[发明专利]一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法

说明书

本发明属于纤维金属层板激光弯曲成形技术领域，涉及一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法。本发明采用一种上下层交替扫描激光弯曲成形的方法，针对激光多道扫描弯曲成形中弯折区弹性恢复变形进行校形。基于温度梯度机理的上层金属激光弯曲成形与下层金属预弯曲激光弯曲成形交替进行直至达到目标弯曲角度。使下金属层同上金属层一样发生塑性变形，抑制已成形的弯折区受后续扫描干扰产生的弹性恢复。提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度，降低板材内部残余应力，满足金属层板单曲面技术要求。

技术领域

本发明属于纤维金属层板激光弯曲成形领域，涉及一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法，本发明可应用于所需角度精度高的飞机机身、机翼等单曲面蒙皮激光加热弯曲成形领域中。

背景技术

相较于传统热压罐成形方法，激光弯曲成形可通过控制激光束的扫描路径可使板材产生复合弯曲变形，在加工速度，加工柔性以及成本方面优于热压罐成形方法。但是在纤维金属层板的单曲面激光弯曲成形中，当两条激光扫描路径间距较小时(15mm)，会产生弯折区弹性恢复变形，即后续扫描对先前扫描弯折区产生影响，使其弯曲变形减小。这种现象将导致在纤维金属层板复杂曲面激光弯曲成形精度难以控制。此外弯曲成形后板材内部过大残余应力也是导致成形后板材使用风险的重要因素。目前研究认为，产生弯折区弹性恢复变形，以及板材内部较大残余应力的主要原因是夹层复合材料以及下层金属的非塑性变形。

文献1“Gisario A,Barletta M.Laser forming of glass laminate aluminiumreinforced epoxy:On the role of mechanical,physical and chemical interactionsin the multi-layers material[J].Optics and Lasers in Engineering,2018,110(NOV.):364-376.”通过实验发现，可通过多道并排激光扫描的方式弯曲纤维金属层板，但对GLARE层板进行并排等距多道扫描时，由于后续扫描对前道弯折区产生影响，相当于回火处理，产生热松弛现象，导致板材整体弯曲角度变小，整体曲率半径增大。但未能给出解决办法。

文献2“Xu L,Li W,Wan M,et al.Laser bending process of preloaded sheetmetal[J].Matec Web of Conferences,2015,21.”提出通过夹具使金属板材产生弹性预弯曲，然后用激光束扫描板材的弹性应变能集中区域的方式来提高成形精度高、避免塑性不稳定性。但是该方法需要先采用夹具对板材进行预弯曲，采用此方法对纤维金属层板成形，容易在预弯曲阶段导致其发生分层失效。

发明内容

针对由于纤维金属层板材料与结构特点导致激光弯曲成形后下层金属非塑性变形，进而影响复杂曲面成形精度及板材使用风险的问题，本发明提供一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种提高纤维金属层板单曲面激光弯曲成形精度的方法，具体步骤如下：

步骤一：基于温度梯度机理的上层金属激光弯曲成形：将纤维金属层板1的一端用夹具2夹持，置于激光加工机的工作台上。根据温度梯度机理仅作用于纤维金属层板1的上金属层4设置激光参数，激光功率P₁为20W-35W，光斑直径D₁为2.5mm-3mm，激光频率为40-50Hz，脉冲宽度为2-5ms，辅助气体为惰性气体且气体压力为0.1MPa～0.5Mpa，在加工过程中，光斑直径、气体压力、脉冲宽度、激光频率不变，扫描速度V₁为800-1200mm/min，扫描次数N₁为1次，面能量密度为0.5-1J/mm²。为避免板材分层失效，扫描线距板材边缘距离L₁≥15mm。沿设定好的扫描线S₁，在上金属层4表面上移动进行激光扫描加工。