沈宗寶， 韓曜陽， 孟康楠， 李品

（江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引 言

激光彎曲成形屬于局部熱成形的一種，利用高能激光束照射工件表面，在工件局部形成不均勻熱應變來實現(xiàn)工件彎曲成形。激光彎曲成形具有無模具、周期短、柔性大、無接觸等優(yōu)點，能滿足小批量、多品種和結構復雜的加工需求，在航空航天、船舶、汽車等領域具有廣泛的應用前景。然而激光彎曲成形是一個熱力耦合瞬態(tài)彈塑性變形的過程，同時存在加熱與冷卻兩個過程，熱影響區(qū)的溫度、應力應變在時空上變化劇烈，且涉及到傳熱學、材料力學等多學科理論，變形過程十分復雜。因此，深入研究激光彎曲成形機理對于指導實際生產操作具有重要意義。

目前主流的用于解釋激光彎曲成形過程的變形機理主要有三種，分別是溫度梯度機理（Temperature Gradient Mechanism，TGM）、屈曲機理（Buckling Mechanism，BM）與增厚機理（Upsetting Mechanism，UM）［1-10］，對應三種不同的工藝條件：（1）光斑直徑小、掃描速度快而板件較厚時，此時厚度方向溫度梯度很大，溫度梯度機理占主導地位；（2）光斑直徑大、掃描速度慢而板件較薄時，此時厚度方向溫度梯度小，屈曲機理占主導地位；（3）光斑直徑大、掃描速度慢而板件厚度較薄卻不足以發(fā)生屈曲時，此時厚度方向溫度梯度可以忽略，增厚機理占主導地位。除此之外，石永軍［11］還補充了耦合機理（CM），用以解釋當工藝條件處于溫度梯度機理與增厚機理之間時，板件同時出現(xiàn)兩種彎曲機理對應形變特征的現(xiàn)象。Mohammad Shahid Raza［12］也提出了“熔融基TGM”機理，用以解釋當厚度方向溫度梯度很大且加熱區(qū)表面發(fā)生部分融化時板件的形變過程。

圍繞激光彎曲成形機理的探索，國內外學者已經做了大量試驗與模擬研究。M. Hoseinpour Gollo［13］采用DOE試驗方法研究了激光功率、光束直徑、掃描速度和脈沖時間等激光工藝參數對不銹鋼AISI1010板單次掃描彎曲角的影響關系，試驗結果表明彎曲角受光束直徑的影響最大，其次是脈沖時間、掃描速度和激光功率；Gisario A［14］采用數值模擬與實驗驗證相結合的方法研究了操作參數、激光功率、掃描速度、掃描次數與鈦合金板彎曲角和彎曲圓角半徑之間的關系，模擬結果顯示激光彎曲成形工藝可以在難成形的鈦合金上達到高彎曲角與小圓角半徑，與實驗結果一致；大連理工大學的孫濤［15］通過試驗方式探索了激光工藝參數、板材參數對玻璃纖維增強鋁合金層板（GLARE）彎曲角的影響，確定了最佳工藝窗口；山東大學的管延錦［16］通過三維熱機耦合有限元仿真驗證了材料性能參數與板料彎曲角之間的相關性；A.N.Thomsen［17］采用二維激光測距儀實時測量激光彎曲成形中的動態(tài)響應過程，為驗證數值模擬結果提供了一種新的思路。

根據已有研究成果可知，使用點激光在滿足溫度梯度機制工藝條件下對不銹鋼板件做激光彎曲成形時，可以通過適當的增大激光能量密度來提高板件彎曲角，如增大激光功率、降低掃描速度等。但是當激光能量密度過高時，板件表面會出現(xiàn)燒蝕，彎曲角反而會減小甚至出現(xiàn)反向彎曲，所以點激光單次掃描板件彎曲角存在上限，最大彎曲角在3°左右。想要實現(xiàn)板件大角度的彎曲需要激光多次掃描累積成形［13］。另外，利用數值模擬探索激光彎曲動態(tài)響應機理時，為了驗證模擬結果通常采取的方式是比較最終形狀，但是對動態(tài)響應過程的模擬準確度難以保證［17］。

