一種減小板材邊緣效應的方法與流程

本發明涉及板材加工領域，具體涉及一種減小板材邊緣效應的方法。

背景技術：

金屬板材成形技術在現代航空、航天、船舶、汽車等工業中應用非常廣泛，板材件占有比例很大，因此需要對金屬板材成形技術進行深入研究，掌握其成形機理并提高成形精度，以便更好的應用于實踐；在這方面許多學者進行了相關的研究，取得了許多研究成果。激光板材成形技術是利用激光束照射金屬板材表面，在金屬板材厚度方向產生強烈的溫度梯度，誘發不均勻熱應力，進而在板材橫截面處產生彎矩作用于板材，同時板材加熱區域產生塑性變形，最終將板材彎曲成形的技術。

與傳統的板材機械成形、時效成形等板材成形技術相比，激光板材成形無需模具、無需外力，因而生產周期短、柔性大，特別適合小批量零件的生產；由于不受模具限制，可成形各類異構件；激光熱成形屬于熱態積累成形，能夠成形高硬度和脆性材料，像鈦鎳合金、陶瓷、鑄鐵等；借助形狀測量儀和紅外測溫儀，可在數控加工機上進行全過程閉環控制，以提高成形精度；激光熱成形為非接觸成形，變形時無外力作用，因而回彈較小，成形精度較高；在成形過程中，單次掃描變形量較小，成形時不易產生皺曲，特別適合于單件、小批量生產及用常規方法難以成形的材料的成形。

目前，國內外學者主要圍繞平板的激光成形技術進行研究。許多學者發現板材激光成形后，掃描線不同位置的彎曲角度不一致，這種現象被廣泛稱為“邊緣效應”。邊緣效應的存在嚴重影響了板材成形的精度，給后續的工藝制作帶來了困難，如焊接、組裝等，因此提供一種減小激光板材成形中的邊緣效應的方法是尤為必要的。為了減小激光板材成形中的邊緣效應，本發明提出了一種新的掃描方式：間斷掃描，從而減小板材激光成形后的邊緣效應現象，提高板材的成形精度。

鑒于上述缺陷，本發明創作者經過長時間的研究和實踐終于獲得了本發明。

技術實現要素：

為解決上述技術缺陷，本發明采用的技術方案在于，提供一種減小板材邊緣效應的方法，其采用間斷掃描的方式來進行板材的激光成形，所述間斷掃描方式的具體實施步驟如下：

步驟一：在所述板材表面涂覆石墨，以提高激光吸收率；

步驟二：將涂覆石墨后的所述板材用夾具固定于工作臺，并保持涂覆石墨一側向上；

步驟三：選取激光掃描的掃描位置；

步驟四：對待掃描位置進行加熱區域劃分；

步驟五：根據掃描位置加熱區域劃分的情況，首先間斷掃描其中的第一掃描區域，待所述板材冷卻后掃描第二掃描區域。

較佳的，在所述步驟四中，對待掃描位置進行加熱區域劃分時，為保證所述板材在間斷掃描時掃描位置的對稱性，將板材掃描位置劃分為奇數2n+1個加熱區域；

在所述步驟五中，首先對劃分后的加熱區域間斷掃描其中的n或n+1段，掃描結束待板材冷卻后，掃描其余未掃描的n+1或n段，最終將所述板材成形為一定的彎曲角度。

較佳的，所述第一掃描區域和所述第二掃描區域處于同一所述待掃描位置，且所述第一掃描區域與所述第二掃描區域不重疊。

較佳的，在所述步驟二中，利用夾具將所述板材固定在工作臺，固定方式可以采用端部固定或板材中部固定。

較佳的，所述激光的功率為50W-3000W、掃描速度為1mm/s-100mm/s、光斑直徑為1mm-40mm。

較佳的，在掃描過程中，保持激光功率不變，掃描速度不變，光斑尺寸不變。

與現有技術比較本發明的有益效果在于：1、采用間斷掃描的方式針對板材激光成形后的邊緣效應現象，以及成形中與掃描方向相垂直的方向的彎矩，將待掃描位置劃分為不同的加熱區域，首先間斷掃描其中的一些區域，待板材冷卻后掃描其余的掃描區域，從而減小板材激光掃描過程中與掃描方向相垂直的方向的彎矩，進而減小板材激光成形后的邊緣效應現象；2、所述的間斷掃描方式相比于傳統的變速掃描等變能量掃描方式而言，優點在于所述間斷掃描方式保證了板材掃描線不同位置具有相同的熱影響區及相同的力學性能，從而有效減小板材激光成形后的邊緣效應現象，降低板材激光成形后沿掃描位置不同位置彎曲角度不同的情況，實現了激光板材成形的快速無模成形，提高板材的成形精度；3、將待掃描位置劃分為奇數2n+1個區域，從而保證了所述板材在間斷掃描時，掃描位置的對稱性，從而減小了所述板材由于掃描位置的不對稱性造成不必要的成形精度誤差。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明各實施例中的技術方案,下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。

