CN101332536A

CN101332536A - 薄壁管的激光弯曲成形方法及装置

Info

Publication number: CN101332536A
Application number: CN 200810138717
Authority: CN
Inventors: 季忠; 刘韧; 王巍; 刘晓军; 杨丹丹; 刘晶; 林乐嘉
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2008-12-31
Anticipated expiration: 2028-07-30
Also published as: CN101332536B

Abstract

本发明公开了一种薄壁管的激光弯曲成形方法及实现该方法的专用装置。该方法是将两束激光作用于薄壁管上，其中第一激光束用于薄壁管的加热，使薄壁管软化，并在管壁厚度方向产生热应力，使管产生弯曲变形；另一激光束在管材表面形成等离子体，并通过等离子体爆炸产生的冲击作用，将薄壁管进一步弯曲，并获得细化的晶粒组织。实现薄壁管激光弯曲成形方法的专用装置，由激光发生器系统、激光头系统、工作台系统、运动控制系统构成。通过这种方法，可以加工钢、铝、铜、钛等金属及合金管材，是一种高柔性的无模成形技术。

Description

薄壁管的激光弯曲成形方法及装置

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体涉及一种用激光进行薄壁管弯曲成形的方法及实现该方法的装置。

背景技术

传统的薄壁管材的弯曲成形方法是机械弯曲，包括压弯、滚弯、推弯、绕弯等。在机械弯曲过程中，管材变形区的外侧壁由于受到张力作用会产生管壁变薄现象，出现凹陷或裂纹，从而导致张力破坏；变形区的内侧壁会变厚导致起皱；管材还常常会出现椭圆化现象以及弯曲回弹。这些缺陷给弯曲过程的控制及弯曲精确化带来困难。

刘韧与季忠的学术论文“板料激光成形及其研究进展”(锻压装备与制造技术，2004，(3))介绍了利用激光诱发的热应力进行弯管的技术。管材的热应力弯曲是通过内弧面的变形来实现的，其变形量是变形区沿轴向的缩短和沿半径方向向外变形的效果之和，此过程中作用在外弧面上的力远远小于机械弯曲时的力，因而外侧壁变薄的程度要小于机械弯曲。另外，由于管材在用激光进行热应力弯曲时不使用模具，且管材外侧受到的张力要小许多，因此管材的椭圆化率要小于机械弯曲。

但是，上述通过激光加热形成温度梯度导致的热应力进行管材弯曲的方法也有其明显弱点：如多次冷热循环往往引起材料组织和性能的变坏；变形仅仅是通过热膨冷缩在内弧面处引起的材料淤积造成的，每次激光扫描后材料的变形量很小，成形效率低；当管材弯曲到一定程度后，难以进行进一步的变形，成形极限小。

美国加州大学Hackel Lloyd申请的专利“Contour Forming of Metals by Laser Peening”(专利号WO0105549)，提出通过激光冲击板材表面，利用其残余应力释放产生微曲度进行微变形，通过多次冲击使微曲度累积，便可获得更大的变形量。这种成形方法是利用受冲击表面受到的压应力进行面向激光束的凸面成形，与板材热应力弯曲时的变形趋势相反；另外未发现将该技术成功用于管材弯曲的报道。这种成形方法的本质，是利用激光作用于材料表面时，形成的等离体爆炸所产生的冲击力。众所周知，当激光与物质相互作用时，只有当激光的功率密度(单位面积上的功率值)达到一定值时，才能产生爆轰波并导致冲击力，低于该值时，则不会产生明显的冲击力，这个功率密度的门坎值称为点火阈值强度。该阈值强度与激光的波长和脉冲宽度有关，在一定范围内，脉冲宽度越宽则阈值越低。如果激光的功率密度小于被加工材料的阈值强度，则不能产生变形所需的足够的冲击力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种用激光进行薄壁管弯曲成形的方法及实现该方法的装置。该方法具有成形效率高、成形极限大、零件性能好等特点。

本发明的技术方案如下：

本发明的薄壁管激光弯曲成形方法，步骤如下：

(1)将连续激光或脉冲激光作为第一激光束照射在薄壁管的设定区，使该区管材受热产生热膨胀并使材料软化，导致压应力，产生压缩塑性变形，使管壁局部增厚，同时使管材产生背向激光束的微量弯曲变形，停止照射，材料冷却并产生体积收缩，产生拉应力，使管材又产生面向激光束的弯曲变形。两次弯曲变形的角度差，即为一次激光扫描所产生的弯曲变形量。

(2)将功率密度大于薄壁管材料的阈值强度的脉冲激光作为第二激光束照射在第一激光束照射过的薄壁管的同一区域，在管材表面形成等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，产生面向管材的冲击力，该冲击力是沿管壁法线方向的，它作用在步骤(1)弯曲变形时管壁增厚的区域，使管材进一步产生面向激光束的弯曲变形。