因此，為了提高點激光單次掃描板件彎曲角的上限，進而提高板件彎曲成形效率，本文以不銹鋼304板為試驗對象，探索了將圓振蕩模式應用到點激光彎曲成形中以提高彎曲角方法的可行性。同時，為了準確反映不銹鋼304板的彎曲成形機理，采用視覺傳感器在線在位測量板件成形過程中的復雜動態(tài)響應。本文主要分為四個部分：首先比較有/無振蕩模式下點激光彎曲成形的差異；其次揭示在已知工藝條件下不銹鋼304板做圓振蕩激光束彎曲成形的變形機理；然后從板件輪廓、彎曲角變化、彎曲角分布三個方面表征不銹鋼板在激光彎曲成形過程中的復雜動態(tài)響應，進一步探索成形機理；最后從余熱效應、吸收率、部分增厚、幾何效應和微觀組織五個角度深入剖析不銹鋼板多次掃描成形時彎曲角分布規(guī)律的原因。

2 試驗方法與材料

2.1 試驗方案

試驗裝置如圖1所示，激光器采用G·WEIKE的LW-1500H型激光器，最大功率為1 500 W，激光波長為1 064 nm，該激光器具有兩種激光模式，分別為連續(xù)模式和PWM波脈沖模式，本文采用脈沖模式，PWM波最大頻率為20 000 Hz。焊接頭由焦距50 mm的準直模塊、反射模塊、振鏡掃描模塊和焦距125 mm的F-θ聚焦模塊組成，裝配在龍門架機器人上由機器人驅動。板件一端被夾緊固定在工作臺上。試驗開始后，機器人帶動焊接頭在工件上方作直線運動，激光從激光器發(fā)射，經準直、反射、振蕩、聚焦，最終在工件表面形成高能量密度的圓振蕩光束以完成激光彎曲成形。在激光彎曲成形過程中，采用視覺傳感器實時記錄板件的動態(tài)響應過程。

圖1 圓振蕩激光束彎曲成形試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of a circularly oscillating laser beam bending forming test device

視覺傳感器采用的是單目線激光三維視覺測頭，能夠實時捕獲線激光照射截面內的表面輪廓abc與彎曲角α，如圖2所示。

圖2 視覺測量示意圖Fig.2 Schematic diagram of visual measurement

試驗前，用無水乙醇對板件表面進行清洗，去除表面的油污；成形后，按照金相試樣制備步驟依次對板件進行切割、鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕，最后用SEM掃描電鏡觀察彎曲截面金相組織。由于AISI 304不銹鋼耐腐蝕性好，腐蝕試劑選用王水溶液，濃鹽酸與濃硝酸體積比為3∶1，腐蝕25 s。

2.2 材料與激光工藝參數

試驗材料選用0.5 mm厚的AISI 304不銹鋼，所有樣件尺寸均為60 mm×40 mm，其中用于裝夾部分的長度為10 mm，掃描路徑距自由端20 mm，如圖3所示。

圖3 板件幾何尺寸Fig.3 Plate geometry size

激光彎曲成形試驗采用的工藝參數如表1所示。

表1 激光器技術參數Tab.1 Technical parameters of the Laser

3 兩種振蕩模式的對比試驗

圖4是在兩種不同工藝參數下，使用無振蕩模式（即點激光）與圓振蕩模式的彎曲實物圖與振蕩示意圖。如圖4（a）所示，當功率較高、掃描速度較慢時，圓振蕩激光彎曲板件的彎曲角明顯大于無振蕩的，此時利用圓振蕩模式來提高點激光彎曲成形效率的方法是切實可行的；但是當功率較低、掃描速度較快時，即如圖4（b）所示，圓振蕩激光彎曲板件的彎曲角卻明顯小于無振蕩的，此時用圓振蕩模式反而會導致彎曲角降低。圓振蕩模式在兩種工藝參數下對彎曲角的影響截然相反，可以從兩方面進行解釋：

圖4 兩種振蕩模式下的實物圖與振蕩示意圖Fig.4 Physical drawing and Schematic diagrams of the two oscillation modes

