一種能消除鈦合金板料在激光成形中的邊緣效應(yīng)和氧化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于板料激光彎曲成形技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種能消除鈦合金板料激光成形中的邊緣效應(yīng)和氧化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]板料成形通常指的是利用金屬板料在固態(tài)下通過模具的外力作用制成所需零件的一種加工方法。從力學(xué)角度上講，板料成形是一個幾何形狀、材料性質(zhì)和邊界接觸條件等因素綜合影響的非線性過程，問題涉及材料在拉深和脹形的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料的塑性流動、塑性強(qiáng)化和起皺、破裂的防止，以及回彈的預(yù)測等。激光成形技術(shù)是一種新型的柔性無模成形方法，利用高能激光束掃描金屬板料使熱作用區(qū)內(nèi)產(chǎn)生特定分布的溫度場，從而誘發(fā)不同的熱應(yīng)力使板料產(chǎn)生塑性彎曲變形。該技術(shù)為非接觸式熱態(tài)積累成形，具有生產(chǎn)周期短、柔性大、精度高、無污染、無模具、無外力、無回彈等特性，對常溫下難以加工成形的材料有技術(shù)優(yōu)勢。特別適合單件小批量生產(chǎn)或大型工件生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子、船舶和汽車制造等領(lǐng)域。
[0003]當(dāng)激光彎曲板料較長時，由于板料各點(diǎn)加熱冷卻時間不一致，板料會隨熱源移動出現(xiàn)不同的彎曲，最終板料自由端變形量會出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，板料彎曲成形面呈兩端彎曲角較大，中間變形量較小的狀態(tài)，難以滿足產(chǎn)品精度要求，這就是板料加工中的“邊緣效應(yīng)”。
[0004]鈦合金常溫下塑性差，彈性模量小，冷變形的回彈能力強(qiáng)，冷成形困難，同時鈦也是一種非?；顫姷慕饘?，常溫下鈦表面附有一層致密穩(wěn)定的氧化膜起保護(hù)作用，高溫下鈦會與許多氣體劇烈反應(yīng)，與空氣和其他氣體的親和能力極強(qiáng)，是一種極易氧化的材料?？諝庵械拟佋?50°C開始吸收氫氣，400°C至500°C吸收氧氣，600°C吸收氮?dú)?，且溫度越高，氣體吸收能力越強(qiáng)。鈦與鈦合金在吸收很少量氣體的情況下，硬度就會顯著增加，延性、韌性則會降低，所以鈦合金的熱成形必須在真空或惰性保護(hù)氣體環(huán)境下進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了解決鈦合金板料在激光成形時易氧化，產(chǎn)生的邊緣效應(yīng)使產(chǎn)品成形尺寸精度不高等問題，提供一種能消除鈦合金板料在激光成形中的邊緣效應(yīng)和氧化的方法。
[0006]本發(fā)明的一種能消除鈦合金板料在激光成形中的邊緣效應(yīng)和氧化的方法，包括以下步驟:
(I)制作鈦合金板料成形裝置:該裝置包括激光系統(tǒng)和板料夾持裝置，激光系統(tǒng)具有激光頭，激光頭發(fā)射激光束，激光頭上設(shè)有一根惰性氣體保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管，保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管底部開有密集通氣孔，以便加工成形時對整個板料進(jìn)行氣體保護(hù)，保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管的前端設(shè)有激光器，板料夾持裝置包括上、下夾板，上、下夾板的兩端通過螺栓固定連接，上夾板的寬度比下夾板的寬度小，上、下夾板上均設(shè)有導(dǎo)氣管，上夾板的兩側(cè)開有密集通氣孔，下夾板的上表面沿鈦合金板料折彎處開有兩排密集通氣孔，所述上、下夾板導(dǎo)氣管通入惰性氣體到各通氣孔中對鈦合金板料進(jìn)行保護(hù)，從而保證鈦合金板料不被氧化；
(2)夾持鈦合金板料:將待加工的鈦合金板料置于上、下夾板之間進(jìn)行夾持；
(3)惰性氣體保護(hù):開啟保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管和導(dǎo)氣管，使鈦合金板料處于惰性氣體保護(hù)中；
