的多，这就造成了残余应力在扫描线上的分布不均，从而导致板材沿扫描线弯曲角度的不一致，进而出现翘曲现象。文中介绍了减轻翘曲现象的方法，采用匀加速匀减速结合方法进行有限元模拟，但是现实条件下难以实现匀加速匀减速加工。

文献2“Shen H,Hu J.Controlling Edge Effects in Laser Bending[J].Applied Mechanics&Materials,2013,271-272:1521-1525.”提出在扫描线两端施加约束的方式来抑制翘曲现象产生，并通过有限元方法和实验验证了方法的有效性，但是该方法在扫描线两端施加约束时容易导致约束的松紧度不一样，容易导致在相同能量输入情况下，两块相同板材弯曲角度前后不一致。

发明内容

针对金属薄板激光直线扫描加工过程中翘曲变形的产生问题，单纯采用变速度方式加工金属薄板，板件边缘翘曲量依然很大且如果速度分段特别多，在低速度段位容易导致薄板表面高温熔化。因此本发明采用一种“三段变速度+局部能量补偿”相结合的方法对激光直线扫描加工过程中金属薄板不同段位采取能量调控的方式降低加工过程中翘曲量。

金属薄板2加工过程如图1所示，加热时，当激光头3发出的激光束7扫描金属薄板2时，由温度梯度机理可知，在金属薄板2上下表面会产生较大的温度梯度，由于温度梯度存在金属薄板2在厚度方向产生不均匀热应力，当热应力超过材料屈服极限时，金属薄板2会产生朝向激光方向的弯曲。但是随着激光束7的往复扫描11，在扫描线8上会产生非均匀分布的温度场，导致金属薄板2的弯曲角度10沿扫描线8方向不一致；冷却时，金属薄板2的两端与中间受到的几何约束不尽相同，在两端冷态材料约束比中间要小的多，这也造成了残余应力在扫描线8上的分布不均，导致金属薄板2沿扫描线8的弯曲角度10的不一致，两方面共同作用产生了如图1所示的翘曲变形。在扫描开始阶段，温度迅速升高，直到快接近扫描终点4。由于在扫描终点4处的热扩散急剧下降，导致在该区域的热量积聚，温度快速升高，达到温度最大值。扫描终点4的温度高于扫描起点9的温度的分布使得扫描终点4的弯曲角度大于扫描起点9。其结果是b端弯曲角度大于a端和c端弯曲角度且a端弯曲角度小于c端弯曲角度，翘曲量用Z向弧段弦高5表征。本发明主要针对翘曲变形产生的两方面的原因，采用“三段变速度+局部能量补偿”相结合方法进行校形。