12年激光塑料焊接系統(tǒng)制造經(jīng)驗(yàn)
中韓合資企業(yè)--盈云光電
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“大型整體構(gòu)件在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)形狀復(fù)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(gòu)件柔性成形/校形的新方法，具有工藝可控性強(qiáng)、柔性高，能顯著提高疲勞壽命等優(yōu)點(diǎn)。本文將介紹筆者所在團(tuán)隊(duì)近些年來在大型整體構(gòu)件激光噴丸成形方面的系統(tǒng)性研究工作，包括彎曲變形機(jī)理、成形工藝規(guī)律、成形工藝規(guī)劃方法以及工藝裝備等方面，并圍繞航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用需求開展了一系列典型整體構(gòu)件成形驗(yàn)證。”
激光噴丸強(qiáng)化領(lǐng)域的主要研究進(jìn)展
近年來，激光噴丸技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用場景正處于持續(xù)拓展中。激光噴丸具有非接觸、無熱影響區(qū)、可控性強(qiáng)以及強(qiáng)化效果顯著等突出優(yōu)點(diǎn)，通過將殘余壓應(yīng)力植入零件的關(guān)鍵部位，以沖擊波的形式穿過零件，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(yīng)力等作用，驅(qū)動材料表面發(fā)生特定的強(qiáng)化效應(yīng)。與普通噴丸手段相比，激光噴丸的殘余壓應(yīng)力深度 >1mm，是普通噴丸的 5-10 倍；疲勞壽命提升 10 倍；應(yīng)力腐蝕 300M 鋼提高 5 倍；柔性無模彎曲成形力提升 10 倍。
圖1.激光噴丸工藝示意圖
激光噴丸:工程應(yīng)用
當(dāng)前，激光噴丸技術(shù)已被廣泛用于關(guān)鍵構(gòu)件強(qiáng)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(qiáng)抗應(yīng)力腐蝕、抑制裂紋擴(kuò)展和減少維護(hù)成本。比較具有代表性的應(yīng)用場景包括航發(fā)/燃機(jī)行業(yè)的葉片、整體葉盤……航空領(lǐng)域的構(gòu)件強(qiáng)化（F22/16/18/35)、壁板成形（B747）……，以及核電領(lǐng)域的堆芯焊接件應(yīng)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(gòu)件強(qiáng)化與成形等高值零部件、關(guān)鍵工序領(lǐng)域
大型整體構(gòu)件激光噴丸成形
近兩年，筆者所在實(shí)驗(yàn)室的重點(diǎn)工作將激光噴丸應(yīng)用于薄壁構(gòu)件的無模成形領(lǐng)域。航空航天等運(yùn)載裝備以高性能、高可靠性需求驅(qū)動下, 采用大型整體薄壁構(gòu)件已成為主要發(fā)展方向。目前，大型整體薄壁構(gòu)件的加工要求是能夠顯著提高結(jié)構(gòu)效率、保持先進(jìn)氣動外形和提升結(jié)構(gòu)氣密性。然而，大結(jié)構(gòu)尺寸面臨成形難度大的問題、低整體剛度則無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(xiàn)大型復(fù)雜整體構(gòu)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(xiàn)大型復(fù)雜整體構(gòu)件高性能精確成形的有效途徑。激光噴丸作為新型的無模成形工藝，相較于滾彎成形、蠕變成形和機(jī)械噴丸成形等傳統(tǒng)手段，在材料廣泛性、形狀適應(yīng)性、形狀精度和力學(xué)性能等方面都彰顯出更為顯著的優(yōu)勢。
圖4. 激光噴丸成形與傳統(tǒng)成形手段相比，展現(xiàn)出不少顯著優(yōu)點(diǎn)
首先，柔性無模成形能夠降低成形設(shè)備/模具需求；其次，形狀精確可控，從而可考慮初始變形且無回彈；第三，力學(xué)性能優(yōu)異，借助這種強(qiáng)化效應(yīng)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(zhǔn)備周期和人工校形。
◎ 薄壁結(jié)構(gòu)彎曲變形機(jī)制
筆者團(tuán)隊(duì)針對薄板的變形規(guī)律展開了研究，以此掌握薄壁結(jié)構(gòu)彎曲變形的規(guī)律和機(jī)制。通過研究可知，如果將激光作用于板件表面，基于激光參數(shù)的不同，在板材深度方向引發(fā)的塑性變形特征也呈現(xiàn)出差異。倘若塑性變形特征能夠貫穿于板材整個厚度方向，便會產(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(jié)構(gòu)彎曲變形機(jī)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，便會發(fā)生連續(xù)性的方向轉(zhuǎn)變）；另外如果改變板厚，當(dāng)處于薄型狀態(tài)時(shí)，會向上彎曲；隨著板厚增加，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(guī)律，筆者曾與商飛集團(tuán)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(tǒng)成形手段是采用熱壓罐自成形工藝，需要制作模具再經(jīng)過固化、燒結(jié)等工藝。