鋁合金交叉筋壁板激光熱誘導(dǎo)錐面成形邊緣效應(yīng)的研究

楊立軍，王偉，付守沖

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) a.機電工程學(xué)院；b.微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點實驗室，哈爾濱 150001）

目前，航天器艙體主要采用整體壁板結(jié)構(gòu)，這種壁板通過銑削技術(shù)，在板坯上加工出凹槽，形成與壁板一體的加強筋[1]。由于具有質(zhì)量小、強度大、機構(gòu)效率高、密封性能好、抗疲勞性能優(yōu)良等優(yōu)點，整體壁板在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越大[2]。航天器艙體結(jié)構(gòu)主要有柱面、錐面和球面3種[3]，成形過程中交叉筋參與變形，彎曲難度較大，傳統(tǒng)的方法通常需要模具，需要花費很長的時間完成單件壁板的成形，成本較高，不適合小批量件生產(chǎn)[3]。近年來，隨著激光的發(fā)展，應(yīng)用激光進行無模成形的方法被越來越多的學(xué)者所研究。

激光誘導(dǎo)熱彎成形是利用激光掃描板材表面，產(chǎn)生瞬態(tài)的高溫，溫度升高材料會發(fā)生膨脹，產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服極限后，板材會發(fā)生塑性變形[4]，在與掃描線垂直的方向成“V”型彎曲，彎曲的角度可以通過控制激光功率、掃描速度、掃描路徑和掃描次數(shù)進行調(diào)節(jié)[5]。與其他成形方法相比，激光能方便調(diào)節(jié)，成形柔性大，通過調(diào)節(jié)掃描參數(shù)和策略可以得到任意曲率半徑，大大提高了生產(chǎn)的靈活性[6]。

鑒于激光熱誘導(dǎo)成形的巨大優(yōu)勢，近年來很多學(xué)者都對這種新型成形方法進行了研究。在研究過程中，很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)成形后板材的端部會出現(xiàn)彎曲的現(xiàn)象，不同位置彎曲角度不一致，這是由于冷卻過程中，材料在掃描線方向收縮導(dǎo)致的，也就是所謂的“邊緣效應(yīng)”[7]，邊緣效應(yīng)嚴重影響板材的成形精度，尤其對于焊接件，彎曲的端部將導(dǎo)致焊接難以進行。Magee、Watkins等首先提出邊緣效應(yīng)的概念[8—9]，認為增加掃描線能量密度能抑制邊緣效應(yīng)；沈洪通過變速度掃描策略進行研究，發(fā)現(xiàn)先加速后減速能減小邊緣效應(yīng)[10—11]。

文中通過仿真分析，對激光熱誘導(dǎo)錐面成形產(chǎn)生邊緣效應(yīng)的原因進行了分析，研究掃描速度、激光功率、掃描次數(shù)對邊緣效應(yīng)的影響，得到抑制邊緣效應(yīng)的掃描策略，并通過實驗進行驗證。

1 實驗和仿真模型

1.1 設(shè)備

實驗設(shè)備由激光器、掃描儀、機床、數(shù)控系統(tǒng)4個部分組成，激光熱誘導(dǎo)成形系統(tǒng)見圖1。激光器采用中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所研制的半導(dǎo)體激光器，波長為940 nm，最大功率為3000 W；檢測設(shè)備采用FARO三維掃描儀，其掃描精度能達到微米級；機床為齊齊哈爾第二機床廠研制的大型龍門式數(shù)控機床，該機床是雙通道控制，分別裝載激光器和掃描儀；控制系統(tǒng)采用華中數(shù)控HNC-848C型號數(shù)控系統(tǒng)。實驗所用材料為5A06鋁合金扇形交叉筋壁板，該壁板母線長369 mm，圓心角為9°，有4個網(wǎng)格，沿著半徑方向，兩端加厚區(qū)厚度為5 mm，網(wǎng)格區(qū)厚度為2.5 mm，加強筋為20 mm，扇形壁板裝夾和扇形壁板幾何特征分別見圖2和圖3。