圖1是本發明減小板材邊緣效應的方法的示意圖一；

圖2是本發明減小板材邊緣效應的方法的示意圖二；

圖3是本發明減小板材邊緣效應的方法的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特征和優點作更詳細的說明。

本發明在于提供一種能夠減小板材激光成形后的邊緣效應現象的方法，提高板材激光成形后的成形精度。激光板材成形技術是利用激光束照射板材表面，同時板材在激光掃描過的加熱區域產生塑性變形，最終將板材彎曲成形的技術。

邊緣效應現象指板材激光成形后沿掃描位置不同位置彎曲角度不同的現象，這種現象的存在降低了板材的成形精度，給后續的工藝制作帶來了困難，如焊接、組裝等。如圖1所示，其為本發明減小板材邊緣效應的方法的示意圖一；在板材1上沿任一方向進行激光掃描時，由于激光的高能量，在所述板材1厚度方向產生強烈的溫度梯度，誘發不均勻熱應力，進而在所述板材1橫截面處產生彎矩，所述彎矩作用于所述板材1。但由于激光掃描線的移動需要時間，先掃描的區域逐漸開始冷卻變形，未掃描到的區域尚未開始變形，從而導致掃描線不同位置的彎曲角度不一致，其中，在板材平面內，與掃描方向相垂直的方向的彎矩為導致板材邊緣效應現象的根本原因。為了減小激光板材成形中的邊緣效應，本發明提出了一種新的掃描方式：間斷掃描，以減小板材激光成形后的邊緣效應現象，提高板材的成形精度。

如圖1、圖2所示，所述間斷掃描方式先將板材固定于工作臺，在所述板材1上選擇任意位置進行激光掃描，激光掃描之前對待掃描位置進行分段，隨后對待掃描位置進行間斷掃描形式的激光掃描，首先掃描其中的第一掃描區域2，待板材冷卻后，再掃描與所述第一掃描區域2處于同一所述待掃描位置且區域不重疊的第二掃描區域2’，進而將板材加工彎曲為一定的角度。

所述間斷掃描方式針對板材激光成形后的邊緣效應現象，以及成形中與掃描方向相垂直的方向的彎矩，將待掃描位置劃分為不同的加熱區域，首先間斷掃描其中的一些區域，待板材冷卻后掃描其余的掃描區域，從而減小板材激光掃描過程中與掃描方向相垂直的方向的彎矩，進而減小板材激光成形后的邊緣效應現象。

所述的間斷掃描方式相比于傳統的變速掃描等變能量掃描方式而言，優點在于所述間斷掃描方式保證了板材掃描線不同位置具有相同的熱影響區及相同的力學性能，從而有效減小板材激光成形后的邊緣效應現象，降低板材激光成形后沿掃描位置不同位置彎曲角度不同的情況，實現了激光板材成形的快速無模成形，提高板材的成形精度。

如圖3所示，所述間斷掃描方式的具體實施步驟如下：

步驟一：在所述板材表面涂覆石墨，以提高激光吸收率；

步驟二：將涂覆石墨后的所述板材用夾具固定于工作臺，并保持涂覆石墨一側向上；

步驟三：選取激光掃描的掃描位置；

步驟四：對待掃描位置進行加熱區域劃分；

步驟五：根據掃描位置加熱區域劃分的情況，首先間斷掃描其中的所述第一掃描區域2，待所述板材冷卻后掃描所述第二掃描區域2’。

其中，在所述步驟二中，利用夾具將所述板材固定在工作臺，固定方式可以采用端部固定或板材中部固定。

實施例一

如上述所述的減小板材邊緣效應的方法，本實施例與其不同之處在于，在所述步驟四中，在激光掃描之前對待掃描位置進行加熱區域劃分，將待掃描位置劃分為奇數2n+1個區域，隨后進行步驟五，根據掃描位置加熱區域劃分的情況，對待掃描位置進行間斷掃描形式的激光掃描，首先間斷掃描其中的n或n+1個區域，待板材冷卻后掃描其余的n+1或n個區域，進而將板材加工彎曲為一定的角度。

將待掃描位置劃分為奇數2n+1個區域，從而保證了所述板材在間斷掃描時，掃描位置的對稱性，無論掃描其中的n個區域或掃描其中的n+1個區域，待掃描區域的幾何中心均為整體掃描位置的幾何中心。

