一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统，包括以下步骤：根据板材弯曲成形要求将铝合金板材表面分为内凹表面和外凸表面；在内凹表面涂覆耐热层；利用超声冲击波冲击所述外凸表面，且在超声冲击波冲击的对应位置上的内凹表面处辅助施加连续激光束辐照；按照行进路径同步移动超声冲击波和连续激光束，得到具有弧度的铝合金板材。本发明专利技术利用激光辐照热软化与超声冲击声软化的耦合效应，有效降低材料的流动应力与变形抗力，提高铝合金板材成形极限，克服了单一超声冲击成形板材变形量小的缺点。超声冲击成形板材变形量小的缺点。超声冲击成形板材变形量小的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统


[0001]本专利技术涉及金属板料成形加工领域，具体涉及一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统。

技术介绍

[0002]铝合金由于强度高，韧性、塑性好，且具有较好的加工性能，厚度在4～10mm之间的铝合金中厚板材是飞机蒙皮、高铁车厢外壳的主要制作材料，在高铁、飞机装备上应用广泛。为了保证装备的使用性能，铝合金中厚板材件往往被加工成具有复杂曲率，精确尺寸的零部件。由于装备服役环境恶劣，在板材成形的同时兼顾板材表面的质量与基体材料的力学性能具有重要的意义。
[0003]当前，使用传统的加工方法，已经很难达到铝合金中厚板材成形件对成形质量的要求，许多的新的成形工艺被探索，用以实现金属板料高质量成形。其中激光热应力成形(激光弯曲成形)，是基于材料热胀冷缩的性质，利用激光辐照在材料表面产生的热效应来成形。高能激光束扫描金属板材表面时，会在金属板材基体材料内部产生空间与时间上的梯度温度场，从而诱导金属板材在厚度方向产生的不平衡热应力使板材发生变形，通过局部形变的累积完成板材的无模成形。例如，现有技术公开了一种铝合金薄板激光弯曲成形工艺方法，该方法利用激光辐照材料表面产生的热效应实现板材的无模成形，但该方法在成形过程中为克服材料的动态屈服强度需要深度加热，容易引起板材基体材料力学性能的下降，且激光直接作用于材料表面会产生烧蚀破坏，成形表面质量差，板材加热不均匀，应力分布难以控制，加热后产生的残余拉应力的，则会降低成形件的使用寿命。
[0004]超声冲击成形技术是在超声冲击强化技术和机械冲击成形技术的基础上提出来的，其原理为利用超声波发生器和超声换能器将电信号转换为超声频次的机械振动，换能器输出端连接变幅杆将超声振幅放大，然后作用到金属撞针上使撞针获得较高冲击动能，以此使板材表面发生微观塑性变形，而不均匀的塑性变形会导致材料内部产生残余压应力，使得材料内部原有的平衡力系发生改变，诱导板件发生宏观弯曲变形，从而实现金属板材的成形。相较于传统机械冲击成形技术，其具有加工柔性大，精度高的优点。例如，现有技术公开了一种单、双曲度整体壁板的超声波喷丸成形方法，该方法通过数控程序实现金属板材超声冲击成形的自动化，但超声冲击成形中厚铝合金板材时，其所提供的力相对较小，成形能力弱，使得加工时间较长，难以适应铝合金中厚板材的宏观成形，且伴随超声冲击对材料的硬化作用，后续的冲击成形更难实现。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法及系统，通过综合激光热应力成形和超声冲击成形的优点，将两种技术紧密结合，利用激光辐照热软化与超声冲击声软化的耦合效应，有效降低材料的流动应力与变形抗力，提高铝合金板材成形极限，克服了单一超声冲击成形板材变形量小的缺点；同
时，超声冲击成形在板材上下表层引入高幅残余压应力，有效抑制了激光热应力产生的有害拉应力影响，显著增强成形铝合金板材的力学性能；此外，激光局部加热，减少了加热成形区细层片状脆硬相的形成，抑制了整体加热基体材料内部裂纹的萌生，有效提高了成形件表面精度。
[0006]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0007]一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，包括以下步骤：
[0008]根据板材弯曲成形要求将铝合金板材表面分为内凹表面和外凸表面；
[0009]在内凹表面涂覆耐热层；
[0010]利用超声冲击波冲击所述外凸表面，且在超声冲击波冲击的对应位置上的内凹表面处辅助施加连续激光束辐照；
[0011]按照行进路径同步移动超声冲击波和连续激光束，得到具有弧度的铝合金板材。
[0012]进一步，还包括如下步骤：对铝合金板材表面进行预处理，使表面粗糙度值≤5μm。
[0013]进一步，所述铝合金板材表面进行预处理，具体为：通过不同粒径的砂纸对板材表面进行打磨后抛光，并使用无水乙醇溶液对处理后表面进行超声清洗。
[0014]进一步，所述耐热层为柔性耐热贴膜，厚度为0.1～1mm。