設(shè)計(jì)的一個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(xiǎn)—譬如制備工藝不完善，可能會導(dǎo)致整塊板料報(bào)廢。因此，如果先制作層板，再通過成形工藝制作出相應(yīng)的形狀，便能大幅降低構(gòu)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(qiáng)鋁金屬層板（GLARE），觀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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)，可帶動整塊層板發(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(shù)較多，通過進(jìn)一步的超聲掃描分析層板內(nèi)部的層裂狀態(tài)，能觀察到顯著的層裂情況，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(tuán)隊(duì)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(yīng)用打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
◎ 形變效應(yīng)增強(qiáng)方法
2012年，團(tuán)隊(duì)與中國商飛合作，圍繞大厚度鋁板的變形效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，其中借鑒了機(jī)械噴丸工藝中的彈性預(yù)彎，在預(yù)彎基礎(chǔ)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(yīng)變效應(yīng)，因此繼續(xù)施加激光噴丸載荷，可以增加彎曲變形量。
從實(shí)驗(yàn)可知，施加預(yù)彎效果后，曲率半徑會隨著預(yù)彎變形量的增大呈線性增長趨勢，無論是數(shù)據(jù)仿真模型亦或?qū)嶒?yàn)結(jié)果，均驗(yàn)證了這一結(jié)論。然而，必須確保彈性預(yù)彎不會影響塑性變形，因?yàn)樗苄宰冃螘绊懮舷卤砻娈a(chǎn)生的殘余應(yīng)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(yīng)力，由此提高壁板的抗疲勞等性能。鑒于此，精準(zhǔn)控制彈性預(yù)彎量尤為重要。
據(jù)此，團(tuán)隊(duì)推導(dǎo)出一個公式，可控制在彈性預(yù)彎范圍內(nèi)。通過進(jìn)一步驗(yàn)證18-20mm的鋁合金厚板的彎曲變形，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，在無預(yù)應(yīng)力的情況下，激光噴丸產(chǎn)生的彈性預(yù)彎量是機(jī)械噴丸成形的2倍；如果加上彈性預(yù)彎量，則是機(jī)械噴丸成形的10倍，激光噴丸成形能力顯著提高。隨后，團(tuán)隊(duì)還嘗試采用連續(xù)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
◎ 大量脈沖累積無模柔性彎曲
基于人工經(jīng)驗(yàn)難以支撐復(fù)雜型面成形形狀控制，因此在整體構(gòu)件中，如何將形狀與工藝參數(shù)進(jìn)行高度匹配設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，即根據(jù)所需的形狀確定激光要覆蓋的范圍。在實(shí)際工程中，反問題往往比正問題更為重要。
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(yīng)變高效建模方法
將焊接工藝中的固有應(yīng)變高效建模方法引入激光噴丸中，通過固有應(yīng)變中間變量等效，解決了大型復(fù)雜構(gòu)件沖擊效應(yīng)計(jì)算效率的瓶頸，支撐工藝數(shù)據(jù)庫與工藝設(shè)計(jì)。
由于固有應(yīng)變工藝方法的應(yīng)用愈發(fā)廣泛，近些年，在一些數(shù)值仿真軟件中，也應(yīng)運(yùn)而生了相應(yīng)的模塊。然而，要對復(fù)雜構(gòu)件強(qiáng)化性能進(jìn)行有效預(yù)測，關(guān)鍵是建立固有應(yīng)變的工藝數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)，尺寸為2.0×0.8 m2；脈沖數(shù)量為77376個。如果采用直接動態(tài)仿真方法計(jì)算量巨大，單脈沖計(jì)算時(shí)長>10分鐘，總計(jì)> 537天；然而，采用固有應(yīng)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(fù)雜型面成形工藝規(guī)劃
團(tuán)隊(duì)在激光噴丸成形工藝機(jī)理與規(guī)律研究基礎(chǔ)上，建立了基于固有應(yīng)變理論的高效計(jì)算的求解方法，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面激光噴丸成形工藝規(guī)劃。前期工作中已將固有應(yīng)變方法應(yīng)用到整體壁板條帶激光噴丸成形工藝優(yōu)化中，通過采用遺傳優(yōu)化算法，解決了條帶尺寸與分布的優(yōu)化問題。
