目的針對激光熱應力成形彎折區增厚現象，揭示激光熱輸入、彎曲角度和成形機制對彎曲過(guò)程的影響，以及彎折區域形貌的演變規律，為提高激光熱應力成形彎折區域的形貌可控性提供參考。

方法

采用高速相機拍攝成形過(guò)程中熱輸入和彎曲角度對彎折區的宏/微觀(guān)形貌的作用效果，并采用共聚焦顯微鏡觀(guān)察試樣的宏觀(guān)形貌，采用光學(xué)顯微鏡分析微觀(guān)組織，通過(guò)維氏顯微硬度計測量彎折區附近材料的硬度分布情況，同時(shí)結合溫度場(chǎng)數值模擬和表面張力理論分析，揭示彎折區形貌的影響因素及形成機制。

結果

在低比能作用下，彎折區的熔融材料在激光掃描結束后快速凝固，并在掃描次數逐漸增加的過(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(zhù)掃描次數的增加呈現上升趨勢，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(guān)形貌由凸變平，最后呈現凹形形貌，表面粗糙度隨著(zhù)掃描次數的增加呈現相反的變化趨勢，由31.7μm減至5.8μm。此外，在塑性成形過(guò)程中，熔池流動(dòng)仍受到成形角兩側壁面的限制。硬度測試結果表明，激光熱應力成形彎折熔凝區域的硬度略高于基體的硬度，熱影響區的硬度比基體的硬度降低了40%。結論激光熱輸入、彎曲角度和成形機制會(huì )影響彎折區材料表面的擠壓、熔化、流動(dòng)、凝固過(guò)程，以及材料內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)分析激光熱應力成形彎折區的形貌演變過(guò)程，研究激光熱輸入、彎曲角度及成形機制對彎曲過(guò)程的影響，采用高速相機監測成形過(guò)程，分析彎折區宏觀(guān)形貌的變化規律。對比不同比能作用下掃描線(xiàn)上粗糙度的變化情況，并對彎折區周?chē)娘@微組織和硬度分布進(jìn)行檢測。為了深入理解激光熱應力成形彎折區域形貌的形成過(guò)程，通過(guò)溫度場(chǎng)數值模擬和表面張力理論分析，揭示彎折區形貌的影響因素及形成原因。

通過(guò)觀(guān)察激光熱應力成形過(guò)程中彎折處的形貌發(fā)現，激光熱輸入、彎曲角度和成形機制會(huì )影響彎折區材料表面的擠壓、熔化、流動(dòng)和凝固過(guò)程，以及材料內部的溫度梯度和界面表面張力，這些影響導致彎折區域的輪廓形貌、粗糙度、顯微組織、硬度分布發(fā)生變化。在激光熱應力成形過(guò)程中，熔池的受力情況如圖1a所示。一方面，當比能較小且熔凝區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和下側冷端材料的約束作用，通過(guò)作用于上側材料，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束后快速凝固，并在掃描次數逐漸增加的過(guò)程中形成連續隆起的形貌，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材料的橫向約束，該區域在左右兩側材料的擠壓下增厚。

同時(shí)，彎折區隨著(zhù)掃描次數的增加存在持續不斷的熱積累，且激光作用區域整體軟化，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，從而在掃描結束后形成更加光滑的表面形態(tài)。此外，隨著(zhù)熱輸入的變化，激光作用于薄板后，熱傳導方向由底部傳導轉變?yōu)橄騼蓚葌鲗?，相應作用機制從TGM轉變?yōu)锽M，薄板因屈曲產(chǎn)生失穩。隨著(zhù)輸入能量的增加，UM作用效應越顯著(zhù)，如圖1b所示。

另一方面，材料內部的溫度梯度和界面表面張力亦會(huì )導致彎折區的形貌發(fā)生改變。通過(guò)觀(guān)測不同比能和掃描次數下薄板彎折區的成形狀態(tài)發(fā)現，在高比能、多次掃描下，彎折區界面的形貌由凸向凹演變，潤濕角顯著(zhù)降低，如圖1c所示?？梢?jiàn)，比能和掃描次數是造成形貌發(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)而影響彎折區的宏觀(guān)形貌。

通過(guò)對成形過(guò)程彎折區域材料的溫度梯度和界面表面張力進(jìn)行分析可知，激光熱應力成形界面處的表面張力與潤濕角θ的關(guān)系可用楊氏方程表示，見(jiàn)式（1）。在成形結束后，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。

對不同比能和掃描次數下的304薄板進(jìn)行了溫度場(chǎng)數值模擬（以5次掃描為例）。根據模擬結果，在不同比能作用下，掃描線(xiàn)中點(diǎn)區域的溫度場(chǎng)分布存在顯著(zhù)差異。在比能較低時(shí)，激光能量集中在薄板表面，在熱傳導和冷卻作用下，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，薄板存在嚴重的熱積累，薄板中點(diǎn)的峰值溫度變化量為87.3℃，另外，對激光作用中點(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(zhù)掃描次數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通常取為定值，故由式（1）可知，當薄板表面溫度梯度減小時(shí)，氣/液界面的表面張力也減小，潤濕角θ減小。

文中考慮了基體熔化情況下的激光熱應力成形，對比分析了不同比能作用下成形后材料的組織差異。國內外學(xué)者也對激光熱應力成形中表面熔化時(shí)的薄板組織進(jìn)行了研究，結果表明，其板材上部區域存在等軸胞狀晶粒，而結合區存在定向生長(cháng)的枝晶，這與本文的研究結果相符。在硬度分布方面，燕京理工學(xué)院宮喚春等對鎂合金成形后的硬度分布進(jìn)行了分析研究，其結果與本研究在高比能情況下的結果相符。在低比能作用下，由于熱影響區分布存在不同，其硬度分布與高比能作用相比存在明顯差異。隨著(zhù)激光熱應力成形比能的變化，在熱傳導、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力成形過(guò)程中需充分考慮比能的影響。

結論

激光熱輸入、彎曲角度和成形機制是造成彎折區粗糙度和形貌發(fā)生變化的重要因素。隨著(zhù)比能的增長(cháng)和掃描次數的增加，彎折區材料的流動(dòng)性得到增強。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，降低了彎折區域的粗糙度。此外，彎折區域頂部的表面張力減小，導致潤濕角減小，促進(jìn)了材料的平滑鋪展，使得彎折區的宏觀(guān)形貌從凸形逐漸過(guò)渡到平坦，最終轉變?yōu)榘夹巍?