激光冲击成形工艺(Laser Shock Forming,LSF)是利用激光与物质相互作用产生激光诱导冲击波,主要通过力效应使金属板材产生塑性变形的一种新型金属板材成形技术。高强度钛板是航空航天工业的重要结构材料,利用二元光学器件改进激光光斑光强的分布,提高钛板激光冲击成形的成形性能,这也是目前钛板成形工艺研究热点之一。本文采用理论分析、工艺试验和模拟仿真相结合的方式,研究板材厚度为0.1mm的TA1、TA2和TC4三种钛板,在不同LSF工艺参数(不同激光能量、光斑光强分布等)下的成形极限和成形质量。首先,采用ABAQUS软件仿真分析了塑性成形过程的变化规律和板料成形缺陷产生的原因,比较了不同激光光斑光强分布对LSF的影响;其次,自制了二元光学器件,并根据模拟优化后的工艺参数进行了激光冲击成形工艺试验;然后利用STIL光谱共焦位移传感器,测量并绘制了试样的成形轮廓图、成形深度柱状图和表面粗糙度图。研究表明,模拟和试验结果相吻合。本文的主要工作和结果有以下几点:(1)介绍了二元光学概念及其在高功率激光制造工艺上的应用,并提出了改善输出光束质量的设计思路。(2)采用GS改进算法进行二元光学器件的设计,制作了有效调制区域为圆形(直径Φ20mm,单位像素尺寸为40?m?40?m,8台阶)的二元光学器件,获得了外径Φ10mm,内径Φ4 mm的环形光斑,并给出了光强分布关系式。(3)根据板材激光冲击成形的光强分布理论,着重分析了高斯圆形光斑、中心有强激光能量的低频环形光斑、中心无强激光能量的低频环形光斑等不同激光光强分布对板材成形极限以及成形质量的影响,并进行了三种钛板的LSF试验研究和成形性能测试。比较结果均表明,中心无强激光能量的低频环形光斑下板材试样的成形轮廓平整度最好,成形深度最深,表面粗糙度最小。(4)以低频环形光斑作为激光光斑光强分布为例,对厚度为0.1mm的方形钛板进行LSF数值模拟,获得了成形过程中不同时刻的应力场和残余应力场。成形轮廓与试验结果相吻合,表明模拟分析模型是可行的。(5)试验和数值模拟分析了脉冲激光参数对钛板激光冲击成形后的成形深度的影响。激光能量大、冲击次数越多、光斑外径越大,板料的成形极限深度越大;激光脉冲宽度则影响不大。(6)研究了钛板激光冲击作用下的破裂问题。破裂会在两个部位发生,一处是激光光斑加载的中心作用区域,主要是由于拉应力过大所致;另一处是激光光斑加载的内外径边缘作用区域,主要是由于应力集中所致。而采用环形光斑LSF能有效避免应力集中,防止板材过早破裂。