后續(xù)，針對復(fù)雜型面成形工藝規(guī)劃，在固有應(yīng)變基礎(chǔ)上又提出了固有矩的概念—反應(yīng)固有應(yīng)變在深度方向的質(zhì)量。通過公式推導(dǎo)得出，固有矩與板材的變形撓度形成一一對應(yīng)關(guān)系。隨后建立了分布的工藝規(guī)劃方法，無論是單參數(shù)或雙參數(shù)工藝規(guī)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(lán)色代表在反面做激光噴丸。
圖11. 固有矩反應(yīng)了固有應(yīng)變在深度方向的質(zhì)量 為驗(yàn)證這一結(jié)果做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在優(yōu)化參量的指導(dǎo)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(tuán)隊(duì)也正在進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)雜型面成形工藝規(guī)劃，旨在能設(shè)計(jì)制作出任意形狀。 ◎ 大幅面動態(tài)掃描光學(xué)系統(tǒng) 要實(shí)現(xiàn)大型整體構(gòu)件的激光噴丸成形，除了解決工藝算法問題，還亟需解決裝置問題。倘若制作一個大零件，采用現(xiàn)有的激光噴丸方法，譬如使用機(jī)器人是很難實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)獒槍γ總€脈沖，機(jī)器人都需要在工件上移動一個位置。試想一下，一塊 10m 左右的機(jī)翼壁板，采用機(jī)器人加工是無法實(shí)現(xiàn)的。 現(xiàn)有振鏡、場鏡掃描范圍僅為100-200mm2，要將范圍覆蓋至1m2以上，就需要調(diào)整光路。對此，團(tuán)隊(duì)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程控制問題。該大幅面動態(tài)掃描光學(xué)系統(tǒng)的光斑有效覆蓋范圍大于1.0x1.0m2，光斑直徑4.0mm。系統(tǒng)通過帶有動態(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(xiàn)大型工件移動光路激光噴丸，具有對加工工件適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)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態(tài)掃描光學(xué)系統(tǒng) ◎ 大幅面動態(tài)掃描路徑規(guī)劃 根據(jù)搭建的這套裝備樣機(jī)和優(yōu)化的路徑，打造出高鐵機(jī)車車頭上的復(fù)雜型面。經(jīng)過規(guī)劃區(qū)域獲取（識別噴丸區(qū)域邊界）—規(guī)劃區(qū)域點(diǎn)集生成（ 噴丸邊界內(nèi)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(yīng)的動車板件（1.0x0.5m2，2019年制成）；后續(xù)通過夾具改進(jìn)，又制作了一塊動車窗口部位的板材（2.4x0.95m2）。這些板材均能達(dá)到裝機(jī)要求。 激光噴丸除了在機(jī)翼、壁板等成形領(lǐng)域的應(yīng)用外，在航空航天構(gòu)件的加工變形、校形方面也有極為廣闊的應(yīng)用前景。 鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)化 激光沖擊強(qiáng)化作為一種新型表面強(qiáng)化技術(shù)，能夠在材料表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、表面硬度、延長其疲勞壽命，在鈦合金結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用前景廣闊。針對鈦合金薄壁結(jié)構(gòu)的表面強(qiáng)化，關(guān)鍵是薄壁結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力與變形協(xié)調(diào)的控制。 譬如，對航發(fā)風(fēng)扇葉片的包邊做強(qiáng)化處理后，能夠提供抗異物撞擊性能。然而，包邊強(qiáng)化的核心難點(diǎn)是控制變形的問題。對此，筆者團(tuán)隊(duì)針對薄壁結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力與變形協(xié)調(diào)控制方面做了相關(guān)工作：對0.5mm鈦合金風(fēng)扇葉片包邊，通過激光噴丸改變部分光斑尺寸和參數(shù)，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(yīng)力。對工藝進(jìn)行探索后，團(tuán)隊(duì)總結(jié)了兩個關(guān)鍵點(diǎn)：光斑直徑要盡可能小；薄壁兩側(cè)參數(shù)匹配的要求非常高。 