專利名稱：薄壁波紋管的脈沖激光成形方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體涉及一種薄壁波紋管的脈沖激光成形方法及實現(xiàn)該方 法的專用裝置。
背景技術(shù)：
波紋管的用途非常廣泛，作為彈性元件，可用于各類測量、調(diào)節(jié)、控制、傳感儀器的 敏感元件、補(bǔ)償元件、連接件和密封件等；作為膨脹節(jié)的柔性段，可用于補(bǔ)償管路因溫差 造成的軸向、橫向和角位移，也可以在管路中用于補(bǔ)償位置偏差、吸收管系的振動等。由 于波紋管通常承受交變載荷，因此往往要求具有高的抗疲勞性能。波紋管的成形方法很多，如液壓成形、滾壓成形、機(jī)械脹形、焊接成形和沉積成形等。 其中液壓成形最為常見，它利用管材中的液體壓力，使管坯在限制環(huán)中脹形。由于要在管 材中充液，在成形微小波紋管時不容易控制；滾壓成形則依靠設(shè)在管材中的成形輪進(jìn)行滾 壓，主要用于加工大型波紋管；機(jī)械脹形采用在管材內(nèi)部擴(kuò)脹的胎具，逐個波紋進(jìn)行脹壓， 該方法也不適合于微小波紋管的制造；對于波高過大或波形特殊的波紋管，多采用焊接成 形，但這類波紋管不能承受內(nèi)壓，其應(yīng)用范圍有限；沉積成形是利用電沉積方法將波紋管 材料沉積到芯模上，然后將芯模熔蝕，該方法適應(yīng)于微小波紋管的制造(如最小內(nèi)徑可達(dá) 0.75隱,最小長度可達(dá)lmm)，但成本太高，且目前僅限于鎳材。由于疲勞破壞通常是波紋 管損壞的常見方式，但上述各種方法都很難發(fā)揮材料的抗疲勞能力；另外，微機(jī)電(微傳 感器等)行業(yè)的發(fā)展，對微小波紋管的需求愈來愈大，因此迫切需要一種效率高、工藝范 圍廣、易于操作和控制，能制造高疲勞壽命的微小波紋管的方法及裝置。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一是提供一種用脈沖激光做成形工具、特別適 合于薄壁微小波紋管的成形方法。本發(fā)明的目的之二是提供實現(xiàn)薄壁波紋管的脈沖激光成形方法的專用裝置。本發(fā)明薄壁波紋管的脈沖激光成形方法，將脈沖激光束4作用于薄壁管7表面覆蓋的 能量吸收層6產(chǎn)生等離子體云，等離子體云進(jìn)一步吸收激光能量而爆炸，所產(chǎn)生的爆轟波 在約束層套管5的作用下導(dǎo)致面向管壁的沖擊力，借助于薄壁管7的軸向平移和旋轉(zhuǎn)，將 薄壁管7加工成為波紋管。所述能量吸收層6為漆、石墨、金屬涂層或金屬鍍膜。能量吸收層的成分和厚度影響其氣化形成的等離子體的能量和壓力。例如，20微米厚的銅板變形需要20-40微米厚的石 墨吸收層，但用金屬涂層或金屬鍍膜作吸收層時，吸收層的厚度只需要15微米。所述脈沖激光束4的功率不能過低，這是因為等離子體爆轟波是在一定激光強(qiáng)度下產(chǎn) 生的，這一強(qiáng)度被稱為點(diǎn)火閾值強(qiáng)度，并以功率密度表示。閾值強(qiáng)度與激光輻照脈寬有關(guān)， 在一定范圍內(nèi)，脈寬越寬閾值越低。不同材料也對應(yīng)不同的閾值強(qiáng)度，如果激光強(qiáng)度小于 被加工材料的閾值強(qiáng)度，則達(dá)不到變形所需的沖擊力。波長為10.6pm的激光對鋁箔、銅 板、鈦板產(chǎn)生爆轟波的閾值強(qiáng)度大致分別為1.2X 107W/cm2、 2.75 X 107W/cm2、 2.3 X 107W/cm2,所對應(yīng)的激光能量密度分別為84.0 J/cm2、 191.0 J/cm2、 160.1 J/cm2。如果板材 表面覆蓋的不是金屬涂層，而是石墨等材料，閾值強(qiáng)度又會與上述數(shù)值不所不同。理論上， 功率大于1MW，脈寬大于lns的任何激光都可用于薄壁波紋管的成形。