CN102225491B - 基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置,属于激光加工技术领域。本发明采用激光能量吸收层涂覆在与管件分离的堵杆上端部，激光束沿待成形的管坯的轴线进入管坯的内部，辐照在堵杆上端部的吸收层上，吸收层吸收激光能量后气化、电离，形成高压等离子体，高压等离子体急速膨胀形成高幅冲击波，以此推动管坯的膨胀直至和模具的型面贴合，使管坯的变形形状和模具的型面一致。本发明采用参数受控的激光冲击波作为管坯内高压成形的力源，具有很好的安全性，不仅适合于材料屈服极限较低的管坯成形，也适合屈服强度很高的管坯成形，可进行连续多个脉冲激光辐照和实施不间断多次冲击，具有较高的生产效率。

Description

基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，涉及一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置。
背景技术
变径管作为管路***中的功能元件、弹性变形补偿元件以及不同管件连接的过渡接头，在航空、航天和汽车等领域中有着广泛应用，其常用的加工方法有：分段冲压再焊接、***成形和内高压液力成形。
分段冲压再焊接是目前变径管加工最常用的加工方法，它先将图纸中设计的变截面管件按照直径大小和变化的趋势将管件分割成不同的几个部分，再对不同部分各自进行冲压加工成形，最后把各部分通过焊接的方法连接成整体。通过冲压焊接加工得到的变径管具有节省原材料、重量轻等优点，然而管件在焊接后需要进行必要的手工修整，以消除焊接变形，尤其是焊缝的存在不仅影响其强度，而且该处存在的有害残余拉应力降低管件的抗应力腐蚀能力，缩短了管件的使用寿命。
***胀形是在坯料管内部放置***，通过******产生的冲击波作为管径变形的力源。其分为不使用模具的自由***胀形和使用模具的有模胀形两种。变径管的***胀形具有模具简单、生产效率高等优势，然而加工中存在着***用量难以控制，管件加工质量难以精确控制，加工的安全性较差等不足。
金属变径管的内高压液力成形就是采用液体作为传递成形力的介质，通过在管两端施加轴向力，在管坯内部形成内高压，在内压和轴力的联合作用下使管坯贴靠模具而成为所需的管件。内高压成形可以将多个不同截面形状的管件一次成形，减少了模具数量，也无需后续焊接工序，管件表面质量高，生产效率较高。然而在成形时，需要复杂的液压设备，内压与轴向载荷常常难以合理匹配，造成管材成形后失稳，使管件发生折叠、起皱与破裂等失效。目前该技术仅限于铝合金、不锈钢等屈服强度较低的材料的管件成形，还难以适应屈服强度较高的钛合金类的管件成形。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置。
本发明所提供得一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法，该方法具体步骤如下：
（1）先将待成形的金属变径管管坯放入分体式模具中，分体式模具型腔的表面装有保护垫，调整分体式模具和金属变径管管坯的相对位置并固定，分体式模具固定在支架上，支架固定在工作台上；
（2）在金属变径管管坯内部***堵杆，堵杆上端部涂有有效吸收激光能量的吸收层，吸收层为黑漆，调节堵杆上端部与分体式模具型腔的相对位置，使堵杆上端部接近于分体式模具的型腔，然后向金属变径管管坯中注水作为约束层；所述堵杆上端部为平面；
（3）由激光发生器发出的受控并优化后的激光脉冲束，沿金属变径管管坯的轴线进入其内部，并辐照在堵杆上端部的吸收层上，金属变径管管坯不处在激光辐照的区域内，吸收层吸收激光的能量后气化、电离，形成高压等离子体，高压等离子体急速向外膨胀形成向外传播的高幅冲击波，该高幅冲击波对金属变径管管坯施压，使金属变径管管坯与分体式模具的型面贴合；
（4）抽出堵杆，打开分体式模具，取出金属变径管管件。
以上成形方法中，根据待成形金属变径管管坯的材料力学性能、管坯直径、管壁厚度以及胀形量来选择激光脉冲参数，受控的激光脉冲束沿金属变径管管坯的轴线进入其内部，并辐照在堵杆上端部的吸收层上，金属变径管管坯不处在激光辐照的区域内，吸收激光能量的吸收层不是涂覆在管件的表面，而是涂覆在与金属变径管管坯分开的堵杆上端面上。吸收层材料被气化，形成高压等离子体，高压等离子体的急速膨胀产生向各个方向传播的高幅冲击波，其侧向冲击波推动金属变径管管坯沿半径方向向外作膨胀运动，推动金属变径管管坯发生塑形变形直至与模具型面贴合，金属变径管形状是由模具的型面决定，根据金属变径管管壁厚度、胀形量、材料的力学性能实行一次成形或多次成形。
本发明所提供得一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的装置，该装置包括激光发生器1、导光***、工件装夹***和控制***，其中导光***包括导光管3、全反镜4、冲击头5，导光管3始端连着激光发生器1、导光管3依次把全反镜4和冲击头5连接起来，导光管3的终端对着工件装夹***；工件装夹***包括金属变径管管坯6、分体式模具7、保护垫14、堵杆16、吸收层15、约束层12、支架8、工作台9，所述堵杆16的上端部涂有吸收层15并***金属变径管管坯6中，堵杆16的上端部接近于分体式模具的型腔，所述堵杆上端部为平面，吸收层15上部为约束层12，金属变径管管坯6和分体式模具7固定在支架8上，堵杆16和支架8固定在工作台9上；控制***包括计算机和控制器，控制信息由计算机输入，传递给控制器以控制激光发生器发出的激光参数及工件装夹***的运动。
上述装置中，堵杆上端部涂有吸收层用来增加对激光能量吸收，约束层用来改善激光冲击波的作用效果，保护垫是软质材料做成的，它避免了成形过程中管坯与模具型面的剧烈撞击，支架高度可调节，工作台可实现沿三个轴向的移动和绕两个轴线的转动。
本发明采用的强激光沿管坯的轴线辐照在能量吸收层上，金属变径管管坯不处在激光辐照区域内，永不会被激光热损伤；由于激光脉冲参数受控可调，脉冲能量精确可控，可从几焦耳调至几百焦耳，因而激光诱导的冲击波峰值压力精确可控，其最大值可高达几十个GPa，因此既可成形屈服强度较低的金属材料管坯，又可成形屈服强度较高的管坯，弥补了采用液体介质内高压难以成形高强度材料管件的不足；由于激光光斑尺寸可根据管坯直径的大小来调整，操作简单方便，可以快速成形不同管径的管坯，具有较大柔性；水作为冲击波的传播介质，延缓了冲击波的衰减，且激光冲击波受管内壁反射，还可对管坯进行二次加载；采用激光诱导的冲击波作为成形的力源，只需要简单设备，避免了使用内高压液力成形时复杂的液压设备。
附图说明
图1 本发明装置示意图。
图2 本发明成形的金属变径管示意图。
图中：1：激光发生器，2：激光脉冲束，3：导光管，4：全反镜， 5：冲击头，6：金属变径管管坯，7：分体式模具，8：支架，9：工作台，10：控制器，11：计算机，12：约束层（水），13：高压等离子体，14：保护垫，15：吸收层（黑漆），16：堵杆。  
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
该装置主要包括激光发生器1、导光***、工件夹具***和控制***。其中导光***包括导光管3、全反镜4和冲击头5。工件夹具***包括金属变径管管坯6、保护垫14、分体式模具7、约束层（水）12、吸收层（黑漆）15、堵杆16、支架8、工作台9组成。控制***包括计算机11和控制器10。
激光发生器1发出经过优化的激光脉冲束2，激光脉冲束2的光束模式可以是基模、多模等多种模式，其由控制器10调节和控制。由激光发生器1发出的激光脉冲束2经导光管3和全反境4以及冲击头5和约束层（水）12，辐照在堵杆16上端面的激光能量吸收层15上。冲击头5内有聚焦镜，调节冲击头5与堵杆16上端面之间距离，可以改变光斑大小。金属变径管管坯6、分体式模具7固定在支架8上，支架8高度可以调节，以改变堵杆16上端面和分体式模具7型腔的相对位置。堵杆16和支架8固定在工作台9上，工作台可实现沿三个轴向移动，从而可实现激光脉冲束2的轴线与金属变径管管坯6的轴线重合。
如图2所示，经导光***输出的脉冲激光束2穿过约束层（水）12，辐照在堵杆16上端部的能量吸收层15上，吸收层15吸收了激光能量以后，迅速气化、电离，形成高压等离子体13，高压等离子体13急速向外膨胀形成了向外传播的冲击波，推动金属变径管管坯6向外膨胀直至与分体式模具7的型面贴合。当冲击波峰值压力超过金属变径管管坯6材料动态屈服极限时，金属变径管管坯6发生了不能回复的塑性变形，管坯的变形形状是由分体式模具7的型面决定的。对于胀形量较大、形面复杂的管件，往往需要通过多次改变冲击位置，多次诱导激光冲击波实施冲压胀形才能成形，即支架8接受控制器10的指令改变堵杆16和分体式模具7型面相对位置，在新的位置上再用激光诱导冲击波实施冲压胀形，直至金属变径管管坯6的管壁全部贴合分体式模具7型面为止。

