目的針對(duì)激光熱應(yīng)力成形彎折區(qū)增厚現(xiàn)象，揭示激光熱輸入、彎曲角度和成形機(jī)制對(duì)彎曲過(guò)程的影響，以及彎折區(qū)域形貌的演變規(guī)律，為提高激光熱應(yīng)力成形彎折區(qū)域的形貌可控性提供參考。

方法

采用高速相機(jī)拍攝成形過(guò)程中熱輸入和彎曲角度對(duì)彎折區(qū)的宏/微觀形貌的作用效果，并采用共聚焦顯微鏡觀察試樣的宏觀形貌，采用光學(xué)顯微鏡分析微觀組織，通過(guò)維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量彎折區(qū)附近材料的硬度分布情況，同時(shí)結(jié)合溫度場(chǎng)數(shù)值模擬和表面張力理論分析，揭示彎折區(qū)形貌的影響因素及形成機(jī)制。

結(jié)果

在低比能作用下，彎折區(qū)的熔融材料在激光掃描結(jié)束后快速凝固，并在掃描次數(shù)逐漸增加的過(guò)程中其表面逐漸隆起，并形成凸起狀形貌，表面粗糙度隨著掃描次數(shù)的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，由5.5μm增至37.6μm。在高比能作用下，熔融材料的流動(dòng)性得到提升，并在表面張力的作用下充分鋪展，宏觀形貌由凸變平，最后呈現(xiàn)凹形形貌，表面粗糙度隨著掃描次數(shù)的增加呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，由31.7μm減至5.8μm。此外，在塑性成形過(guò)程中，熔池流動(dòng)仍受到成形角兩側(cè)壁面的限制。硬度測(cè)試結(jié)果表明，激光熱應(yīng)力成形彎折熔凝區(qū)域的硬度略高于基體的硬度，熱影響區(qū)的硬度比基體的硬度降低了40%。結(jié)論激光熱輸入、彎曲角度和成形機(jī)制會(huì)影響彎折區(qū)材料表面的擠壓、熔化、流動(dòng)、凝固過(guò)程，以及材料內(nèi)部的溫度梯度和界面表面張力，在這些因素的影響下彎折區(qū)域的輪廓形貌、成形粗糙度、顯微組織和硬度分布發(fā)生了變化。

本文通過(guò)分析激光熱應(yīng)力成形彎折區(qū)的形貌演變過(guò)程，研究激光熱輸入、彎曲角度及成形機(jī)制對(duì)彎曲過(guò)程的影響，采用高速相機(jī)監(jiān)測(cè)成形過(guò)程，分析彎折區(qū)宏觀形貌的變化規(guī)律。對(duì)比不同比能作用下掃描線上粗糙度的變化情況，并對(duì)彎折區(qū)周圍的顯微組織和硬度分布進(jìn)行檢測(cè)。為了深入理解激光熱應(yīng)力成形彎折區(qū)域形貌的形成過(guò)程，通過(guò)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬和表面張力理論分析，揭示彎折區(qū)形貌的影響因素及形成原因。

通過(guò)觀察激光熱應(yīng)力成形過(guò)程中彎折處的形貌發(fā)現(xiàn)，激光熱輸入、彎曲角度和成形機(jī)制會(huì)影響彎折區(qū)材料表面的擠壓、熔化、流動(dòng)和凝固過(guò)程，以及材料內(nèi)部的溫度梯度和界面表面張力，這些影響導(dǎo)致彎折區(qū)域的輪廓形貌、粗糙度、顯微組織、硬度分布發(fā)生變化。在激光熱應(yīng)力成形過(guò)程中，熔池的受力情況如圖1a所示。一方面，當(dāng)比能較小且熔凝區(qū)僅存在金屬板上表面時(shí)，薄板彎折處的增厚主要受到左右兩側(cè)和下側(cè)冷端材料的約束作用，通過(guò)作用于上側(cè)材料，且上表面局部熔化的材料在頂端表面張力的作用下，形成了頂部凸起的形貌。同時(shí)，由于激光瞬態(tài)作用時(shí)間較短，熔融材料在激光掃描結(jié)束后快速凝固，并在掃描次數(shù)逐漸增加的過(guò)程中形成連續(xù)隆起的形貌，在彎折處形貌演變過(guò)程中粗糙度逐漸增大。在高比能下，薄板彎折處材料的熔化凝固和塑性變形受到左右兩側(cè)材料的橫向約束，該區(qū)域在左右兩側(cè)材料的擠壓下增厚。

