大型壁板激光噴丸成形技術(shù)研究與應(yīng)用*

胡宗浩，羅明生，胡永祥，姚振強

（1.航空工業(yè)沈陽飛機設(shè)計研究所，沈陽 110035；2.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240）

激光噴丸成形是近些年提出并快速發(fā)展的一種有效的適用于大型帶筋壁板的高性能精確成形技術(shù)。該工藝采用高功率短脈沖激光誘導(dǎo)沖擊效應(yīng)在壁板表層引入非均勻分布塑性變形，實現(xiàn)小曲率彎曲成形，如圖1所示。激光噴丸成形是一個復(fù)雜的物理過程，在激光輻照下，工件表面吸收層吸收激光并形成等離子體，在約束層的作用下，形成沖擊壓力。沖擊壓力作用于工件表面的局部區(qū)域，形成應(yīng)力波，其幅值高達(dá)1～10GPa，持續(xù)時間約為 100ns。在瞬態(tài)沖擊壓力作用下，沖擊區(qū)產(chǎn)生塑性應(yīng)變，并隨著激光掃描工件表面，塑性區(qū)面積不斷增加，使小變形不斷累積，最終形成所需形狀?，F(xiàn)有研究表明，激光噴丸塑性層厚度是傳統(tǒng)機械噴丸的5～10倍，在高加筋壁板成形方面具有獨特優(yōu)勢。此外，采用激光作為能量源，工藝可控性強，可以有效克服機械噴丸成形由于難以精確控制彈丸作用區(qū)域，形狀精度保證困難的缺點。因此，激光噴丸成形技術(shù)能夠有效克服傳統(tǒng)壁板成形方法的不足，實現(xiàn)大型高加筋復(fù)雜型面帶筋壁板的形性一體化成形制造。

大型壁板成形技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用

圖1 激光噴丸成形原理圖Fig.1 Schematic illustration of laser peen forming

帶筋整體壁板成形作為飛行器制造關(guān)鍵核心技術(shù)，一直是成形制造領(lǐng)域的前沿?zé)狳c問題。壓彎成形、蠕變時效成形、噴丸成形等多種不同的工藝在壁板成形中均有廣泛應(yīng)用。壓彎成形是最早采用的整體壁板成形方法，包括滾彎成形和增量壓彎成形。該工藝適用于壁厚小、易于成形的圓柱面和圓錐面壁板[1-2]。大型帶筋壁板的結(jié)構(gòu)特點，使其在壓彎成形中需要采用大噸位的壓機，筋條附近區(qū)域變形嚴(yán)重不均導(dǎo)致整體壁板容易產(chǎn)生失穩(wěn)、扭曲或開裂等問題，而且壓彎載荷卸載后壁板會產(chǎn)生較大的回彈變形，成形精度控制十分困難[3]。蠕變時效成形技術(shù)主要利用合金材料在時效溫度下蠕變而產(chǎn)生應(yīng)力松弛的特性，在一定溫度（人工時效溫度）時彈性應(yīng)力作用下產(chǎn)生的蠕變變形，獲得帶有一定幾何形狀的結(jié)構(gòu)件[4]。但是，蠕變時效成形的大型壁板必須采用具有時效硬化特性的材料制造，并且要有足夠尺寸的熱壓罐，成形回彈量較大，壁板貼膜困難，且生產(chǎn)耗能及成本很高[5]。