Claims (2)

1.一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：
（1）先将待成形的金属变径管管坯放入分体式模具中，分体式模具型腔的表面装有保护垫，调整分体式模具和金属变径管管坯的相对位置并固定，分体式模具固定在支架上，支架固定在工作台上；
（2）在金属变径管管坯内部***堵杆，堵杆上端部涂有有效吸收激光能量的吸收层，吸收层为黑漆，调节堵杆上端部与分体式模具型腔的相对位置，使堵杆上端部接近于分体式模具的型腔，然后向金属变径管管坯中注水作为约束层；所述堵杆上端部为平面；
（3）由激光发生器发出的受控并优化后的激光脉冲束，沿金属变径管管坯的轴线进入其内部，并辐照在堵杆上端部的吸收层上，金属变径管管坯不处在激光辐照的区域内，吸收层吸收激光的能量后气化、电离，形成高压等离子体，高压等离子体急速向外膨胀形成向外传播的高幅冲击波，该高幅冲击波对金属变径管管坯施压，使金属变径管管坯与分体式模具的型面贴合；
（4）抽出堵杆，打开分体式模具，取出金属变径管管件。
2.一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的装置，其特征在于：该装置包括激光发生器、导光***、工件装夹***和控制***，其中导光***包括导光管、全反镜、冲击头，导光管始端连着激光发生器、导光管依次把全反镜和冲击头连接起来，导光管的终端对着工件装夹***；工件装夹***包括金属变径管管坯、分体式模具、保护垫、堵杆、吸收层、约束层、支架、工作台，所述堵杆的上端部涂有吸收层并***金属变径管管坯中，堵杆的上端部接近于分体式模具的型腔，所述堵杆上端部为平面，吸收层上部为约束层，金属变径管管坯和分体式模具固定在支架上，堵杆和支架固定在工作台上；控制***包括计算机和控制器，控制信息由计算机输入，传递给控制器以控制激光发生器发出的激光参数及工件装夹***的运动。
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