12年激光塑料焊接系統制造經(jīng)驗
中韓合資企業(yè)--盈云光電
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“大型整體構件在航空航天等領(lǐng)域應用廣泛，其結構形狀復雜，制造難度高，形狀精度保證困難。激光噴丸成形是解決大型整體構件柔性成形/校形的新方法，具有工藝可控性強、柔性高，能顯著(zhù)提高疲勞壽命等優(yōu)點(diǎn)。本文將介紹筆者所在團隊近些年來(lái)在大型整體構件激光噴丸成形方面的系統性研究工作，包括彎曲變形機理、成形工藝規律、成形工藝規劃方法以及工藝裝備等方面，并圍繞航空航天等領(lǐng)域應用需求開(kāi)展了一系列典型整體構件成形驗證。”
激光噴丸強化領(lǐng)域的主要研究進(jìn)展
近年來(lái)，激光噴丸技術(shù)在國內外的應用場(chǎng)景正處于持續拓展中。激光噴丸具有非接觸、無(wú)熱影響區、可控性強以及強化效果顯著(zhù)等突出優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)將殘余壓應力植入零件的關(guān)鍵部位，以沖擊波的形式穿過(guò)零件，能夠大幅提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力。激光噴丸利用塑性變形和殘余壓應力等作用，驅動(dòng)材料表面發(fā)生特定的強化效應。與普通噴丸手段相比，激光噴丸的殘余壓應力深度 >1mm，是普通噴丸的 5-10 倍；疲勞壽命提升 10 倍；應力腐蝕 300M 鋼提高 5 倍；柔性無(wú)模彎曲成形力提升 10 倍。
圖1.激光噴丸工藝示意圖
激光噴丸:工程應用
當前，激光噴丸技術(shù)已被廣泛用于關(guān)鍵構件強化與成形等高值零部件、關(guān)鍵工序領(lǐng)域，旨在改善材料的抗疲勞性能、提高損傷容限、增強抗應力腐蝕、抑制裂紋擴展和減少維護成本。比較具有代表性的應用場(chǎng)景包括航發(fā)/燃機行業(yè)的葉片、整體葉盤(pán)……航空領(lǐng)域的構件強化（F22/16/18/35)、壁板成形（B747）……，以及核電領(lǐng)域的堆芯焊接件應用等。
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圖2. 激光噴丸技術(shù)已被廣泛用于航空航天關(guān)鍵構件強化與成形等高值零部件、關(guān)鍵工序領(lǐng)域
大型整體構件激光噴丸成形
近兩年，筆者所在實(shí)驗室的重點(diǎn)工作將激光噴丸應用于薄壁構件的無(wú)模成形領(lǐng)域。航空航天等運載裝備以高性能、高可靠性需求驅動(dòng)下, 采用大型整體薄壁構件已成為主要發(fā)展方向。目前，大型整體薄壁構件的加工要求是能夠顯著(zhù)提高結構效率、保持先進(jìn)氣動(dòng)外形和提升結構氣密性。然而，大結構尺寸面臨成形難度大的問(wèn)題、低整體剛度則無(wú)法確保成形精度和效率、而多曲率外形又較難保證面形，從而亟需高效的加工手段助力。
圖3. 激光噴丸成形是實(shí)現大型復雜整體構件高性能精確成形有效途徑
鑒于此，激光噴丸成形是實(shí)現大型復雜整體構件高性能精確成形的有效途徑。激光噴丸作為新型的無(wú)模成形工藝，相較于滾彎成形、蠕變成形和機械噴丸成形等傳統手段，在材料廣泛性、形狀適應性、形狀精度和力學(xué)性能等方面都彰顯出更為顯著(zhù)的優(yōu)勢。
圖4. 激光噴丸成形與傳統成形手段相比，展現出不少顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)