此外，通過葉緣模擬件三點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光噴丸在低周區(qū)域內(nèi)，它對薄壁結(jié)構(gòu)并未體現(xiàn)出很好的強(qiáng)化特性；但在高周區(qū)域內(nèi)，強(qiáng)化特性有明顯提高（有50MPa疲勞強(qiáng)度的提高）。 裂紋損傷構(gòu)件激光噴丸強(qiáng)化 事實(shí)上，激光噴丸強(qiáng)化在航空結(jié)構(gòu)件的維護(hù)方面也展現(xiàn)出應(yīng)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(tuán)隊(duì)在經(jīng)過摸索后開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。首先在零件試樣上預(yù)制部分裂紋，隨后在工件兩側(cè)施加激光噴丸作用力。由于引入了塑性變形力，這些裂紋會重新擠壓在一起，且會在周邊形成一定的壓應(yīng)力，結(jié)合擠壓效應(yīng)，通過研究裂紋擴(kuò)展行為可以看出，其裂紋擴(kuò)展壽命有一段處于非擴(kuò)展階段，而非擴(kuò)展階段后續(xù)的萌生階段對于提升材料的抗疲勞性能產(chǎn)生了較為顯著的效果，可達(dá)到9倍的性能提升。 圖14. 裂紋擴(kuò)展行為
圖13. 針對航發(fā)薄壁結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力等性能開展了葉緣模擬件三點(diǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)
激光噴丸強(qiáng)化裝備
近幾年以來，筆者所在團(tuán)隊(duì)也參與了一系列相關(guān)的國家科研攻關(guān)項(xiàng)目，例如工信部04專項(xiàng)"高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)和商發(fā)集團(tuán)合作開發(fā)出一套激光噴丸強(qiáng)化裝備，搭載的軟件能夠?qū)崿F(xiàn)整個噴丸過程的全自動化，裝備其他核心功能特點(diǎn)包括：連續(xù)點(diǎn)位控制、能量實(shí)時(shí)記錄、點(diǎn)位自動記錄、集成自動標(biāo)定、自動上下工件和自循環(huán)水模塊等。
此外，這套激光噴丸強(qiáng)化裝備還實(shí)現(xiàn)了一些關(guān)鍵的創(chuàng)新突破。例如，實(shí)現(xiàn)了激光器-機(jī)器人同步控制技術(shù)，主要是機(jī)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(yàn)證。
首先，1代產(chǎn)品的激光器是固定頻率出光；機(jī)器人為連續(xù)速度控制。總體上，信息沒有交互，且點(diǎn)位不準(zhǔn)確、不規(guī)則。一旦對激光路徑提出嚴(yán)格要求，其強(qiáng)化效果勢必會受到影響。
其次，2代產(chǎn)品的激光器為外部觸發(fā)出光，機(jī)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(jī)器人頻繁啟停，強(qiáng)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(jī)器人為速度/位置控制。實(shí)現(xiàn)了4ms周期交互，配置專門研發(fā)的CPs控制器（在每一個閉環(huán)內(nèi)同時(shí)對狀態(tài)信息進(jìn)行采集，形成信息物理系統(tǒng)的智能裝備概念）， 理論上的強(qiáng)化效率>50Hz。
激光智能制造實(shí)驗(yàn)室簡介
近年來，筆者所在的激光智能制造實(shí)驗(yàn)室在激光噴丸/強(qiáng)化/成形、激光熱力效應(yīng)精確調(diào)控、激光驅(qū)動微滴增材制造、激光制造裝備研發(fā)，以及激光驅(qū)動微球沖擊測試技術(shù)等一系列工藝技術(shù)領(lǐng)域展開了深入的科研攻關(guān)、應(yīng)用開拓以及產(chǎn)業(yè)化落地等工作。
目前，該激光智能制造實(shí)驗(yàn)室配置了包括高能短脈沖激光器、固定光路激光噴丸系統(tǒng)、大幅面掃描光路激光噴丸、激光驅(qū)動微滴增材、皮秒激光加工系統(tǒng)、飛秒激光加工系統(tǒng)等在內(nèi)的先進(jìn)裝備。
小結(jié)
誠然，激光噴丸成形為解決飛機(jī)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(qiáng)化技術(shù)未來在中國許多重點(diǎn)行業(yè)都擁有廣袤的發(fā)展空間和應(yīng)用前。綜上所述，需要重點(diǎn)從以下三方面繼續(xù)加強(qiáng)攻關(guān)。第一，大型整體薄壁構(gòu)件高性能柔性精確成形。主要舉措是建立工藝規(guī)劃算法，提升掃描裝備性能，支撐典型應(yīng)用。第二，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件維修激光噴丸強(qiáng)化。核心是建立工藝數(shù)據(jù)庫，研發(fā)工藝設(shè)計(jì)軟件，提高可靠性，支撐生產(chǎn)應(yīng)用。第三，從多維度開發(fā)智能激光噴丸工藝與裝備技術(shù)，服務(wù)制造強(qiáng)國。重點(diǎn)是持續(xù)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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