CN102125951B - 金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法和装置，涉及紧固孔加工制造技术领域；本发明采用能量吸收杆（10）头部为圆锥面；高功率脉冲激光通过光斑调节装置（15）输出环形激光脉冲（8），环形激光脉冲（8）将能量吸收杆（10）头部圆锥面的尖顶部分包容在激光束的中空部分，同时环形激光脉冲（8）作用在能量吸收杆（10）头部圆锥面诱导等离子体（17）爆炸产生冲击波作用于紧固孔内壁，从而对紧固孔进行强化。本发明适合于强化小直径紧固孔，环形激光脉冲（8）的中空部分避开了能量吸收杆（10）圆锥面的尖顶部分，能量吸收杆（10）不易被损坏，有利于连续作业，强化效果好。

Description

金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法和装置

技术领域

本发明涉及金属薄板成形技术领域，特指一种金属薄板激光冲击波与电磁脉冲复合成形方法和装置，其适用于大型金属板料的高效率、复杂精密成形，也适用于金属板料的细微结构成形，特别适合于常规方法难以成形或根本无法成形的材料成形，如钛合金、镁合金材料等。

背景技术

金属板料塑性成形作为板材成形加工主要方法，已在整个国民经济中占有十分重要的地位，广泛应用于航空航天、船舶工业、汽车覆盖件、电子、仪表等生产行业。目前，国内外用于金属薄板塑性成形方法颇多，包括冲压、电磁成形、爆炸成形、喷丸成形、激光热应力成形和激光冲击成形等。传统的模具冲压成形是将金属板材置于模具上，在压力机作用下，在板材内部产生使之变形的内力，当内力的作用达到一定程度时，就获得一定的形状的零件，虽然操作简单，生产效率高，但是生产准备时间长，加工柔性差，模具费用大，制造成本高等不足，且模具冷冲压成形仅适用于低碳钢薄板、铝合金以及铜等塑性好的材料，但也受成形极限限制。

对于激光冲击成形，江苏大学张永康等人申请的发明专利“一种激光冲击精密成形方法及装置”，专利授权号：01134063.0，该专利采用高性能激光冲击精密成形技术，它直接利用强脉冲激光束冲击工件表面的柔性贴膜，使其表层气化电离并形成冲击波，由于产生的冲击波压力峰值超过材料动态屈服强度，这使成形材料发生明显塑性变形。其缺点如下：（1）在激光冲击成形过程中，板料每次塑性变形量小，对于高强度合金钢和较厚板材，变形量更小，主要适用于薄板的成形；（2）由于板料每次塑性变形量小，对于大面积的成形效率较低；大面积的成形方面，仅仅靠每次产生塑性变形完成成形过程，会产生变形间的不均匀性，因此表面光滑度受到影响；（3）由于冲击成形过程，不可避免地会发生激光能量等参数的波动等因素的影响，产生成形量如过量等问题无法进行修正；（4）难以完成复杂工件的冲击成形，要进行精密成形也非常困难；（5）其装置较难完成大型复杂精密工件成形的要求。

电磁成形技术是利用脉冲放电产生的脉冲电磁力来实现对金属材料的塑性加工。脉冲电磁力对工件表面产生的瞬间压力最大可达几十MPa，峰值压力可达380MPa，变形区内金属流动的速度可达300 m/ s。电磁成形工艺是20世纪60年代初兴起的新型金属塑性加工方法，属于高能率加工范畴。广泛应用于汽车、电子、仪器、军工等制造领域。但是电磁成形还存在以下不足：（1）设备能耗大。目前，国外设备最大储能为500kJ，而国内40kJ，但还远远不能满足加工难变形金属或大型实体金属工件需要；（2）能量利用率很低，能源浪费严重。设备储能的利用率一般在10%～20% ，最高也不过40% ，主要浪费在漏磁、发热上；（3）成本仍然很高，不易普及；（4）电磁成形工艺存在着一定的局限性，对加工零件的材料、形状有一定的要求。目前的电磁板材成形的方法大多用于加工形状较小的壳形件，对于成形汽车大型覆盖件、复杂曲面壳形件需要高电压、大能量的大型设备，另外，零件的复杂细微结构形状不易成形。