[0015]进一步，在行进路径中，所述连续激光束保持垂直作用于内凹表面，且超声冲击波保持垂直作用于外凸表面。
[0016]进一步，所述连续激光束的光斑直径为2～6mm，所述连续激光束的波长10.6μm，所述连续激光束最大激光功率250W。
[0017]进一步，所述超声冲击波通过超声波发生器产生，所述超声冲击波的振动频率20kHz；所述超声冲击波最大输出功率1500W；所述超声波发生器的超声冲击头撞针振幅范围20～100μm，撞针直径范围2～6mm。
[0018]进一步，所述铝合金板材为中厚铝合金板材，中厚铝合金板材的厚度在4～10mm之间。
[0019]一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法的系统，包括超声波发生器、激光器和控制器；所述超声波发生器用于产生超声冲击波，所述激光器用于产生连续激光束；
[0020]所述超声冲击波作用在铝合金板材的外凸表面，且连续激光束作用在超声冲击的对应位置上的铝合金板材的内凹表面处；
[0021]所述控制器控制超声冲击波和连续激光束同步移动。
[0022]本专利技术的有益效果在于：
[0023]1.本专利技术所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，在常规超声冲击成形的基础上，采用连续激光束对冲击成形区进行局部加热，热软化效应与声软化效应共同作用，大幅降低冲击作用区材料的流动应力与变形抗力，使材料具有良好的塑性变形能力，减少成形工件的应力回弹量，提高成形表面精度与极限成形尺寸；同时，激光辐照材料表面产生的热效应会在工件厚度方向建立非均匀温度梯度应力场，可有效降低超声冲击成形对超声波发生器输出功率的要求，增大单一超声冲击成形板材的变形量，扩大超声冲击成形在中厚铝合金板材成形领域的应用，使超声冲击成形具有了更好的实用性与通用性。
[0024]2.本专利技术所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，通过超声冲击在工件近表层诱导产生均匀的晶粒细化、高密度位错，同时在工件上下两面形成高幅残余压应力影响层，不仅能对激光加热产生的拉应力进行有效调控，而且还能够显著增加成形工件基体材料的抗疲劳强度，进而提高复杂工况下工件的使用寿命。
[0025]3.本专利技术所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，相较于整体加热铝合金板材成形，会抑制加热成形区细层片状脆硬相的形成，并促进大量高韧性晶粒的产生，解决了板件整体加热成形后基体材料内部裂纹的萌生和表面成形精度低的问题，有效增强成形工件的力学性能。
[0026]4.本专利技术所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，在激光加热区引入了一层去芯石棉网柔性耐热贴膜，有效避免了激光直接作用于工件表面产生烧蚀损伤；本专利技术使用激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形，所有工艺参数均可实现在计算机中有效的设置，易于实现大规模工业化生产，具有较为广泛的工业应用前本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，包括以下步骤：根据板材弯曲成形要求将铝合金板材表面分为内凹表面(5)和外凸表面(6)；在内凹表面(5)涂覆耐热层；利用超声冲击波(2)冲击所述外凸表面(6)，且在超声冲击波(2)冲击的对应位置上的内凹表面(5)处辅助施加连续激光束(1)辐照；按照行进路径同步移动超声冲击波(2)和连续激光束(1)，得到具有弧度的铝合金板材。2.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，还包括如下步骤：对铝合金板材表面进行预处理，使表面粗糙度值≤5μm。3.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，所述铝合金板材表面进行预处理，具体为：通过不同粒径的砂纸对板材表面进行打磨后抛光，并使用无水乙醇溶液对处理后表面进行超声清洗烘干。4.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，所述耐热层为柔性耐热贴膜，厚度为0.1～1mm。5.根据权利要求1所述的激光加热辅助铝合金中厚板材超声冲击成形方法，其特征在于，在行进路径中，所述连续激光束(1)保持垂直作用于内凹表面(5)，且超声冲击波(2)保持垂直作用于外凸表面(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：缑延强，周建忠，夏雪峰，李礼，姜高强，孟宪凯，黄舒，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：