Institute of Fundamental Technological Research

W niniejszym artykule autorzy przedstawiają założenia oraz wstępne wyniki badań doświadczalnych i symulacji numerycznych procesu formowania elementów cienkościennych z wykorzystaniem wiązki laserowej i obciążenia mechanicznego. Na podstawie założeń zaprojektowano i wykonano stanowisko do gięcia cienkościennych rur i dyfuzorów stożkowych stosowanych w budowie silników lotniczych. Metoda i stanowisko kształtowania, przetestowane w warunkach laboratoryjnych, a także wyniki analizy numerycznej procesu pokazują nowe możliwości formowania elementów cienkościennych

kształtowanie laserowe, obróbka laserowa, elementy cienkościenne, stopy niklu, metoda elementów skończonych

Przedstawiono metodę laserowego kształtowania powłok o powierzchniach rozwijalnych. Materiałem wyjściowym była blacha lub płyta bez naprężeń własnych. W pracy omówiono wyznaczanie rozkładu ścieżek laserowych na powierzchni materiału w ten sposób, aby po jednej sekwencji skanowania płyta przyjęła pożądany kształt. Opisano przykłady planowania dla powłok o powierzchniach rozwijalnych z kierownicami: paraboliczną, eliptyczną, kołową i wielomianową. Dobór parametrów laserowej obróbki zapewnia spełnienie warunku nieprzekraczania zadanej temperatury materiału, np. unikanie nadtapiania powierzchni

kształtowanie laserowe, gięcie laserowe, gięcie termiczne, powierzchnia rozwijalna, kształtowanie powłok

Laser-assisted forming techniques have been developed in recent years to aid plastic working of materials, which are difficult in processing at normal temperatures due to a high brittleness, effects of high work-hardening or a high spring-back phenomenon. This paper reports initial experimental investigations and numerical simulations of a mechanically-assisted laser forming process. The research is aimed at facilitating plastic shaping of thin-walled parts made of high temperature resistant alloys. Stainless steel plate, 1 mm thick, 20 mm wide, was mounted in the cantilever arrangement and a gravitational load was applied to its free end. A CO2 laser beam with rectangular cross-section traversed along the plate, towards the fixed edge. Laser spot covered the whole width of the plate. Experiments and simulations using the finite element method were performed for different values of mechanical load and with constant laser processing parameters. Experimentally validated numerical model allowed analysis of plastic deformation mechanism under the hybrid thermo-mechanical processing. The revealed mechanism of deformation consists in intense material plastic flow near the laser heated surface. This behavior results mainly from the tension state close to the heated surface and the decrease of material yield stress at elevated temperature. Stress state near the side edges of the processed plate favored more intense plastic deformation and the involved residual stress in this region. © (2016) COPYRIGHT Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE). Downloading of the abstract is permitted for personal use only.

laser forming, laser-assisted forming, FEA, thin-walled structure

Kształtowaniem termicznym nazywamy procesy prowadzące do celowej zmiany kształtu przedmiotu z wykorzystaniem zjawiska rozszerzalności termicznej. Poprzez lokalne ogrzewanie materiału wykazującego rozszerzalność termiczną i zdolnego do deformacji plastycznej można w sposób bezdotykowy realizować proces obróbki plastycznej, bez użycia sił zewnętrznych. Precyzyjnym i łatwym do sterowania nośnikiem ciepła dla procesów kształtowania termicznego jest wiązka laserowa, skąd wywodzi się nazwa kształtowanie laserowe. W przypadku deformacji giętnej zachodzącej w jednej płaszczyźnie stosuje się termin gięcie laserowe. W literaturze przedmiotu znane są dwa mechanizmy gięcia laserowego (gradientowy i wyboczeniowy) oraz jeden mechanizm termicznego spęczania blach i płyt.
W pracy przedstawiono wyniki modelowania analitycznego gięcia z wykorzystaniem silnego gradientu temperatury na grubości materiału. Analiza teoretyczna wykazała, że kąt zgięcia płyty otrzymywany po jednym przejściu wiązki można wyrazić za pomocą trzech parametrów bezwymiarowych: liczby Fouriera, średnicy wiązki odniesionej do grubości płyty i temperatury powierzchni pod wiązką odniesionej do temperatury, przy której materiał traci własności sprężyste. Parametry te są liczbami podobieństwa procesu gięcia termicznego i charakteryzują parametry obróbki i własności materiału.
Szczególny nacisk w tej pracy położono na zbadanie wpływu początkowej temperatury materiału na wielkość otrzymywanego kąta zgięcia. Wyniki teoretyczne potwierdzone wstępnymi badaniami doświadczalnymi wykazały, że przy ustalonych parametrach obróbki zależność kąta gięcia od temperatury początkowej posiada maksimum, które w przypadku stali niskowęglowej ma wartość około 225oC. Sformułowano parametr efektywności gięcia termicznego. Przy jego użyciu przeprowadzono analizę wpływu parametrów obróbki na efektywność procesu. Przedstawiono dyskusję dotyczącą głębokości strefy uplastycznienia materiału i jej znaczenia dla wielkości otrzymywanego kąta zgięcia. Wyniki prezentowanych badań dają podstawę do optymalizacji procesu gięcia laserowego.

kształtowanie laserowe, modelowanie analityczne, temperatura krytyczna

W artykule zaprezentowano badania nad bezdotykowym kształtowaniem blach i płyt poprzez ogrzewanie wiązką laserową. Przedstawiono model analityczny gięcia z wykorzystaniem gradientu temperatury na grubości materiału. Kąt zgięcia został wyrażony za pomocą trzech parametrów bezwymiarowych: liczby Fouriera, średnicy wiązki odniesionej do grubości materiału i temperatury powierzchni pod wiązką odniesionej do temperatury, przy której materiał traci własności sprężyste. Zbadano wpływ początkowej temperatury materiału na wielkość otrzymywanego kąta zgięcia. Wyniki teoretyczne potwierdzone badaniami doświadczalnymi wykazały, że przy ustalonych parametrach obróbki zależność kąta zgięcia od temperatury początkowej posiada maksimum.

kształtowanie laserowe, gięcie laserowe, modelowanie analityczne