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专家说 | 大型整体构件激光喷丸成形工艺与装备技术

2022-10-12 10:29:16 1428

“大型整体构件在航空航天等领域应用广泛,其结构形状复杂,制造难度高,形状精度保证困难。激光喷丸成形是解决大型整体构件柔性成形/校形的新方法,具有工艺可控性强、柔性高,能显著提高疲劳寿命等优点。本文将介绍笔者所在团队近些年来在大型整体构件激光喷丸成形方面的系统性研究工作,包括弯曲变形机理、成形工艺规律、成形工艺规划方法以及工艺装备等方面,并围绕航空航天等领域应用需求开展了一系列典型整体构件成形验证。

激光喷丸强化领域的主要研究进展

近年来,激光喷丸技术在国内外的应用场景正处于持续拓展中。激光喷丸具有非接触、无热影响区、可控性强以及强化效果显著等突出优点,通过将残余压应力植入零件的关键部位,以冲击波的形式穿过零件,能够大幅提高金属材料的抗疲劳、耐磨损和抗腐蚀能力。激光喷丸利用塑性变形和残余压应力等作用,驱动材料表面发生特定的强化效应。与普通喷丸手段相比,激光喷丸的残余压应力深度 >1mm,是普通喷丸的 5-10 倍;疲劳寿命提升 10 倍;应力腐蚀 300M 钢提高 5 倍;柔性无模弯曲成形力提升 10 倍。

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图1.激光喷丸工艺示意图

激光喷丸:工程应用

当前,激光喷丸技术已被广泛用于关键构件强化与成形等高值零部件、关键工序领域,旨在改善材料的抗疲劳性能、提高损伤容限、增强抗应力腐蚀、抑制裂纹扩展和减少维护成本。比较具有代表性的应用场景包括航发/燃机行业的叶片、整体叶盘……航空领域的构件强化(F22/16/18/35)、壁板成形(B747)……,以及核电领域的堆芯焊接件应用等。

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图2. 激光喷丸技术已被广泛用于航空航天关键构件强化与成形等高值零部件、关键工序领域

大型整体构件激光喷丸成形


近两年,笔者所在实验室的重点工作将激光喷丸应用于薄壁构件的无模成形领域。航空航天等运载装备以高性能、高可靠性需求驱动下, 采用大型整体薄壁构件已成为主要发展方向。目前,大型整体薄壁构件的加工要求是能够显著提高结构效率、保持先进气动外形和提升结构气密性。然而,大结构尺寸面临成形难度大的问题、低整体刚度则无法确保成形精度和效率、而多曲率外形又较难保证面形,从而亟需高效的加工手段助力。

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图3. 激光喷丸成形是实现大型复杂整体构件高性能精确成形有效途径



鉴于此,激光喷丸成形是实现大型复杂整体构件高性能精确成形的有效途径。激光喷丸作为新型的无模成形工艺,相较于滚弯成形、蠕变成形和机械喷丸成形等传统手段,在材料广泛性、形状适应性、形状精度和力学性能等方面都彰显出更为显著的优势。

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图4. 激光喷丸成形与传统成形手段相比,展现出不少显著优点

首先,柔性无模成形能够降低成形设备/模具需求;其次,形状精确可控,从而可考虑初始变形且无回弹;第三,力学性能优异,借助这种强化效应大幅提高材料和零件的抗疲劳性能;第四,综合效率较高,由此降低了准备周期和人工校形。

◎ 薄壁结构弯曲变形机制

笔者团队针对薄板的变形规律展开了研究,以此掌握薄壁结构弯曲变形的规律和机制。通过研究可知,如果将激光作用于板件表面,基于激光参数的不同,在板材深度方向引发的塑性变形特征也呈现出差异。倘若塑性变形特征能够贯穿于板材整个厚度方向,便会产生向上的弯曲力;如果塑性变形特征集中于板材表层,则产生向下的弯曲力。

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图5. 薄壁结构弯曲变形机制示意图


因此,影响板材弯曲方向的因素包括激光功率密度(功率密度增加,便会发生连续性的方向转变);另外如果改变板厚,当处于薄型状态时,会向上弯曲;随着板厚增加,则向下发生弯曲。


