钛合金板料激光喷丸成形工艺研究

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导读

对典型形状的板料，进行不同轨迹的激光喷丸成形数值模拟；对钛合金成形不同的形状，采用有限元仿真对激光喷丸成形进行数值模拟，分析激光冲击成形的特点，选择不同的激光喷丸区域，使板料呈现不同的形状，可节省大量的模具和工装费用。

激光喷丸成形是一个复杂的过程，涉及到激光的工艺参数和板料几何尺寸等众多因素，若对每一种影响因素都进行试验研究和验证，不仅试验费用高，工作量大，各种因素之间的相互影响和关系很难在同一个试验中得以体现，而且板料发生复杂的瞬时动态响应，用试验方法监控和观测在材料中产生的动态应力波、残余应力场以及板料的整个变形过程显得非常困难。本文采用ABAQUS软件对金属板料激光喷丸成形过程进行有限元模拟，建立激光喷丸成形有限元模拟的模型，对板料模型的选取、网格划分、激光冲击波加载和加载路径等进行了研究，通过对激光喷丸成形的有限元模拟，增强成形效果的可预见性。

模型建立

本试验中建立一个长mm、宽30mm和厚度为1mm的长方体板料，对于有限元模拟来讲，网格的划分至关重要。在ABAQUS中的模拟因为要使模型发生变形，所以网格划分比较密，因此采用三角网格的划分，这样可以更加精确地显示所发生的变形量。首先选择三角网格的划分，如图1所示。本次模拟中设定冲击波持续时间为70ns，选用激光脉冲能量25J，光斑直径5mm，波长为1.06μm。

单道V形数值模拟与分析

激光喷丸诱导的冲击波峰值压力增加，从而导致残余应力场的大小和深度发生变化。为此在其他参数相同的条件下，取冲击波压力为8GPa、12GPa的脉冲激光，对尺寸为mm×30mm×1mm的Ti-6Al4V钛合金试样进行激光喷丸成形模拟。这里采用最简单的喷丸轨迹，即在板料的中心区进行一直线的喷丸。图2、图3所示为激光喷丸后最终得到的板料变形图。

由图2、图3可以看出，随应力波强度的增加，板料变形量增大，这是因为随着应力波强度的增加，板料表面受力增大，随之变形量也增大。板料激光喷丸后，板料沿长度方向向上弯曲变形，从板料变形云图上可清楚地看出，板料的塑性变形主要集中在激光冲击区域，而冲击区域外的地方绕轴线转动，试样变形轮廓呈“V”形，这与预想的结果是一致的，说明所建立的数值模拟模型是合理的。

喷丸路径不同对变形的影响

单道V形板成形是为了选择更好的成形条件，为做更复杂的成形奠定基础。在单道的基础上，建立一个长mm、宽30mm和厚度为1mm的长方体板料，做三道成形，以形成一定曲率的弧形。利用相同激光参数，对三块Ti-6Al-4V钛合金试样分别进行不同覆盖率的喷丸成形模拟，这里就涉及到如何合理安排喷丸路径，按从左向右依次分为1、2、3道（见图4）。

总共有三种顺序1-2-3、2-3-1和1-3-2，不同顺序成形的效果也不一样，如图5～图7所示。

由图5～图7可以看出，板料激光喷丸后，变得向下凸起，变形主要以横向变形为主，兼有一定的纵向变形，呈双曲率形，这是因为经过多道喷丸后，绕宽度方向上轴线的弯矩加大，所以板料在宽度方向的变形比单道喷丸时大得多，变形量最大处在试样中心。

可以看到，按1-2-3顺序喷丸成形后效果不是很好，虽然变形量达到2.48mm，但只有中间喷丸部分成形较明显，没有达到整块板成形。喷丸次序为2-3-1情况下最大变形量达到2.8mm，成形效果与前者差不多。喷丸次序为1-3-2的最大变形量为3.8mm，成形最接近理想效果，所以在此喷丸次序下成形效果最好。

典型形状的成形模拟

在做完简单的二维成形后，可以研究稍微复杂一些的三维成形，这里选择用方板做球面成形，主要研究的是喷丸轨迹对成形的影响，首先对比的是十字和米字形，如图8、图9所示。

模拟结果表明，随着激光喷丸覆盖率的增加，板料的弯曲变形面积在增大，弯曲弧度也在增加，变形也更规则，成形效果比较好。因为米字形喷丸覆盖率更广，使板的受力更均匀，所以成形之后的形状更规则如伞状。

通过以上模拟研究表明，选择不同的激光喷丸区域，就可以使板料呈不同的形状，具有极大的柔性，在实际加工中，可根据前述有关变形理论和数值模拟方法，预先设计出合理的分布方式，然后确定激光喷丸轨迹和工艺参数，最后对板料实施激光喷丸以得到所需板料形状。

结语

通过ABAQUS软件对激光喷丸成形过程的试验模拟，并且对模拟得到的结果进行分析可知，激光加载压力的不同、喷丸路径的不同以及板料的形状对板料的变形都是有影响的。随着激光加载压力的增加，变形也随之增大。喷丸次数越多，变形越大；喷丸路径越多，变形的形状也不同。所以板料成形条件不是一定的，要不断地修改，直到达到最理想的效果。但是还有一些没讨论的因素对成形也有一定的影响，比如光斑大小、约束条件、网格划分及激光加载时间等一系列因素，这些都要在模拟过程中不断去调试，直到成形达到比较理想的效果。

专家点评：

文章通过喷丸轨迹对板料成形过程的试验和模拟研究，得到一种新的钣金成形方法，选择不同的激光喷丸区域，就可以使板料呈不同的形状，相比传统的模具冲压方法，可以节省大量的模具和工装费用，在单件和小批量产品的板料成形中，具有很好的柔性优势。

激光喷丸成形工艺涉及到很多因素，各种影响很难在同一个试验中得以体现，文章的亮点是通过有限元模拟过程，增强了板料成形效果的可预见性，节省了试验费用。

金属加工

本文发表于《金属加工（冷加工）》年第8期29-31页，作者：中车戚墅堰机车有限公司李凡君、潘德昌、潘祁枫，原标题：《钛合金板料激光喷丸成形工艺研究》

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?来源：金属加工?本文编辑：Sonya?媒体合作:-