對于金屬管材，所 述激光束4的功率密度優(yōu)選為1 10GW/cm2,脈沖寬度為10 50ns。在優(yōu)選的方案中，所述約束層套管5對所選用的激光接近透明。在更為優(yōu)選的方案中， 所述約束層套管5為有機(jī)玻璃套管。約束層的組成和厚度取決于激光的種類、板材的厚度、 預(yù)計使工件變形的能量和壓力、預(yù)計變形的尺寸。如用玻璃作約束層時，沖擊應(yīng)力可達(dá)到 lOGPa以上，不采用任何約束層，等離子體直接向空氣中爆炸擴(kuò)散時，對材料所產(chǎn)生的沖 擊力只有l(wèi)GPa左右。為了盡量減小激光束4透過約束層5時的能量損失，并保證約束作 用，約束層厚度優(yōu)選為0.2 1.0mm。在優(yōu)選的方案中，所述薄壁管7壁厚小于0.1mm。在更為優(yōu)選的方案中，所述薄壁管 7的壁厚小于0.05mm。本發(fā)明實現(xiàn)薄壁波紋管的脈沖激光成形方法的專用裝置由激光發(fā)生器系統(tǒng)、激光頭系 統(tǒng)、工件系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)構(gòu)成。所述激光發(fā)生器系統(tǒng)包括激光發(fā)生器控 制系統(tǒng)1和激光發(fā)生器2，所述激光頭系統(tǒng)包括沿X和Z方向移動的激光頭3及其所傳輸 的激光束4，所述工件系統(tǒng)包括約束層套管5、能量吸收層6和薄壁管7，所述工作臺系統(tǒng) 包括沿Y方向移動的工作臺8、位于工作臺8上的可使工件系統(tǒng)繞管軸旋轉(zhuǎn)的卡盤9，所 述運(yùn)動控制系統(tǒng)10用于控制工件系統(tǒng)5、 6、 7與激光束4產(chǎn)生預(yù)設(shè)的相對移動。本發(fā)明的薄壁波紋管脈沖激光成形方法，是一種將脈沖激光作用于薄壁管上，通過薄 壁管表面形成的等離子體云的沖擊作用，將薄壁管成形為波紋管的方法。優(yōu)選的方案是將 激光發(fā)生器發(fā)出的激光，經(jīng)過激光頭中鏡片的反射和聚焦并導(dǎo)出激光束，激光束穿過透明 的約束層，作用于管材表面覆蓋的能量吸收層產(chǎn)生等離子體云，等離子體云進(jìn)一步吸收激 光能量而爆炸，所產(chǎn)生的爆轟波在約束層的作用下導(dǎo)致面向管材的沖擊力，并使管壁發(fā)生 局部內(nèi)凹變形(激光沖擊形成塑性凹坑)。由于激光頭及其所導(dǎo)出的激光束沿X方向(管 的軸向)移動，同時管材在小卡盤的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，所以激光束與管材的相對位置不斷 變化，激光沖擊形成的塑性凹坑不斷延伸從而形成波紋管的波形。根據(jù)工藝要求的不同，由計算機(jī)通過運(yùn)動控制系統(tǒng)調(diào)整激光束與管材的相對位置和相對速度，通過激光器控制系 統(tǒng)調(diào)整激光發(fā)生器的輸出參數(shù)，從而加工出所要求的波紋管。實現(xiàn)薄壁波紋管的脈沖激光成形方法的專用裝置，由激光發(fā)生器系統(tǒng)、激光頭系統(tǒng)、 工作臺系統(tǒng)、工件系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)構(gòu)成。激光發(fā)生器系統(tǒng)包括激光發(fā)生器控制系統(tǒng)和 激光發(fā)生器，所述激光頭系統(tǒng)包括沿X和Z方向移動的激光頭及其所傳輸?shù)募す馐?工件系統(tǒng)包括約束層、能量吸收層和薄壁管，所述工作臺系統(tǒng)包括沿Y方向移動的工作臺、 位于工作臺上的可使工件系統(tǒng)繞管軸旋轉(zhuǎn)的卡盤。