機械噴丸成形采用金屬彈丸流撞擊壁板表面，產(chǎn)生表層塑性變形，實現(xiàn)壁板小曲率彎曲成形。20世紀(jì)40年代，美國洛克希德·馬丁公司的工程師Jim Boerger將機械噴丸成形技術(shù)成功應(yīng)用于Constellation飛機的壁板零件[6]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，機械噴丸成形技術(shù)已經(jīng)在國際上廣泛應(yīng)用于飛行器整體壁板成形。21世紀(jì)初，美國金屬改進(jìn)公司（MIC）利用機械噴丸成形技術(shù)制造了A380飛機的機翼下壁板。2006年，曾元松等利用機械噴丸成形技術(shù)制造了ARJ21飛機大型超臨界機翼整體壁板，標(biāo)志著國內(nèi)機械噴丸成形技術(shù)應(yīng)用取得了重要進(jìn)展[7]。但是，由于彈丸撞擊產(chǎn)生的塑性變形層一般小于300μm，有限的塑性層深度導(dǎo)致機械噴丸成形彎曲變形能力不足，限制了機械噴丸成形在高加筋壁板成形中的應(yīng)用。如果為滿足成形能力要求，采用數(shù)毫米的大彈丸進(jìn)行撞擊會導(dǎo)致表層局部變形不均勻，嚴(yán)重影響表面粗糙度，產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中會顯著降低疲勞壽命，難以滿足整體壁板制造疲勞壽命要求。因而，機械噴丸成形技術(shù)在解決高加筋壁板成形方面具有一定的局限。

激光噴丸成形起源于激光噴丸強化。在美國國防部的制造技術(shù)（ManTech）研究計劃下，GE公司和LSPT公司合作研發(fā)激光噴丸強化技術(shù)，成功應(yīng)用于航空發(fā)動機風(fēng)扇/壓氣機葉片，大幅提高了其抗外物損傷能力和高周疲勞性能。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，激光噴丸強化又被推廣應(yīng)用到配裝F-16A/B戰(zhàn)斗機的F110-GE-100發(fā)動機、F-16C/D的F110-GE-129發(fā)動機與JSF120發(fā)動機、F-15戰(zhàn)斗機的F100-PW-220發(fā)動機、波音777 客機的Trent800 發(fā)動機、波音787的Trent1000發(fā)動機的風(fēng)扇/壓氣機葉片上[8-10]。激光噴丸成形的概念最早見于美國Lawrence Livermore國家實驗室Hackel等在2002年提出利用激光噴丸強化裝置對金屬板材進(jìn)行三維彎曲成形的原理和方法[11]。由于在成形能力和形狀精確控制方面的顯著優(yōu)勢，該方法提出后得到美國波音等航空制造公司的重視。波音公司與MIC公司合作，成功實現(xiàn)了整體壁板激光噴丸成形（圖2），并于2010年首次在波音747-8中得到應(yīng)用驗證，標(biāo)志著激光噴丸成形技術(shù)成功走向了生產(chǎn)應(yīng)用。

與多種傳統(tǒng)壁板成形工藝相比，激光噴丸成形突出的技術(shù)特點和優(yōu)勢在解決帶筋壁板成形方面已經(jīng)得到初步的技術(shù)驗證和應(yīng)用，成為今后大型整體壁板成形技術(shù)的發(fā)展方向。但是，由于其工藝技術(shù)難度較大、發(fā)展較晚，國內(nèi)在這方面的研究和應(yīng)用還很缺乏。

圖2 美國MIC公司帶筋壁板激光噴丸成形Fig.2 Laser peen forming for panel with stiffening ribs

激光噴丸成形工藝方法研究

1 激光噴丸成形機理與規(guī)律

隨著激光噴丸技術(shù)的發(fā)展，其在成形方面的應(yīng)用前景得到國內(nèi)外研究人員的重視。早期這方面的研究大多集中在薄板單個位置激光沖擊拉伸成形。該工藝類似于傳統(tǒng)的沖壓成形，將激光束作為柔性沖頭，通過動態(tài)沖擊壓力作用，產(chǎn)生金屬板材局部位置的大變形拉伸作用。2004年，美國哥倫比亞大學(xué)Yao等研究了薄片激光沖擊成形工藝[12]。國內(nèi)江蘇大學(xué)周建忠、張永康等在這方面開展了研究[13]。2008年，山東大學(xué)張明浩、季忠等在自然基金支持下也開始了微細(xì)激光沖擊成形研究[14]。2010年，美國普渡大學(xué)Gao等研究了微細(xì)復(fù)雜三維形狀的多脈沖激光沖擊成形工藝[15]。由于缺乏有效的應(yīng)用需求驅(qū)動，激光沖擊拉伸成形并未在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實際應(yīng)用，僅停留在試驗探索階段。

