CN101332539A - 薄壁波纹管的脉冲激光成形方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁波纹管的脉冲激光成形方法及实现该方法的专用装置。该方法是将脉冲激光束4作用于薄壁管7表面覆盖的能量吸收层6产生等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，所产生的爆轰波在约束层套管5的作用下导致面向管壁的冲击力，借助于薄壁管7的轴向平移和旋转，将薄壁管7加工成为波纹管。实现该方法的专用装置，由激光发生器系统、激光头系统、工件系统、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、铜等金属及合金材料，也可加工硅等非金属材料。其特别适合于微机电系统元器件如微传感器、微补偿器、微连接器的制造中。

Description

薄壁波纹管的脉冲激光成形方法及装置

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体涉及一种薄壁波纹管的脉冲激光成形方法及实现该方法的专用装置。

背景技术

波纹管的用途非常广泛，作为弹性元件，可用于各类测量、调节、控制、传感仪器的敏感元件、补偿元件、连接件和密封件等；作为膨胀节的柔性段，可用于补偿管路因温差造成的轴向、横向和角位移，也可以在管路中用于补偿位置偏差、吸收管系的振动等。由于波纹管通常承受交变载荷，因此往往要求具有高的抗疲劳性能。

波纹管的成形方法很多，如液压成形、滚压成形、机械胀形、焊接成形和沉积成形等。其中液压成形最为常见，它利用管材中的液体压力，使管坯在限制环中胀形。由于要在管材中充液，在成形微小波纹管时不容易控制；滚压成形则依靠设在管材中的成形轮进行滚压，主要用于加工大型波纹管；机械胀形采用在管材内部扩胀的胎具，逐个波纹进行胀压，该方法也不适合于微小波纹管的制造；对于波高过大或波形特殊的波纹管，多采用焊接成形，但这类波纹管不能承受内压，其应用范围有限；沉积成形是利用电沉积方法将波纹管材料沉积到芯模上，然后将芯模熔蚀，该方法适应于微小波纹管的制造(如最小内径可达0.75mm，最小长度可达1mm)，但成本太高，且目前仅限于镍材。由于疲劳破坏通常是波纹管损坏的常见方式，但上述各种方法都很难发挥材料的抗疲劳能力；另外，微机电(微传感器等)行业的发展，对微小波纹管的需求愈来愈大，因此迫切需要一种效率高、工艺范围广、易于操作和控制，能制造高疲劳寿命的微小波纹管的方法及装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种用脉冲激光做成形工具、特别适合于薄壁微小波纹管的成形方法。

本发明的目的之二是提供实现薄壁波纹管的脉冲激光成形方法的专用装置。

本发明薄壁波纹管的脉冲激光成形方法，将脉冲激光束4作用于薄壁管7表面覆盖的能量吸收层6产生等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，所产生的爆轰波在约束层套管5的作用下导致面向管壁的冲击力，借助于薄壁管7的轴向平移和旋转，将薄壁管7加工成为波纹管。

所述能量吸收层6为漆、石墨、金属涂层或金属镀膜。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。

所述脉冲激光束4的功率不能过低，这是因为等离子体爆轰波是在一定激光强度下产生的，这一强度被称为点火阈值强度，并以功率密度表示。阈值强度与激光辐照脉宽有关，在一定范围内，脉宽越宽阈值越低。不同材料也对应不同的阈值强度，如果激光强度小于被加工材料的阈值强度，则达不到变形所需的冲击力。波长为10.6μm的激光对铝箔、铜板、钛板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，所对应的激光能量密度分别为84.0J/cm²、191.0J/cm²、160.1J/cm²。如果板材表面覆盖的不是金属涂层，而是石墨等材料，阈值强度又会与上述数值不所不同。理论上，功率大于1MW，脉宽大于1ns的任何激光都可用于薄壁波纹管的成形。对于金属管材，所述激光束4的功率密度优选为1～10GW/cm²，脉冲宽度为10～50ns。

在优选的方案中，所述约束层套管5对所选用的激光接近透明。在更为优选的方案中，所述约束层套管5为有机玻璃套管。约束层的组成和厚度取决于激光的种类、板材的厚度、预计使工件变形的能量和压力、预计变形的尺寸。如用玻璃作约束层时，冲击应力可达到10GPa以上，不采用任何约束层，等离子体直接向空气中爆炸扩散时，对材料所产生的冲击力只有1GPa左右。为了尽量减小激光束4透过约束层5时的能量损失，并保证约束作用，约束层厚度优选为0.2～1.0mm。

