專利名稱：基于激光沖擊波技術(shù)的金屬變徑管成形的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于激光沖擊波技術(shù)的金屬變徑管成形的方法和裝置。
背景技術(shù)：
變徑管作為管路系統(tǒng)中的功能元件、彈性變形補償元件以及不同管件連接的過渡接頭，在航空、航天和汽車等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，其常用的加工方法有分段沖壓再焊接、 爆炸成形和內(nèi)高壓液力成形。分段沖壓再焊接是目前變徑管加工最常用的加工方法，它先將圖紙中設(shè)計的變截面管件按照直徑大小和變化的趨勢將管件分割成不同的幾個部分，再對不同部分各自進行沖壓加工成形，最后把各部分通過焊接的方法連接成整體。通過沖壓焊接加工得到的變徑管具有節(jié)省原材料、重量輕等優(yōu)點，然而管件在焊接后需要進行必要的手工修整，以消除焊接變形，尤其是焊縫的存在不僅影響其強度，而且該處存在的有害殘余拉應(yīng)力降低管件的抗應(yīng)力腐蝕能力，縮短了管件的使用壽命。爆炸脹形是在坯料管內(nèi)部放置炸藥，通過炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波作為管徑變形的力源。其分為不使用模具的自由爆炸脹形和使用模具的有模脹形兩種。變徑管的爆炸脹形具有模具簡單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，然而加工中存在著炸藥用量難以控制，管件加工質(zhì)量難以精確控制，加工的安全性較差等不足。金屬變徑管的內(nèi)高壓液力成形就是采用液體作為傳遞成形力的介質(zhì)，通過在管兩端施加軸向力，在管坯內(nèi)部形成內(nèi)高壓，在內(nèi)壓和軸力的聯(lián)合作用下使管坯貼靠模具而成為所需的管件。內(nèi)高壓成形可以將多個不同截面形狀的管件一次成形，減少了模具數(shù)量，也無需后續(xù)焊接工序，管件表面質(zhì)量高，生產(chǎn)效率較高。然而在成形時，需要復(fù)雜的液壓設(shè)備， 內(nèi)壓與軸向載荷常常難以合理匹配，造成管材成形后失穩(wěn)，使管件發(fā)生折疊、起皺與破裂等失效。目前該技術(shù)僅限于鋁合金、不銹鋼等屈服強度較低的材料的管件成形，還難以適應(yīng)屈服強度較高的鈦合金類的管件成形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于激光沖擊波技術(shù)的金屬變徑管成形的方法和裝置。本發(fā)明所提供得一種基于激光沖擊波技術(shù)的金屬變徑管成形的方法，該方法具體步驟如下
(1)先將待成形的金屬變徑管管坯放入分體式模具中，分體式模具型腔的表面裝有保護墊，調(diào)整分體式模具和金屬變徑管管坯的相對位置并固定，分體式模具固定在支架上，支架固定在工作臺上；
(2)在金屬變徑管管坯內(nèi)部插入堵桿，堵桿上端部涂有有效吸收激光能量的吸收層，吸收層為黑漆，調(diào)節(jié)堵桿上端部與分體式模具型腔的相對位置，使堵桿上端部接近于分體式模具的型腔，然后向金屬變徑管管坯中注水作為約束層；
3(3)由激光發(fā)生器發(fā)出的受控并優(yōu)化后的激光脈沖束，沿金屬變徑管管坯的軸線進入其內(nèi)部，并輻照在堵桿上端部的吸收層上，金屬變徑管管坯不處在激光輻照的區(qū)域內(nèi)，吸收層吸收激光的能量后氣化、電離，形成高壓等離子體，高壓等離子體急速向外膨脹形成向外傳播的高幅沖擊波，該高幅沖擊波對金屬變徑管管坯施壓，使金屬變徑管管坯與分體式模具的型面貼合；
(4)抽出堵桿，打開分體式模具，取出金屬變徑管管件。以上成形方法中，根據(jù)待成形金屬變徑管管坯的材料力學(xué)性能、管坯直徑、管壁厚度以及脹形量來選擇激光脈沖參數(shù)，受控的激光脈沖束沿金屬變徑管管坯的軸線進入其內(nèi)部，并輻照在堵桿上端部的吸收層上，金屬變徑管管坯不處在激光輻照的區(qū)域內(nèi)，吸收激光能量的吸收層不是涂覆在管件的表面，而是涂覆在與金屬變徑管管坯分開的堵桿上端面上。吸收層材料被氣化，形成高壓等離子體，高壓等離子體的急速膨脹產(chǎn)生向各個方向傳播的高幅沖擊波，其側(cè)向沖擊波推動金屬變徑管管坯沿半徑方向向外作膨脹運動，推動金屬變徑管管坯發(fā)生塑形變形直至與模具型面貼合，金屬變徑管形狀是由模具的型面決定，根據(jù)金屬變徑管管壁厚度、脹形量、材料的力學(xué)性能實行一次成形或多次成形。