基于此，本专利首次提出一种激光冲击波与电磁脉冲对金属薄板进行复合成形方法，利用电磁脉冲力持续时间较激光冲击长，电磁脉冲力可对激光冲击变形过程进行有效的约束，实现金属板料整体和细部均匀成形。

发明内容

本发明的目的是将激光冲击波和电磁脉冲相结合，提供一种能克服上述缺点，并适用于常规方法难以成形的板料的成形方法及装置。利用电磁脉冲力效应扩大激光冲击区域，并对激光冲击变形域进行约束，从而改变激光喷丸成形的局部性和不均匀性，提高成形质量；同时激光冲击波的力效应作用也弥补了小型化电磁脉冲装置成形力的不足；复合成形装置可以按规划路径轨迹逐点冲击，使板料整体均匀变形，同时使材料流动更加合理，从而提高金属板料的成形效果，最终实现难成形材料的冲击成形。激光、电磁复合成形是一种高效、清洁方便的绿色制造工艺。

本发明的装置包括：三轴数控工作台，底模，试件托板，试件压板，导柱，柔性贴膜（约束层+吸收层），电磁脉冲装置，光斑调节装置，45°全反镜，高功率脉冲激光器，电磁力发生系统，激光器电源，电磁脉冲控制器，计算机控制系统；所述电磁脉冲装置包括：电磁脉冲线圈，集磁器；所述电磁力发生系统包括：放电开关，充电开关，充电装置，脉冲储能电容器组；高功率脉冲激光器出光前方设有45°全反镜，45°全反镜下方设有光斑调节装置，光斑调节装置下方设有电磁脉冲装置，经光斑调节装置的激光穿过电磁脉冲装置的中心孔，磁脉冲装置下方设有底模，底模安装在三轴数控工作台上，三轴数控工作台上安装有导柱，在导柱上自下而上依次安装有试件托板和试件压板。

计算机控制系统分别与激光器电源，电磁脉冲控制器相连，激光器电源与高功率脉冲激光器相连，电磁脉冲控制器与电磁力发生系统相连，电磁力发生系统与电磁脉冲装置连接。

采用激光冲击波与电磁脉冲对金属薄板进行复合渐进成形，一方面，电磁脉冲装置产生脉冲磁场使金属板料内产生涡流形成磁场而使金属板料受力；另一方面，板料表面涂（贴）有柔性贴膜（吸收层+约束层），激光脉冲穿过集磁器中心孔照射其表面诱导冲击波，在激光冲击波和电磁脉冲的共同作用下，金属板料变形；随着复合冲击的连续作用和三轴数控工作台的运动，使金属板料沿着一定的路径产生渐进成形。

其具体步骤如下：

（1）根据成形要求制作底模；

（2）板料的激光照射面贴（涂）上柔性贴膜，柔性贴膜包括：吸收层和约束层；

（3）将板料固定在试件托板和试件压板之间，将底模安装在三轴数控工作台上，调节底模和板料的相对位置；

（4）调节高功率脉冲激光器参数和电磁力发生系统参数，使参数满足试验要求；

（5）计算机控制系统控制高功率脉冲激光器和电磁脉冲装置分别产生激光脉冲和电磁脉冲作用到板料上，使金属板料变形；

（6）随着三轴数控工作台的运动和复合冲击的连续作用，使板料沿着一定的路径产生渐进成形，最终得到与底模相一致的形状。

本发明通过改变高功率脉冲激光器发出的激光脉宽（5ns～100ns），能量（0J～100J），光束直径（0.2mm～20mm），冲击路径等激光参数来调整冲击压力的大小和冲击方向；通过改变电磁力发生系统的放电能量（0kJ～100kJ），电压（0.3kV～20kV），电容（20μF～1600μF），电磁脉冲装置下端离板料的间隙（2mm～20mm）来调整电磁场作用在板料上的力的大小；从而可以根据不同的板料及不同的成形需求调节各种参数，以达到不同的成形要求。

