面向甲醇重整制氢微反应器异形微细波纹板制造难题，采用激光弯曲成形技术制造了“双圆弧”异形微细波纹板。针对“双圆弧”异形波纹板激光弯曲成形过程中的面畸变缺陷，提出了一种变速扫描策略，在不同扫描策略下开展了温度场数值模拟与成形试验研究，并对有无抑制策略下的异形波纹板成形质量进行了评价。结果表明，多段变速策略实现了能量分布的离散化调控，末端热积累显著降低，8段变速时出口处峰值温度相较于恒速扫描下降了13.4%；在变速扫描策略下，法平面弯曲成形面畸变呈减小趋势，弯曲角度差小于1.0°，成形后波纹板流道上下底面的平行度提高了87.5%，波纹度最大降低了51.2%。研究结果表明，变速扫描策略可显著降低激光弯曲成形面畸变，提升波纹板成形质量。

为了提高单曲面激光弯曲成形的精度,基于改进的Denavit-Hatenberg(D-H)建模方法建立各板材弯曲段的坐标系,通过坐标转换给出弯曲板材和目标单曲面在同一坐标系下的数学描述。接着分析圆柱面成形在不同扫描路径处弯曲角度公差的几何影响因素,并提出具有双侧轮廓度偏差的路径规划方法,扫描路径数量越多,各道扫描路径处的弯曲角度公差越小。最后提出一种对弯曲角度误差进行补偿的工艺方法,以半正弦曲面成形为例设计实验。实验结果表明,弯曲角度的误差补偿方法能够实现较高精度的单曲面激光弯曲成形。

为了进一步阐释激光弯曲成形以及边缘效应机理及其控制策略,基于ABAQUS有限元分析软件,建立了不锈钢-低碳钢-不锈钢层状复合板的激光热成形模型,对激光扫描过程中复合板的层间温度场与应力应变场进行了量化分析。研究发现:不锈钢与低碳钢导热性能的差异有利于弯曲角度的形成;造成边缘效应的主要原因是加热路径上温度及板内约束的非均匀化分布;重复加热的方式可以改善表面温度分布,提高成形精度。提出了4种新的扫描策略,最大可使表面温度的相对变化率降低36%,加热线上弯曲角的相对变化率降低51.8%,提高了成形精度,为工业化生产中复合板弯曲成形扫描策略的选择提供了参考。

激光圆弧扫描弯曲可实现圆弧槽形舱壁件无模具成形, 研究其曲面变形规律以及其曲面变形特征具有重要的工程应用意义。首先, 详细分析了扫描次数n、圆弧扫描半径R、板材宽度W以及扫描基准线至自由端长度L对矩形金属层合板曲面变形的影响。同时, 结合各参数对曲面变形作用效果及曲面变形量试验测量数据, 求得各参数下曲面变形量经验函数, 并对其变化规律及趋势进行分析。最后, 利用激光圆弧扫描弯曲策略进行了圆弧槽形舱壁件样件试制, 其中单段圆弧槽两侧壁曲率半径均值分别为84.51、86.77 mm。文中方法为矩形金属层合板激光圆弧扫描弯曲曲面变形规律分析及成形圆弧槽形样件提供了试验依据。

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素, 因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件, 建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型, 通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布, 结合自由端的变形, 分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明: 随着往复扫描次数的增加, 温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡, 中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后, 激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用, 使翘曲变形增大, 1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm, 但随着扫描次数增加, 促进作用减弱, 弦高增长量略降低, 最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果, 温度场最大误差为9.85%, 翘曲线Z向位移最大误差为4.33%, 其中, 弦高误差为2.16%, 为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。

翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验, 建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型, 对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布, 结合自由端的变形, 分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明: 激光扫描过程中, 受初始温度及边界效应的影响, 扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后, 扫描线中间区域出现热累积现象, 热应力增大, 产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知, 板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力, 其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果, 翘曲线最大误差为3.90%, 其中, 弦高误差为3.33%, 为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。

基于参数实验设计,对影响铜-镍多层复合薄板激光弯曲成形的工艺参数进行了筛选;采用中心复合实验设计进行了实验规划,利用响应面建立了工艺参数与弯曲角度之间的数学模型,揭示了各工艺参数的交互式影响规律。采用满意度函数对工艺参数进行了优化,得出了理想的参数组合。

采用顺序耦合的方法建立了交叉筋壁板激光弯曲成形的有限元模型, 对壁板成形过程中的温度场和应变场进行分析, 提出一种变功率扫描策略来减小壁板的非期望变形。结果显示, 恒参数扫描时交叉筋壁板不仅发生横向弯曲, 还发生纵向弯曲, 并且扫描线上的蒙皮发生下凹。分析表明, 蒙皮的下凹是由横向弯曲变形不一致导致的, 纵向弯曲是由纵向塑性压应变导致的; 采用提出的变功率扫描策略可以有效减小壁板的非期望变形, 将蒙皮的最大下陷量和自由端的相对弯曲程度分别减小了80%和58%。

利用响应曲面法建立了管材激光弯曲成形弯曲角度的工艺模型, 并设计实验验证了模型的可靠性。通过该模型分析了自由端距离、辐射长度、扫描包角和扫描次数等工艺参数对弯曲角度的交互影响。结果表明, 自由端距离、扫描次数和辐射长度对弯曲角度有显著影响, 扫描包角对弯曲角度影响不大；辐射长度与扫描次数间的交互作用较弱, 与自由端距离具有较强的交互作用。