1.2 有限元仿真模型的建立與驗證

為了揭示交叉筋壁板邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的機理，本節(jié)建立有限元仿真分析模型，為實驗做基礎(chǔ)。實驗采用矩形光斑作為加熱源，矩形光斑可近似看成是能量均勻分布，在ABAQUS中，熱源是通過Fortran DFLUX子程序加載，仿真分析中，矩形光斑的熱流密度表達式為：

式中：q為熱流密度（W/mm2）；P為激光功率（W）；A為板材表面對激光的吸收率；L為光斑長度（mm）；W為光斑寬度（mm）。

圖1 激光熱誘導(dǎo)成形系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of laser heat-induced forming system

圖2 扇形壁板裝夾Fig.2 Schematic diagram of sector panel

圖3 扇形壁板幾何特征Fig.3 Geometric features of sector panel

仿真過程中，有以下幾個假設(shè)條件：① 忽略初始應(yīng)力；② 只有對流換熱，無輻射換熱；③ 材料為各向同性；④ 壁板自身重力不影響變形；⑤ 采用米塞斯屈服準則[12]。采用順序耦合進行仿真分析，材料的溫度特性參考文獻[13]，先進行溫度場仿真，設(shè)置網(wǎng)格單元為DC3D8[14]，初始溫度為20 ℃[15]，添加分析步，得到溫度場，然后以溫度場作為載荷，將網(wǎng)格單元修改為C3D8R，材料的力學(xué)性能參考文獻[16]，扇形壁板兩端中點設(shè)置為不動點，得到應(yīng)力場[17]。仿真參數(shù)設(shè)置為：激光功率1500 W，速度50 mm/s，矩形光斑長寬為12 mm×1.5 mm，掃描位置為第一個網(wǎng)格中間。

實驗過程中，在扇形壁板表面噴一層石墨，壁板對光的吸收率能達到0.63[18]，兩端對中夾持，沿著半徑方向掃描，掃描參數(shù)與仿真分析所用參數(shù)相同，激光功率為1500 W，掃描速度為50 mm/s，連續(xù)掃描2次，以得到更大的成形量，方便對比觀察。仿真和實驗z向位移見圖4，位移云圖只取掃描側(cè)，從圖4可以看出，仿真和實驗得到的z向位移云圖分布大致相同，仿真得到的云圖分布更為均勻，這是因為實驗過程中約束條件與仿真存在一定誤差。用上述參數(shù)進行掃描，得到掃描線和自由端z向位移，見圖5，可以看出，掃描線和自由端的z向位移分布相似。在掃描線上，都存在兩個“波谷”，這是加強筋作用的結(jié)果，不過仿真中，激光進入位置和離開位置掃描線z向位移均為0，而實驗得到的數(shù)據(jù)在0.4 mm左右，產(chǎn)生這種偏差的原因也與夾具有關(guān)，夾具作用下，板材中部受到壓力，會出現(xiàn)小幅度的上翹現(xiàn)象；自由端的z向位移均為非均勻變化，仿真和實驗自由端中點處的z向位移都是最小。通過仿真和實驗的結(jié)果對比，驗證了有限元模型的正確性。

圖4 仿真和實驗z向位移Fig.4z-displacement of simulation and experiment

圖5 掃描線和自由端z向位移分布Fig.5z-displacement distribution of scan lines and free ends

1.3 激光熱誘導(dǎo)成形邊緣效應(yīng)有限元分析

激光掃描板材后，其自由端z向位移存在明顯不均勻性，這種現(xiàn)象即“邊緣效應(yīng)”。本節(jié)將研究板材邊緣效應(yīng)的規(guī)律，用P=1500 W，v=50 mm/s的參數(shù)對板材進行單次掃描仿真分析，沿著掃描線方向（y向）的z向位移云圖見圖6，可以看出，交叉筋壁板成形過程中，掃描線上材料會發(fā)生下陷，網(wǎng)格區(qū)下陷最為嚴重，掃描線的彎曲角度明顯不一致，端部的z向位移理論上是一條傾角向上的直線，而實際得到的卻是一條下凹的曲線，兩端變形大，中間變形小，產(chǎn)生較為明顯的邊緣效應(yīng)，如圖7所示。這里用自由端下凹距離和自由端下凹程度兩個參數(shù)來表示邊緣效應(yīng)的大小。平均彎曲角度用α表示，自由端下凹程度S1等于自由端下凹距離與理論值的比值。設(shè)最低點z向位移為zmin，該點理論z向位移為zthe，則：

