激光热成形的非期望变形机理与精度控制方法研究

激光热成形技术作为一种无模、柔性新型金属板材成形方法，在航空航天和微电子等领域具有重要的应用前景。激光热成形过程中，板材的非期望变形伴随期望变形产生，直接影响了板材的成形精度。因而，急需解决这两种现象并存的矛盾，探索出高精度激光热成形工艺，在获得期望变形的同时，将非期望变形限制在可接受范围。本课题通过理论分析、数值仿真和试验等研究方法，分析非均匀温度场和约束下板材力学行为，建立温度分布规律和冷态约束与非期望变形的映射关系，揭示其产生机理；研究不同工艺参数对非均匀温度场的影响规律，确定关键影响因素，建立非期望变形的预测模型；基于主动调整温度场来平衡约束变化的思路，研究利用变速度扫描来降低非期望变形的工艺方法，为最终实现板材的高精度激光热成形提供技术途径。课题研究成果将充实和发展金属板材在非均匀温度场和约束条件下的热力耦合成形基础理论，对促进激光热成形技术的工业化应用有重要意义。

激光弯曲成形技术是一种无模、非接触柔性金属板材成形技术，具有成形精度高、可控性好等优点，在航空航天、微电子和医疗等领域具有广阔的应用前景。但由于在激光弯曲成形的过程中，板材的期望变形与非期望变形同时产生，即存在“边界效应”现象，直接影响了板材成形的精度，阻碍了激光弯曲成形技术的应用。本课题围绕激光弯曲成形“边界效应”产生机理及其影响因素展开研究，提出了可行的非期望变形抑制方法，有效提高激光弯曲成形的精度。.首先，利用ANSYS建立匀速扫描方式下的温度场、变形场有限元仿真模型，发现最高温度分布、几何约束与非期望变形的内在关系。提出了“边界效应”的主导因素是温度梯度机理这一观点，揭示了沿扫描线的温度分布和几何约束不均匀是造成“边界效应”现象两个主要原因，阐明了“边界效应”产生机理。.第二，通过有限元仿真模型研究了扫描速度和扫描线位置等工艺参数对温度场的影响规律。搭建了实验平台和测试平台，设计激光功率、光斑直径以及扫描速度等三因素对边界效应影响分析的正交试验，研究了三个因素对边界效应影响的重要性及其交互作用关系，利用回归分析的方法得到了预测相对角度变化的回归方程，给出了使得边界效应最弱的最优的参数组合。.第三，对“边界效应”所引起的非期望变形进行完整描述，定义合理的表征方式。利用传热学和弹塑性理论，对激光弯曲模型进行合理简化，建立了激光弯曲“边界效应”的力学模型，可准确预测“边界效应”。.第四，通过调整不同载荷步的加载时间实现了变速度扫描的有限元仿真。针对激光弯曲成形仿真效率低下的问题，建立全实体单元模型、壳-实体单元模型、全壳体单元模型等三种有限元模型，对比三种模型的计算效率与精度，得出了全壳体单元模型最适合于进行激光热成形仿真的结论，提高了激光热成形有限元仿真研究的效率。.最后，提出变速度、变约束和综合扫描法等非期望变形抑制方法，采用有限元仿真预测三种方法的抑制效果。设计了合理的激光弯曲实验方案、测量方案，进行了激光弯曲实验，证明了综合扫描法可以有效抑制非期望变形，提高激光弯曲成形的精度。.课题研究成果提高了板材激光热成形件的成形精度，将有利于推动激光热成形技术的工业化应用，并拓宽激光热成形技术的应用领域；另一方面，本研究所建立的速度场、温度场和变形场之间的映射规律，将充实和发展金属板材在非均匀温度场和约束条件下的热、力耦合基础理论，具有重要的学术价值。