在优选的方案中，所述薄壁管7壁厚小于0.1mm。在更为优选的方案中，所述薄壁管7的壁厚小于0.05mm。

本发明实现薄壁波纹管的脉冲激光成形方法的专用装置由激光发生器系统、激光头系统、工件系统、工作台系统、运动控制系统构成。所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统1和激光发生器2，所述激光头系统包括沿X和Z方向移动的激光头3及其所传输的激光束4，所述工件系统包括约束层套管5、能量吸收层6和薄壁管7，所述工作台系统包括沿Y方向移动的工作台8、位于工作台8上的可使工件系统绕管轴旋转的卡盘9，所述运动控制系统10用于控制工件系统5、6、7与激光束4产生预设的相对移动。

本发明的薄壁波纹管脉冲激光成形方法，是一种将脉冲激光作用于薄壁管上，通过薄壁管表面形成的等离子体云的冲击作用，将薄壁管成形为波纹管的方法。优选的方案是将激光发生器发出的激光，经过激光头中镜片的反射和聚焦并导出激光束，激光束穿过透明的约束层，作用于管材表面覆盖的能量吸收层产生等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，所产生的爆轰波在约束层的作用下导致面向管材的冲击力，并使管壁发生局部内凹变形(激光冲击形成塑性凹坑)。由于激光头及其所导出的激光束沿X方向(管的轴向)移动，同时管材在小卡盘的作用下产生转动，所以激光束与管材的相对位置不断变化，激光冲击形成的塑性凹坑不断延伸从而形成波纹管的波形。根据工艺要求的不同，由计算机通过运动控制系统调整激光束与管材的相对位置和相对速度，通过激光器控制系统调整激光发生器的输出参数，从而加工出所要求的波纹管。

实现薄壁波纹管的脉冲激光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、工件系统、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，所述工件系统包括约束层、能量吸收层和薄壁管，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系统绕管轴旋转的卡盘。所述运动控制系统可以由PLC(可编程序控制器)组成，也可以直接采用数控系统。运动控制系统控制激光头、工作台和卡盘的伺服电机的转动，并使激光头、工作台、卡盘产生运动，这几个运动通过插补，使工件系统与激光束产生预设的相对移动。

薄壁波纹管脉冲激光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、脉冲次数、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；工件参数包括管材壁厚、材料种类、管材直径和长度、约束层的类型、约束层厚度、能量吸收层类型、能量吸收层厚度。其中激光能量、脉冲宽度、脉冲频率、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。将各种加工信息输入计算机，通过计算机的处理，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，可以调整冲击压力和成形半径的大小，配合有序的多点连续激光冲击，便可方便地获得不同规格的波纹管。

通过这种方法，可以加工钢、铝、铜等金属及合金材料，也可加工硅等非金属材料，特别适合于微机电领域的微型波纹管的制造。

本发明的技术优势在于：

(1)集成了激光喷丸强化与塑性成形的优点，能够提高零件的疲劳寿命；

(2)光斑直径可以调整至毫米级甚至微米级，特别适合于微小波纹管成形；

(3)由于将激光束诱发的等离体作为塑性变形的力源，调整工艺参数，便可调整塑性变形量，从而形成不同的波形，加工柔性大；

(4)激光冲击过程是高应变率变形过程，可以用于常规方法难变形材料的成形；

(5)属无模成形，不需要限制环，也不需要滚压轮，工装夹具系统特别简单，成形速度快，加工效率高。

附图说明

图1是薄壁波纹管的脉冲激光成形装置示意图。

图2是工件系统的局部剖面示意图。

图3是制造的波纹管的示意图。

其中：1.激光发生器控制系统；2.激光发生器；3.X/Z向激光头；4.激光束；5.约束层；6.能量吸收层；7.管材；8.Y向工作台；9小卡盘；10.运动控制系统；11.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为本发明进行薄壁波纹管脉冲激光成形装置示意图。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2；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4；工件系统包括约束层5、能量吸收层6、管材7；工作台系统包括沿Y方向移动的工作台8、位于工作台8上用于夹持工件并带动工件旋转的小卡盘9；控制工件系统5、6、7与激光束4相对移动的是运动控制系统10。