◎ 纤维金属层板激光喷丸成形

基于这一变形规律,笔者曾与商飞集团共同探讨纤维金属层板采用激光喷丸成形技术的可能性。


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图6. 金属纤维层压板

纤维金属层板的传统成形手段是采用热压罐自成形工艺,需要制作模具再经过固化、烧结等工艺。设计的一个想法是能否采用金属塑性成形工艺,以避免热压罐自成形工艺中潜在的部分工艺风险—譬如制备工艺不完善,可能会导致整块板料报废。因此,如果先制作层板,再通过成形工艺制作出相应的形状,便能大幅降低构件的成产成本,提高加工效率。

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图7. 采用金属塑性成形工艺能大幅降低板件的成产成本并提升效率


针对不同的玻璃纤维增强铝金属层板(GLARE),观察它们在激光喷丸压力载荷作用下的一些变形情况。由于不同GLARE板材的内部结构存在差异,但其中仍存在铝合金金属层,利用金属层变形效应,可带动整块层板发生有效的弯曲变形,然而不同的铺层方式对层板的变形行为产生明显的影响。

 

通过激光喷丸作用在层板上,可以产生较小的弯曲半径(最小100mm)。曲率半径主要取决于层板的厚度和铺层方式,如果激光喷丸次数较多,通过进一步的超声扫描分析层板内部的层裂状态,能观察到显著的层裂情况,极限变形量对激光喷丸工艺效果具有重要影响,因而是工艺中需要控制的重要变量。在这一领域,团队所做的部分工作为今后激光喷丸在纤维金属层板方面的应用打下了扎实的基础。


◎ 形变效应增强方法

2012年,团队与中国商飞合作,围绕大厚度铝板的变形效应进行验证,其中借鉴了机械喷丸工艺中的弹性预弯,在预弯基础上再进行激光喷丸。由于在其上表面已形成了拉伸弯曲的应变效应,因此继续施加激光喷丸载荷,可以增加弯曲变形量。

 

从实验可知,施加预弯效果后,曲率半径会随着预弯变形量的增大呈线性增长趋势,无论是数据仿真模型亦或实验结果,均验证了这一结论。然而,必须确保弹性预弯不会影响塑性变形,因为塑性变形会影响上下表面产生的残余应力。在很多领域,不仅对弯曲变形提出需求,并且要求上下表面具有有效的残余应力,由此提高壁板的抗疲劳等性能。鉴于此,精准控制弹性预弯量尤为重要。

 

据此,团队推导出一个公式,可控制在弹性预弯范围内。通过进一步验证18-20mm的铝合金厚板的弯曲变形,从实验结果得知,在无预应力的情况下,激光喷丸产生的弹性预弯量是机械喷丸成形的2倍;如果加上弹性预弯量,则是机械喷丸成形的10倍,激光喷丸成形能力显著提高。随后,团队还尝试采用连续激光热辅助工艺提高激光喷丸成形弯曲变形能力的方法,大幅提高了钛合金板的弯曲变形量。

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图8. 采用金属塑性成形工艺能大幅降低板件的成产成本,并且提升钛合金板的弯曲变形量

◎ 大量脉冲累积无模柔性弯曲

基于人工经验难以支撑复杂型面成形形状控制,因此在整体构件中,如何将形状与工艺参数进行高度匹配设计是关键,即根据所需的形状确定激光要覆盖的范围。在实际工程中,反问题往往比正问题更为重要。

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图9. 很多情况下,想要真正取得创新和突破,往往需要采用逆向思考法

◎ 固有应变高效建模方法

将焊接工艺中的固有应变高效建模方法引入激光喷丸中,通过固有应变中间变量等效,解决了大型复杂构件冲击效应计算效率的瓶颈,支撑工艺数据库与工艺设计。

 

由于固有应变工艺方法的应用愈发广泛,近些年,在一些数值仿真软件中,也应运而生了相应的模块。然而,要对复杂构件强化性能进行有效预测,关键是建立固有应变的工艺数据库和工具软件。