所述運(yùn)動控制系統(tǒng)可以由PLC (可編程 序控制器)組成，也可以直接采用數(shù)控系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)控制激光頭、工作臺和卡盤的 伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動，并使激光頭、工作臺、卡盤產(chǎn)生運(yùn)動，這幾個運(yùn)動通過插補(bǔ)，使工件系 統(tǒng)與激光束產(chǎn)生預(yù)設(shè)的相對移動。薄壁波紋管脈沖激光成形方法的技術(shù)參數(shù)包括能量參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)、工件參數(shù)。能量 參數(shù)包括激光能量、脈沖寬度、脈沖頻率、脈沖次數(shù)、光斑直徑；運(yùn)動參數(shù)包括激光束與 管材的相對速度(即光斑在管壁上的移動速度)、光斑在管壁上的移動軌跡；工件參數(shù)包 括管材壁厚、材料種類、管材直徑和長度、約束層的類型、約束層厚度、能量吸收層類型、 能量吸收層厚度。其中激光能量、脈沖寬度、脈沖頻率、脈沖次數(shù)由激光發(fā)生器控制系統(tǒng) 來調(diào)節(jié)和控制；光斑直徑由激光頭及運(yùn)動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制；光斑在管壁上移動速度和 移動軌跡由激光頭、Y向工作臺、小卡盤調(diào)節(jié)和控制。將各種加工信息輸入計算機(jī)，通過 計算機(jī)的處理，進(jìn)一歩傳遞給激光發(fā)生器控制系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)，從而按要求的工藝進(jìn) 行加工。改變技術(shù)參數(shù)，可以調(diào)整沖擊壓力和成形半徑的大小，配合有序的多點(diǎn)連續(xù)激光 沖擊，便可方便地獲得不同規(guī)格的波紋管。通過這種方法，可以加工鋼、鋁、銅等金屬及合金材料，也可加工硅等非金屬材料， 特別適合于微機(jī)電領(lǐng)域的微型波紋管的制造。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于(1) 集成了激光噴丸強(qiáng)化與塑性成形的優(yōu)點(diǎn)，能夠提高零件的疲勞壽命；(2) 光斑直徑可以調(diào)整至毫米級甚至微米級，特別適合于微小波紋管成形；(3) 由于將激光束誘發(fā)的等離體作為塑性變形的力源，調(diào)整工藝參數(shù)，便可調(diào)整塑性 變形量，從而形成不同的波形，加工柔性大；(4) 激光沖擊過程是高應(yīng)變率變形過程，可以用于常規(guī)方法難變形材料的成形；(5) 屬無模成形，不需要限制環(huán)，也不需要滾壓輪，工裝夾具系統(tǒng)特別簡單，成形速 度快，加工效率高。


圖1是薄壁波紋管的脈沖激光成形裝置示意圖。 圖2是工件系統(tǒng)的局部剖面示意圖。圖3是制造的波紋管的示意圖。其中1.激光發(fā)生器控制系統(tǒng)；2.激光發(fā)生器；3. X/Z向激光頭；4.激光束；5.約 束層；6.能量吸收層；7.管材；8.Y向工作臺；9.小卡盤；10.運(yùn)動控制系統(tǒng)；ll.計算機(jī)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和工作情況。圖1為本發(fā)明進(jìn)行薄壁波紋管脈沖激光成形裝置示意圖。激光發(fā)生器系統(tǒng)包括依次相 連的激光發(fā)生器控制系統(tǒng)1、激光發(fā)生器2;激光頭系統(tǒng)包括可在X及Z向移動的激光頭 3、激光頭導(dǎo)出的激光束4;工件系統(tǒng)包括約束層5、能量吸收層6、管材7;工作臺系統(tǒng)包括沿Y方向移動的工作臺8、位于工作臺8上用于夾持工件并帶動工件旋轉(zhuǎn)的小卡盤9; 控制工件系統(tǒng)5、 6、 7與激光束4相對移動的是運(yùn)動控制系統(tǒng)10。薄壁波紋管的脈沖激光成形方法的具體實施方式
