高能短脉冲激光冲击在不同金属材料成形领域的应用
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。
- 分享于 · 2020.06.21 17:47 · 阅读 · 2189
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