电磁脉冲装置由集磁器和电磁脉冲线圈组成，所述集磁器设计有中心孔；光斑调节装置置于电磁脉冲装置的上方，经光斑调节装置聚焦的激光脉冲穿过集磁器的中心孔。

高功率脉冲激光器发出的激光束经外光路系统到光斑调节装置与电磁脉冲形成复合脉冲，在激光器电源和电磁脉冲控制器的控制下对板料实施复合冲击成形。实施冲击时可同步冲击；也可单独使用；也可利用电磁脉冲对金属板料进行加热，并在复合冲击下完成热塑成形。冲击过程可通过计算机控制系统控制激光冲击波和电磁脉冲的同步性。 

本发明具有如下技术优势：

（1）本发明利用电磁脉冲力效应（高达几十至几百MPa级的压力）使金属板料产生变形，扩大激光冲击变形区域和变形量，从而改变激光冲击变形的局部性和不均匀性。

（2）利用激光冲击的局部性变形的特点成形工件细部、复杂和窄深部位，同时采用电磁脉冲力进行成形的约束，改善其变形的均匀性，防止成形破裂，提高成形质量。

（3）电磁脉冲装置的小型化，解决了电磁成形的问题和不足，同时激光冲击波力效应的作用弥补了小型化电磁脉冲装置的成形力的不足。

（4）本发明可以通过渐进成形的方式对大型件进行冲击成形，同时，在激光冲击波的配合作用下，可对零件的复杂细微结构形状成形；此外，通过改变工艺参数可以实现大曲率冲击成形和小曲率喷丸成形。

（5）小型化的复合成形装置适应沿规划路径轨迹逐点冲击，产生渐进成形效果，能使板料产生整体均匀变形，材料流动更加合理，大大地提高了金属板料的成形性能，实现难成形材料的冷塑成形，彻底改变热成形带来的应力造成的危害，并使材料表面形成残余压应力。

（6）可对金属板料进行半模或无模成形，可同时进行冲裁、拉延等工序的加工，可实现板料的数控成形，大大降低生产成本和缩短新产品的开发周期。

（7）激光、电磁复合成形是一种高效、清洁方便的绿色制造工艺。

附图说明

图1为金属薄板激光冲击波与电磁脉冲复合渐进成形装置示意图。

图2为激光和电磁复合冲击大曲率渐进成形示意图。

图3为激光和电磁喷丸成形弯曲件示意图。

图4为激光和电磁喷丸成形校直示意图。

图5为激光和电磁脉冲对有细部成形件271进行复合成形示意图。

图中，1.三轴数控工作台，2.底模，3.试件托板，4.试件压板，5.导柱，6.板料，7.柔性贴膜，8.集磁器，9.电磁脉冲线圈，10.电磁脉冲装置，11.激光脉冲，12.光斑调节装置，13.45°全反镜，14.高功率脉冲激光器，15.放电开关，16.充电开关，17.充电装置，18.脉冲储能电容器组，19.电磁力发生系统，20.激光器电源，21.电磁脉冲控制器，22.计算机控制系统，23.运动轨迹，24喷丸路径A，25.喷丸路径B，26.焊接区域，123.激光脉冲沿等高线移动方向，223.底模上下运动方向，124.弯曲件，125.校直件，271有细部成形件，27电磁力场，28激光冲击力场。

具体实施方式

下面结合图1，图2，图3，图4，图5详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。

如图1所示，本发明的装置包括：三轴数控工作台1，底模2，试件托板3，试件压板4，导柱5，柔性贴膜7（约束层+吸收层），电磁脉冲装置10，光斑调节装置12，45°全反镜13，高功率脉冲激光器14，电磁力发生系统19，激光器电源20，电磁脉冲控制器21，计算机控制系统22；所述电磁脉冲装置10包括：电磁脉冲线圈9，集磁器8；所述电磁力发生系统19包括：放电开关15，充电开关16，充电装置17，脉冲储能电容器组18；柔性贴膜7为约束层+吸收层。

本发明通过调节以下参数实现板料6激光冲击波与电磁脉冲复合渐进成形工艺的控制：

高功率脉冲激光器14发出的激光脉宽为5ns～100ns可调，能量在0J～100J可调，光束直径在0.2mm～20mm可调。

电磁力发生系统19的放电能量为0kJ～100kJ可调，电压0.3kV～20kV可调，电容20μF～1600μF可调，电磁脉冲装置10下端离板料6的间隙为2mm～20mm。