 

图10是一块大型带筋壁板激光喷丸成形的模型实例。板材采用的是薄壁高筋结构,尺寸为2.0×0.8 m2;脉冲数量为77376个。如果采用直接动态仿真方法计算量巨大,单脉冲计算时长>10分钟,总计> 537天;然而,采用固有应变工艺模型仅需11分钟。

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图10. 大型带筋壁板激光喷丸成形的模型实例

◎ 复杂型面成形工艺规划

团队在激光喷丸成形工艺机理与规律研究基础上,建立了基于固有应变理论的高效计算的求解方法,以实现复杂曲面激光喷丸成形工艺规划。前期工作中已将固有应变方法应用到整体壁板条带激光喷丸成形工艺优化中,通过采用遗传优化算法,解决了条带尺寸与分布的优化问题。

 

后续,针对复杂型面成形工艺规划,在固有应变基础上又提出了固有矩的概念—反应固有应变在深度方向的质量。通过公式推导得出,固有矩与板材的变形挠度形成一一对应关系。随后建立了分布的工艺规划方法,无论是单参数或双参数工艺规划,围绕双曲面都能获得有效的固有矩的分布量:图 11 中红色部分表示在正面做激光喷丸,蓝色代表在反面做激光喷丸。

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图11. 固有矩反应了固有应变在深度方向的质量

为验证这一结果做了相关实验,在优化参量的指导下,能够做出双曲面、圆柱面甚至波形面等各种所需形状。目前团队也正在进一步优化复杂型面成形工艺规划,旨在能设计制作出任意形状。


◎ 大幅面动态扫描光学系统

要实现大型整体构件的激光喷丸成形,除了解决工艺算法问题,还亟需解决装置问题。倘若制作一个大零件,采用现有的激光喷丸方法,譬如使用机器人是很难实现的。因为针对每个脉冲,机器人都需要在工件上移动一个位置。试想一下,一块 10m 左右的机翼壁板,采用机器人加工是无法实现的。

 

现有振镜、场镜扫描范围仅为100-200mm2,要将范围覆盖至1m2以上,就需要调整光路。对此,团队于2015年提出一种用于大型工件激光喷丸成形的光路装置及方法,解决了光斑形状矫正与脉冲扫描过程控制问题。该大幅面动态扫描光学系统的光斑有效覆盖范围大于1.0x1.0m2,光斑直径4.0mm。系统通过带有动态聚焦及光斑矫形模块的两轴振镜进行光学扫描,实现大型工件移动光路激光喷丸,具有对加工工件适应性强、设备布置灵活度高的优点。

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图12. 用于大型工件激光喷丸成形的大幅面动态扫描光学系统

◎ 大幅面动态扫描路径规划

根据搭建的这套装备样机和优化的路径,打造出高铁机车车头上的复杂型面。经过规划区域获取(识别喷丸区域边界)—规划区域点集生成( 喷丸边界内部点集保留)—点集分割(按加工条件分割)—路径生成(生成喷丸扫描路径)的路径,便能制作出相应的动车板件(1.0x0.5m2,2019年制成);后续通过夹具改进,又制作了一块动车窗口部位的板材(2.4x0.95m2)。这些板材均能达到装机要求。

 

激光喷丸除了在机翼、壁板等成形领域的应用外,在航空航天构件的加工变形、校形方面也有极为广阔的应用前景。

钛合金薄壁结构表面强化

激光冲击强化作为一种新型表面强化技术,能够在材料表层产生残余压应力,提高结构件的疲劳强度、表面硬度、延长其疲劳寿命,在钛合金结构件中应用前景广阔。针对钛合金薄壁结构的表面强化,关键是薄壁结构残余应力与变形协调的控制。

 

譬如,对航发风扇叶片的包边做强化处理后,能够提供抗异物撞击性能。然而,包边强化的核心难点是控制变形的问题。对此,笔者团队针对薄壁结构残余应力与变形协调控制方面做了相关工作:对0.5mm钛合金风扇叶片包边,通过激光喷丸改变部分光斑尺寸和参数,以获得最小范围符合要求的变形量,并且在工件表面能够获得有效的残余压应力。对工艺进行探索后,团队总结了两个关键点:光斑直径要尽可能小;薄壁两侧参数匹配的要求非常高。

