CN102423875A - 基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头及其应用 - Google Patents

Abstract

一种金属板材成型技术领域的基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头及其应用，该喷头包括：下套筒、喷嘴、中套筒、激光输出装置和上套筒，其中：下套筒、喷嘴、中套筒与上套筒依次连接，上套筒为双层结构，激光输出装置固定于上套筒内且输出光轴正对喷嘴。本发明能够对难成形材料，如钛合金进行渐进成形或切割。

Description

基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头及其应用

技术领域

本发明涉及的是一种金属板材成型技术领域的装置及其应用，具体是一种基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头及其应用。

背景技术

金属板材在航空、航天、汽车、船舶等制造业有着广泛的应用，传统的板材冲压成形方法适用于大批量的生产加工，而针对小批量、多品种以及样品的试制加工，近年来兴起了一种板材的渐进成形方法。该方法不需要针对产品制作专门的冲压模具，具有加工方式灵活、成形极限高、加工成本低的特点，特别适合小批量金属板材的加工生产。

当前的渐进成形方法主要通过加工工具与板材的硬接触传递成形力，工具与板材之间存在摩擦，成形所需时间较长，加工工具也存在磨损，应变不够均匀。此外，工具与板材之间的润滑剂也会对板材造成污染，加工方式不够清洁。近年来，通过高压水实现板材渐进成形的方法也有一些探索。B.Jurisevic等人在《International Journal of Advanced ManufacturingTechnology》(国际先进制造技术)2006年31期上发表的“Water jetting technology：analternative in incremental sheet metal forming”(水射流技术：一种板材渐进成形的替代方法)一文中，对高压水射流渐进成形方法进行了可行性实验。Cheng等在2010年Second InternationalConference on Computer Modeling and Simulation(第二届计算机建模与仿真国际会议)中也对高压水射流渐进成形进行了初步实验。这些实验中板材的变形量非常小，加工形状简单，且只能对屈服应力较低的薄铝板进行成形，应用十分有限。

在水射流切割技术方面，通过在纯水中添加磨料，高压水射流可实现较厚板材的切割。但这种切割方法无法避免磨料产生的粉尘污染，而且板料断口处较为粗糙。

在激光加工技术方面，激光在金属板料的切割和焊接领域有着广泛的应用。通过激光切割技术可以得到质量较高的断口。但由于切割过程中产生高温，需要对镜片进行冷却。而切割过程中的高温也会使板料产生热变形，不适用于精密加工领域。除了在切割和焊接领域，目前尚未有激光技术在金属板料塑性成形领域特别是渐进成形工艺方面的应用。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头及其应用，能够对难成形材料，如钛合金进行渐进成形或切割。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：下套筒、喷嘴、中套筒、激光输出装置和上套筒，其中：下套筒、喷嘴、中套筒与上套筒依次连接，上套筒为双层结构，激光输出装置固定于上套筒内且输出光轴正对喷嘴。

所述的下套筒与中套筒之间通过螺纹连接，喷嘴固定设置于下套筒内壁的喷嘴槽内；

所述的喷嘴采用红宝石或硬质合金材料制成；

所述的激光输出装置包括：透镜套筒和激光透镜，其中：透镜套筒与上套筒之间通过螺纹连接，激光透镜固定设置于透镜套筒的内壁的透镜槽内。

所述的上套筒为双层结构，内层为激光输出装置所使用的激光通路，内层与外壳之间为高压水通路。

本装置工作时，高压水从上套筒内外层之间通过经喷嘴射出；激光经反射进入内层套筒，经透镜聚焦通过喷嘴射出；当激光通过喷嘴后，由于水的折射率高于空气的折射率，激光在水柱内部反射前进，并被水柱引导射向板材，从而使板材局部受热软化；板材的软化部位同时在水射流的压力下实现变形，从而实现板料的渐进成形或切割。

本发明的将激光技术与水射流技术进行集成，通过水射流强度以及激光强度的不同组合，可实现：a)激光辅助加热的水射流渐进成形以及b)基于水射流保护的激光切割技术。本发明的创新性及相对现有技术的优势叙述如下：

a)激光辅助加热的水射流渐进成形技术：通过水射流技术进行板料渐进成形相对于传统的渐进成形技术，避免了工具头的使用，从而避免了摩擦、润滑以及工具头的磨损带来的一系列工具头加工、板料表面质量以及润滑液环境污染方面的问题。此外，通过在水射流中加入激光，可使水射流冲击处的板料发生局部软化，从而可大幅提高板料厚度，如传统水射流渐进成形方法只能成形0.5mm以下厚度的铝板，而激光辅助加热的水射流成形技术可成形1mm厚的钢板。该技术大大提高了水射流渐进成形技术的实用性。

b)基于水射流保护的激光切割技术：通过较低压力的水射流取代传统的气体冷却方式对镜片以及板料进行冷却，可极大的提高冷却效率，使激光切割成为一种“冷”切割，防止板料发生热变形。激光在水射流中传播，水射流的直径即为激光光斑直径。通过本发明所述的装置可实现板料的精密切割，切割后板料热变形量可控制在0.01mm以内。