计算机控制系统22通过激光器电源20调节高功率脉冲激光器14发出的激光脉宽和能量；高功率脉冲激光器14发出脉宽为5ns～100ns，能量为0J～100kJ的激光脉冲11，通过光斑调节装置12调节光斑直径的大小0.2mm～20mm，激光脉冲11穿过集磁器8中心孔照射在柔性贴膜7上诱导冲击波作用在板料6上；同时，计算机控制系统22通过电磁脉冲控制器21调节电磁力发生系统19的放电能量，电压，脉冲储能电容器组18的电容大小和连续充放电及充放电时机；开始放电开关15断开，充电开关16导通，充电装置17向脉冲储能电容器组18充电，使其存储足够的能量，接着通过计算机控制系统22控制放电开关15导通，充电开关16断开，脉冲储能电容器组18对电磁脉冲装置10中电磁脉冲线圈9快速放电，产生高压强脉冲电流，从而激发强脉冲磁场，然后产生涡流形成磁场而使板料6受力，这样使金属板料6在激光冲击波和电磁脉冲双重作用力下变形，在三轴数控工作台1的配合运行下实现板料6的复合渐进成形。

以下结合实施例详细说明装置工作情况：

图2所示为激光和电磁复合冲击大曲率渐进成形示意图，将板料6夹持在试件托板3和试件压板4中间，然后根据CAD三维模型切片分层所获得的轮廓线得到的轨迹数据转换成NC数据，计算机控制系统22控制三轴数控工作台1运动到运动轨迹23指定起点位置，调节电磁脉冲装置10下端离板料6的间隙，设定分层层间距为△h；高功率脉冲激光器14发出激光脉冲11通过光斑调节装置12聚焦作用到涂（贴）在板料6表面的柔性贴膜7（吸收层+约束层）上产生激光冲击波；同时，电磁脉冲装置10产生电磁脉冲，从而在板料6和电磁脉冲装置10之间产生电磁力；在激光冲击波和电磁脉冲的共同作用下，金属板料6在激光冲击波和电磁脉冲的作用区域产生变形；接着三轴数控工作台1沿着运动轨迹23指定的激光脉冲沿等高线移动方向123移动到下一个位置使电磁脉冲装置10与板料6的另一部分相对，同时高功率脉冲激光器14再次发出激光脉冲11，电磁力发生系统19充电完毕并再次放电，使板料6被压下第二个高度为△h的凹坑并与第一个凹坑衔接，形成连续的变形，然后放电——移动——放电——移动反复进行，直到三轴数控工作台1按该层等高线环的运动轨迹23走完一圈回到起点，此时完成对板料6顶层轮廓的加工，形成了第一层的轮廓曲面；接着三轴数控工作台1按照底模上下运动方向223使底模上升△h高度，被控制进入板料第二层轮廓的运动轨迹23的起点，并与板料6保持相对，如第一层一样走完一圈轨迹回到起点，此时形成了板料6第二层的轮廓；如此一层一层通过高功率脉冲激光器14不断发出激光脉冲11，电磁力发生系统19反复充放电不断释放电磁脉冲力，使板料6被由一个个的局部变形逐渐地累积加工形成一个整体的三维形状，直到板料6与底模2完全贴合。

图3所示为激光和电磁复合喷丸成形弯曲示意图。经高功率脉冲激光器14输出的激光脉冲11经过电磁脉冲装置10后与电磁脉冲形成复合脉冲。复合脉冲沿着喷丸路径A24对厚度为6mm的45钢进行复合喷丸成形，喷丸次数1~3次，喷丸后的弯曲件124的形状为小曲率弯曲成形件。沿同一条路径增加喷丸的次数，弯曲件124的弯曲变形量随之增加。但喷丸次数和弯曲角度并不是线性关系，弯曲角度也不是随着喷丸次数的增加无限增加。其工艺参数可通过扫描测量反馈系统在线控制，使其能满足成形要求。

