韓 陽(yáng)，梁國(guó)星，馬紅帥，范梓良，武建新

(太原理工大學(xué) 精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

近年來，隨著航空航天、機(jī)械制造、家用電器、汽車和兵器等行業(yè)的快速發(fā)展，薄板類零件憑借其高強(qiáng)度、高剛度和重量輕等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，薄板的成形技術(shù)及其裝備在許多發(fā)達(dá)國(guó)家也得到高度重視[1]。傳統(tǒng)的成形技術(shù)通常根據(jù)板料形狀。制作相應(yīng)的模具，成本高，周期長(zhǎng)。激光成形技術(shù)由于其無接觸、無模具、加工柔性高等特點(diǎn)，能夠滿足制造業(yè)產(chǎn)品快速更新的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)[2]。同時(shí)，由于激光光源的可控性，易于實(shí)現(xiàn)精確成形[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)激光成形過程中影響成形的不同因素和成形產(chǎn)生的原因進(jìn)行了研究。黃開金等[4]研究了不同激光加工參數(shù)對(duì)模具鋼成形規(guī)律的影響；石永軍等[5]用ANSYS分析了激光加熱位置對(duì)板材成形的影響；譚兵等[6]通過實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了激光加工過程中，在同一夾持位置，等焊縫冷卻至室溫后再卸載夾具，可更好地控制焊接變形；PADMAKUMARI et al[7]在SYSWELD中分析了激光成形過程中不同裝夾條件和裝夾時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力和變形的影響。GEIGER et al[8]分析了激光成形過程中的溫度梯度機(jī)理，增厚機(jī)理，反向彎曲機(jī)理的形成原因；喬及森等[9]研究了激光噴射成形焊接接頭的組織及性能。

鋁合金憑借著密度小、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性、成形性好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)在成形過程中可以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)板材成形的困難[10]，因此，在航天工業(yè)和家用電器等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。然而，針對(duì)鋁合金薄板的激光成形規(guī)律、變形預(yù)測(cè)、成形后的微觀組織結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。本文采用6061鋁合金薄板作為激光加工成形的實(shí)驗(yàn)材料，完成了不同功率下的實(shí)驗(yàn)和仿真研究，分析了激光成形過程中溫度和變形的變化過程，并觀察成形后的微觀組織結(jié)構(gòu)和成分演化，從宏觀和微觀兩個(gè)方面探究鋁合金薄板變形的原因。

1 有限元模擬分析

1.1 熱源模型選取及邊界條件設(shè)置

在6061鋁合金薄板激光彎曲成形過程中，由于平板的厚度較小，成形過程中所形成的熔深較淺，所以熱源模型采用二維高斯熱源。其熱源模型函數(shù)為[11-12]：

(1)

式中：Q(r)表示距熱源r處的能量輸入大小，Qm表示熱源中功率的最大輸入值，rH表示光斑半徑。

激光彎曲成形過程中包含復(fù)雜的熱傳導(dǎo)、對(duì)流、相變等物理和化學(xué)現(xiàn)象，是一個(gè)高度的非線性瞬態(tài)問題，材料的熱物性會(huì)隨著溫度的變化而變化。仿真的過程中，依據(jù)參考文獻(xiàn)[13]和[14]中得到6061鋁合金板材在不同溫度下的密度、熱傳導(dǎo)率、比熱等參數(shù)，基于這些參數(shù)開發(fā)適用于SYSWELD的6061鋁合金材料數(shù)據(jù)庫(kù)。在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，邊界條件為：將材料考慮為各項(xiàng)同性；工件表面存在的熱流量為Q；對(duì)流條件為工件表面與空氣的對(duì)流換熱；工件表面向環(huán)境輻射熱能；在空氣中冷卻時(shí)間為1 800 s.

1.2 網(wǎng)格劃分

模擬計(jì)算時(shí)，采用的6061鋁合金薄板尺寸為100 mm×50 mm×2 mm；采取一邊固定，一邊自由的裝夾方式，裝夾位置如圖1(a)所示。為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用非均勻的網(wǎng)格劃分，并對(duì)激光加載區(qū)域的單元進(jìn)行細(xì)分，劃分結(jié)果如圖1(b)所示。

圖1 裝夾條件及網(wǎng)格劃分Fig.1 Clamping conditions and meshing result

2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)前，對(duì)6061鋁合金表面進(jìn)行拋磨處理，去除表面的氧化膜，并在激光加載路徑上涂覆一層炭黑層，提高激光在6061鋁合金薄板表面的吸收率。實(shí)驗(yàn)中裝夾方式為一端固定，一端自由，且位置與模擬中基本一致。