S1=|zmin-zthe|/zthe

圖6 單道掃描仿真云圖Fig.6 Simulation graph of single-scan

圖7 單道掃描仿真結(jié)果分析Fig.7 Simulation result of single-scan

通過提取成形后的應(yīng)力分布，得到邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的原因。冷卻后掃描線上下表面縱向應(yīng)力和縱向應(yīng)變的分布見圖8和圖9。掃描完成后，由于材料收縮，在掃描線上，網(wǎng)格區(qū)上下表面均產(chǎn)生壓應(yīng)變，這會使得周圍材料對其產(chǎn)生“拉”的作用，所以會存在殘余拉應(yīng)力；兩端加厚區(qū)和加強筋部位，只有上表面產(chǎn)生壓應(yīng)變，存在殘余拉應(yīng)力，下表面幾乎沒有應(yīng)力和應(yīng)變的產(chǎn)生，這是因為板材厚度太大，溫度傳遞到下表面時，產(chǎn)生的熱應(yīng)力不足以克服材料的屈服應(yīng)力，從而無法產(chǎn)生塑性應(yīng)變，由于上下表面相同位置應(yīng)變不一致，上表面的收縮大于下表面，所以成形后，沿著掃描線方向，上表面短，下表面長，產(chǎn)生朝向掃描線的彎曲。兩端加厚區(qū)和加強筋部位上下表面縱向應(yīng)力和縱向應(yīng)變之差大于網(wǎng)格區(qū)，但是由于這兩個區(qū)域長度很小，造成的邊緣效應(yīng)不及網(wǎng)格區(qū)，網(wǎng)格區(qū)上下表面收縮不均勻是主要影響因素。通過調(diào)整掃描速度、激光功率、掃描次數(shù)，可以控制縱向應(yīng)力應(yīng)變的分布。

圖8 y向縱向應(yīng)力分布Fig.8 Longitudinal stress in directiony

圖9 y向縱向應(yīng)變分布Fig.9 Longitudinal strains in directiony

2 結(jié)果和結(jié)論

2.1 掃描速度對邊緣效應(yīng)的影響

為了研究掃描速度對邊緣效應(yīng)的影響，選取5種不同的掃描速度，其他參數(shù)均為功率1000 W，掃描一次，掃描線與夾具連線夾角為2.25°，幾種不同的掃描速度見表1，其中最低速度為10 mm/s，最高速度為80 mm/s。從圖10可以看出沿掃描線方向（y向）的z向下凹隨著速度的減小而增加，自由端的z向位移隨速度的增加而變大，但是這兩者的變形量與速度并不是線性關(guān)系，在速度為80 mm/s時，掃描線和自由端幾乎不變形，速度為50 mm/s時，掃描線下凹程度變大，但自由端變形仍然很小。如圖11，當(dāng)速度為10 mm/s時，掃描線和自由端的位移增大幅度很大。速度減小，彎曲角度變大，自由端下凹距離也隨之變大，但是對于自由端下凹程度，速度為50 mm/s時最大，在速度小于50 mm/s時，自由端下凹程度隨速度的減小而減小。