附图说明

图1是喷头的剖面图。

图2是喷头的剖视图。

图3是喷头上套管筒的局部放大示意图。

图4是喷头下套管筒的局部放大示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：喷嘴1、下套筒2、中套筒3、透镜套筒4、激光透镜5、上套筒6和反光板7，其中：下套筒2与中套筒3连接，喷嘴1固定于下套筒2与中套筒3之间；中套筒3与上套筒6连接，上套筒6为双层结构，激光透镜5固定于透镜套筒4与上套筒6之间；激光透镜5与喷嘴1同轴；喷嘴1根据内径的大小可采用红宝石或硬质合金材料；下套筒2与中套筒3之间、以及中套筒3与上套筒6之间、透镜套筒4与上套筒6之间通过螺纹连接，可方便的将该喷头拆卸开来更换喷嘴1与激光透镜5。

如图1、图3和图4所示，喷头工作时激光从入口8处进入，经反光板7进入上套筒6的内层套筒，再经激光透镜5聚焦，最后经喷嘴1射出；高压水从入口9进入喷头，经上套筒6的内外层套筒之间进入中套筒内腔，最后经喷嘴1射出；高压水在流经上套筒6与镜头套筒4之间时，可对激光透镜5进行冷却；激光经喷嘴射出后被高压水柱引导前进，不易发生散射，能量传播效率较高。

本装置具有以下三种工作方式：

1)激光辅助加热下的高压水射流成形：针对难变形材料如钛合金，采用1千瓦功率的激光发生器，将水泵压力调至30MPa，喷嘴采用内径尺寸2mm的硬质合金喷嘴。当激光对板料加热的热流量超过高压水从板料上带走的热量时，板料在被加热软化的同时在高压水的作用下发生变形，从而完成增量成形；

2)激光高压水射流切割：针对难切割材料如钛合金，采用2千瓦功率的激光发生器，将水泵压力调至300MPa，喷嘴内径尺寸0.5mm的红宝石喷嘴。板料经激光加热熔化后的材料被高压水冲走，从而完成板料的切割；

3)水射流成形：针对易变形材料如铝合金，无需激光介入，将水泵压力调至30MPa，喷嘴采用内径尺寸2mm的硬质合金喷嘴。板料在高压水的压力下发生变形，从而完成增量成形。

Claims (8)

1.一种基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头，其特征在于，包括：下套筒、喷嘴、中套筒、激光输出装置和上套筒，其中：下套筒、喷嘴、中套筒与上套筒依次连接，上套筒为双层结构，激光输出装置固定于上套筒内且输出光轴正对喷嘴。

2.根据权利要求1所述的基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头，其特征是，所述的下套筒与中套筒之间通过螺纹连接，喷嘴固定设置于下套筒内壁的喷嘴槽内。

3.根据权利要求1所述的基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头，其特征是，所述的喷嘴采用红宝石或硬质合金材料制成。

4.根据权利要求1所述的基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头，其特征是，所述的激光输出装置包括：透镜套筒和激光透镜，其中：透镜套筒与上套筒之间通过螺纹连接，激光透镜固定设置于透镜套筒的内壁的透镜槽内。

5.根据权利要求1所述的基于激光辅助加热的超高压水射流板材渐进加工喷头，其特征是，所述的上套筒为双层结构，内层为激光输出装置所使用的激光通路，内层与外壳之间为高压水通路。

6.一种根据上述任一权利要求所述渐进加工喷头的应用方法，其特征在于，针对钛合金，采用1千瓦功率的激光发生器，将水泵压力调至30MPa，喷嘴采用内径尺寸2mm的硬质合金喷嘴，当激光对板料加热的热流量超过高压水从板料上带走的热量时，板料在被加热软化的同时在高压水的作用下发生变形，从而完成增量成形。

7.一种根据上述任一权利要求所述渐进加工喷头的应用方法，其特征在于，针对钛合金，采用2千瓦功率的激光发生器，将水泵压力调至300MPa，喷嘴内径尺寸0.5mm的红宝石喷嘴。板料经激光加热熔化后的材料被高压水冲走，从而完成板料的切割。

8.一种根据上述任一权利要求所述渐进加工喷头的应用方法，其特征在于，针对铝合金，无需激光介入，将水泵压力调至30MPa，喷嘴采用内径尺寸2mm的硬质合金喷嘴。板料在高压水的压力下发生变形，从而完成增量成形。

Images