實(shí)驗(yàn)用激光機(jī)型號(hào)為KJG-1YAG-400A，額定輸出功率為400 W，光斑直徑為1～8 mm可調(diào)，加載速度控制精度為0.01 mm/s，實(shí)驗(yàn)中使用的工藝參數(shù)分別為200，210，220，230，240 W，光斑直徑為4 mm，加載速度為5 mm/s.同時(shí)采用紅外熱像儀IRS 85(測(cè)溫范圍-40～1 200 ℃，測(cè)量精度為±2%)采集激光加載過程中的溫度變化。激光加載完成后，冷卻30 min至室溫，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(精度0.002 mm)檢測(cè)自由端發(fā)生的翹曲量。測(cè)量完成后，將6061鋁合金薄板沿著加載路徑剖開，采用CSM-100X掃描電鏡(SEM)和X-act能譜儀(EDS)對(duì)加工后的顯微組織和元素分布進(jìn)行觀察與檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)過程示意圖Fig.2 Experiment process diagram

3 結(jié)果與討論

3.1 瞬時(shí)溫度分布

6061鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性，激光成形過程中，會(huì)對(duì)未加工區(qū)域的溫度產(chǎn)生影響。通過SYSWELD仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)過程中的檢測(cè)，得到不同功率下6061鋁合金薄板的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果，如圖3所示。隨著激光功率的增大，實(shí)驗(yàn)中的最高溫度和仿真計(jì)算的最高溫度都增加，且實(shí)驗(yàn)溫度低于仿真溫度。因?yàn)楣β实脑黾?，使得激光器單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的能量增加，從而產(chǎn)生的熱量較多，造成溫度的上升。在仿真計(jì)算時(shí)，由于激光加載時(shí)間短，在該時(shí)間段內(nèi)將激光加載簡(jiǎn)化為絕熱效應(yīng)，并不向外傳遞熱量，加載結(jié)束后才進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流，造成仿真溫度較高。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)儀器在測(cè)量過程中存在的誤差等因素也可能是造成實(shí)驗(yàn)檢測(cè)溫度較低的原因之一。

圖3 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of temperature field simulation results and experiment results

激光加工過程中不同瞬態(tài)溫度變化過程如圖4所示。紅外熱像儀所記錄的溫度與模擬計(jì)算過程中的溫度基本一致，并且不同功率下的溫度變化較為一致，加載路徑兩側(cè)溫度變化呈現(xiàn)對(duì)稱趨勢(shì)。

當(dāng)激光功率為220 W時(shí)，在加載路徑右側(cè)等間隔地取6個(gè)點(diǎn)(X1，X2，X3，X4，X5，X6)，同時(shí)在加載路徑上等間隔地取6個(gè)點(diǎn)(Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6)(見圖1)，對(duì)所取點(diǎn)分別進(jìn)行溫度變化的分析，其溫度變化如圖5所示。

圖4 不同瞬態(tài)下實(shí)驗(yàn)溫度和仿真溫度的對(duì)比Fig.4 Comparison of experimental temperature and simulation temperature at different times

圖5 不同節(jié)點(diǎn)位置溫度變化圖Fig.5 Temperature change at different nodes

如圖5(a)所示，在加載路徑右側(cè)，距離加載路徑越近，溫度越高。同時(shí)，距離加載路徑近的點(diǎn)其溫度先升高，隨后降低(X5，X6).距離加載路徑遠(yuǎn)的點(diǎn)，溫度呈緩慢升高的趨勢(shì)，并在很短時(shí)間內(nèi)(20 s)，所有點(diǎn)的溫度趨于一致。當(dāng)沿著加載路徑進(jìn)行分析時(shí)，由圖5(b)可知，激光加工過程是一個(gè)溫度快速上升又快速下降的過程。并且隨著加載過程的進(jìn)行，各點(diǎn)的溫度逐漸升高。因?yàn)樵诩虞d的初始階段，沒有足夠的時(shí)間來吸收激光能量，初始位置溫度較低(點(diǎn)Y1，Y2).隨著加載的進(jìn)行，后一個(gè)點(diǎn)會(huì)吸收來自前一個(gè)位置傳遞的熱量，造成熱量的疊加，溫度上升。

3.2 變形分析

為了觀察最后的變形結(jié)果，將工件冷卻30 min至室溫，測(cè)量其最終產(chǎn)生的變形量，不同功率下的模擬變形結(jié)果如圖6所示?？梢姡瑢?duì)于6061鋁合金薄板的激光成形過程，不同功率下的變形結(jié)果都是正向翹曲；加載路徑左側(cè)，變形量較少，加載路徑右側(cè)，變形呈梯度上升，并在薄板右端產(chǎn)生較大的變形。

對(duì)薄板右端等間距的10個(gè)點(diǎn)的變形量進(jìn)行平均計(jì)算，得到不同功率下實(shí)驗(yàn)和仿真的結(jié)果對(duì)比，如圖7(a)所示。隨著激光功率的增大，變形量呈增大趨勢(shì)。由于實(shí)驗(yàn)中儀器誤差等因素影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化范圍較大。仿真和實(shí)驗(yàn)的最大變形量誤差為9.82%，誤差相對(duì)較小，能夠滿足工程應(yīng)用要求，且模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[15]和[16]中的變化趨勢(shì)一致。因此，該仿真模型適用于鋁合金薄板的成形計(jì)算。

