激光冲击在材料成形领域的应用

材料工程 2021-05-01

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激光冲击在材料成形领域的应用

广东工业大学机电工程学院

卢国鑫

激光冲击是一种先进的金属材料表面强化技术，它有效地利用了高能短脉冲激光诱导的冲击波效应，高应变率塑性变形诱导的显著强化效果在多种不同金属材料上得到实际验证和普遍认可。然而，与机械喷丸等传统强化方法相同，激光冲击强化处理也可导致精密零部件发生不必要的宏观变形。近年来，随着智能制造产业的快速发展，利用激光冲击的力效应来实现材料成形目标的相关研究不断涌现，激光冲击引发的材料变形被应用到机械零部件成形领域（图1、2）。

图1利用飞秒激光诱导冲击波实现纯钛片（50μm）的无模非接触弯曲成形

（Y. Sagisaka, K. Yamashita, H. Ueta. Efficiency improvement of thin-sheet-metal bending by femtosecond laser peen forming. Procedia Manufacturing. 2018. 15. 1314-1321）

图2采用微尺度激光冲击成形技术在纯铜片表面制备微结构

（X. Wang, D. Zhang, C. Gu, Z. Shen, Y. Ma, Y. Gu, T. Qiu, H. Liu. Micro scale laser shock forming of pure copper and titanium sheet with forming/blanking compound die. Optics and Lasers in Engineering. 2015. 67. 83-93）

为防止激光冲击对精密零部件尺寸产生影响或合理利用激光冲击诱导金属材料的塑性变形以实现成形目的，有必要对激光冲击作用下的材料变形准则进行深入研究。目前，研究人员着重在脉冲激光参数、单/双面冲击、约束方式以及待加工板料厚度等方面对激光冲击变形的影响因素进行了探索。

（1）脉冲激光参数对材料变形的影响

激光冲击处理所采用激光能量密度对激光冲击诱导的材料变形产生直接影响。为达到零部件的成形效果，技术人员需根据材料力学性质设定最优的激光能量密度。激光的脉冲宽度除了影响激光能量密度之外，也在一定程度上决定了激光冲击引入材料内部残余压应力的深度，对材料冲击处理后的宏观变形产生显著影响。因此，正确调整激光脉冲宽度对合理利用激光冲击诱导的材料变形具有重要价值。

（2）单/双面冲击对材料变形的影响

激光冲击处理的冲击方式主要分为单面与双面冲击两种，而双面冲击方式又被细分为同步和异步两种。在实际应用过程中，技术人员需要针对不同零部件与设备条件选择最佳的冲击方式。单面冲击可操作性强且最容易实现，是采用最多的冲击方式；对于刚性弱，结构容易实现底面支撑的零部件，一般选用底面约束下的单面冲击方式；而对于薄壁零部件，在形状结构和设备条件允许的条件下，双面冲击则成为最佳的加工方式。

（3）约束方式对材料变形的影响

不同边界约束条件对激光冲击处理后材料的残余应力分布和塑性变形调控有不同的影响。一般情况下，全约束边界条件可使待加工零件更好地保持原有尺寸。此外，在激光冲击处理前对材料进行预应力处理以实现更优的成形效果成为一个研究重点。

（4）板料厚度对材料变形的影响

待加工板料的厚度影响激光冲击变形量，对变形方向也产生决定性影响。通常，在相同的激光冲击条件下，较薄的板料呈凹面变形，而较厚的板料则呈凸面变形，即板料厚度存在临界值，处于临界厚度的板料在特定的激光冲击条件下不发生宏观变形（图3）。

图3激光冲击诱导材料的不同变形模式以及相应的影响因素

（Y. Sagisaka. Application of Femtosecond Laser Peen Forming to Sheet Metal Bending. Journal of Laser Micro. 2012. 7(2). 158-163）

对发生变形的零部件进行校形处理是修正其加工精度的有效方式。作为激光冲击在材料成形领域应用的重要成果之一，激光冲击校形技术采用的激光参数精确可控，且加工过程无明显热影响，零部件的表面服役性能还可得到较高程度的提升，表现出广阔的应用前景。

激光冲击诱导材料变形成为除激光冲击表面强化以外的研究重点。为进一步拓宽研究思路和发展空间，需突破的技术问题主要包括：寻求提高激光冲击过程的数值模拟的准确性的方法、探索复杂结构零部件的等强度激光冲击处理工艺以及开发激光冲击引发材料变形量的在线监测技术。

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