(3)第一激光束和第二激光束交替轮番照射薄壁管的同一区域，使激光加热和激光冲击都是在一个区域中进行的，直至得到要求的弯曲半径和弯曲角度。

优选的，上述的第二激光束是功率大于1GW，脉宽为1～50纳秒的脉冲激光，并优选CO₂激光等长波长脉冲激光。

优选的，薄壁管壁厚小于0.5mm。为了增加管壁材料对激光能量的吸收并防止激光反射、散射等可能出现的事故，管材表面涂上能量吸收层。

优选的，在薄壁管外表面上涂20-50μm能量吸收层，能量吸收层是石墨涂层、黑漆、柔性贴膜、金属涂层或金属镀膜。

所述的薄壁管管材是金属材料、合金材料。可以是塑性好的材料，也可以是脆性、难变形的材料。

不同波长的激光产生爆轰波的阈值强度不同，如波长为1.06μm和10.6μm的激光的阈值强度大致分别为10⁸～10⁹W/cm²和10⁷W/cm²。不同材料也对应不同的阈值强度，例如波长为10.6μm的激光对铝箔、铜板、钛板、聚四氟乙烯产生爆轰波的阈值强度大致分别为1.2×10⁷W/cm²、2.75×10⁷W/cm²、2.3×10⁷W/cm²、2.8×10⁷W/cm²，所对应的激光能量密度分别为84.0J/cm²、191.0J/cm²、160.1J/cm²、195.2J/cm²。根据不同的薄壁管的材料可以参照以上参数进行具体工艺条件的设定。

此外，第一激光束与第二激光束交替轮番照射时，可借助于使薄壁管相对于激光束的轴向平移和旋转，使激光照射在一个区域内进行，最终将薄壁管材进行弯曲成形。

本发明的薄壁管激光弯曲成形方法，是一种热应力与激光冲击复合成形方法。其工作原理在于该方法是将两束激光作用于薄壁管上，其中第一激光束用于薄壁管的加热，使薄壁管软化，并在受热区域产生热应力，使管产生弯曲变形。其变形机理是：第一激光束照射时，管壁受到加热并产生膨胀，产生压应力，导致压缩塑性变形，使管壁局部增厚，管材产生背向激光束的微量弯曲变形，称为反向弯曲；该束激光照射后，材料冷却，导致被照射区产生体积收缩，产生拉应力，使管材产生面向激光束的弯曲变形，称为正向弯曲。正向弯曲与反向弯曲角的差值，即为第一次激光照射时所产生的弯曲变形量。但前述压缩塑性变形在受拉时并不能完全恢复，因此正向弯曲变形量通常大于反向弯曲变形量，使管材最终残留面向激光束的正向弯曲变形。实验研究表明，如果仅用一束激光通过诱发热应力使管材发生弯曲变形，一是弯曲效率非常低，二是弯曲半径不能太小，否则不能产生持续的弯曲变形。此时，再用一束脉冲激光照射管材，并在板材表面形成等离子体，通过等离子体爆炸产生的冲击作用，使薄壁管材局部发生塑性失稳，并进一步产生面向激光束的正向弯曲变形。第二激光束照射产生的等离体子体对激光具有屏蔽效应，等离子体几乎全部吸收激光能量，并产生球状爆炸。等离子体的屏蔽效应使激光几乎不能加热管材，因此第二激光束对管材的作用是一种冷态下的力效应，而不是热效应。控制得当，即使第一激光束的热效应导致了晶粒粗化现象，第二激光束的冲击则可使粗化晶粒破碎，从而得到好的变形组织。

实现薄壁管激光弯曲成形方法的专用装置，由激光发生器系统、激光头系统、工作台系统、运动控制系统构成。激光发生器系统包括激光发生器控制系统和激光发生器，所述激光头系统包括沿X和Z方向移动的激光头及其所传输的激光束，所述工作台系统包括沿Y方向移动的工作台、位于工作台上的可使工件绕轴旋转的卡盘，所述运动控制系统用于控制工件与激光束产生预设的相对移动。

实现薄壁管激光弯曲成形方法的专用装置，还设有喷水嘴对加热区域喷水形成水幕对管材进行冷却同时对等离子体的爆炸产生约束，从而导致更大的冲击力。

薄壁管激光弯曲成形方法的技术参数包括能量参数、运动参数、工件参数。能量参数包括激光能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑直径；运动参数包括激光束与管材的相对速度(即光斑在管壁上的移动速度)、光斑在管壁上的移动轨迹；下件参数包括管材壁厚、材料种类、管材直径和长度、能量吸收层类型、能量吸收层厚度。其中激光能量、脉冲宽度、脉冲次数由激光发生器控制系统来调节和控制；光斑直径由激光头及运动控制系统调节和控制；光斑在管壁上移动速度和移动轨迹由激光头、Y向工作台、小卡盘调节和控制。另外的重要技术参数是第一激光束在管壁上的照射时间，以及与第二激光束照射的时间间隔。第二激光束的照射时间取决于设定的脉冲个数。将各种加工信息输入计算机，通过计算机的处理，将信息进一步传递给激光发生器控制系统和运动控制系统，从而按要求的工艺进行加工。改变技术参数，可以调整温度梯度、冲击压力和塑性变形区的大小，配合有序的多点连续激光冲击，便可方便地获得不同弯曲角度的薄壁管。