與激光沖擊拉伸成形不同，激光噴丸成形是一種小曲率彎曲成形工藝。通過控制激光沖擊工藝參數(shù)，激光噴丸成形僅在金屬表層產(chǎn)生塑性變形，從而在殘余壓應(yīng)力的驅(qū)動下金屬板材產(chǎn)生整體小曲率彎曲變形。由于該工藝在大型整體壁板成形方面巨大的潛在價值，自從該工藝被提出以來，美國MIC公司便開始開展該工藝在復(fù)雜曲面機翼壁板成形中的應(yīng)用研究，實現(xiàn)雙曲形狀鋁合金壁板的激光噴丸成形（圖2所示）[16]。2007年，英國利物浦大學(xué)Edwards首次研究了激光噴丸成形彎曲金屬薄板的可能性[17]，而且激光噴丸成形是絕熱的過程，不會產(chǎn)生熱影響區(qū)。國內(nèi)，江蘇大學(xué)的周建忠等開展了激光噴丸成形方面的研究，初步驗證了激光噴丸成形在中厚板成形方面的可行性[13]。2010年，上海交通大學(xué)胡永祥等開展了多脈沖連續(xù)激光噴丸成形工藝規(guī)律與機理研究，分析了板材厚度與激光功率密度對板材彎曲的作用規(guī)律，揭示了激光噴丸成形凹凸方向轉(zhuǎn)變規(guī)律與機理[18]。2012年，日本學(xué)者研究了飛秒激光噴丸成形金屬薄片的工藝，獲得了不同彎曲變形方向和形狀[19]。2015年，上海交通大學(xué)胡永祥進(jìn)一步提出了激光噴丸成形工藝用于纖維金屬層板成形制造的技術(shù)思路，分析了激光沖擊作用下纖維金屬層板的彎曲變形規(guī)律，獲得了有效的彎曲變形效果[20-21]，如圖3所示。

為了進(jìn)一步提高激光噴丸成形在大厚度鋁合金板應(yīng)用的彎曲變形能力，2012年胡永祥等研究了彈性預(yù)彎增強彎曲變形的方法[22-23]。通過彈性預(yù)彎試驗，實現(xiàn)厚度為18mm和23mm的大厚度鋁合金板有效彎曲成形，通過彈性預(yù)彎，將彎曲能力提高2倍以上，最小曲率半徑分別達(dá)到2.7m和3.9m（圖4），并在高筋條壁板成形方面也獲得了有效的彎曲變形效果（圖5）。此外，胡永祥等還嘗試采用激光熱輔助提高激光噴丸成形彎曲變形能力的方法，顯著提高了鈦合金板的彎曲變形量[24]。

帶筋壁板的激光噴丸成形不同于平板的彎曲成形，其復(fù)雜的筋條結(jié)構(gòu)會對彎曲變形效應(yīng)產(chǎn)生較大影響，需要進(jìn)一步深入研究其彎曲變形特點和規(guī)律，才能有效掌握復(fù)雜形狀整體壁板的激光噴丸成形工藝。

2 激光噴丸成形工藝規(guī)劃

由于激光噴丸成形工藝為一種無模成形工藝，實現(xiàn)整體壁板成形形狀目標(biāo)是通過控制壁板表面激光噴丸光束參數(shù)和掃描路徑來實現(xiàn)。由于沒有確定的模具來保證獲得目標(biāo)形狀，工藝參數(shù)和噴丸路徑的選取十分困難，需要有效的成形工藝規(guī)劃方法支持。