是，將激光發(fā)生器2發(fā)出的激光，經(jīng) 過激光頭3中鏡片的反射和聚焦并導(dǎo)出激光束4，激光束4穿過透明的約束層5，作用于 管材7表面覆蓋的能量吸收層6產(chǎn)生等離子體云，等離子體云進(jìn)一步吸收激光能量而爆炸， 所產(chǎn)生的爆轟波在約束層5的作用下導(dǎo)致面向管材7的沖擊力，并使管壁產(chǎn)生局部凹坑。 由于激光頭3及其所導(dǎo)出的激光束4沿X方向(管的軸向)移動，同時管材在小卡盤9的 作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，所以激光束4與管材7的相對位置不斷變化，激光沖擊形成的塑性凹坑 不斷延伸從而形成波紋管的波形。根據(jù)工藝要求的不同，由計算機(jī)通過控制系統(tǒng)10調(diào)整 激光束與管材的相對位置和相對速度，通過激光器控制系統(tǒng)1調(diào)整激光發(fā)生器的輸出參數(shù)， 從而加工出所要求的波紋管。激光束4的能量大小、激光模式、脈沖寬度、脈沖頻率、脈沖個數(shù)，由激光發(fā)生器控 制系統(tǒng)l調(diào)節(jié)和控制。激光束的光斑直徑通過激光頭3的Z向移動來調(diào)節(jié)，并通過運(yùn)動控 制系統(tǒng)10進(jìn)行控制。運(yùn)動控制系統(tǒng)10同時控制激光頭3的X向移動、工作臺8的Y向移 動、工作臺8上小卡盤9的轉(zhuǎn)動。各個方向的運(yùn)動通過插補(bǔ)使工件系統(tǒng)6、 7、 8與激光束 4按預(yù)定速度和預(yù)定軌跡進(jìn)行相對移動，從而有序進(jìn)行多點(diǎn)沖擊。圖2是圖1中工件系統(tǒng)的局部剖面示意圖，其中包括約束層5、能量吸收層6、管材7， 能量吸收層6覆蓋在管材7上。約束層5對所選用的激光是透明的，優(yōu)選為有機(jī)玻璃套管。 該套管緊密地套在覆蓋著能量吸收層6的管材7上。約束層5的作用是限制等離子體的發(fā) 散并使其產(chǎn)生的沖擊波朝向管材7。能量吸收層6可以是漆、石墨、柔性貼膜、也可以是 金屬涂層。能量吸收層6在激光照射時會電離氣化形成等離子體，等離子體進(jìn)一步吸收激 光能量從而轉(zhuǎn)變?yōu)槭构ぜ冃蔚臎_擊波。能量吸收層6的組成和厚度取決于激光的種類、 管材的厚度、使工件變形的能量和壓力、預(yù)計變形的尺寸。例如在銅板上，能量吸收層可 選黑色有機(jī)漆；對于硅基材料，能量吸收層可以是鋁或銅的涂層或鍍膜，這些膜可以通過 噴濺或化學(xué)氣相沉積法覆蓋在工件上。在中尺度或通常的宏觀變形情況下，為操作方便，優(yōu)先選擇黑漆或石墨作為能量吸收層。能量吸收層的成分和厚度影響其氣化形成的等離子 體的能量和壓力。管材7可以是鋁、銅、鋼等金屬及合金材料，也可以是硅等非金屬材料。 可以是塑性好的材料，也可以是脆性、難變形的材料。圖2中激光束4下的凹坑是已成形的波紋，右側(cè)的平整部分是尚未變形的區(qū)域。在激 光沖擊照射過程中，如果激光束4與管材7沒有相對移動，激光束4通過一個或多個脈沖 作用于管材7,雖然管材內(nèi)部并沒有成形模具，但由于圓形光斑作用于吸收層時所產(chǎn)生的 等離子體爆轟波是呈軸對稱形狀并向各個方向擴(kuò)散的，所以，在管材7上所生成的塑性凹 坑呈軸對稱狀。當(dāng)激光束4與管材7相對移動時，按預(yù)定速度和軌跡進(jìn)行有序的多點(diǎn)連續(xù) 激光沖擊，便可獲得連續(xù)的波形，得到所要求的波紋管。圖3是成形后得到的波紋管的示意圖。兩端平整區(qū)域沒有加工波形，中間是有波形的 區(qū)域。薄壁波紋管脈沖激光成形方法的操作步驟包括開始一選擇管材一將能量吸收層覆蓋 在管材上一將起約束層作用的套管套在覆蓋著能量吸收層的管材上一管材與約束層相對 固定并用卡盤夾持一工件旋轉(zhuǎn)并與激光頭相對移動一多個激光脈沖作用于工件上一移去 工件一移去約束層一清理工件一結(jié)束。