通过这种方法，可以加工钢、铝、铜等金属及合金材料，也可加工部份非金属材料，特别适合于现代生产中多品件小批量薄壁弯管的制造。

本发明的技术优势在于：

(1)属于无模、无外力成形，通过优化工艺参数、精确控制热作用区及区内的温度分布，控制冲击力以及冲击区域，就能获得合理变形，具有高的生产柔性。

(2)属于温热态的累积成形，并具有高的变形速率(第二激光束照射时，应变率可达＞10⁵s^-1，能够成形常温常态下的一些难变形材料。

(3)集成了激光喷丸强化与塑性成形的优点，能够改善零件的疲劳寿命。

(4)光斑直径可以调整至毫米级甚至微米级，能够进行微小薄壁管的弯曲成形，并且能够获得比传统方法更小的弯曲半径。

(5)对第一激光束的模式无特定要求，可实现激光焊接、激光切割和激光成形等激光加工工序的同工位复合化。

附图说明

图1是薄壁管的激光弯曲成形装置示意图。图2是卡盘夹持工件进行激光弯曲的示意图。图3是管材受到激光照射区域的局部轴截面图。其中：1.激光发生器控制系统；2a.用于加热的激光发生器；2b.用于脉冲冲击的激光发生器；3.X/Z向激光头；4a.用于加热的激光束；4b.用于脉冲冲击的激光束；5.管材；6.Y向工作台；7.运动控制系统；8.小卡盘；9.喷水嘴；10.计算机。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明提出的技术方案的细节和工作情况。

图1为本发明进行薄壁管激光弯曲成形装置示意图。激光发生器系统包括依次相连的激光发生器控制系统1、激光发生器2a和2b；激光头系统包括可在X及Z向移动的激光头3、激光头导出的激光束4a和4b；工作台系统包括沿Y方向移动的工作台6、位于工作台6上用于夹持管材5，并带动管材5旋转的小卡盘8；控制管材5与激光束4a及4b相对移动的是运动控制系统7。

薄壁管激光弯曲成形方法是，将激光发生器2a发出的激光，经过激光头3中镜片的反射和聚焦导出激光束4a，激光束4a照射在管材上(如图2)，使受热区域产生热膨胀并使材料软化，导致压应力，产生压缩塑性变形，使管壁局部增厚(如图3所示)，同时使管材5产生背向激光束的微量弯曲变形。激光束4a停止照射后，材料冷却并产生体积收缩，产生拉应力，使管材5又产生面向激光束的弯曲变形。由于热膨胀时产生的压缩塑性变形在冷却时并不能完全恢复，因此，面向激光束的弯曲变形量通常比背向激光束的大，所以管材5最后残存面向激光束的弯曲变形，并且总是伴随着管壁局部增厚现象(如图3)。由于管壁不可能无限制地增厚，所以单纯由热应力引起的弯曲变形量不会太大。为此，再用激光发生器2b发出的激光，经过激光头3中镜片的反射和聚焦导出激光束4b，按照激光束4a的照射区域进行照射。激光束4b是一束脉冲激光，其能量密度大于管材5的点火阈值强度，并在管材5表面形成等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，产生面向管材5的冲击力，该冲击力是沿管壁法线方向的，它作用在第一次弯曲变形时管壁增厚的区域，使管材5进一步产生面向激光束的弯曲变形。由于等离子体云对激光有屏蔽作用，所以第二激光束(即4b)对管材的作用本质是力效应而不是热效应。

激光束的能量大小、激光模式、脉冲宽度、脉冲个数，由激光发生器控制系统1调节和控制。激光束的光斑直径通过激光头3的Z向移动来调节，并通过运动控制系统7进行控制。根据工艺要求的不同，由计算机通过运动控制系统7调整激光束与管材5的相对位置、相对移动速度和光斑大小，通过激光器控制系统1调整激光发生器的输出参数。由于激光头3及其所导出的激光束4a和4b沿X方向(管的轴向)移动，同时管材在小卡盘8的作用下产生转动，各个方向的运动通过插补使管材与激光束按预定速度和预定轨迹进行相对移动，从而使激光束扫描管材的一个区域。由于激光束4a及4b与管材5的相对位置不断变化，所以激光加热和激光冲击都是在一个区域中进行的，同时，激光束4a与4b交替照射，从而得到合乎要求的弯曲半径和弯曲角度。