圖3 纖維金屬層板激光噴丸成形Fig.3 Laser peen forming for the metal laminate

圖4 大厚度鋁合金板激光噴丸成形效果Fig.4 Laser peen forming under pre-loading

圖5 高筋條壁板激光噴丸成形Fig.5 Laser peen forming for panel with high rib

在機械噴丸成形長期的技術(shù)發(fā)展過程中，研究人員針對工藝參數(shù)規(guī)劃開展了大量的研究工作。德國亞琛工業(yè)大學(xué)Kopp教授通過建立噴丸成形曲率半徑與噴丸工藝參數(shù)之間的關(guān)系，獲得初步的噴丸成形工藝優(yōu)化方法[25]。美國學(xué)者Homer等在波音公司資助下，提出通過集中力和彎矩等效的方法，結(jié)合有限元分析進(jìn)行機翼蒙皮類零件機械噴丸成形工藝優(yōu)化方法[26]。2002年，劍橋大學(xué)Wang等提出了基于溫度場等效的方法進(jìn)行機械噴丸成形建模，并開展了成形工藝優(yōu)化研究[27]。2011年，加拿大Miao等采用應(yīng)力等效的方法進(jìn)行機械噴丸成形建模方法研究，并希望該方法能夠在成形工藝優(yōu)化中發(fā)揮作用[28]。國際上主要有美國的MIC公司和德國的KSA兩家公司掌握機械噴丸成形工藝參數(shù)設(shè)計技術(shù)。隨著國內(nèi)飛機制造技術(shù)的發(fā)展，北京航空制造工程研究所、西飛、西北工業(yè)大學(xué)等單位在機械噴丸成形工藝優(yōu)化設(shè)計方面開展了研究，并解決了ARJ21機翼壁板成形問題[7]。與機械噴丸成形相比，激光噴丸成形技術(shù)由于發(fā)展較晚，在成形工藝規(guī)劃方面的研究很少有報道。雖然與機械噴丸成形能量源不同，但是激光噴丸成形的變形原理與機械噴丸成形十分類似，機械噴丸成形工藝規(guī)劃方面的研究工作可以為激光噴丸成形工藝規(guī)劃與形狀控制提供有益借鑒。

采用高能束作為能量源，發(fā)揮其可控性強的特點，實現(xiàn)復(fù)雜曲面無模成形是高能束領(lǐng)域的一個熱點問題。目前此方向研究主要集中在基于激光熱效應(yīng)原理的激光熱成形[29]。由于此類工藝的復(fù)雜性，直接建立激光工藝參數(shù)與曲面形狀之間的關(guān)系，進(jìn)行工藝規(guī)劃十分困難，一般需要選取合適的中間物理量，建立工藝參數(shù)與目標(biāo)形狀的關(guān)系，實現(xiàn)工藝優(yōu)化設(shè)計[30]。激光熱成形研究中，對于單曲率曲面，采用激光彎曲角度作為中間物理量，通過啟發(fā)式優(yōu)化算法，實現(xiàn)激光工藝參數(shù)和曲面形狀的匹配[31]；對于復(fù)雜形狀曲面，主要以彎曲主應(yīng)變?yōu)橹虚g物理量，結(jié)合微分幾何理論，實現(xiàn)激光工藝參數(shù)和復(fù)雜曲面形狀的參數(shù)匹配[32-33]。但是實際應(yīng)用中，彎曲主應(yīng)變不僅由激光工藝參數(shù)決定，還受到成形工件幾何形狀影響，直接影響成形精度控制。與激光熱成形不同，激光噴丸成形主要以短脈沖激光誘導(dǎo)沖擊載荷為特征的彎曲變形過程，其沖擊產(chǎn)生的塑性應(yīng)變主要存在于工件表層，深度方向梯度較大需要結(jié)合激光噴丸成形工藝特點，探索有效的工藝規(guī)劃理論與方法。

胡永祥等在激光噴丸成形工藝機理與規(guī)律研究基礎(chǔ)上，建立了基于固有應(yīng)變理論的高效計算的求解方法[34-35]，以實現(xiàn)復(fù)雜曲面激光噴丸成形工藝規(guī)劃。前期工作中已經(jīng)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[36]。對于復(fù)雜的壁板形狀，如何確定優(yōu)化的脈沖覆蓋區(qū)域仍然是有待進(jìn)一步解決的問題。

3 大型帶筋壁板激光噴丸成形系統(tǒng)