權(quán)利要求
1、薄壁波紋管的脈沖激光成形方法，其特征在于，它是一種將脈沖激光束(4)作用于薄壁管(7)表面覆蓋的能量吸收層(6)產(chǎn)生等離子體云，等離子體云進(jìn)一步吸收激光能量而爆炸，所產(chǎn)生的爆轟波在約束層套管(5)的作用下導(dǎo)致面向管壁的沖擊力，借助于薄壁管(7)的軸向平移和旋轉(zhuǎn)，將薄壁管(7)加工成為波紋管的方法。
2、 權(quán)利要求1所述薄壁波紋管的脈沖激光成形方法，其特征在于，所述能量吸收層(6) 為漆、石墨、金屬涂層或金屬鍍膜。
3、 權(quán)利要求1所述薄壁波紋管的脈沖激光成形方法，其特征在于，所述約束層套管 (5)對所選用的激光接近透明。
4、 權(quán)利要求3所述薄壁波紋管的脈沖激光成形方法，其特征在于，所述約束層套管 (5)為有機(jī)玻璃套管。
5、 權(quán)利要求l-4任一所述薄壁波紋管的脈沖激光成形方法，其特征在于，所述薄壁管(7) 壁厚小于0.1mm。
6、 實現(xiàn)薄壁波紋管的脈沖激光成形方法的專用裝置，其特征在于，該裝置由激光發(fā) 生器系統(tǒng)、激光頭系統(tǒng)、工件系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)構(gòu)成。
7、 權(quán)利要求6所述實現(xiàn)薄壁波紋管脈沖激光成形方法的專用裝置，其特征在于，所 述激光發(fā)生器系統(tǒng)包括激光發(fā)生器控制系統(tǒng)(1)和激光發(fā)生器(2)，所述激光頭系統(tǒng)包 括沿X和Z方向移動的激光頭(3)及其所傳輸?shù)募す馐?4)，所述工件系統(tǒng)包括約束層 套管(5)、能量吸收層(6)和薄壁管(7)，所述工作臺系統(tǒng)包括沿Y方向移動的工作臺(8) 、位于工作臺(8)上的可使工件系統(tǒng)繞管軸旋轉(zhuǎn)的卡盤(9)，所述運(yùn)動控制系統(tǒng)(10) 用于控制工件系統(tǒng)(5、 6、 7)與激光束(4)產(chǎn)生預(yù)設(shè)的相對移動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄壁波紋管的脈沖激光成形方法及實現(xiàn)該方法的專用裝置。該方法是將脈沖激光束4作用于薄壁管7表面覆蓋的能量吸收層6產(chǎn)生等離子體云，等離子體云進(jìn)一步吸收激光能量而爆炸，所產(chǎn)生的爆轟波在約束層套管5的作用下導(dǎo)致面向管壁的沖擊力，借助于薄壁管7的軸向平移和旋轉(zhuǎn)，將薄壁管7加工成為波紋管。實現(xiàn)該方法的專用裝置，由激光發(fā)生器系統(tǒng)、激光頭系統(tǒng)、工件系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)構(gòu)成。通過這種方法，可以加工鋼、鋁、銅等金屬及合金材料，也可加工硅等非金屬材料。其特別適合于微機(jī)電系統(tǒng)元器件如微傳感器、微補(bǔ)償器、微連接器的制造中。
文檔編號B23K26/18GK101332539SQ20081013871
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者韌 劉, 劉曉軍, 忠 季, 張明浩, 林樂嘉, 巍 王 申請人:山東大學(xué)