首先，柔性無(wú)模成形能夠降低成形設備/模具需求；其次，形狀精確可控，從而可考慮初始變形且無(wú)回彈；第三，力學(xué)性能優(yōu)異，借助這種強化效應大幅提高材料和零件的抗疲勞性能；第四，綜合效率較高，由此降低了準備周期和人工校形。
◎ 薄壁結構彎曲變形機制
筆者團隊針對薄板的變形規律展開(kāi)了研究，以此掌握薄壁結構彎曲變形的規律和機制。通過(guò)研究可知，如果將激光作用于板件表面，基于激光參數的不同，在板材深度方向引發(fā)的塑性變形特征也呈現出差異。倘若塑性變形特征能夠貫穿于板材整個(gè)厚度方向，便會(huì )產(chǎn)生向上的彎曲力；如果塑性變形特征集中于板材表層，則產(chǎn)生向下的彎曲力。
圖5. 薄壁結構彎曲變形機制示意圖
因此，影響板材彎曲方向的因素包括激光功率密度（功率密度增加，便會(huì )發(fā)生連續性的方向轉變）；另外如果改變板厚，當處于薄型狀態(tài)時(shí)，會(huì )向上彎曲；隨著(zhù)板厚增加，則向下發(fā)生彎曲。
◎ 纖維金屬層板激光噴丸成形
基于這一變形規律，筆者曾與商飛集團共同探討纖維金屬層板采用激光噴丸成形技術(shù)的可能性。
圖6. 金屬纖維層壓板
纖維金屬層板的傳統成形手段是采用熱壓罐自成形工藝，需要制作模具再經(jīng)過(guò)固化、燒結等工藝。設計的一個(gè)想法是能否采用金屬塑性成形工藝，以避免熱壓罐自成形工藝中潛在的部分工藝風(fēng)險—譬如制備工藝不完善，可能會(huì )導致整塊板料報廢。因此，如果先制作層板，再通過(guò)成形工藝制作出相應的形狀，便能大幅降低構件的成產(chǎn)成本，提高加工效率。
圖7. 采用金屬塑性成形工藝能大幅降低板件的成產(chǎn)成本并提升效率
針對不同的玻璃纖維增強鋁金屬層板（GLARE），觀(guān)察它們在激光噴丸壓力載荷作用下的一些變形情況。由于不同GLARE板材的內部結構存在差異，但其中仍存在鋁合金金屬層，利用金屬層變形效應，可帶動(dòng)整塊層板發(fā)生有效的彎曲變形，然而不同的鋪層方式對層板的變形行為產(chǎn)生明顯的影響。
通過(guò)激光噴丸作用在層板上，可以產(chǎn)生較小的彎曲半徑（最小100mm）。曲率半徑主要取決于層板的厚度和鋪層方式，如果激光噴丸次數較多，通過(guò)進(jìn)一步的超聲掃描分析層板內部的層裂狀態(tài)，能觀(guān)察到顯著(zhù)的層裂情況，極限變形量對激光噴丸工藝效果具有重要影響，因而是工藝中需要控制的重要變量。在這一領(lǐng)域，團隊所做的部分工作為今后激光噴丸在纖維金屬層板方面的應用打下了扎實(shí)的基礎。
◎ 形變效應增強方法
2012年，團隊與中國商飛合作，圍繞大厚度鋁板的變形效應進(jìn)行驗證，其中借鑒了機械噴丸工藝中的彈性預彎，在預彎基礎上再進(jìn)行激光噴丸。由于在其上表面已形成了拉伸彎曲的應變效應，因此繼續施加激光噴丸載荷，可以增加彎曲變形量。
從實(shí)驗可知，施加預彎效果后，曲率半徑會(huì )隨著(zhù)預彎變形量的增大呈線(xiàn)性增長(cháng)趨勢，無(wú)論是數據仿真模型亦或實(shí)驗結果，均驗證了這一結論。然而，必須確保彈性預彎不會(huì )影響塑性變形，因為塑性變形會(huì )影響上下表面產(chǎn)生的殘余應力。在很多領(lǐng)域，不僅對彎曲變形提出需求，并且要求上下表面具有有效的殘余應力，由此提高壁板的抗疲勞等性能。鑒于此，精準控制彈性預彎量尤為重要。
