基于激光加热的旋压成形机理和方法研究

针对传统加热旋压存在的加热区域过大、热效率低、温度难以控制等问题，本课题提出采用激光作为加热源对材料进行快速局部加热，通过提高材料的塑性、降低材料的变形抗力，来达到难变形材料的成形、缩短工艺周期、降低旋压力和改善制件性能的目的。在对材料软化机制和激光加热模式进行研究的基础上，构建三维弹塑性有限元分析模型和开展工艺试验研究，揭示激光加热旋压成形过程中温度、应力和应变的分布规律、材料的流动特点、微观组织演变规律和成形缺陷的成因，获得基于激光加热旋压成形方法及其相关理论；探索旋压成形过程中激光功率、光斑位置、光斑尺寸、变形材料、材料厚度、材料减薄率、旋轮进给比和主轴转速等参数间的耦合机制和演变规律，建立成形质量的多目标优化模型，为基于激光加热的旋压应用于实践提供理论依据。本课题的完成，对旋压技术的发展以及成形工艺和方法的拓展都具有较高的学术价值和显著的实践意义。

传统的加热旋压采用火焰或电感应方式对坯料进行加热，这种加热方式存在着温度难以控制、热辐射大、劳动效率低等问题。针对这一情况，本项目提出了基于激光加热的旋压成形工艺，采用一定功率密度的激光束辐照成形过程中的材料，通过激光束与物质的互作用，可实现对变形区材料高效、柔性和准确的加热，围绕以下四个方面进行了研究：1）激光加热旋压工艺，对激光加热工艺制度、激光加热轨迹以及激光加热旋压成形方法进行了研究，并采用该工艺成形出了轻合金旋压制件； 2）激光加热旋压的工艺优化，探索成形过程中激光功率、光斑直径、光斑与坯料变形区轴向距离、旋轮进给比和主轴转速等参数间的耦合机制；3）激光加热旋压成形机理，对成形制件的微观组织、断裂形貌、力学性能及抗腐蚀性能进行了分析；4）激光加热旋压加工系高效、柔性和优质统，由光纤激光器、导光系统、加工机床以及检测和控制系统等组成。研究结果表明，该技术具有短流程、低能耗、高柔性、环境友好的特点，可实现难成形材料的加工，在提高旋压制件的制造精度和成形效率方面具有良好的应用价值。