首先，從溫度場分布的角度來分析。當激光功率較高、掃描速度較慢時，激光掃描瞬間兩種振蕩模式下的溫度分布分別如圖5（a）和5（b）所示，無振蕩激光束由于在垂直方向熱量傳遞過快導致板件上下表面溫升都很明顯，此時在厚度方向上的溫度梯度較小、不利于板件彎曲；而圓振蕩模式下（如圖4圓振蕩示意圖）點激光照射區(qū)域更大、相鄰振蕩圓之間重疊率很高導致點激光在板件上表面引起的溫度梯度相互疊加、相互影響，此時光斑熱量沿垂直方向傳遞速度減慢、沿水平方向傳遞速度加快，進而使得板件在厚度方向上的溫度梯度增大且橫向熱影響區(qū)域更廣、更有利于板件彎曲，所以此時使用圓振蕩模式能夠增大板件彎曲角。當激光功率較低、掃描速度較快時，如圖5（c）和5（d）所示，在無振蕩激光束的作用下上表面溫度明顯升高，在厚度方向形成明顯的溫度梯度；而圓振蕩激光束由于橫向照射區(qū)域較大、能量被分散，板件上表面溫度升高不明顯，即在厚度方向上溫度梯度不明顯，所以此時使用圓振蕩激光束反而會降低板件彎曲角。

圖5 兩種振蕩模式下板料表面溫度場分布示意圖Fig.5 Temperature field distribution diagram of sheet surface under two oscillation modes

其次，從能量損耗的角度來分析。當激光功率較高、掃描速度較慢時，如圖6（a）所示，無振蕩激光束作用的區(qū)域較小，輸出的能量密度太高、表面溫升太大，導致板件表面出現(xiàn)了燒蝕，損耗了一部分能量；而圓振蕩模式下，如圖6（b）所示，點激光照射的區(qū)域更廣，輸出的能量密度相對減小，進而減少了由于表面燒蝕而導致的能量損失，點激光的能量更多用于彎曲成形，所以此時使用圓振蕩激光束能夠增大板件彎曲角。當激光功率較低、掃描速度較快時，如圖6（c）與6（d）所示，此時無振蕩與圓振蕩激光束彎曲成形都不存在明顯燒蝕現(xiàn)象，能量損耗可以忽略；但是相比之下，無振蕩激光束的能量密度更高，更有利于彎曲成形，此時使用圓振蕩激光束也會降低板件彎曲角。

圖6 兩種振蕩模式下掃描表面形貌Fig.6 Scanning surface morphology of the two oscillation modes

由此可見，圓振蕩模式能夠使點激光在激光能量密度較高的工況下擴大熱影響區(qū)域、增大溫度梯度、減少表面燒蝕，此時使用圓振蕩激光束可以有效提高板件的彎曲角，經測量角度增長率在60%左右；反之不行，甚至會抑制彎曲角增長。

4 結果與討論

4.1 整體形貌與動態(tài)響應

圖7為板件在激光功率為180 W、掃描速度為9 mm/s、掃描次數為10、時間間隔為5 s時不銹鋼板件的成形效果。從圖中可以看出，圓振蕩激光彎曲效果較好，上表面雖然存在少量熔化，但表面光滑且沒有明顯缺陷。圖8為該板件彎曲角在激光彎曲成形過程中的變化過程。從圖中可以看出，板件實際的彎曲角增長時間相對較短，其余時間處于穩(wěn)定狀態(tài)，且每次彎曲角增長幅度較為穩(wěn)定。綜合以上兩點，圓振蕩激光束適合不銹鋼板件多次彎曲漸進成形的場合。

圖7 成形件實物圖Fig.7 Physical drawing of the formed part

圖8 板件彎曲角隨時間的變化過程Fig.8 Change process of plate bending angle with time

為了深入探索板件的彎曲成形機理，還需要對板件的動態(tài)響應過程做進一步的分析。

4.2 反彎曲

圖9表示的是當激光功率為120 W、掃描速度為9 mm/s、掃描次數為1時不銹鋼304板件彎曲角度隨掃描時間的變化過程。其中，X1表示圓振蕩激光開始駛入工件上表面的時刻，即激光彎曲成形開始的時刻；X2表示激光剛好移動到視覺傳感器測量位置處的時刻；X3表示板件最終駛出板件上表面的時刻，即激光彎曲成形結束的時刻。從圖中不難看出，在圓振蕩激光束開始掃描上表面的大約前0.5 s時間里，板件彎曲角出現(xiàn)了負角度增長，即板件背向激光出現(xiàn)了反彎曲現(xiàn)象；而0.5 s后負角度逐漸減小、角度開始正向增大，即板件開始正向彎曲。