因此，將待掃描位置劃分為奇數2n+1個區域，保證了所述板材在間斷掃描時掃描位置的對稱性，從而減小了所述板材由于掃描位置的不對稱性造成不必要的成形精度誤差。

實施例二

如上述所述的減小板材邊緣效應的方法，本實施例與其不同之處在于，如圖1、圖2所示，所述間斷掃描方式先將板材固定于工作臺，在所述板材1上選擇y軸方向平行的任意位置進行激光掃描，激光掃描之前對待掃描位置進行分段，隨后對待掃描位置進行間斷掃描形式的激光掃描，首先掃描其中的第一掃描區域2，待板材冷卻后，再掃描與所述第一掃描區域2處于同一所述待掃描位置且區域不重疊的第二掃描區域2’，進而將板材加工彎曲為一定的角度。

成形過程中，所述間斷掃描的掃描形式，減小了與y軸方向相垂直的x軸方向的彎矩，進而減小板材激光成形后的邊緣效應現象。

實施例三

如上述所述的減小板材邊緣效應的方法，本實施例與其不同之處在于，所述間斷掃描方式先將板材固定于工作臺，在所述板材1上選擇x軸方向平行的任意位置進行激光掃描，激光掃描之前對待掃描位置進行分段，隨后對待掃描位置進行間斷掃描形式的激光掃描，首先掃描其中的第一掃描區域2，待板材冷卻后，再掃描與所述第一掃描區域2處于同一所述待掃描位置且區域不重疊的第二掃描區域2’，進而將板材加工彎曲為一定的角度。

成形過程中，所述間斷掃描的掃描形式，減小了與x軸方向相垂直的y軸方向的彎矩，進而減小板材激光成形后的邊緣效應現象。

實施例四

如上述所述的減小板材邊緣效應的方法，本實施例與其不同之處在于，激光板材成形技術是利用激光束照射板材表面，所述激光的功率為50W-3000W、掃描速度為1mm/s-100mm/s、光斑直徑為1mm-40mm。

實施例五

如上述所述的減小板材邊緣效應的方法，本實施例與其不同之處在于，所述激光板材成形技術在利用激光束進行掃描時，在掃描過程中，保持激光功率不變，掃描速度不變，光斑尺寸不變。

實施例六

如上述所述的減小板材邊緣效應的方法，本實施例與其不同之處在于，選取一塊尺寸為200mm×200mm×2.5mm的5A06鋁合金平板進行成形，表面涂覆石墨后將所述5A06鋁合金板材掃描位置劃分為11段，采用的成形參數為：激光功率P＝600W、掃描速度V＝20mm/s、光斑直徑D＝8mm，首先間斷掃描其中的6段，從所述5A06鋁合金板材第一端掃描至所述5A06鋁合金板材的第二端，在成形過程中保持成形參數不變，掃描結束待板材冷卻后從所述5A06鋁合金板材第二端掃描其余未掃描區域至所述5A06鋁合金板材第一端。

實施例七

如上述所述的減小板材邊緣效應的方法，本實施例與其不同之處在于，選取一塊尺寸為200mm×200mm×2.5mm的5A06鋁合金平板進行成形，表面涂覆石墨后將所述5A06鋁合金板材掃描位置劃分為13段，采用的成形參數為：激光功率P＝50W、掃描速度V＝1mm/s、光斑直徑D＝1mm，首先間斷掃描其中的7段，從所述5A06鋁合金板材第一端掃描至所述5A06鋁合金板材的第二端，在成形過程中保持成形參數不變，掃描結束待板材冷卻后從所述5A06鋁合金板材第二端掃描其余未掃描區域至所述5A06鋁合金板材第一端。

實施例八

如上述所述的減小板材邊緣效應的方法，本實施例與其不同之處在于，選取一塊尺寸為200mm×200mm×2.5mm的5A06鋁合金平板進行成形，表面涂覆石墨后將所述5A06鋁合金板材掃描位置劃分為9段，采用的成形參數為：激光功率P＝3000W、掃描速度V＝100mm/s、光斑直徑D＝40mm，首先間斷掃描其中的4段，從所述5A06鋁合金板材第一端掃描至所述5A06鋁合金板材的第二端，在成形過程中保持成形參數不變，掃描結束待板材冷卻后從所述5A06鋁合金板材第二端掃描其余未掃描區域至所述5A06鋁合金板材第一端。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，對本發明而言僅僅是說明性的，而非限制性的。本專業技術人員理解，在本發明權利要求所限定的精神和范圍內可對其進行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發明的保護范圍內。