同時(shí)，彎折區(qū)隨著掃描次數(shù)的增加存在持續(xù)不斷的熱積累，且激光作用區(qū)域整體軟化，較大的彎曲角度限制了頂部熔池的鋪展，材料的流動(dòng)性增強(qiáng)，從而在掃描結(jié)束后形成更加光滑的表面形態(tài)。此外，隨著熱輸入的變化，激光作用于薄板后，熱傳導(dǎo)方向由底部傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橄騼蓚?cè)傳導(dǎo)，相應(yīng)作用機(jī)制從TGM轉(zhuǎn)變?yōu)锽M，薄板因屈曲產(chǎn)生失穩(wěn)。隨著輸入能量的增加，UM作用效應(yīng)越顯著，如圖1b所示。

另一方面，材料內(nèi)部的溫度梯度和界面表面張力亦會(huì)導(dǎo)致彎折區(qū)的形貌發(fā)生改變。通過(guò)觀測(cè)不同比能和掃描次數(shù)下薄板彎折區(qū)的成形狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在高比能、多次掃描下，彎折區(qū)界面的形貌由凸向凹演變，潤(rùn)濕角顯著降低，如圖1c所示。可見(jiàn)，比能和掃描次數(shù)是造成形貌發(fā)生變化的重要因素，最終通過(guò)影響熔池的表面張力和溫度梯度，進(jìn)而影響彎折區(qū)的宏觀形貌。

通過(guò)對(duì)成形過(guò)程彎折區(qū)域材料的溫度梯度和界面表面張力進(jìn)行分析可知，激光熱應(yīng)力成形界面處的表面張力與潤(rùn)濕角θ的關(guān)系可用楊氏方程表示，見(jiàn)式（1）。在成形結(jié)束后，界面表面張力的矢量和為零，同時(shí)熔凝層表面張力與溫度梯度存在如式（2）所示的關(guān)系。

對(duì)不同比能和掃描次數(shù)下的304薄板進(jìn)行了溫度場(chǎng)數(shù)值模擬（以5次掃描為例）。根據(jù)模擬結(jié)果，在不同比能作用下，掃描線中點(diǎn)區(qū)域的溫度場(chǎng)分布存在顯著差異。在比能較低時(shí)，激光能量集中在薄板表面，在熱傳導(dǎo)和冷卻作用下，多次掃描過(guò)程中的熱積累較少，在5次掃描過(guò)程中，薄板中點(diǎn)的峰值溫度變化量為17.9℃。相較之下，在高比能、多次掃描作用下，薄板存在嚴(yán)重的熱積累，薄板中點(diǎn)的峰值溫度變化量為87.3℃，另外，對(duì)激光作用中點(diǎn)沿厚度方向的溫度梯度變化情況進(jìn)行了分析，與高比能相比，在低比能作用下薄板的溫度梯度更大，且隨著掃描次數(shù)的增加和比能的減小，溫度梯度不斷減小。由于表面張力溫度系數(shù)通常取為定值，故由式（1）可知，當(dāng)薄板表面溫度梯度減小時(shí)，氣/液界面的表面張力也減小，潤(rùn)濕角θ減小。

文中考慮了基體熔化情況下的激光熱應(yīng)力成形，對(duì)比分析了不同比能作用下成形后材料的組織差異。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)激光熱應(yīng)力成形中表面熔化時(shí)的薄板組織進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，其板材上部區(qū)域存在等軸胞狀晶粒，而結(jié)合區(qū)存在定向生長(zhǎng)的枝晶，這與本文的研究結(jié)果相符。在硬度分布方面，燕京理工學(xué)院宮喚春等對(duì)鎂合金成形后的硬度分布進(jìn)行了分析研究，其結(jié)果與本研究在高比能情況下的結(jié)果相符。在低比能作用下，由于熱影響區(qū)分布存在不同，其硬度分布與高比能作用相比存在明顯差異。隨著激光熱應(yīng)力成形比能的變化，在熱傳導(dǎo)、熔化、凝固等因素的影響下，材料的形貌和組織也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其力學(xué)性能，因而在分析激光熱應(yīng)力成形過(guò)程中需充分考慮比能的影響。

結(jié)論

激光熱輸入、彎曲角度和成形機(jī)制是造成彎折區(qū)粗糙度和形貌發(fā)生變化的重要因素。隨著比能的增長(zhǎng)和掃描次數(shù)的增加，彎折區(qū)材料的流動(dòng)性得到增強(qiáng)。在塑性變形過(guò)程中，較大的成形角壁面限制了熔融材料的鋪展，降低了彎折區(qū)域的粗糙度。此外，彎折區(qū)域頂部的表面張力減小，導(dǎo)致潤(rùn)濕角減小，促進(jìn)了材料的平滑鋪展，使得彎折區(qū)的宏觀形貌從凸形逐漸過(guò)渡到平坦，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榘夹巍?