據此，團隊推導出一個(gè)公式，可控制在彈性預彎范圍內。通過(guò)進(jìn)一步驗證18-20mm的鋁合金厚板的彎曲變形，從實(shí)驗結果得知，在無(wú)預應力的情況下，激光噴丸產(chǎn)生的彈性預彎量是機械噴丸成形的2倍；如果加上彈性預彎量，則是機械噴丸成形的10倍，激光噴丸成形能力顯著(zhù)提高。隨后，團隊還嘗試采用連續激光熱輔助工藝提高激光噴丸成形彎曲變形能力的方法，大幅提高了鈦合金板的彎曲變形量。
圖8. 采用金屬塑性成形工藝能大幅降低板件的成產(chǎn)成本，并且提升鈦合金板的彎曲變形量
◎ 大量脈沖累積無(wú)模柔性彎曲
基于人工經(jīng)驗難以支撐復雜型面成形形狀控制，因此在整體構件中，如何將形狀與工藝參數進(jìn)行高度匹配設計是關(guān)鍵，即根據所需的形狀確定激光要覆蓋的范圍。在實(shí)際工程中，反問(wèn)題往往比正問(wèn)題更為重要。
圖9. 很多情況下，想要真正取得創(chuàng )新和突破，往往需要采用逆向思考法
◎ 固有應變高效建模方法
將焊接工藝中的固有應變高效建模方法引入激光噴丸中，通過(guò)固有應變中間變量等效，解決了大型復雜構件沖擊效應計算效率的瓶頸，支撐工藝數據庫與工藝設計。
由于固有應變工藝方法的應用愈發(fā)廣泛，近些年，在一些數值仿真軟件中，也應運而生了相應的模塊。然而，要對復雜構件強化性能進(jìn)行有效預測，關(guān)鍵是建立固有應變的工藝數據庫和工具軟件。
圖10是一塊大型帶筋壁板激光噴丸成形的模型實(shí)例。板材采用的是薄壁高筋結構，尺寸為2.0×0.8 m2；脈沖數量為77376個(gè)。如果采用直接動(dòng)態(tài)仿真方法計算量巨大，單脈沖計算時(shí)長(cháng)>10分鐘，總計> 537天；然而，采用固有應變工藝模型僅需11分鐘。
圖10. 大型帶筋壁板激光噴丸成形的模型實(shí)例
◎ 復雜型面成形工藝規劃
團隊在激光噴丸成形工藝機理與規律研究基礎上，建立了基于固有應變理論的高效計算的求解方法，以實(shí)現復雜曲面激光噴丸成形工藝規劃。前期工作中已將固有應變方法應用到整體壁板條帶激光噴丸成形工藝優(yōu)化中，通過(guò)采用遺傳優(yōu)化算法，解決了條帶尺寸與分布的優(yōu)化問(wèn)題。
后續，針對復雜型面成形工藝規劃，在固有應變基礎上又提出了固有矩的概念—反應固有應變在深度方向的質(zhì)量。通過(guò)公式推導得出，固有矩與板材的變形撓度形成一一對應關(guān)系。隨后建立了分布的工藝規劃方法，無(wú)論是單參數或雙參數工藝規劃，圍繞雙曲面都能獲得有效的固有矩的分布量：圖 11 中紅色部分表示在正面做激光噴丸，藍色代表在反面做激光噴丸。
圖11. 固有矩反應了固有應變在深度方向的質(zhì)量 為驗證這一結果做了相關(guān)實(shí)驗，在優(yōu)化參量的指導下，能夠做出雙曲面、圓柱面甚至波形面等各種所需形狀。目前團隊也正在進(jìn)一步優(yōu)化復雜型面成形工藝規劃，旨在能設計制作出任意形狀。 ◎ 大幅面動(dòng)態(tài)掃描光學(xué)系統 要實(shí)現大型整體構件的激光噴丸成形，除了解決工藝算法問(wèn)題，還亟需解決裝置問(wèn)題。倘若制作一個(gè)大零件，采用現有的激光噴丸方法，譬如使用機器人是很難實(shí)現的。因為針對每個(gè)脈沖，機器人都需要在工件上移動(dòng)一個(gè)位置。試想一下，一塊 10m 左右的機翼壁板，采用機器人加工是無(wú)法實(shí)現的。 現有振鏡、場(chǎng)鏡掃描范圍僅為100-200mm2，要將范圍覆蓋至1m2以上，就需要調整光路。對此，團隊于2015年提出一種用于大型工件激光噴丸成形的光路裝置及方法，解決了光斑形狀矯正與脈沖掃描過(guò)程控制問(wèn)題。