目的针对激光热应力成形弯折区增厚现象，揭示激光热输入、弯曲角度和成形机制对弯曲过程的影响，以及弯折区域形貌的演变规律，为提高激光热应力成形弯折区域的形貌可控性提供参考。

方法

采用高速相机拍摄成形过程中热输入和弯曲角度对弯折区的宏/微观形貌的作用效果，并采用共聚焦显微镜观察试样的宏观形貌，采用光学显微镜分析微观组织，通过维氏显微硬度计测量弯折区附近材料的硬度分布情况，同时结合温度场数值模拟和表面张力理论分析，揭示弯折区形貌的影响因素及形成机制。

结果

在低比能作用下，弯折区的熔融材料在激光扫描结束后快速凝固，并在扫描次数逐渐增加的过程中其表面逐渐隆起，并形成凸起状形貌，表面粗糙度随着扫描次数的增加呈现上升趋势，由5.5μm增至37.6μm。在高比能作用下，熔融材料的流动性得到提升，并在表面张力的作用下充分铺展，宏观形貌由凸变平，最后呈现凹形形貌，表面粗糙度随着扫描次数的增加呈现相反的变化趋势，由31.7μm减至5.8μm。此外，在塑性成形过程中，熔池流动仍受到成形角两侧壁面的限制。硬度测试结果表明，激光热应力成形弯折熔凝区域的硬度略高于基体的硬度，热影响区的硬度比基体的硬度降低了40%。结论激光热输入、弯曲角度和成形机制会影响弯折区材料表面的挤压、熔化、流动、凝固过程，以及材料内部的温度梯度和界面表面张力，在这些因素的影响下弯折区域的轮廓形貌、成形粗糙度、显微组织和硬度分布发生了变化。

本文通过分析激光热应力成形弯折区的形貌演变过程，研究激光热输入、弯曲角度及成形机制对弯曲过程的影响，采用高速相机监测成形过程，分析弯折区宏观形貌的变化规律。对比不同比能作用下扫描线上粗糙度的变化情况，并对弯折区周围的显微组织和硬度分布进行检测。为了深入理解激光热应力成形弯折区域形貌的形成过程，通过温度场数值模拟和表面张力理论分析，揭示弯折区形貌的影响因素及形成原因。

通过观察激光热应力成形过程中弯折处的形貌发现，激光热输入、弯曲角度和成形机制会影响弯折区材料表面的挤压、熔化、流动和凝固过程，以及材料内部的温度梯度和界面表面张力，这些影响导致弯折区域的轮廓形貌、粗糙度、显微组织、硬度分布发生变化。在激光热应力成形过程中，熔池的受力情况如图1a所示。一方面，当比能较小且熔凝区仅存在金属板上表面时，薄板弯折处的增厚主要受到左右两侧和下侧冷端材料的约束作用，通过作用于上侧材料，且上表面局部熔化的材料在顶端表面张力的作用下，形成了顶部凸起的形貌。同时，由于激光瞬态作用时间较短，熔融材料在激光扫描结束后快速凝固，并在扫描次数逐渐增加的过程中形成连续隆起的形貌，在弯折处形貌演变过程中粗糙度逐渐增大。在高比能下，薄板弯折处材料的熔化凝固和塑性变形受到左右两侧材料的横向约束，该区域在左右两侧材料的挤压下增厚。

同时，弯折区随着扫描次数的增加存在持续不断的热积累，且激光作用区域整体软化，较大的弯曲角度限制了顶部熔池的铺展，材料的流动性增强，从而在扫描结束后形成更加光滑的表面形态。此外，随着热输入的变化，激光作用于薄板后，热传导方向由底部传导转变为向两侧传导，相应作用机制从TGM转变为BM，薄板因屈曲产生失稳。随着输入能量的增加，UM作用效应越显著，如图1b所示。

另一方面，材料内部的温度梯度和界面表面张力亦会导致弯折区的形貌发生改变。通过观测不同比能和扫描次数下薄板弯折区的成形状态发现，在高比能、多次扫描下，弯折区界面的形貌由凸向凹演变，润湿角显著降低，如图1c所示。可见，比能和扫描次数是造成形貌发生变化的重要因素，最终通过影响熔池的表面张力和温度梯度，进而影响弯折区的宏观形貌。

通过对成形过程弯折区域材料的温度梯度和界面表面张力进行分析可知，激光热应力成形界面处的表面张力与润湿角θ的关系可用杨氏方程表示，见式（1）。在成形结束后，界面表面张力的矢量和为零，同时熔凝层表面张力与温度梯度存在如式（2）所示的关系。

对不同比能和扫描次数下的304薄板进行了温度场数值模拟（以5次扫描为例）。根据模拟结果，在不同比能作用下，扫描线中点区域的温度场分布存在显著差异。在比能较低时，激光能量集中在薄板表面，在热传导和冷却作用下，多次扫描过程中的热积累较少，在5次扫描过程中，薄板中点的峰值温度变化量为17.9℃。相较之下，在高比能、多次扫描作用下，薄板存在严重的热积累，薄板中点的峰值温度变化量为87.3℃，另外，对激光作用中点沿厚度方向的温度梯度变化情况进行了分析，与高比能相比，在低比能作用下薄板的温度梯度更大，且随着扫描次数的增加和比能的减小，温度梯度不断减小。由于表面张力温度系数通常取为定值，故由式（1）可知，当薄板表面温度梯度减小时，气/液界面的表面张力也减小，润湿角θ减小。

文中考虑了基体熔化情况下的激光热应力成形，对比分析了不同比能作用下成形后材料的组织差异。国内外学者也对激光热应力成形中表面熔化时的薄板组织进行了研究，结果表明，其板材上部区域存在等轴胞状晶粒，而结合区存在定向生长的枝晶，这与本文的研究结果相符。在硬度分布方面，燕京理工学院宫唤春等对镁合金成形后的硬度分布进行了分析研究，其结果与本研究在高比能情况下的结果相符。在低比能作用下，由于热影响区分布存在不同，其硬度分布与高比能作用相比存在明显差异。随着激光热应力成形比能的变化，在热传导、熔化、凝固等因素的影响下，材料的形貌和组织也会发生变化，进而影响其力学性能，因而在分析激光热应力成形过程中需充分考虑比能的影响。

结论

激光热输入、弯曲角度和成形机制是造成弯折区粗糙度和形貌发生变化的重要因素。随着比能的增长和扫描次数的增加，弯折区材料的流动性得到增强。在塑性变形过程中，较大的成形角壁面限制了熔融材料的铺展，降低了弯折区域的粗糙度。此外，弯折区域顶部的表面张力减小，导致润湿角减小，促进了材料的平滑铺展，使得弯折区的宏观形貌从凸形逐渐过渡到平坦，最终转变为凹形。