本發(fā)明所提供得一種基于激光沖擊波技術(shù)的金屬變徑管成形的裝置，該裝置包括激光發(fā)生器1、導(dǎo)光系統(tǒng)、工件裝夾系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管3、全反鏡4、 沖擊頭5，導(dǎo)光管3始端連著激光發(fā)生器1、導(dǎo)光管3依次把全反鏡4和沖擊頭5連接起來， 導(dǎo)光管3的終端對著工件裝夾系統(tǒng)；工件裝夾系統(tǒng)包括金屬變徑管管坯6、分體式模具7、保護墊14、堵桿16、吸收層15、約束層12、支架8、工作臺9，所述堵桿16的上端部涂有吸收層 15并插入金屬變徑管管坯6中，堵桿16的上端部接近于分體式模具的型腔，吸收層15上部為約束層12，金屬變徑管管坯6和分體式模具7固定在支架8上，堵桿16和支架8固定在工作臺9上；控制系統(tǒng)包括計算機和控制器，控制信息由計算機輸入，傳遞給控制器以控制激光發(fā)生器發(fā)出的激光參數(shù)及工件裝夾系統(tǒng)的運動。上述裝置中，堵桿上端部涂有吸收層用來增加對激光能量吸收，約束層用來改善激光沖擊波的作用效果，保護墊是軟質(zhì)材料做成的，它避免了成形過程中管坯與模具型面的劇烈撞擊，支架高度可調(diào)節(jié)，工作臺可實現(xiàn)沿三個軸向的移動和繞兩個軸線的轉(zhuǎn)動。本發(fā)明采用的強激光沿管坯的軸線輻照在能量吸收層上，金屬變徑管管坯不處在激光輻照區(qū)域內(nèi)，永不會被激光熱損傷；由于激光脈沖參數(shù)受控可調(diào)，脈沖能量精確可控， 可從幾焦耳調(diào)至幾百焦耳，因而激光誘導(dǎo)的沖擊波峰值壓力精確可控，其最大值可高達幾十個GPa，因此既可成形屈服強度較低的金屬材料管坯，又可成形屈服強度較高的管坯，彌補了采用液體介質(zhì)內(nèi)高壓難以成形高強度材料管件的不足；由于激光光斑尺寸可根據(jù)管坯直徑的大小來調(diào)整，操作簡單方便，可以快速成形不同管徑的管坯，具有較大柔性；水作為沖擊波的傳播介質(zhì)，延緩了沖擊波的衰減，且激光沖擊波受管內(nèi)壁反射，還可對管坯進行二次加載；采用激光誘導(dǎo)的沖擊波作為成形的力源，只需要簡單設(shè)備，避免了使用內(nèi)高壓液力成形時復(fù)雜的液壓設(shè)備。


圖1本發(fā)明裝置示意圖。圖2本發(fā)明成形的金屬變徑管示意圖。
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圖中1 激光發(fā)生器，2 激光脈沖束，3 導(dǎo)光管，4 全反鏡，5:沖擊頭，6:金屬變徑管管坯，7 分體式模具，8 支架，9 工作臺，10 控制器，11 計算機，12 約束層(水)，13 高壓等離子體，14:保護墊，15:吸收層(黑漆)，16:堵桿。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明提出的具體裝置的細節(jié)和工作情況。該裝置主要包括激光發(fā)生器1、導(dǎo)光系統(tǒng)、工件夾具系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。其中導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管3、全反鏡4和沖擊頭5。工件夾具系統(tǒng)包括金屬變徑管管坯6、保護墊14、分體式模具7、約束層(水)12、吸收層(黑漆)15、堵桿16、支架8、工作臺9組成。控制系統(tǒng)包括計算機11和控制器10。激光發(fā)生器1發(fā)出經(jīng)過優(yōu)化的激光脈沖束2，激光脈沖束2的光束模式可以是基模、多模等多種模式，其由控制器10調(diào)節(jié)和控制。由激光發(fā)生器1發(fā)出的激光脈沖束2經(jīng)導(dǎo)光管3和全反境4以及沖擊頭5和約束層(水)12，輻照在堵桿16上端面的激光能量吸收層15上。沖擊頭5內(nèi)有聚焦鏡，調(diào)節(jié)沖擊頭5與堵桿16上端面之間距離，可以改變光斑大小。金屬變徑管管坯6、分體式模具7固定在支架8上，支架8高度可以調(diào)節(jié)，以改變堵桿 16上端面和分體式模具7型腔的相對位置。堵桿16和支架8固定在工作臺9上，工作臺可實現(xiàn)沿三個軸向移動，從而可實現(xiàn)激光脈沖束2的軸線與金屬變徑管管坯6的軸線重合。