該大幅面動(dòng)態(tài)掃描光學(xué)系統的光斑有效覆蓋范圍大于1.0x1.0m2，光斑直徑4.0mm。系統通過(guò)帶有動(dòng)態(tài)聚焦及光斑矯形模塊的兩軸振鏡進(jìn)行光學(xué)掃描，實(shí)現大型工件移動(dòng)光路激光噴丸，具有對加工工件適應性強、設備布置靈活度高的優(yōu)點(diǎn)。 圖12. 用于大型工件激光噴丸成形的大幅面動(dòng)態(tài)掃描光學(xué)系統 ◎ 大幅面動(dòng)態(tài)掃描路徑規劃 根據搭建的這套裝備樣機和優(yōu)化的路徑，打造出高鐵機車(chē)車(chē)頭上的復雜型面。經(jīng)過(guò)規劃區域獲?。ㄗR別噴丸區域邊界）—規劃區域點(diǎn)集生成（ 噴丸邊界內部點(diǎn)集保留）—點(diǎn)集分割（按加工條件分割）—路徑生成（生成噴丸掃描路徑）的路徑，便能制作出相應的動(dòng)車(chē)板件（1.0x0.5m2，2019年制成）；后續通過(guò)夾具改進(jìn)，又制作了一塊動(dòng)車(chē)窗口部位的板材（2.4x0.95m2）。這些板材均能達到裝機要求。 激光噴丸除了在機翼、壁板等成形領(lǐng)域的應用外，在航空航天構件的加工變形、校形方面也有極為廣闊的應用前景。 鈦合金薄壁結構表面強化 激光沖擊強化作為一種新型表面強化技術(shù)，能夠在材料表層產(chǎn)生殘余壓應力，提高結構件的疲勞強度、表面硬度、延長(cháng)其疲勞壽命，在鈦合金結構件中應用前景廣闊。針對鈦合金薄壁結構的表面強化，關(guān)鍵是薄壁結構殘余應力與變形協(xié)調的控制。 譬如，對航發(fā)風(fēng)扇葉片的包邊做強化處理后，能夠提供抗異物撞擊性能。然而，包邊強化的核心難點(diǎn)是控制變形的問(wèn)題。對此，筆者團隊針對薄壁結構殘余應力與變形協(xié)調控制方面做了相關(guān)工作：對0.5mm鈦合金風(fēng)扇葉片包邊，通過(guò)激光噴丸改變部分光斑尺寸和參數，以獲得最小范圍符合要求的變形量，并且在工件表面能夠獲得有效的殘余壓應力。對工藝進(jìn)行探索后，團隊總結了兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：光斑直徑要盡可能??；薄壁兩側參數匹配的要求非常高。 此外，通過(guò)葉緣模擬件三點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗發(fā)現，激光噴丸在低周區域內，它對薄壁結構并未體現出很好的強化特性；但在高周區域內，強化特性有明顯提高（有50MPa疲勞強度的提高）。 裂紋損傷構件激光噴丸強化 事實(shí)上，激光噴丸強化在航空結構件的維護方面也展現出應用前景。譬如，針對已經(jīng)產(chǎn)生的部分微小裂紋，激光噴丸能否有用武之地？ 筆者團隊在經(jīng)過(guò)摸索后開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗。首先在零件試樣上預制部分裂紋，隨后在工件兩側施加激光噴丸作用力。由于引入了塑性變形力，這些裂紋會(huì )重新擠壓在一起，且會(huì )在周邊形成一定的壓應力，結合擠壓效應，通過(guò)研究裂紋擴展行為可以看出，其裂紋擴展壽命有一段處于非擴展階段，而非擴展階段后續的萌生階段對于提升材料的抗疲勞性能產(chǎn)生了較為顯著(zhù)的效果，可達到9倍的性能提升。 圖14. 裂紋擴展行為