圖9 單次掃描板件彎曲角隨時間的變化過程Fig.9 Change process of single scanning plate bending angle with time

反彎曲現(xiàn)象通常與溫度梯度機理（TGM）相關。如圖10所示，加熱階段板件在激光照射的瞬間，上表面吸收激光能量瞬間升至高溫；而下表面由于沒有受到激光直射，溫度短時間內沒有明顯提升，此時上下表面之間形成溫度梯度。上表面由于溫度高、屈服強度降低，受熱發(fā)生膨脹且膨脹量遠大于下表面，使得板件產生朝著背向激光方向的彎曲，即反彎曲。此外，由于下表面屈服強度依舊很高，反向彎曲受阻，導致上表面加熱區(qū)材料堆積。冷卻階段，上表面溫度下降，而下表面開始升溫膨脹，板件產生正向彎曲，此時由于上表面屈服強度恢復使得材料堆積無法復原。

圖10 溫度梯度機理原理圖Fig.10 Schematic diagram of temperature gradient mechanism

由于三種主流的機理中只有溫度梯度機理存在反彎曲現(xiàn)象，所以該圓振蕩激光彎曲成形機理應屬于溫度梯度機理范疇。

4.3 輪廓變化

為了更直觀地理解不銹鋼304板件在圓振蕩激光束彎曲成形過程中的動態(tài)響應過程，本節(jié)主要研究板件在測量截面內上表面輪廓的彎曲過程。圖11表示的是在激光功率為180 W、掃描速度為9 mm/s、掃描次數為1的情況下，不銹鋼304板沿長度（y軸）方向輪廓的彎曲過程。已知圓振蕩激光束在大約0.3 s時刻進入板件的后緣開始成形，在4.7 s時刻后從板件前緣駛出停止成形，視覺測量位置在X=10 mm處。

圖11 板件沿y軸線輪廓彎曲過程Fig.11 Bending process of plate profile along y-axis

由圖11（a）可知，當激光作用板件上表面時，在溫度梯度機理的作用下板件自由端圍繞激光掃描路徑持續(xù)產生塑性變形。不僅如此，夾持端（掃描路徑左側）一側的板件隨掃描時間變化同樣產生了彈性變形，且在2 s與3 s之間形變量達到最大，在5 s時刻恢復原狀。推測夾持端一側板件彈性形變與激光掃描的長度有關，于是設計了如下實驗。

如圖12所示，在相同的工藝參數下，用圓振蕩激光束沿掃描路徑分別掃過板件寬度方向10 mm、20 mm、30 mm和40 mm的長度，并用視覺傳感器測量裝置測量板件表面的形變情況，測量結果如圖13和圖14所示。

圖12 不銹鋼板件試樣Fig.12 Stainless steel plate specimen

圖13 板件表面輪廓三維點云Fig.13 Three-dimensional point cloud of plate surface profile

圖14 板件沿掃描路徑（y=30 mm）處的截面輪廓Fig.14 Cross-section profile of the plate along the scanning path（y=30 mm）

結合圖13板件表面輪廓與圖14在板件掃描路徑處的截面可以看出，掃描長度不同時，夾持端一側板件變形程度是不同的。當圓振蕩激光束沿掃描路徑掃過前20 mm的長度時，在激光熱源的作用下板件在寬度方向翹曲明顯，且掃描距離越長，翹曲越明顯；但是當環(huán)形激光沿掃描路徑掃過20 mm長度后，板件在寬度方向上的翹曲程度逐漸減小。觀察圖14中X1（x=10 mm）位置可以看到，隨著掃描長度的增大截面先向下彎曲后回彈，與圖11（a）現(xiàn)象相符。由此可見，夾持端一側的板件發(fā)生彈性形變與激光掃描長度是相關的。此外，文獻［17］中還指出激光掃描線上的彈性形變與熱影響也有關系。

