激光冲击成形
激光脉冲拉伸一个表面，使板材弯曲
激光冲击成形用成千上万个微小的激光驱动冲击波，不用模具就能弯曲金属板。每一次脉冲挤压表面的一小块区域；合在一起，它们拉伸这一面，板材就慢慢弯曲，就像一页纸一侧受潮后会卷曲。它可以成形厚的飞机机翼壁板，也能高度可控地校直变形的零件。
工作原理
在表面覆盖水。 板材固定在激光器下方，一层薄水流过待处理的区域。
发射激光脉冲。 高能脉冲激光发射一个极短的脉冲，约 20 纳秒，穿过水层照射到几毫米宽的光斑上。
产生等离子体爆发。 脉冲把表面一层薄薄的表皮变成等离子体（发光的带电气体）。水把它约束住，压力骤增，并向金属内部推出一道冲击波。
留下压缩层。 冲击波挤压光斑下的金属，留下一层通常 1–2 mm 深、带有压残余应力的区域（锁在金属内部、向周围推挤的应力）。
按图案重复。 机器人带着激光光斑逐点沿计算好的图案移动。锁在内部的应力叠加起来，板材就弯曲了；再测量，并用更多脉冲修正。
关键数据
- 材料
- 铝合金（包括铝锂合金）、钛、钢、镍合金
- 典型零件
- 单曲率或双曲率平缓的机翼和机身壁板、加筋壁板、需要校直的变形零件
- 零件尺寸
- 从小零件到几米长的壁板，受机器人臂展限制
- 精度
- 曲率以小而可控的步幅逐渐累积；最终形状经过测量和修正，通常可达零点几毫米以内
- 表面质量
- 有重叠光斑形成的轻微凹坑图案；通常能提高疲劳寿命（抵抗反复载荷下开裂的能力）
- 适合的批量
- 小批量的大型高价值零件，以及修复和校直
- 模具与设备成本
- 无需模具；激光工作站要几百万美元，所以这类加工往往作为服务外购
- 速度
- 每秒几次脉冲；一块大壁板可能要几个小时
优点与局限
优点
- 无需模具：形状就是一段程序，容易更改
- 适用于厚而刚性的板材和整体加筋壁板
- 留下一层受保护的压缩层，能抵抗疲劳裂纹
- 能精确校直变形的零件
局限
- 激光设备非常昂贵
- 只适合平缓的曲率，做不出深的形状
- 大面积时很慢
- 需要仔细建模和测量才能达到目标形状
应用领域
- 飞机带平缓复合曲面的机翼蒙皮壁板
- 航天运载火箭和贮箱的弧形壁板
- 造船大型板材的成形与校直
- 修复与精整校直因焊接或机加工而变形的零件
如何识别
- 一面上有淡淡的、规则的方形或圆形重叠光斑网格。
- 平缓弯曲的厚壁板，没有模具或压机的痕迹。
- 在原本机加工的表面上，常有一块哑光、略有凹坑的区域。
对比
观看
Curtiss-Wright Surface Technologies · 一次脉冲的动画：水层、等离子体、冲击波和残余应力
LSP Technologies · 这种工艺是什么，能做哪些零件
LSP Technologies · 激光扫过时板材当场弯曲
LSP Technologies · 同一种工具用来校直变形的零件
查看实拍照片
- 维基百科：激光冲击强化 — 工艺及其历史，其中有一节讲激光冲击成形
- 维基共享资源图片搜索
记住
- 每次激光脉冲都在一面的小块区域里锁入压应力。
- 成千上万次脉冲按图案排布，让板材弯曲，完全不需要模具。
- 最适合厚而贵重的航空航天壁板的平缓曲面，以及校直。