表1 幾種不同的掃描速度Tab.1 Different scanning speeds

圖10 成形結(jié)果對比Fig.10 Forming results

圖11 成形誤差Fig.11 Forming errors

對仿真后的縱向應(yīng)力和縱向應(yīng)變進行分析，選取速度10 mm/s和30 mm/s，y向縱向應(yīng)力分布見圖12，y向縱向應(yīng)變見圖13，可以看出，速度為10 mm/s時，網(wǎng)格區(qū)上下表面縱向應(yīng)力和縱向應(yīng)變幾乎是一樣的，兩者偏差非常小，這是由于速度小，上下表面溫度梯度變小，產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變相近，材料沿著掃描線方向整體收縮，這時表現(xiàn)為增厚機理，由于速度很小，兩端加厚區(qū)的下表面也產(chǎn)生縱向拉應(yīng)力，這使得上下表面的收縮量差值變小。速度增大后，網(wǎng)格區(qū)上下表面縱向應(yīng)力差值增大，縱向應(yīng)變也表現(xiàn)出不一致，兩端加厚區(qū)下表面幾乎不產(chǎn)生應(yīng)變。由此可以看出，較低的掃描速度能夠減小壁板上下表面的縱向應(yīng)變差值，從而使材料沿著掃描線方向的收縮變小，抑制邊緣效應(yīng)。

2.2 激光功率對邊緣效應(yīng)的影響

指定掃描速度為20 mm/s時，改變激光功率，研究功率與邊緣效應(yīng)的關(guān)系，掃描1次，掃描線與兩端約束連線夾角為2.25°，激光功率為600,800,1000 W，如表2所示。不同激光功率下掃描線和自由端z向位移的分布曲線見圖14，成形誤差見圖15，可以看出，隨著功率的變大，成形量變大，同時網(wǎng)格區(qū)的下凹也會增加，分析這3種功率自由端的成形誤差，可以發(fā)現(xiàn)功率增大時，自由端z向下凹距離變大，但是下凹程度減小。與掃描速度對成形量的影響相比，激光功率與成形量近似成正相關(guān)，通過改變掃描功率可以推算出近似的彎曲角度和變形量。

圖12 y向縱向應(yīng)力分布Fig.12 Longitudinal stress in directiony

圖13 y向縱向應(yīng)變分布Fig.13 Longitudinal strains in directiony

表2 幾種不同的激光功率Tab.2 Several different laser power

圖14 不同功率成形結(jié)果對比Fig.14 Forming results of different power

圖15 不同功率成形誤差對比Fig.15 Forming errors of different power

對激光功率為600 W和800 W的縱向應(yīng)力和應(yīng)變進行分析，v=10 mm/s時，y向縱向應(yīng)力分布見圖16，功率較大的縱向應(yīng)力大，且上下表面差值小，不過這兩個功率上下表面的縱向應(yīng)變差值都比較小，800 W時縱向應(yīng)變較大，如圖17。通過分析，認為激光功率對邊緣效應(yīng)的影響要弱于掃描速度，并且可以控制變形量，利用這個特點，在成形時，可以將掃描速度設(shè)置為一個較低的值以減小邊緣效應(yīng)，通過改變激光功率來改變變形量，當(dāng)需要較大變形量時，采用大功率低速度掃描，當(dāng)需要小變形時，采用小功率低速度掃描。

2.3 單條掃描線掃描次數(shù)對邊緣效應(yīng)的影響

圖16 縱向應(yīng)力Fig.16 Longitudinal stress

圖17 縱向應(yīng)變Fig.17 Longitudinal strains

激光熱誘導(dǎo)成形是一個漸進的過程，一條掃描線往往需要多次掃描，利用前面得到的不同掃描速度和激光功率的成形結(jié)果，進行單條掃描線多次掃描成形。當(dāng)速度為10 mm/s時，雖然邊緣效應(yīng)較小，但掃描線下凹距離過大，所以選擇掃描速度為20 mm/s，激光功率選擇1000 W，以得到較大的變形，方便觀察，掃描線與夾具連線的中點夾角為2.25°。掃描策略為：先整體掃描一次，兩端掃描兩次，這是第一次掃描；不冷卻，重復(fù)一遍上述過程，成為第二次掃描，所有的掃描參數(shù)均為1000 W，20 mm/s。兩端掃描兩次是因為厚度大，掃描兩次后會提高加厚區(qū)的變形量，使掃描線整體變形一致。第一次掃描和第二次掃描后壁板z向位移的分布見圖18，連續(xù)掃描兩次后，在變形量增大的同時，壁板端部變形更加均勻。