激光彎曲成形過程中，板件寬度方向不僅發(fā)生彈性形變，同時也存在塑性形變。圖15表示的是在激光功率為180 W、掃描速度為9 mm/s、掃描次數為10、掃描時間間隔為5 s的情況下，板件沿掃描路徑（y=30 mm）截面輪廓隨掃描次數的變化情況。由圖可知，不同掃描次數下板件沿掃描路徑方向的輪廓線是彎曲的，且呈現(xiàn)出兩端低中間高的“倒碗型”。石永軍［18］在文章中指出，這種彎曲邊輪廓彎曲的現(xiàn)象為邊緣效應，與激光照射板件時的熱擴散差異、板件幾何約束差異和板件上下表面之間塑性應變差異有關。

圖15 板件掃描路徑處（y=30 mm）截面輪廓隨掃描次數的變化Fig.15 Change of the cross-section profile of the plate along the scanning path（y=30 mm） with the number of scans

由此可見，圓振蕩激光束沿直線掃描不銹鋼304板件的彎曲形變過程不是簡單的二維彎曲，而是復雜的、立體的：長度方向上，板件不僅自由端圍繞x軸方向發(fā)生塑性彎曲，而且固定端附近板件同樣發(fā)生著彈性變形，成形結束后彈性變形恢復成初始狀態(tài)；寬度方向上，板件存在邊緣效應，呈現(xiàn)出兩端低中間高的塑性變形，長寬形變比約為10∶1。

4.4 彎曲角變化

板件彎曲是激光彎曲成形的最終目的，因此板件彎曲角的變化規(guī)律是研究板件動態(tài)響應過程中的關鍵特征。板件在整個激光彎曲過程中的彎曲角變化情況在4.1節(jié)中已經提到了，如圖8所示。為了更好地分析板件彎曲角隨時間的變化特征，本節(jié)對每一次掃描角度變化過程進行分析。

圖16是從圖8中截取出第一、三、五和七次掃描時板件在測量位置處彎曲角的變化過程。X1和X3分別表示環(huán)形激光駛入和駛出板件上表面的時刻，X2表示環(huán)形激光剛好移動到視覺測量線上的時刻。從圖16可以看出，在圓振蕩激光束駛入視覺測量位置前，測量位置處板件彎曲角呈現(xiàn)指數曲線增長，即曲線導數逐漸增大；當圓振蕩激光束駛出測量位置后，測量位置處板件彎曲角呈功率曲線增長，即曲線導數逐漸減小。

圖16 激光第一、三、五和七次掃描板件彎曲角變化過程Fig.16 Evolution of the bending angle of the plate during the first，third， fifth， and seventh laser scans

為了更直觀地體現(xiàn)上述規(guī)律，對以上曲線進行求導，導數曲線如圖17所示。由于視覺測量傳感器測量精度問題導致板件彎曲角導數波動較大，但整體趨勢與上述基本一致：在圓振蕩激光束掃過測量位置前，板件彎曲角隨時間變化的導數逐漸增大且在測量位置達到峰值；在圓振蕩激光束掃過測量位置后，導數逐漸減小。

圖17 激光第一、三、五和七次掃描板件彎曲角導數變化過程Fig.17 Derivative change of the bending angle of the plate during the first， third， fifth， and seventh laser scans

為了驗證上述規(guī)律的普遍性，改變視覺測量傳感器的測量位置，觀察板件彎曲角變化規(guī)律是否依舊存在。由圖18可以看到，當視覺測量傳感器分別處于y=20 mm和30 mm位置時，所測得的板件彎曲角先遵循指數曲線變化，然后在X2時刻切換到功率曲線，即彎曲角導數先增大后減小。A. N. Thomsen等［17］在點激光彎曲試驗中也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，并在文中指出X1-X2之間的彎曲角變化是由其余部分變形引起的，而X2-X3之間的彎曲角變化主要是由激光直接加熱引起的。

圖18 不同測量位置處板件彎曲角及其導數變化Fig.18 Bending angle and its derivative changes of the plate at different measurement positions

4.5 彎曲角分布

Georgi Nikolaev Nikolov等［19］在文章指出，點激光的TGM成形機理中單次彎曲角度可達3°左右，想要使用TGM實現(xiàn)大于3°的彎曲，則需要點激光多次掃描漸進成形。圓振蕩激光束彎曲成形也是如此，想要實現(xiàn)大角度彎曲同樣需要多次掃描來實現(xiàn)，而板件彎曲角在每次掃描時的分布情況對保證漸進成形穩(wěn)定性與精度具有十分重要的意義。因此，本節(jié)主要研究板件彎曲角的分布情況。

圖19表示的是在不同激光功率下板件彎曲角的分布情況。由圖可知，當激光功率增大時，單次激光彎曲成形的角度會增大。這是因為激光功率的增大提高了圓振蕩激光束單位面積的能量密度，進而提高了激光照射板件上表面時上下表面之間的溫度梯度，所以板件的彎曲角會增大。但是在同一激光功率下，彎曲角分布規(guī)律基本一致：板件在第二道掃描時，單次掃描彎曲角會大幅增大，然后在后續(xù)掃描時會緩慢增大甚至達到平衡，最后單次掃描彎曲角逐漸衰減。前人的文獻中也報道了類似的現(xiàn)象：在多次掃描激光成形中，隨著掃描次數的增加，單次彎曲角度減小［20］。

圖19 不同激光功率下板件彎曲角分布Fig.19 Plate bending angle distribution under different laser power

由此可見，不銹鋼304板件在圓振蕩激光束漸進成形過程中彎曲角分布并不是始終穩(wěn)定的，而是：先急速增大；再趨于平穩(wěn)；最后緩慢衰減。彎曲角的不均勻分布極大地影響著激光漸進成形的穩(wěn)定性與精度，因此理解彎曲角分布規(guī)律的成因至關重要。本文主要從以下幾個方面解釋不銹鋼304板件在圓振蕩激光束多次彎曲成形時彎曲角分布的變化規(guī)律：（a）余熱效應；（b）吸收率；（c）部分增厚；（d）幾何效應；（e）應變硬化；（f）微觀組織。

4.5.1 余熱效應

余熱效應是指前道工序在工件內部產生的熱量對后續(xù)工序的影響。前道工序產生的熱量可能有兩種效果：一是降低材料與溫度相關的特性，使材料更容易彎曲變形；二是提高工件自身的基礎溫度，降低激光產生的熱梯度（滿足TGM條件時），從而使彎曲角減小。本文設計了一組對照試驗，來說明余熱效應是否影響了板件彎曲角的分布。

圖20表示的是不同時間間隔下圓振蕩激光束掃描十次板件彎曲角的分布情況。當時間間隔為5 s時，相鄰兩次掃描之間時間間隔較短，在下一掃描開始前板件溫度沒有冷卻到初始溫度，所以當前激光彎曲成形過程對下一次掃描存在余熱效應影響。而當間隔時間為120 s時，在下一次掃描開始前有充足的時間讓板件溫度恢復到初始狀態(tài)，激光彎曲成形過程不存在余熱效應。通過比較有/無余熱效應兩種情況下板件彎曲角的分布情況我們不難看出，在第4到第6次掃描時余熱效應對板件彎曲產生了明顯的抑制效果，與余熱效應效果的第二點是一致的；而在其他掃描過程時，余熱效應對板件的彎曲成形沒有明顯改變，即兩種效果達到了動態(tài)平衡。

圖20 不同間隔時間下板件彎曲角分布Fig.20 Distribution of bending angle of plate under different interval time

4.5.2 吸收率

激光彎曲成形的關鍵就是金屬表面吸收激光束能量轉換成板材內部的熱應力從而使板材發(fā)生彎曲，所以板件表面對激光束能量的吸收率對板材彎曲角的變化有很大影響。因此吸收率的變化也可能是導致每次掃描彎曲角變化的因素。本文使用的板件表面沒有覆蓋涂層，所以板件表面對激光束能量的吸收率很大程度上卻決于板件表面的粗糙度，表面越粗糙吸收率越高，反之越差。因此本節(jié)主要分析板件表面粗糙度對彎曲角分布的影響。

利用真彩色超景深三維顯微鏡捕捉圓振蕩激光束掃描路徑表面，如圖21所示。由圖可以看出，初始狀態(tài)下板件表面十分光滑，當環(huán)形激光掃描后板件表面因為淺層被融化而變得十分粗糙，但是經過多次掃描后板件表面粗糙程度又逐漸變小。為了定性的描述板件表面粗糙度變化，采用Rz值來表征表面粗糙度情況，如圖22所示。

圖21 不同掃描次數下上表面形貌Fig.21 Upper surface morphology under different scanning times

圖22 每次掃描前表面Rz值與彎曲角的變化關系Fig.22 Relationship between the Rz value before scanning and the distribution of bending angle

由圖22可以看出，單次掃描彎曲角的變化趨勢與每次掃描前表面粗糙度Rz的變化基本一致：激光彎曲成形前不銹鋼板件初始表面十分光滑，對激光能量的吸收率低，此時單次掃描時彎曲角比較?。患す鈷呙枰淮魏蟀寮砻嬗捎跍\層被融化表面Rz值激增，對激光能量吸收率也大幅增大，此時單次掃描時彎曲角增長較大；隨著掃描次數的增多表面Rz值逐漸減小，對激光能量的吸收率減弱，此時單次掃描時彎曲角又逐漸減小，因此單次掃描彎曲角變化規(guī)律與表面吸收率的變化有密切關系。S P Edwardson等［20］在文章中也提到過類似的結論。

4.5.3 部分增厚

許多文獻都報道了激光彎曲成形后掃描區(qū)域截面厚度增加的現(xiàn)象［21-24］。從圖23可以看出，右側彎曲部位為掃描區(qū)域，其厚度相對于左側明顯增大。這種增厚效應歸因于體積守恒，在激光彎曲成形過程中上表面在TGM的作用下受到壓應力而發(fā)生塑性壓縮變形，由于材料體積始終保持不變，此時部分受擠壓的材料被迫沿厚度方向移動導致厚度增大。當板件截面厚度增加時，板件將更難彎曲。所以，板件的部分增厚也可能是影響激光彎曲成形過程彎曲角分布的原因之一。為了驗證這一猜想，對激光彎曲成形過程中的板厚變化進行了測量，如圖24所示。

圖23 激光彎曲成形后板件截面Fig.23 Section of plate after laser bending forming

圖24 每次掃描前板件厚度與彎曲角的變化關系Fig.24 Relationship between the thickness of the plate and the bending angle before scanning

圖24表示的是前一次掃描后的板件厚度與當前掃描的彎曲角變化關系。從圖中可以看出，掃描次數與板件厚度成正比，隨著掃描次數的增加板件厚度也隨之增大。而且前三次掃描板厚增大并未對板件彎曲產生明顯的抑制效果；但是從第四次掃描開始板件厚度與單次掃描彎曲角成反比關系，板件厚度越大，單次掃描彎曲角越小，板厚增大對板件彎曲角起到了明顯的抑制作用。Vollertsen［25］在其導出的雙層模型中闡述了板件厚度s0的平方與每道彎曲角αb的反比關系：

其中：p1為激光功率，A為吸收系數，ν1為加工速度，Cp為比熱，ρ為密度。

由此可見，當掃描次數超過一定次數時，截面厚度增大確實會增大板件彎曲的難度，導致單次掃描彎曲角衰減。

4.5.4 幾何效應

激光束在板件上投影的幾何形狀也會影響板件彎曲角的分布。如圖25所示，隨著板件彎曲角α的增大，光束投影的幾何形狀發(fā)生了變化。圓振蕩激光束輻射到傾斜表面后變?yōu)闄E圓形，與垂直入射相比面積增大，那么單位面積內的能量密度也相應減小，彎曲角也會受到影響。

圖25 幾何效應示意圖Fig.25 Schematic diagram of geometric effects

已知光束小徑R1、大徑R1，激光輻射面積A隨彎曲角α的變化關系為：

根據等式關系可以繪制圖26。如圖所示，激光輻射面積與板件總彎曲角成正相關，總彎曲角越大，激光輻射面積也越大，而激光功率是不變的，所以激光輻射面積越大，能量密度反而越小，每次掃描彎曲角也就越小。尤其是在20°以上時，總彎曲角增大對激光輻射面積有著顯著提升，而此時單次掃描彎曲角也出現(xiàn)明顯衰減。由此可見，板件總彎曲角過大對每次掃描彎曲角有顯著的抑制作用。