(4)激光掃描:采用激光功率為500-1100W，激光掃描速度為l_3m/min，掃描間距為78.5-78.7mm的工藝參數(shù)，激光束沿夾具邊緣采用矩形變向掃描路徑對鈦合金板料的折彎處進(jìn)行掃描加工，先沿順時針方向掃描15-25次，再沿逆時針方向掃描相同的次數(shù)，控制溫度場朝著預(yù)定的方向發(fā)展；
(5)冷卻成形:激光掃描完成后，在惰性氣體保護(hù)下冷卻至200°C以下，關(guān)閉惰性氣體，冷卻至室溫。
[0007]本發(fā)明所述步驟(4)的最佳激光掃描參數(shù)為:激光功率1100 W，激光掃描速度3m/min，掃描間距78.6mm，順時針和逆時針方向各掃描20次。
[0008]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低，使用專用夾持裝置夾持板料，從而為板料彎曲提供足夠剛度，同時可以提供加工定位基準(zhǔn)，能夠消除激光成形的邊緣效應(yīng)，防止材料氧化，產(chǎn)品的成形尺寸精度高；適用性強(qiáng)，不僅適用于鈦合金板料，也可用于其他易氧化的金屬板料。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的下夾板俯視圖；
圖3是本發(fā)明加工成形的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中，Ia—導(dǎo)氣管，Ib—導(dǎo)氣管，2—激光頭，3—保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管，4一激光器，5—激光束，6—上夾板，7—下夾板，8—螺栓，9一通氣孔，10—鈦合金板料。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明以657mmX290mmX Imm的TC4鈦合金板料加工成如圖3所示的“ Π ”形結(jié)構(gòu)為例。
[0011]實(shí)施例1
參見圖1，本實(shí)施例的一種能消除鈦合金板料在激光成形中的邊緣效應(yīng)和氧化的方法，包括以下步驟:
(I)制作鈦合金板料成形裝置:該裝置包括激光系統(tǒng)和板料夾持裝置，激光系統(tǒng)具有激光頭2，激光頭2發(fā)射激光束5，激光頭2上設(shè)有一根惰性氣體保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管3，保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管3底部開有密集通氣孔9，以便加工成形時對整個板料進(jìn)行氣體保護(hù)，保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管3的前端設(shè)有激光器4，板料夾持裝置包括上、下夾板6、7，上、下夾板6、7的兩端通過螺栓8固定連接，上夾板6的寬度比下夾板7的寬度小，上、下夾板6、7上均設(shè)有導(dǎo)氣管la、lb,上夾板6的兩側(cè)開有密集通氣孔9，下夾板7的上表面沿鈦合金板料10折彎處開有兩排密集通氣孔9，所述上、下夾板6、7的導(dǎo)氣管la、lb通入惰性氣體到各通氣孔中對鈦合金板料10進(jìn)行保護(hù)，從而保證鈦合金板料10不被氧化；
(2)夾持鈦合金板料:將待加工的鈦合金板料10置于上、下夾板6、7之間進(jìn)行夾持；
(3)惰性氣體保護(hù):開啟保護(hù)氣噴嘴導(dǎo)管3和導(dǎo)氣管la、lb，使鈦合金板料10處于惰性氣體保護(hù)中；
(4)激光掃描:采用德國IPG公司生產(chǎn)的YLR-4000型4KW的連續(xù)光纖激光器，波長為1070nm，光斑直徑為3mm，激光掃描速度為3m/min，激光功率為1100W，掃描間距為78.6 mm的工藝參數(shù)激光彎曲鈦合金板料至“ Π ”形狀，“ Π ”形狀底邊外部尺寸要求為80 + 0.50mm，豎直邊高度為100mm，彎曲處曲率半徑3mm。采用矩形變向掃描路徑對鈦合金板料10進(jìn)行掃描加工，先沿順時針方向掃描20次，再沿逆時針方向掃描20次；
(5)冷卻成形:激光掃描完成后，在惰性氣體保護(hù)下冷卻至200°C以下，關(guān)閉惰性氣體，冷卻至室溫。
[0012]本實(shí)施例的加工后的鈦合金板料成形結(jié)構(gòu)參見圖3，本實(shí)施例中“ Π ”形狀底邊外部尺寸為80.1mm，成形產(chǎn)品尺寸精度高，激光掃描處無氧化及裂紋。
[0013]實(shí)施例2
參見圖1，本實(shí)施例的一種能消除鈦合金板料在激光成形中的邊緣效應(yīng)和氧化的方法，包括以下步驟: