材料力学性能的激光调控.docx
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材料力学性能的激光调控
材料力学性能的激光调控技术
（1）
从激光加工技术谈起
为什么要调控材料的力学性能？
当然是为了改善和提高材料的可加工性或其使用性能。
为什么要用激光来调控材料的力学性能？
这是因为激光加工具有常规机械加工难以企及的多种优势。
在调控材料的力学性能方面，以激光能作为手段的加工与以机械能作为手段的常规加工到底有什么不同？
其优势究竟体现在那些方面？
好吧，不要着急，听我们从机器、机械加工到激光加工，一步一步地给你讲起来……
人类演化成为“现代人”的标志是制造工具。
当然，远古人类只能用石、木、土、革等类材料“制造”一些简单的工具。
随着社会的进步和金属材料的出现，人类逐渐发明、制造了各种机器，它们是用于节省或代替人力或畜力以完成各种体力劳动的、具有特殊用途的装置。
一般而言，机器是由两个以上的零部件构成的，这些零件、部件之间有确定的相对运动（谁都明白，机器不能是一个“死疙瘩”啰!
），用来转换或利用机械能做功。
现代的机器通常具有动力、传动和工作三个组成部分。
如果两个以上的构件通过活动联接来实现规定的运动但不做功，便称作机构。
人们常说的机械，则是机器和机构的泛称。
图1给出人类发明的机器从简单、粗糙到复杂、精密的示例。
这是一个漫长的过程。
18世纪后期，机械制造工业开始形成，制作机械的主要材料逐渐由木材变为金属，制作机械的方式逐渐由个体工匠的手工技艺变为机械化加工与装配而且实现了批量化生产。
机械制造工业的发展促成了18-19世纪的工业革命，目前任何现代产业和工程领域都需要应用机械，直到我们每个人的日常生活（例如汽车、洗衣机、空调等等）。
人们常常说的“机械和人力、资金、能量、材料一起构成了现代社会进行生产和服务的五大要素”，就体现了这个意思，而且其中的“能量”和“材料”两个要素的生产也必须依赖于机械。
机械的重要性是不言而喻的，那么机械是如何制作出来的呢？
这就涉及到加工的问题了。
机器的每个零件不是“天生”而有的，都是人工制造出来的。
“材料加工”就是把工业原料制作成零部件或产品的过程。
它的作用为：
（1）把原材料做成需要的形状；
（2）改变或改善材料的性能，使之满足工作的需要。
这里的第
（1）点不难理解，就是要利用机械能对原材料（或者坯料、半成品）进行加工使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量，例如转轴、齿轮、滚筒、滑杆等等。
利用机械能进行加工一般需要通过具有一定功能的机器或机床来实施，譬如轧机、锻压机床、冲床，以及可以实施车、刨、铣、钻、镗、锯、磨、剪等各类加工工艺的机器。
尽管激光加工也可以发挥上述多数机械加工的功能，但因与本文的主题关系不大，我们就不对这方面的情况展开叙述了。
本文讨论的重点是材料加工的第二种作用，即改变或改善材料、特别是材料表层的力学性能。
这里所说材料的力学性能究竟是指什么呢？
它主要是指材料的宏观性能，包括弹性、塑性、抗冲击能力以及强度、刚度、硬度、韧性、疲劳和蠕变等。
这些性能既与材料的化学成分有关，也与其加工工艺关系密切。
因为热加工工艺可以改变材料的晶体结构、晶粒大小以及工件内部残余应力的大小和分布，车、铣、刨、磨、镗等机械加工工艺可以改变工件表层的形貌和粗糙度，喷丸和爆炸等冲击工艺可以通过增加工件表层的残余压应力提升其耐磨损能力和抗疲劳能力。
20世纪40年代以来，随着高新技术的进展，人们研发出直接利用声、光、电或化学能的“特种加工”方法。
之所以被冠以“特种”，是因为它们的加工机理不同于前面提及的传统机械能加工方法，例如超声波加工、激光加工、电火花加工、电子束加工、离子束加工、等离子弧加工等。
这些特种加工方法在提高产品质量、生产效率和经济效益等方面显示出了巨大的优越性。
因为具有更高的能量密度、更好的方向性、兼备多种功能、可以在大气环境下工作等一系列优势，激光加工成为特种加工技术中更具特色、应用前景更为广阔的现代加工技术之一。
以下我们将重点介绍激光加工技术。
首先，我们来了解什么是激光。
激光是一种通过入射光子的激发使处于亚稳态的较高能级的原子、离子或分子跃迁到低能级时完成受激辐射所发出的光。
根据近代原子物理可知，由于电子在原子中是“成层”分布的（即在不同的轨道上运动），原子的内能按“能级”分布；电子在最靠近原子核的轨道上时是最稳定的一级，称为“基态”，其余较高能级则称“激发态”；处于激发态的原子是不稳定的，它总是力图向低能级跃迁并可以辐射出光能来；这种跃迁可以是“自发”的，也可以是“受激”的；“受激辐射”就是原子在吸收外来光子的能量后发射出同样（指方向、频率、相位、偏振等特性）的光子。
这样产生的受激辐射光，简称为“激光”。
大家知道吗？
这个术语的中文译名还是钱学森先生建议的呢!
（a）CO2轧辊毛化 （b）YAG激光轧辊刻花
图2激光加工实景照片
激光除了具有普通光的共性（反射、折射、绕射以及衍射相干等）外，还具有亮度高、方向性好、单色性好及相干性好等四大优点，因此在国防军事、工业生产、医学医疗、科学研究等领域得到了广泛应用。
激光在机械制造中已用于对材料进行打孔、切割、焊接、热处理和表面改性等。
激光加工是利用激光束使材料瞬时熔化、气化，它可以利用在此过程中产生的冲击波使熔化物质“爆炸式”地喷溅或去除来实现加工，亦可以利用激光的冲击加热来实现材料的增强与增韧、改性与改性。
激光加工的特点是：
（1）适用的材料范围广，可加工各类金属、陶瓷、石英甚至金刚石等；
（2）能量密度高，加工速度快，热影响区小，工件变形小且后续加工量少；（3）聚焦光斑可达微米量级，适于微细加工，并可通过透明介质（如玻璃、气体等）对密闭容器内工件进行加工；（4）无需工具并易于导向、聚集和发散，适于自动化连续操作；（5）不受电磁干扰，无需真空环境，不会产生X射线，是一种“无公害”工艺。
当然激光加工也有一些缺点，主要有：
（1）对具有高热传导率或高反射率的材料进行加工较为困难；
（2）光斑内光强分布不均匀，影响着加工精度。
这些都给激光加工技术的研发者提出了挑战。
陈光南研究团队多年来一直致力于激光离散热加工方法的探索研究，这是一种利用具有一定能量密度的激光束，离散地或有选择地作用于工件的表面，通过改变作用区域内工件表面形貌、材料的组织结构，或者通过调整控制材料的内应力，使之获得设定的功能、性能或变形。
现在，大家大体明白什么是“力学性能的激光调控”了吧？
近年来陈光南研究团队在激光毛化、激光镀层强化和激光辅助预应力成形等方面取得了很好的进展。
在随后的文章中，我们将逐个介绍他们的研究工作。
材料力学性能的激光调控技术
（2）
激光毛化方法及其应用
冲压用精密冷轧薄钢板和钢带是冶金行业的高技术产品，在汽车和电器等工业部门应用非常广泛，因为这些产品的外蒙皮都是由薄板在模具上冲压而成形的。
为减小冲压时成形件与磨具间的摩擦力和增加材料的流动性能，这类钢板必须是毛面（就是说，钢板的表面需要具备一定的形貌和粗糙度），而这种毛面则是通过平整轧制工序从毛面工作轧辊的表面复制得到的。
因此，对冷轧工作辊进行毛化加工，调控其表面形貌和粗糙度，就成为相关企业生产这类产品的一项重要程序。
但开始我国相关行业对此认识不足，以致于在很长一段时间里，我们的轧钢厂即使引进了国外先进的轧制设备，国产产品与国外同类产品的质量相比仍存在相当大的差距。
1992年，在首都钢铁公司钢铁研究所、北京大恒公司和北京吉普有限公司等单位的配合下，中国科学院力学研究所研制出我国首台YAG激光毛化设备，开发了针对冷轧辊的激光毛化工艺，并于同年将其成功应用于我国第一家专门生产精密薄带钢的秦皇岛龙腾精密带钢有限公司。
目前，我国自行研发的轧辊激光毛化技术与装备，已得到冶金行业的广泛认可。
应用激光毛化技术的产品也从最初的低碳钢板，逐渐扩大到普碳钢、合金钢甚至铝合金产品。
激光毛化轧辊的应用从冷轧平整工序扩展到了冷轧工序。
激光毛化技术已从生产毛面钢板，扩展到提高轧辊的使用性能和使用寿命，成为可以兼顾改形与改性、功能与结构以及增强与增韧的多目标综合应用技术。
轧辊激光毛化技术原理是，用高重复频率和高功率密度脉冲激光（CO2激光用机械方法调制脉冲，YAG激光用Q开关调制脉冲），按照一定的分布（有规则或随机分布），逐点对轧辊表层材料进行微米尺度的熔凝加工，同时利用高压气流，按设定方向、位置和形态移动并堆积熔体。
因此，所谓轧辊激光毛化加工，实际上是以激光和气流为手段，对轧辊表面进行的有一定图案和形貌要求的显微雕塑过程（见图2，3）。
经过激光加工的轧辊表层强韧性得到提升，其结果不仅是增加了轧辊的使用寿命，而且提高了所轧制钢板的力学性能。
图2YAG激光毛化花样（左：
单脉冲，右：
多脉冲）
图3单脉冲激光毛化点的剖面形貌（500X
那人们自然会问：
激光毛化轧辊延寿的机制是什么？
我们的专家给出了“减压增韧”、“改性增强”和“改形减磨”三个说法。
下面让我们一一解析这里面的道理吧。
（1）所谓减压增韧，就是通过降低残余压应力强度来提高轧辊表层的韧性。
我们知道，冷轧工作轧辊多采用高强度合金钢甚至高速钢制造，为了进一步提高其表层的硬度和耐磨损能力，在轧辊制造的最后阶段还须对其表层进行淬火处理，但由此形成的残余压应力也有增大轧辊表层脆性甚至导致表层局部崩裂的风险。
研究表明，激光毛化处理可以在轧辊表面制造粗糙度的同时，有效缓解其表层的残余压应力状态。
X射线应力仪测试证明：
当激光毛化点的间距与其直径（一般为200微米）相等时，轧辊表层的残余压应力强度随在每个毛化点作用的激光脉冲数的增加而下降，但当激光脉冲数大于6时则可能产生残余拉应力。
因此，从延长其寿命的角度看，激光毛化轧辊的工艺参数必须限定在合适的范围内。
（2）所谓改性增强，是通过相变和细化组织来提升表层材料的硬度。
激光离散处理不仅可以获得比常规热处理更高的改性强化效果，还可以通过进一步提高冷却效果、缓解和分散残余应力集中程度，提升辊面材料的强韧水平。
激光毛化所用脉冲激光的功率密度甚高且作用时间很短（亚微秒至微秒量级），毛化点内的物质迅速熔融又快速凝固，所形成的凝固组织的细化程度及其硬度水平远高于常规热处理。
激光毛化点的剖面结构（参见图3），由表及里大致可以分为三层：
即快速凝固层（即白亮带，为纳米晶甚至非晶组织，其硬度≥900HV）、固态相变层（为针状或板条马氏体组织，其硬度≈800HV）和基体（一般为马氏体和贝氏体组织，其硬度≈700HV）。
此外，因为激光毛化点（即硬化点）呈离散分布，由此形成的软硬相间辊面结构可以进一步提高轧辊的耐磨损能力。
（3）所谓改形减磨，是通过改善辊面与轧件的接触条件来减小轧件对辊面的磨损。
激光毛化在轧辊表面形成的微小结构，是离散分布的封闭微坑和相对光滑的凸包。
轧辊轧制钢板时，这种微结构会与轧件之间形成如图4所示的接触状态。
由于咬合良好，双方不易发生滑动，轧辊因此不易磨损。
此外，封闭于微坑内的轧制液可在轧辊与轧件咬合后产生高压，这样既有利于保持其润滑作用，又有利于减少轧辊与轧件发生粘连的有害现象发生。
这里要告诉大家的是，专家们进行的对比试验表明激光毛化辊的延寿效果十分显著，以400mm宽森吉米尔轧机冷轧低碳钢薄板为例，平整轧制退火薄板时（压下率小于1%），激光毛化轧辊的磨损率远低于常用的喷丸毛化轧辊，其轧制产品的长度亦是后者的两倍以上。
图4激光毛化轧辊辊面与轧件接触条件示意
接着人们还会问道：
激光毛面薄板性能优化的机制又是什么呢？
刚才提到，由于轧辊表面存在微结构形貌，在轧制过程中轧辊和轧件之间不易发生滑动，从而不易在轧件表面形成划痕和犁沟，由于封闭型微坑内存留轧制液减小轧辊与轧件发生粘连的可能性，这些都是保证产品质量的重要方面。
但是，既然没有激光的直接作用，那激光毛化为什么能影响钢板的塑性变形能力呢？
以下分三个部分来讨论这一问题：
（1）激光毛化轧辊与钢板或钢带是如何关联的？
激光毛化轧辊时，轧辊表面既有形貌改变，亦有组织和性能的改变，还可能产生残余拉应力。
用它来平整轧制钢板或钢带时，除了表面形貌外，轧辊的其它变化是不能被“复制”或传递给轧件的。
板与辊之间关系只有受迫变形和复制形貌。
一般讲，辊面的凸包对应板面的凹坑，其传递效率较高，可达80%；辊面的凹坑对应板面的凸包，其传递效率较低，只有20%左右）。
（2）毛化形貌如何改善钢板或钢带的塑性变形能力？
前面已经讲到，通过形貌转移，轧辊可以在被轧钢板或钢带表面的对应部位上形成凸包和凹坑。
这些凸包和凹坑处的材料，因其变形程度大于其它区域而获得更大的硬化效果。
离散分布的这种硬化区具有均化和稳定变形、延缓变形集中、从而提升激光板塑性变形能力的功能。
我们的专家分别采用砂轮磨光轧辊和激光毛化轧辊，对同一卷0.35mm厚08F冷轧退火钢带进行了压下率为3%的平整轧制，并在获得的光面板和激光毛面板上分别取样进行拉伸试验。
其结果（如图5所示）证实：
激光毛化使08F钢板的延伸率提高近5倍。
图508F钢激光板与普通板拉伸性能对比
（3）激光毛化方法改善钢板或钢带塑性变形能力机制是什么？
我们专家在扫描电镜下进行动态拉伸试验，结果发现：
进入塑性变形阶段后，样件表面的滑移线首先出现在远离毛化点的区域，这显然是因为毛化点具有更高的硬化程度不易发生塑性变形的缘故，虽拉伸载荷进一步增加，板面滑移线的密度也不断增加并向外扩展，但在这些地区的硬化程度与毛化点的预应变硬化程度相当之前，滑移线无法逾越毛化点，这样就出现了滑移线在毛化点周边富集的现象（参见图6），这一现象在硬化点参与样件的整体变形之后才会消失。
这就是说，激光板拉伸变形时，离散分布的硬化点在客观上发挥了均化变形、稳定变形和延缓变形集中的作用。
图6滑移线在激光板面硬化点周边塞集的形态（SEM）
最后，我们来看看YAG激光毛化技术发展应用情况：
（1）在改善轧辊的性能与功能方面,力学所的专家们开发成功通过改善辊板接触条件防止带钢退火粘结以及通过提高其表层的强韧水平延长轧辊寿命的激光毛化技术等。
（2）在提高轧机生产效率方面，力学所的专家们开发成功通过改善轧辊与薄板间的摩擦条件以提高轧机轧制速度的激光毛化技术，还开发成功利用上下工作轧辊的粗糙度差异在普通冷轧机上实现异步轧制的激光毛化技术等。
（3）在发展新型薄板产品方面，力学所的专家们开发成功光亮度和冲压性能兼优的精密带钢和镜面钢板生产技术等。
材料力学性能的激光调控技术（3）
激光镀层强化方法及其应用
电镀的铬层具有优良的高温强度、化学稳定性和耐磨损能力，因此，作为提高工件寿命的重要手段，电镀铬工艺在工程上用途十分广泛。
镀层容易过早剥落是进一步提高电镀铬工件寿命的主要障碍。
为了解决这个问题，人们曾经发展过多种改进技术措施，包括前处理（如改善基体材质或对基体进行强化处理等）、过程处理（如改善电镀工艺和镀液配方等）、以及后处理（即对镀层进行去应力退火和重熔等）等等。
这些措施虽然对于解决镀层的过早剥落有一定作用，但它们的综合效果仍难以满足不断提升的工程需求。
对于那些需要在反复经受高温、高压和强烧蚀环境的电镀铬部件，因镀层易于过早剥落导致的寿命问题尤其严重，已经成为其实现整个工程目标的关键技术难题。
陈光南研究团队提出的技术方案是：
利用高能密度激光离散强化基底，并通过基底变化影响电镀时铬原子的沉积过程，优化界面、增强镀层、改善整个镀层系统的残余应力分布。
这里我们先通过一个实例来看他们研发技术的特点和应用效果：
某钢基电镀铬部件的设计综合寿命应为3000周次，但采用传统处理方法时其综合寿命只能达到2000周次，而采用基体激光预处理方法后其综合寿命超过3000周次；他们进一步改进激光工艺后，其综合寿命又进一步提高到4500周次。
图1示出基体经过激光预处理形成的电镀铬镀层的复合材料结构，其中给出了激光处理有两种不同的离散方式。
为确定激光离散预处理工艺的作用效果，对a、b两种电镀铬部件（a部件采用激光离散预处理工艺，b部件采用传统工艺）进行了实用考核（工况条件为周期性强热、化学和机械力冲击联合作用），寿终后取样在扫描电镜下观察。
图2给出了两部件的镀层表面寿终状态，其中1、2、3分别表示该部件远端出口、中部和近燃烧室部三个不同位置处的状况。
显然，在上述三个部位处，a部件的镀层剥落和磨损程度都明显低于b部件。
图3为寿终镀层的剖面状态：
a部件的出口部（参见（a1）所示）镀层仍基本完整，其近燃烧室部（参见（a3）所示）虽烧蚀严重但仍有镀层残留；但b部件仅经受热机械冲击2000周次，相应部位的镀层便消失殆尽（参见（b1）所示），而且近燃烧室部位的基体也发生了严重的开裂（参见（b3）所示）。
他们还对两种镀层进行了超声腐蚀试验，结果示于图4，其中腐蚀时间t分别是15分钟、45分钟和1小时15分钟。
它表明：
激光预处理镀层（a系列）的耐腐蚀能力明显高于传统镀层（b系列）。
大家可能要问：
为什么激光预处理能够如此显著地延长镀层的寿命？
通过研究分析，我们的专家发现，这是因为激光预处理基体技术综合利用了强韧协同、结构性能遗传特性和裂纹增韧等三种机制的缘故。
现分别解释如下：
（1）．所谓强韧协同机制，是指利用高能激光束快速注入能量，通过马氏体相变和细化组织提升激光作用区表层材料的硬度和韧性，提升基体对于镀层的支撑能力并缓解其与镀层间的硬度梯度（参见图5左）；同时，通过离散处理形成均匀分布的强韧相间结构，以缓解和分散基体表层在激光强化过程中产生的残余应力、降低其导致镀层开裂和剥离的可能性。
通过对比分析激光预处理电镀铬工件表层初始和寿终的硬度变化曲线（参见图5右），专家们发现：
即使到了寿终，即工件的表层经历了3000次热机械循环后，虽然其总体硬度明显下降，其中镀层的硬度下降幅度更为显著，但镀层和基体激光强化区域的硬度仍然高于基体原始组织，也就是说，激光加工的强化效果仍然存在。
这从一个侧面反映了激光预处理对于工件全寿命的意义。
（2）．所谓结构性能遗传机制，是指基体表层因激光预处理获得的离散强化效果和强韧相间结构特征，可以通过影响电镀时镀层原子的沉积过程产生遗传效应，使镀层及其与基体的界面也获得相应的强化效果和结构特征。
为揭示这一机制，我们的专家开展了一系列实验研究。
通过扫描电镜（SEM）观察他们发现：
在相同电镀铬工艺条件下，在原始基体和激光预处理基体上生长的镀层界面（interface）具有明显不同的结构特征（参见图6），前者的界面相对粗糙，并存在厚度约为2-3微米的“夹芯层”（参见图6a和c）；而后者的界面致密、清洁，呈现外延生长特征（参见图6b、d）。
根据这两种镀层组织的透射电镜（TEM）照片（参见图7a、b及其右上角的衍射图像），我们可以更清楚地看出激光预处理基体对于镀层组织的影响：
图7a为在原始基体上生长的（普通）镀层组织，其右上角的衍射环内环由6个白点构成，这表明该组织的尺度相对粗大；图7b为激光预处理基体上生长的铬层组织，其右上角的衍射环内环已几乎分辨不出白点结构，这说明镀层的组织尺度明显小于前者。
纳米显微硬度试验结果（参见图8）进一步表明：
在相同压入深度条件下，激光处理基体上生长的铬层的变形抗力，比原始基体上生长的铬层提高了约20%。
（3）．所谓裂纹增韧机制，是指利用激光预处理形成的强韧相间结构调控镀层中裂纹的间距和位置，同时，由于裂纹生长需要消耗镀层的弹性内能，这在客观上起到了降低裂纹沿界面扩展的驱动力作用。
前面我们已经提到，激光预处理镀层部件在工作服役时，它的硬质部分（即激光预处理基体以及生长在其上的镀层）是支撑和抵御外部载荷的主力，它的韧性部分（即基体与镀层的其余部分）则可以缓解和吸收硬质部分在抵御外载荷过程中产生的应力和变形。
因此，这种强韧结合的结构可以有效地减少和延滞镀层中的裂纹形成。
这就是所谓的“强韧协同机制”。
一般而言，在电镀铬过程中，由于铬原子（Cr）的沉积、结晶形核和长大，镀层内的应力会逐渐增大以至于超过电镀铬的断裂强度。
因此，即使是尚未服役的电镀铬镀层，它的内部也往往存在大量的微裂纹（microcracks）。
在工件的服役过程中，在初始内应力和外载荷共同作用下，镀层中一些局部地区的微裂纹会串联、长大，逐步发展形成由表及里、贯穿整个镀层厚度、直达基体的分割性裂纹,它们往往呈短周期性分布（shortperiodicalcracks）。
。
这类裂纹在工程中往往不受欢迎，但却无法避免（参见图9所示）。
利用激光离散预处理不仅使基体、也使在其上生长的镀层的性能呈现长周期性特征（longerperiodicalcracks）。
分析和观察结果（图10和图2）表明：
镀层系统中的这种长周期特征可以通过控制残余应力分布来调控镀层的分割性裂纹间距，长周期裂纹的出现因为可以有效降低镀层内残余应力强度，从而可以显著降低短周期裂纹出现及其扩展成破坏性裂纹的可能性。
仔细观察两幅图，可以发现与图10中最大拉伸应力部位对应地呈现出周期性的雏形主裂纹（图9中白色箭头所指处）。
服役时，这些雏形主裂纹发展成走向与激光扫描路径平行、间距等于激光预处理离散度的条状主裂纹（参见图2a所示的镀层表面裂纹图样）。
镀层主裂纹间距能被有效调控并保持到寿终。
长周期裂纹能发挥增韧效应，是因为在其形成和长大过程中需要消耗镀层的内能，从而降低镀层与基体的界面应力。
从镀层对基体的防护角度看，人们希望减少镀层中主裂纹的数量，因为这样有利于降低热环境对基体的伤害。
然而，从利用主裂纹降低界面应力（它也可以看成是界面破坏的一种驱动力）的角度看，镀层中主裂纹的存在有一定的正面作用。
如何掌控正负作用的平衡呢？
我们的专家通过研究分析得知：
关键是要控制主裂纹的间距，即要设法将主裂纹的间距控制在其能有效发挥作用的范围之内。
有了基体激光预处理方法，我们就有了调控主裂纹间距的手段。
摆在专家面前的问题是：
如何建立激光扫描轨迹之间距的设计依据，也即如何获得能有效利用和协调这两方面优势的临界主裂纹间距。
陈光南团队通过数值计算分析，提出了一个经验公式，可以为基体激光离散处理的扫描间距设计提供参考。
材料力学性能的激光调控技术（4）
激光辅助预应力成形方法
这里，我们首先要解释一下“成形”这个术语，成形是机械制造领域的重要制造方法之一。
广义的“成形”包括：
铸造、锻造、轧制、堆焊和钣金成形等多种工艺手段。
但本文所述的“成形”特指对钣金零件（即薄壁或薄壳类零件）实施弯曲或拉弯塑性变形，使之获得设定尺寸和形状的加工过程。
在成形制造中，人们会遇到这样一类钣金零件，或者因为结构形状十分复杂（譬如马鞍形工件），或者因为具有网状高筋条的支撑结构（譬如整体壁板），很难采用上述方法实现塑性成形。
目前，解决这类零件成形难题的主要方法是“喷丸成形”和“时效成形”。
喷丸成形方法很容易从字面上理解，就是用高速钢球撞击零件表面，使其因表层塑性伸展而弯曲变形。
根据有无预加应力，喷丸成形又可以分为自由和预应力两种工艺方式。
由于有预应力参与做功，预应力喷丸的成形能力高于自由喷丸成形。
时效成形方法，工程上习惯称之为高温蠕变成形方法，它是将施以弹性弯曲预载荷的零件整体地置于加热罐中，使零件在高温高压条件下长时间人工时效（对于铝合金零件，一般在110-170℃下保温20小时），通过蠕变和松弛效应实现成形。
这里的所说的“蠕变”和“松弛”都是材料在外力作用下表现出的力学现象。
“蠕变”是指固体材料在外载荷不变的情况下其变形随时间缓慢增长的现象。
“松弛”则是指固体材料在不发生宏观变形的情况下其所承受的应力随时间缓慢下降的现象。
钣金零件时效成形时，这两种现象同时在发挥作用，且两者之间可能存在耦合效应。
喷丸成形时，零件表层的变形抗力在不断增大，故而其成形能力相对较小，特别是无模具自由喷丸的成形能力更为低下，因此在成形大尺寸或有高肋条支撑的薄壁零件必须进行中间退火。
一般而言，时效成形的能力强于喷丸，但热软化效应严重，只能适用于时效强化铝合金制作的零件。
能否变不利因素为有利因素，即调动上述阻碍零件成形的的弹性内能，使其转化为有效能量并加以利用？
基于激光热效应的辅助成形方法
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