圖26 激光輻射面積、單次掃描彎曲角隨當前總彎曲角的變化關系Fig.26 Relationship between scan area and bending angle per pass with existing bend angle

4.5.5 微觀組織

本節(jié)從微觀角度研究板件在激光彎曲成形過程中的組織變化以及組織變化對板件彎曲的影響。

圖27為不銹鋼板件在圓振蕩激光束下掃描一次后，掃描區(qū)域截面局部的微觀晶粒圖。從圖27（b）可以看出，板件局部在厚度方向上出現(xiàn)了明顯的邊界，可將金相組織分為兩個部分，其中A區(qū)域為熱影響區(qū)，B區(qū)域為母材區(qū)。這種分層現(xiàn)象是由板件在激光掃描過程中厚度方向溫度變化不均勻導致的。不銹鋼304材料屬于奧氏體不銹鋼，在高溫和室溫下具有穩(wěn)定的奧氏體組織，所以激光熱成形過程中板件不存在組織轉變，僅存在晶粒形態(tài)上的變化。結合圖27（c）與27（d）不難看出，在溫度梯度的影響下，A區(qū)晶粒相較于B區(qū)細化明顯，且呈現(xiàn)出柱狀晶結構。這是因為A區(qū)更靠近激光熱源和板件上表面，溫度較高、與空氣的接觸面較大，所以A區(qū)冷卻速度較快，形核率較高，與母材區(qū)晶粒相比晶粒細化明顯。晶粒細化會增大板件的抗彎強度。

圖27 掃描一次后的微觀晶粒圖Fig.27 Microscopic grain diagram after 1 scan

圖28~圖29分別為掃描五次、十次后掃描區(qū)域截面的微觀晶粒圖。通過對比圖27-28與29可以看出，隨著掃描次數的增加，熱影響區(qū)晶粒細化程度雖然沒有明顯變化，但是細化晶粒區(qū)域深度不斷增加。細化晶粒區(qū)域深度增大會導致板件抗彎強度也增大，因此板件的彎曲難度會隨掃描次數增大而增大。

圖28 掃描五次后的微觀晶粒圖Fig.28 Microscopic grain diagram after 5 scans

圖29 掃描十次后的微觀晶粒圖Fig.29 Microscopic grain diagram after 10 scans

為了進一步說明晶粒細化對板件彎曲的影響，對掃描十次后的板件截面顯微硬度進行測量，結果如圖30。

圖30 顯微硬度分布Fig.30 Distribution of microhardness

從圖中不難看出，表層的顯微硬度值明顯高出其他深度下的顯微硬度，這是由于激光處理區(qū)域的晶粒發(fā)生了細化現(xiàn)象。顯微硬度的變化規(guī)律也驗證了晶粒細化增大板件彎曲強度的結論。另外，靠近彎曲板件背面部分材料（即深度值較大處）顯微硬度與其他兩處相同深度下的材料顯微硬度值（Point1：310.25 hv/Point2：309.18 hv）基本一致，由此可見板材背面燒蝕痕跡對材料力學性能影響并不明顯。

5 結 論

本文對不銹鋼304板進行了大量的激光彎曲成形試驗，為提高激光彎曲成形效率提供了一種新思路：當點激光能量密度較高時，使用圓振蕩模式可以大幅增大單次掃描板件的彎曲角，增長率在60%左右，進而可以提高板件彎曲成形效率。此外，本文還通過視覺傳感器捕捉到了不銹鋼304板在圓振蕩激光束彎曲成形過程中復雜的動態(tài)響應并揭示其機理，試驗表明：（1）板件在長度與寬度方向上均產生了塑性變形，長寬形變比約為10∶1；（2）單次掃描成形板件彎曲角增長過程呈現(xiàn)不同的增長曲線；（3）多次掃描成形彎曲角分布不均衡，與余熱效應、吸收率、部分增厚、幾何效應與微觀組織密切相關。本文的研究成果為實際生產提供了豐富的理論指導［26-27］。