如圖2所示，經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)輸出的脈沖激光束2穿過約束層(水)12，輻照在堵桿16 上端部的能量吸收層15上，吸收層15吸收了激光能量以后，迅速氣化、電離，形成高壓等離子體13，高壓等離子體13急速向外膨脹形成了向外傳播的沖擊波，推動金屬變徑管管坯6 向外膨脹直至與分體式模具7的型面貼合。當沖擊波峰值壓力超過金屬變徑管管坯6材料動態(tài)屈服極限時，金屬變徑管管坯6發(fā)生了不能回復(fù)的塑性變形，管坯的變形形狀是由分體式模具7的型面決定的。對于脹形量較大、形面復(fù)雜的管件，往往需要通過多次改變沖擊位置，多次誘導(dǎo)激光沖擊波實施沖壓脹形才能成形，即支架8接受控制器10的指令改變堵桿16和分體式模具7型面相對位置，在新的位置上再用激光誘導(dǎo)沖擊波實施沖壓脹形，直至金屬變徑管管坯6的管壁全部貼合分體式模具7型面為止。
權(quán)利要求
1.一種基于激光沖擊波技術(shù)的金屬變徑管成形的方法，其特征在于該方法具體步驟如下(1)先將待成形的金屬變徑管管坯放入分體式模具中，分體式模具型腔的表面裝有保護墊，調(diào)整分體式模具和金屬變徑管管坯的相對位置并固定，分體式模具固定在支架上，支架固定在工作臺上；(2)在金屬變徑管管坯內(nèi)部插入堵桿，堵桿上端部涂有有效吸收激光能量的吸收層，吸收層為黑漆，調(diào)節(jié)堵桿上端部與分體式模具型腔的相對位置，使堵桿上端部接近于分體式模具的型腔，然后向金屬變徑管管坯中注水作為約束層；(3)由激光發(fā)生器發(fā)出的受控并優(yōu)化后的激光脈沖束，沿金屬變徑管管坯的軸線進入其內(nèi)部，并輻照在堵桿上端部的吸收層上，金屬變徑管管坯不處在激光輻照的區(qū)域內(nèi)，吸收層吸收激光的能量后氣化、電離，形成高壓等離子體，高壓等離子體急速向外膨脹形成向外傳播的高幅沖擊波，該高幅沖擊波對金屬變徑管管坯施壓，使金屬變徑管管坯與分體式模具的型面貼合；(4)抽出堵桿，打開分體式模具，取出金屬變徑管管件。
2.一種基于激光沖擊波技術(shù)的金屬變徑管成形的裝置，其特征在于該裝置包括激光發(fā)生器、導(dǎo)光系統(tǒng)、工件裝夾系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中導(dǎo)光系統(tǒng)包括導(dǎo)光管、全反鏡、沖擊頭， 導(dǎo)光管始端連著激光發(fā)生器、導(dǎo)光管依次把全反鏡和沖擊頭連接起來，導(dǎo)光管的終端對著工件裝夾系統(tǒng)；工件裝夾系統(tǒng)包括金屬變徑管管坯、分體式模具、保護墊、堵桿、吸收層、約束層、支架、工作臺，所述堵桿的上端部涂有吸收層并插入金屬變徑管管坯中，堵桿的上端部接近于分體式模具的型腔，吸收層上部為約束層，金屬變徑管管坯和分體式模具固定在支架上，堵桿和支架固定在工作臺上；控制系統(tǒng)包括計算機和控制器，控制信息由計算機輸入，傳遞給控制器以控制激光發(fā)生器發(fā)出的激光參數(shù)及工件裝夾系統(tǒng)的運動。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于激光沖擊波技術(shù)的金屬變徑管成形的方法和裝置,屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用激光能量吸收層涂覆在與管件分離的堵桿上端部，激光束沿待成形的管坯的軸線進入管坯的內(nèi)部，輻照在堵桿上端部的吸收層上，吸收層吸收激光能量后氣化、電離，形成高壓等離子體，高壓等離子體急速膨脹形成高幅沖擊波，以此推動管坯的膨脹直至和模具的型面貼合，使管坯的變形形狀和模具的型面一致。本發(fā)明采用參數(shù)受控的激光沖擊波作為管坯內(nèi)高壓成形的力源，具有很好的安全性，不僅適合于材料屈服極限較低的管坯成形，也適合屈服強度很高的管坯成形，可進行連續(xù)多個脈沖激光輻照和實施不間斷多次沖擊，具有較高的生產(chǎn)效率。
文檔編號B23K26/00GK102225491SQ201110153150
公開日2011年10月26日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者于慶麗, 何廣德, 余曉流, 左立生, 張俊, 張興權(quán), 王海榮, 石寶玉 申請人:安徽工業(yè)大學(xué)