圖13. 針對航發(fā)薄壁結構的殘余應力等性能開(kāi)展了葉緣模擬件三點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗
激光噴丸強化裝備
近幾年以來(lái)，筆者所在團隊也參與了一系列相關(guān)的國家科研攻關(guān)項目，例如工信部04專(zhuān)項"高檔數控機床與基礎制造裝備”。同時(shí)，團隊和商發(fā)集團合作開(kāi)發(fā)出一套激光噴丸強化裝備，搭載的軟件能夠實(shí)現整個(gè)噴丸過(guò)程的全自動(dòng)化，裝備其他核心功能特點(diǎn)包括：連續點(diǎn)位控制、能量實(shí)時(shí)記錄、點(diǎn)位自動(dòng)記錄、集成自動(dòng)標定、自動(dòng)上下工件和自循環(huán)水模塊等。
此外，這套激光噴丸強化裝備還實(shí)現了一些關(guān)鍵的創(chuàng )新突破。例如，實(shí)現了激光器-機器人同步控制技術(shù)，主要是機器人與激光脈沖之間的同步控制，最終獲得閉環(huán)加工效果。這一技術(shù)突破也是幾代產(chǎn)品經(jīng)歷了發(fā)展、迭代和升級的驗證。
首先，1代產(chǎn)品的激光器是固定頻率出光；機器人為連續速度控制?？傮w上，信息沒(méi)有交互，且點(diǎn)位不準確、不規則。一旦對激光路徑提出嚴格要求，其強化效果勢必會(huì )受到影響。
其次，2代產(chǎn)品的激光器為外部觸發(fā)出光，機器人為間斷點(diǎn)位控制。產(chǎn)品在圍繞信息交互方面做了一些改善，但機器人頻繁啟停，強化效率較低（≤2Hz）。
最后，3代產(chǎn)品針對前2代產(chǎn)品的瑕疵缺陷做了綜合改進(jìn)。激光器為外部觸發(fā)出光，機器人為速度/位置控制。實(shí)現了4ms周期交互，配置專(zhuān)門(mén)研發(fā)的CPs控制器（在每一個(gè)閉環(huán)內同時(shí)對狀態(tài)信息進(jìn)行采集，形成信息物理系統的智能裝備概念）， 理論上的強化效率>50Hz。
激光智能制造實(shí)驗室簡(jiǎn)介
近年來(lái)，筆者所在的激光智能制造實(shí)驗室在激光噴丸/強化/成形、激光熱力效應精確調控、激光驅動(dòng)微滴增材制造、激光制造裝備研發(fā)，以及激光驅動(dòng)微球沖擊測試技術(shù)等一系列工藝技術(shù)領(lǐng)域展開(kāi)了深入的科研攻關(guān)、應用開(kāi)拓以及產(chǎn)業(yè)化落地等工作。
目前，該激光智能制造實(shí)驗室配置了包括高能短脈沖激光器、固定光路激光噴丸系統、大幅面掃描光路激光噴丸、激光驅動(dòng)微滴增材、皮秒激光加工系統、飛秒激光加工系統等在內的先進(jìn)裝備。
小結
誠然，激光噴丸成形為解決飛機大型整體壁板制造提供了一條有效的技術(shù)途徑，而激光噴丸強化技術(shù)未來(lái)在中國許多重點(diǎn)行業(yè)都擁有廣袤的發(fā)展空間和應用前。綜上所述，需要重點(diǎn)從以下三方面繼續加強攻關(guān)。第一，大型整體薄壁構件高性能柔性精確成形。主要舉措是建立工藝規劃算法，提升掃描裝備性能，支撐典型應用。第二，關(guān)鍵結構件維修激光噴丸強化。核心是建立工藝數據庫，研發(fā)工藝設計軟件，提高可靠性，支撐生產(chǎn)應用。第三，從多維度開(kāi)發(fā)智能激光噴丸工藝與裝備技術(shù)，服務(wù)制造強國。重點(diǎn)是持續提高裝備性能與可靠性，支撐關(guān)鍵零部件高效可靠制造。
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