图4所示为激光和电磁复合喷丸成形校直示意图。两板料焊接时，由于在焊接区域产生焊接应力导致板料发生了小曲率的焊接变形，实际运用时需对其进行校直，运用激光和电磁复合脉冲对此焊接件进行连续复合喷丸，三轴数控工作台1按照喷丸路径B25运动，实现对焊接件的喷丸。可根据具体的焊接参数、焊接应力状态及焊接变形量的大小，调节影响激光和电磁脉冲的各种复合冲击参数，可以最终消除焊接变形，得到平整的校直件125。

图5所示为激光和电磁脉冲对有细部成形件271进行复合成形示意图。利用电磁力场27持续时间较激光冲击力场28长，电磁脉冲力可对激光冲击变形过程进行有效的约束，实现金属板料细部均匀成形。

Claims (8)

1.一种金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法，其特征在于，利用高功率脉冲激光器和电磁脉冲装置，使激光脉冲穿过电磁脉冲装置中空部分，激光脉冲与电磁脉冲结合起来，利用长电磁脉冲和较短的激光冲击波脉冲产生的复合力效应作用，使金属薄板进行整体和细部均匀成形；具体步骤为：

（A）根据成形要求制作底模（2）；

（B）金属薄板（6）的激光照射面贴或涂上柔性贴膜（7），柔性贴膜（7）包括：吸收层和约束层；

（C）将金属薄板（6）固定在试件托板（3）和试件压板（4）之间，将底模（2）安装在三轴数控工作台（1）上，调节底模（2）和金属薄板（6）的相对位置； 

（D）调节高功率脉冲激光器（14）参数和电磁力发生系统（19）参数，使参数满足试验要求；

（E）计算机控制系统（22）控制高功率脉冲激光器（14）和电磁脉冲装置（10）分别产生激光脉冲和电磁脉冲作用到金属薄板（6）上，使金属薄板（6）变形；

（F）随着复合冲击的连续作用和三轴数控工作台（1）的配合运动，使金属薄板（6）沿着设计的路径产生渐进成形，最终得到与底模（2）相一致的形状。

2.根据权利要求1所述的金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法，其特征在于，所述高功率脉冲激光器（14）的激光脉宽为5ns～100ns，能量为0J～100J，光束直径为0.2mm～20mm。

3.根据权利要求1所述的金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法，其特征在于，所述电磁力发生系统（19）的放电能量为0kJ～100kJ，电压为0.3kV～20kV，电容为20μF～1600μF，电磁脉冲装置（10）下端离金属薄板（6）的间隙为2mm～20mm。

4.根据权利要求1所述的金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法，其特征在于，所述金属薄板（6）的变形约束用持续时间长的电磁力场作用，金属薄板（6）的细部变形用较小范围的短脉冲激光冲击力场作用。

5.根据权利要求4所述的金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法，其特征在于，利用电磁脉冲对金属薄板（6）进行加热，并在复合冲击下完成热塑成形。

6.根据权利要求1所述的金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法，其特征在于，在计算机控制系统（22）的控制下，激光脉冲和电磁脉冲实现同步冲击或异步冲击。

7.一种实施权利要求1所述金属薄板激光脉冲与电磁脉冲复合成形方法的装置，其特征在于，包括三轴数控工作台（1），底模（2），试件托板（3），试件压板（4），导柱（5），柔性贴膜（7），电磁脉冲装置（10），光斑调节装置（12），45°全反镜（13），高功率脉冲激光器（14）；高功率脉冲激光器（14）出光前方设有45°全反镜（13），45°全反镜（13）下方设有光斑调节装置（12），光斑调节装置（12）下方设有电磁脉冲装置（10），经光斑调节装置（12）发出的激光穿过电磁脉冲装置（10）的中心孔，电磁脉冲装置（10）下方设有底模（2），底模（2）安装在三轴数控工作台（1）上，三轴数控工作台（1）上安装有导柱（5），在导柱（5）上自下而上依次安装有试件托板（3）和试件压板（4）。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括计算机控制系统（22），激光器电源（20），电磁脉冲控制器（21），电磁力发生系统（19），所述计算机控制系统（22）分别与激光器电源（20），电磁脉冲控制器（21）相连，所述激光器电源（20）与高功率脉冲激光器（14）相连，所述电磁脉冲控制器（21）与电磁力发生系统（19）相连，电磁力发生系统（19）与电磁脉冲装置（10）连接。

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