为了适应不同截面形状的管材的激光弯曲成形，成形装置中包含沿Y方向移动的工作台。另外，为了测量并控制管材的弯曲角度，可以在Y向工作台上安装位移传感器，用于测量管材端部的位移量，并转化为管材的弯曲角。

为了增加管材对激光能量的吸收率，优选的技术方案是在管壁外表面覆盖能量吸收层。能量吸收层可以是黑漆、柔性贴膜、也可以是金属涂层或金属镀膜。管壁覆盖能量吸收层后，当激光束4a照射时，可以显著增加管壁的厚向温度梯度，从而增加弯曲变形量。当激光束4b照射时，覆盖有能量吸收层的管壁更易于电离气化并形成等离子体，从而形成更强的冲击力，使管材产生更大的弯曲变形。能量吸收层的组成和厚度取决于激光的种类、管材的厚度、使工件变形的能量和压力、预计变形的尺寸。例如在铜板上，能量吸收层可选黑色有机漆或石墨。能量吸收层的成分和厚度影响其气化形成的等离子体的能量和压力，例如，20微米厚的铜板变形需要20-40微米厚的石墨吸收层，但用金属涂层或金属镀膜作吸收层时，吸收层的厚度只需要15微米。

为了使管材5在激光束4a照射后能够快速冷却，可以通过喷水嘴9对加热区域喷上水幕进行冷却。水幕的另一个重要作用是，在激光束4b扫描时对等离子体的爆炸产生约束，显著增加等离子体对管壁的冲击。实验研究表明，同一束脉冲激光所产生的冲击力，在没有约束层时为1GPa，当采用水幕作约束层时，其冲击力可达4GPa。

本发明进行薄壁管激光弯曲成形的操作步骤是：(1)开始；(2)夹持管材；(3)管材表面覆盖能量吸收层(可选)；(4)第一激光束开始照射；(5)喷水幕(可选)；(6)第二激光束开始照射；(7)判断是否达到弯曲要求；(8)没达到弯曲要求则转步骤(3)，否则转步骤(9)；(9)移去管材；(10)清理。

Claims

1、薄壁管的激光弯曲成形方法，其特征在于，步骤如下：

(1)将连续激光或脉冲激光作为第一激光束照射在薄壁管的设定区，使该区管材受热产生热膨胀并使材料软化，导致压应力，产生压缩塑性变形，使管壁局部增厚，同时使管材产生背向激光束的微量弯曲变形，停止照射，材料冷却并产生体积收缩，产生拉应力，使管材又产生面向激光束的弯曲变形；

(2)将功率密度大于薄壁管材料的阈值强度的脉冲激光作为第二激光束照射在第一激光束照射过的薄壁管的同一区域，在管材表面形成等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，产生面向管材的冲击力，该冲击力是沿管壁法线方向的，它作用在步骤(1)弯曲变形时管壁增厚的区域，使管材进一步产生面向激光束的弯曲变形；

2、如权利要求1所述的薄壁管的激光弯曲成形方法，其特征在于，在薄壁管外表面上涂20-50μm能量吸收层，能量吸收层是石墨涂层、黑漆、柔性贴膜、金属涂层或金属镀膜。

3、如权利要求1所述的薄壁管的激光弯曲成形方法，其特征在于，所述的第二激光束是功率大于1GW，脉宽为1～50纳秒的脉冲激光，并优选CO₂激光等长波长脉冲激光。

4、如权利要求1所述的薄壁管的激光弯曲成形方法，其特征在于，所述薄壁管壁厚小于0.5mm。

5、如权利要求1所述的薄壁管的激光弯曲成形方法，其特征在于，所述的薄壁管管材是金属材料、合金材料。

6、实现权利要求1-5所述的薄壁波纹管的脉冲激光成形方法的专用装置，其特征在于，该装置由激光发生器系统、激光头系统、工作台系统、运动控制系统构成。

7、如权利要求6所述实现薄壁波纹管脉冲激光成形方法的专用装置，其特征在于，所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统(1)和两个激光发生器(2a，2b)，所述激光头系统包括沿X和Z方向移动的激光头(3)及其所传输的第一激光束(4a)、第二激光束(4b)，所述工作台系统包括沿Y方向移动的工作台(6)、位于工作台(6)上的可使工件绕轴旋转的卡盘(8)，所述运动控制系统(7)用于控制工件(5)与第一激光束(4a)、第二激光束(4b)产生预设的相对移动。

8、如权利要求6所述实现薄壁管激光弯曲成形方法的专用装置，其特征在于，还设有喷水嘴(9)，在第一激光束照射后对加热区域喷水形成水幕对管材进行冷却，同时对等离子体的爆炸产生约束。