薄壁波纹管的脉冲激光成形方法的具体实施方式是，将激光发生器2发出的激光，经过激光头3中镜片的反射和聚焦并导出激光束4，激光束4穿过透明的约束层5，作用于管材7表面覆盖的能量吸收层6产生等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，所产生的爆轰波在约束层5的作用下导致面向管材7的冲击力，并使管壁产生局部凹坑。由于激光头3及其所导出的激光束4沿X方向(管的轴向)移动，同时管材在小卡盘9的作用下产生转动，所以激光束4与管材7的相对位置不断变化，激光冲击形成的塑性凹坑不断延伸从而形成波纹管的波形。根据工艺要求的不同，由计算机通过控制系统10调整激光束与管材的相对位置和相对速度，通过激光器控制系统1调整激光发生器的输出参数，从而加工出所要求的波纹管。

激光束4的能量大小、激光模式、脉冲宽度、脉冲频率、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10进行控制。运动控制系统10同时控制激光头3的X向移动、工作台8的Y向移动、工作台8上小卡盘9的转动。各个方向的运动通过插补使工件系统6、7、8与激光束4按预定速度和预定轨迹进行相对移动，从而有序进行多点冲击。

图2是图1中工件系统的局部剖面示意图，其中包括约束层5、能量吸收层6、管材7，能量吸收层6覆盖在管材7上。约束层5对所选用的激光是透明的，优选为有机玻璃套管。该套管紧密地套在覆盖着能量吸收层6的管材7上。约束层5的作用是限制等离子体的发散并使其产生的冲击波朝向管材7。能量吸收层6可以是漆、石墨、柔性贴膜、也可以是金属涂层。能量吸收层6在激光照射时会电离气化形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量从而转变为使工件变形的冲击波。能量吸收层6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；对于硅基材料，能量吸收层可以是铝或铜的涂层或镀膜，这些膜可以通过喷溅或化学气相沉积法覆盖在工件上。在中尺度或通常的宏观变形情况下，为操作方便，优先选择黑漆或石墨作为能量吸收层。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。管材7可以是铝、铜、钢等金属及合金材料，也可以是硅等非金属材料。可以是塑性好的材料，也可以是脆性、难变形的材料。

图2中激光束4下的凹坑是已成形的波纹，右侧的平整部分是尚未变形的区域。在激光冲击照射过程中，如果激光束4与管材7没有相对移动，激光束4通过一个或多个脉冲作用于管材7，虽然管材内部并没有成形模具，但由于圆形光斑作用于吸收层时所产生的等离子体爆轰波是呈轴对称形状并向各个方向扩散的，所以，在管材7上所生成的塑性凹坑呈轴对称状。当激光束4与管材7相对移动时，按预定速度和轨迹进行有序的多点连续激光冲击，便可获得连续的波形，得到所要求的波纹管。

图3是成形后得到的波纹管的示意图。两端平整区域没有加工波形，中间是有波形的区域。

薄壁波纹管脉冲激光成形方法的操作步骤包括：开始→选择管材→将能量吸收层覆盖在管材上→将起约束层作用的套管套在覆盖着能量吸收层的管材上→管材与约束层相对固定并用卡盘夹持→工件旋转并与激光头相对移动→多个激光脉冲作用于工件上→移去工件→移去约束层→清理工件→结束。

Claims (7)

1、薄壁波纹管的脉冲激光成形方法，其特征在于，它是一种将脉冲激光束(4)作用于薄壁管(7)表面覆盖的能量吸收层(6)产生等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，所产生的爆轰波在约束层套管(5)的作用下导致面向管壁的冲击力，借助于薄壁管(7)的轴向平移和旋转，将薄壁管(7)加工成为波纹管的方法。

2、权利要求1所述薄壁波纹管的脉冲激光成形方法，其特征在于，所述能量吸收层(6)为漆、石墨、金属涂层或金属镀膜。

3、权利要求1所述薄壁波纹管的脉冲激光成形方法，其特征在于，所述约束层套管(5)对所选用的激光接近透明。

4、权利要求3所述薄壁波纹管的脉冲激光成形方法，其特征在于，所述约束层套管(5)为有机玻璃套管。

5、权利要求1-4任一所述薄壁波纹管的脉冲激光成形方法，其特征在于，所述薄壁管(7)壁厚小于0.1mm。

6、实现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、工件系统、工作台系统、运动控制系统构成。

7、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)和激光发生器(2)，所述激光头系统包括沿X和Z方向移动的激光头(3)及其所传输的激光束(4)，所述工件系统包括约束层套管(5)、能量吸收层(6)和薄壁管(7)，所述工作台系统包括沿Y方向移动的工作台(8)、位于工作台(8)上的可使工件系统绕管轴旋转的卡盘(9)，所述运动控制系统(10)用于控制工件系统(5、6、7)与激光束(4)产生预设的相对移动。

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