 

此外,通过叶缘模拟件三点弯曲疲劳实验发现,激光喷丸在低周区域内,它对薄壁结构并未体现出很好的强化特性;但在高周区域内,强化特性有明显提高(有50MPa疲劳强度的提高)。

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图13. 针对航发薄壁结构的残余应力等性能开展了叶缘模拟件三点弯曲疲劳实验

裂纹损伤构件激光喷丸强化

事实上,激光喷丸强化在航空结构件的维护方面也展现出应用前景。譬如,针对已经产生的部分微小裂纹,激光喷丸能否有用武之地?

 

笔者团队在经过摸索后开展了相关实验。首先在零件试样上预制部分裂纹,随后在工件两侧施加激光喷丸作用力。由于引入了塑性变形力,这些裂纹会重新挤压在一起,且会在周边形成一定的压应力,结合挤压效应,通过研究裂纹扩展行为可以看出,其裂纹扩展寿命有一段处于非扩展阶段,而非扩展阶段后续的萌生阶段对于提升材料的抗疲劳性能产生了较为显著的效果,可达到9倍的性能提升。

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图14. 裂纹扩展行为


激光喷丸强化装备

近几年以来,笔者所在团队也参与了一系列相关的国家科研攻关项目,例如工信部04专项"高档数控机床与基础制造装备”。同时,团队和商发集团合作开发出一套激光喷丸强化装备,搭载的软件能够实现整个喷丸过程的全自动化,装备其他核心功能特点包括:连续点位控制、能量实时记录、点位自动记录、集成自动标定、自动上下工件和自循环水模块等。

此外,这套激光喷丸强化装备还实现了一些关键的创新突破。例如,实现了激光器-机器人同步控制技术,主要是机器人与激光脉冲之间的同步控制,最终获得闭环加工效果。这一技术突破也是几代产品经历了发展、迭代和升级的验证。

 

首先,1代产品的激光器是固定频率出光;机器人为连续速度控制。总体上,信息没有交互,且点位不准确、不规则。一旦对激光路径提出严格要求,其强化效果势必会受到影响。

 

其次,2代产品的激光器为外部触发出光,机器人为间断点位控制。产品在围绕信息交互方面做了一些改善,但机器人频繁启停,强化效率较低(≤2Hz)。

 

最后,3代产品针对前2代产品的瑕疵缺陷做了综合改进。激光器为外部触发出光,机器人为速度/位置控制。实现了4ms周期交互,配置专门研发的CPs控制器(在每一个闭环内同时对状态信息进行采集,形成信息物理系统的智能装备概念), 理论上的强化效率>50Hz。

激光智能制造实验室简介

近年来,笔者所在的激光智能制造实验室在激光喷丸/强化/成形、激光热力效应精确调控、激光驱动微滴增材制造、激光制造装备研发,以及激光驱动微球冲击测试技术等一系列工艺技术领域展开了深入的科研攻关、应用开拓以及产业化落地等工作。

 

目前,该激光智能制造实验室配置了包括高能短脉冲激光器、固定光路激光喷丸系统、大幅面扫描光路激光喷丸、激光驱动微滴增材、皮秒激光加工系统、飞秒激光加工系统等在内的先进装备。

小结

诚然,激光喷丸成形为解决飞机大型整体壁板制造提供了一条有效的技术途径,而激光喷丸强化技术未来在中国许多重点行业都拥有广袤的发展空间和应用前。综上所述,需要重点从以下三方面继续加强攻关。第一,大型整体薄壁构件高性能柔性精确成形。主要举措是建立工艺规划算法,提升扫描装备性能,支撑典型应用。第二,关键结构件维修激光喷丸强化。核心是建立工艺数据库,研发工艺设计软件,提高可靠性,支撑生产应用。第三,从多维度开发智能激光喷丸工艺与装备技术,服务制造强国。重点是持续提高装备性能与可靠性,支撑关键零部件高效可靠制造。


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