當(dāng)激光功率為220 W時(shí)，在加載路徑右側(cè)，選取3個(gè)點(diǎn)來研究變形的變化，其形變結(jié)果如圖7(b)所示。距離加載路徑越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的變形越大，在激光加載的初始階段，首先產(chǎn)生向下的彎曲變形，隨著加載的進(jìn)行，產(chǎn)生向上的變形并且持續(xù)增大，當(dāng)激光加工完成后，隨著溫度的下降，產(chǎn)生的變形開始減少。當(dāng)工件冷卻至室溫后，6061鋁合金薄板最終產(chǎn)生的變形為正向翹曲。

圖6 不同功率下的變形結(jié)果Fig.6 Deformation field at different powers

圖7 不同功率下最大變形的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比和變形量隨時(shí)間的變化Fig.7 Comparison of the maximum deformation at different powers and the deformation value changes

3.3 加工后材料變形分析

激光成形是局部加熱的過程，鋁合金薄板上受到不均勻的熱分布，溫度梯度較大。在靠近加載路徑的區(qū)域，由于吸收較多熱量從而使材料產(chǎn)生體積擴(kuò)張，該區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力超過材料的彈性限制，最終產(chǎn)生殘余變形。將6061鋁合金薄板沿著加載路徑的中點(diǎn)剖開，通過掃描電鏡和能譜儀觀察和分析材料的變化，如圖8所示。可見，在橫截面上產(chǎn)生了明顯的分界線，分界線以上是激光加載所形成的加工影響區(qū)域，分界線以下是材料的基體組織。因?yàn)樵诩す饧虞d過程中，6061鋁合金薄板上表面的溫度超過了材料的熔點(diǎn)，使得上表面材料發(fā)生了轉(zhuǎn)變，與分界線下的基體材料相比，氣孔等缺陷明顯減少，因而上表面材料體積減少，產(chǎn)生拉應(yīng)力使薄板產(chǎn)生正向變形。

通過對(duì)分界線處的微觀組織進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)在分界線周圍存在大量裂紋，且裂紋向上表面擴(kuò)展，如圖8(a)所示。這是因?yàn)榧す饧虞d在上表面，使得表面材料與下方材料之間形成較大的溫度差，因而在分界線周圍產(chǎn)生了熱裂紋。在對(duì)分界線以上的微觀組織進(jìn)行能譜分析中發(fā)現(xiàn)，在該區(qū)域中存在著碳富集區(qū)，含碳量為12.77%.這是因?yàn)樵诩す獬尚芜^程中，被加工區(qū)域發(fā)生了熔化，表面涂覆的炭黑層的主要成分石墨進(jìn)入到了材料的內(nèi)部所導(dǎo)致的。

圖8 被加工區(qū)域微觀組織分析Fig.8 Microstructure analysis of the formed area

4 結(jié)論

本文通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了不同激光功率下6061鋁合金薄板的成形過程、成形規(guī)律以及成形原因，并對(duì)成形后的微觀組織進(jìn)行觀察，得到如下結(jié)論：

1) 根據(jù)激光成形的特點(diǎn)，建立能夠同時(shí)計(jì)算6061鋁合金薄板溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)的三維數(shù)值模型。在SYSWELD中簡(jiǎn)化了激光成形過程，建立了6061鋁合金的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，得到了較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

2) 基于本模型對(duì)6061鋁合金薄板激光成形過程中的溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)進(jìn)行了分析，在激光功率為200，210，220，230，240 W，光斑直徑為4 mm，移動(dòng)速度為5 mm/s等工藝參數(shù)下進(jìn)行激光成形。結(jié)果表明：鋁合金薄板先產(chǎn)生反方向的變形，隨后產(chǎn)生正向的變形，最終的變形結(jié)果為正向；隨著激光功率的增加，在自由端產(chǎn)生的變形量也增大；激光加載過程中，最高溫度隨著功率的增加而上升，并且在激光加載結(jié)束后，溫度達(dá)到最大值。

3) 不同功率下鋁合金薄板激光成形的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。激光加載過程中溫度變化和最終產(chǎn)生的變形結(jié)果基本保持一致，產(chǎn)生的最大誤差為9.82%，誤差相對(duì)較小，說明本文建立的不同參數(shù)下6061鋁合金薄板成形的溫度場(chǎng)和變形場(chǎng)計(jì)算模型的有效性和可靠性。

4) 6061鋁合金薄板被激光加載后的組織比基體組織更為致密，組織中包含的缺陷較少，碳含量也明顯不同，出現(xiàn)了碳富集區(qū)。同時(shí)，在激光加工后的組織和基體組織間存在明顯的分界線，分界線位置產(chǎn)生了大量裂紋，并且裂紋向著激光作用區(qū)域擴(kuò)展。