激光噴丸系統(tǒng)主要包括激光光路和工件裝夾兩部分。在激光噴丸過程中，這兩部分要按照一定的路徑相對運動，從而完成工件全表面或者部分表面的激光噴丸脈沖覆蓋。激光噴丸系統(tǒng)在實現(xiàn)相對運動方面主要采用“固定光路-移動工件”的方式來實現(xiàn)激光噴丸強化應(yīng)用。這種方式由于光路固定，一旦光路設(shè)置完成，后續(xù)無需改動。因此光路的搭建比較簡單。同時，由于多軸機械臂和多軸位移臺的技術(shù)比較成熟，利用這些運動機構(gòu)也可以方便而精確地控制工件按照特定的路徑運動。美國通用電氣公司最早于1990年提出“固定光路-移動工件”激光噴丸系統(tǒng)[37]。美國LSPT公司在2000年也提出了與GE公司方案類似的“固定光路-移動工件”激光噴丸系統(tǒng)[38]?！肮潭ü饴?移動工件”激光噴丸系統(tǒng)雖然具有光路簡單，搭建和使用方便的優(yōu)點，但是也有其局限性。由于需要依靠機械臂等來夾持工件并控制工件運動，所以其加工工件的重量與尺寸會受到運動系統(tǒng)的承載能力與運動空間的限制，一般只適用于小型工件激光噴丸強化和成形。大型工件激光噴丸成形需要盡量減少工件移動，實現(xiàn)激光沖擊脈沖全尺寸的覆蓋，“固定光路-移動工件”激光噴丸系統(tǒng)難以適用。

美國LSPT公司于2005提出了一種基于飛行光路的“固定工件-移動光路”式的激光噴丸系統(tǒng)[39]。該系統(tǒng)的激光噴丸光路可以在與工件平行的平面上進(jìn)行兩軸的移動，從而使激光脈沖能夠覆蓋工件表面的各個位置。兩軸的飛行光路在光路設(shè)計上相對簡單。但是，飛行光路的兩軸位移平臺一般要占據(jù)比系統(tǒng)掃描范圍更大的空間，在大型工件激光噴丸成形的應(yīng)用中，龐大的系統(tǒng)會降低系統(tǒng)布置的靈活性，過長的導(dǎo)軌也會使其精度更難保證。日本東芝公司于2005提出了一種用于核電站堆芯內(nèi)部焊接件激光噴丸強化的移動光路式激光噴丸系統(tǒng)，解決狹小空間內(nèi)部的激光噴丸強化問題[40]。美國MIC于2011年提出了一種采用光學(xué)掃描的移動光路大型工件激光噴丸系統(tǒng)[41]。該系統(tǒng)的掃描光路裝置裝在一個六軸機器人上，通過機器人的運動可以控制激光噴丸脈沖路徑。該系統(tǒng)相具有高度的柔性，能適應(yīng)多種形狀工件的激光噴丸應(yīng)用。但是，系統(tǒng)柔性增加的同時也加大了入射激光的導(dǎo)光難度，前端的萬向架反射鏡必須根據(jù)工藝需求及時準(zhǔn)確地調(diào)整，才能保證入射光方向的準(zhǔn)確。胡永祥等于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[42]。圖6是掃描系統(tǒng)的光路示意圖，該系統(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、設(shè)備布置靈活度高的優(yōu)點。

圖6 用于大型工件激光噴丸成形的三維動態(tài)掃描系統(tǒng)Fig.6 Three-dimensional dynamic scanning system for laser peen forming

結(jié)論

激光噴丸成形為解決飛機大型整體壁板制造提供一條有效的技術(shù)途徑。實現(xiàn)大型整體壁板的激光噴丸成形應(yīng)用的核心是掌握變形機理，解決成形工藝規(guī)劃問題，并研制適用于大型整體壁板成形的工藝裝置。隨著國內(nèi)多個型號飛機研制需求的驅(qū)動，帶筋壁板激光噴丸成形技術(shù)的研究和應(yīng)用必將進(jìn)一步深入，在解決大型帶筋壁板成形能力和形狀精度控制等關(guān)鍵難點問題方面發(fā)揮重要作用。

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