圖18 掃描位移云圖Fig.18z-displacement distribution cloud

第一次成形和第二次成形后的掃描線和自由端的變形見圖19，可以看出，第二次掃描后，自由端的z向位移是第一次掃描后的2倍左右，而且彎曲程度相似，說明邊緣效應(yīng)沒有因為第二次掃描而變大；掃描線的下凹距離增加從-0.2 mm增大到-0.3 mm，增加幅度不大，第二次掃描后，自由端下凹距離稍微增加，但是其下凹程度卻減小了，見圖20。

2.4 成形結(jié)果分析

采用功率為1000 W、速度為20 mm/s的掃描參數(shù)及多次掃描的策略能得到較為平直的端部。將扇形壁板分成左右兩個對稱部分，中間用夾具固定，左右網(wǎng)格各布置7條掃描線，中間布置一條掃描線，見圖21，目標錐角為80°，具體掃描策略如下。

1）功率為1000 W，速度為20 mm/s，整體掃描一次，兩端各掃描兩次，不冷卻，這樣做的原因是這兩條掃描線距離較遠，掃描完左邊掃描線后，右邊掃描線位置溫度變化不大。

2）掃描完左側(cè)第一條掃描線后，不冷卻，繼續(xù)掃描右邊第一條掃描線，這樣做的目的是對稱掃描，使壁板左右產(chǎn)生的應(yīng)力一致，掃描完后冷卻5 min。

3）掃描左邊第二條掃描線，策略與第一條相同，接著掃描右邊第二條冷卻5 min。

圖19 成形結(jié)果Fig.19 Forming results

圖20 成形誤差對比Fig.20 Forming errors

圖21 掃描線分布Fig.21 Distribution of scan lines

4）第3—8條掃描線的掃描策略與前面相同。

成形實物見圖22，可以看出，扇形壁板兩側(cè)的變形較為一致，經(jīng)過激光熱誘導(dǎo)成形后，扇形壁板彎曲形成有一定錐度的錐面，通過直尺測量，板材端部的平直度較好。

圖22 成形實物Fig.22 Shaped physical map

用FARO掃描儀對成形后的壁板進行掃描，生成三角化模型，生成各位置變形大小的云圖未變形時檢測內(nèi)容包括錐面錐角、不同位置半徑、沿著半徑方向的平直度、錐角和半徑的大小反應(yīng)成形量、平直度反應(yīng)邊緣效應(yīng)的大小。半徑的檢測選取5個位置，分別為錐面兩端圓弧半徑和中間3個位置的半徑，3個位置為GG,HH,II；徑向平直度選取6個位置，為AA,BB,CC,DD,EE,FF，成形后位移云圖見圖23。

左右半部分邊緣效應(yīng)大小分別見圖24，可以看出，邊緣效應(yīng)仍然存在，板材右側(cè)的邊緣效應(yīng)比左側(cè)小，AA和FF的縱向彎曲程度最大，偏差為4%～5%，CC和DD的縱向彎曲誤差在1%左右，在Poliworks軟件對位移云圖進行斷面截取，對斷面進行曲面擬合，得到曲率半徑大小，將其與理論半徑進行對比，成形后邊緣效應(yīng)大小見表3，可以發(fā)現(xiàn)半徑偏差在1%～2%之間。

圖23 成形后位移云圖(mm)Fig.23 Displacement cloud after forming

圖24 邊緣效應(yīng)大小Fig.24 Edge effect after forming

表3 成形后邊緣效應(yīng)大小Tab.3 Edge effect after forming

3 結(jié)論

1）通過有限元仿真，分析單條掃描線掃描得到的應(yīng)力應(yīng)變場，得出上下表面縱向應(yīng)力和縱向塑性應(yīng)變不一致是導(dǎo)致邊緣效應(yīng)的根本原因。

2）研究了邊緣效應(yīng)與掃描速度、激光功率和掃描次數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)速度越低、功率越大、掃描次數(shù)越多時，邊緣效應(yīng)能顯著較小，同時變形量也會變大，速度對邊緣效應(yīng)的影響要大于功率，但功率與變形的線性關(guān)系更好。

3）采用仿真得到的掃描參數(shù)和策略進行錐面成形實驗，即功率1000 W，速度20 mm/s，整體掃描一次，兩端掃描兩次，實驗結(jié)果表明，縱向彎曲程度較低。