薄壁管的激光彎曲成形方法及裝置的制作方法

專利名稱：薄壁管的激光彎曲成形方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于先進制造領域，具體涉及一種用激光進行薄壁管彎曲成形的方法及實現該方 法的裝置。
背景技術：
傳統的薄壁管材的彎曲成形方法是機械彎曲，包括壓彎、滾彎、推彎、繞彎等。在機械 彎曲過程中，管材變形區的外側壁由于受到張力作用會產生管壁變薄現象，出現凹陷或裂紋， 從而導致張力破壞；變形區的內側壁會變厚導致起皺；管材還常常會出現橢圓化現象以及彎 曲回彈。這些缺陷給彎曲過程的控制及彎曲精確化帶來困難。劉韌與季忠的學術論文"板料激光成形及其研究進展"(鍛壓裝備與制造技術，2004， (3)) 介紹了利用激光誘發的熱應力進行彎管的技術。管材的熱應力彎曲是通過內弧面的變形來實 現的，其變形量是變形區沿軸向的縮短和沿半徑方向向外變形的效果之和，此過程中作用在 外弧面上的力遠遠小于機械彎曲時的力，因而外側壁變薄的程度要小于機械彎曲。另外，由 于管材在用激光進行熱應力彎曲時不使用模具，且管材外側受到的張力要小許多，因此管材 的橢圓化率要小于機械彎曲。但是，上述通過激光加熱形成溫度梯度導致的熱應力進行管材彎曲的方法也有其明顯弱 點-如多次冷熱循環往往弓I起材料組織和性能的變壞；變形僅僅是通過熱膨冷縮在內弧面處 引起的材料淤積造成的，每次激光掃描后材料的變形量很小，成形效率低；當管材彎曲到一 定程度后，難以進行進一步的變形，成形極限小。美國力口州大學Hackel Lloyd申請的專禾『Con tour Forming of Metals by Laser Peening" (專利號WOO 105549)，提出通過激光沖擊板材表面，利用其殘余應力釋放產生微曲度進行微 變形，通過多次沖擊使微曲度累積，便可獲得更大的變形量。這種成形方法是利用受沖擊表 面受到的壓應力進行面向激光束的凸面成形，與板材熱應力彎曲時的變形趨勢相反；另外未 發現將該技術成功用于管材彎曲的報道。這種成形方法的本質，是利用激光作用于材料表面 時，形成的等離體爆炸所產生的沖擊力。眾所周知，當激光與物質相互作用時，只有當激光 的功率密度(單位面積上的功率值)達到一定值時，才能產生爆轟波并導致沖擊力，低于該 值時，則不會產生明顯的沖擊力，這個功率密度的門坎值稱為點火閾值強度。該閾值強度與 激光的波長和脈沖寬度有關，在一定范圍內，脈沖寬度越寬則閾值越低。如果激光的功率密 度小于被加工材料的閾值強度，則不能產生變形所需的足夠的沖擊力。發明內容針對現有技術的不足，本發明提供一種用激光進行薄壁管彎曲成形的方法及實現該方法 的裝置。該方法具有成形效率高、成形極限大、零件性能好等特點。 本發明的技術方案如下-本發明的薄壁管激光彎曲成形方法,步驟如下(1)將連續激光或脈沖激光作為第一激光束照射在薄壁管的設定區，使該區管材受熱產 生熱膨脹并使材料軟化，導致壓應力，產生壓縮塑性變形，使管壁局部增厚，同時使管材產 生背向激光束的微量彎曲變形，停止照射，材料冷卻并產生體積收縮，產生拉應力，使管材 又產生面向激光束的彎曲變形。兩次彎曲變形的角度差，即為一次激光掃描所產生的彎曲變形量。(2) 將功率密度大于薄壁管材料的閾值強度的脈沖激光作為第二激光束照射在第一激 光束照射過的薄壁管的同一區域，在管材表面形成等離子體云，等離子體云進一步吸收激光 能量而爆炸，產生面向管材的沖擊力，該沖擊力是沿管壁法線方向的，它作用在步驟(1)彎 曲變形時管壁增厚的區域，使管材進一步產生面向激光束的彎曲變形。(3) 第一激光束和第二激光束交替輪番照射薄壁管的同一區域，使激光加熱和激光沖擊 都是在一個區域中進行的，直至得到要求的彎曲半徑和彎曲角度。優選的，上述的第二激光束是功率大于1GW，脈寬為1 50納秒的脈沖激光，并優選C02 激光等長波長脈沖激光。優選的，薄壁管壁厚小于0.5mm。為了增加管壁材料對激光能量的吸收并防止激光反射、 散射等可能出現的事故，管材表面涂上能量吸收層。優選的，在薄壁管外表面上涂20-50/zm能量吸收層，能量吸收層是石墨涂層、黑漆、柔性貼膜、金屬涂層或金屬鍍膜。所述的薄壁管管材是金屬材料、合金材料。可以是塑性好的材料，也可以是脆性、難變 形的材料。不同波長的激光產生爆轟波的閾值強度不同，如波長為1.06um和10.6um的激光的閾 值強度大致分別為108 109\\7(^2和107W/cm2。不同材料也對應不同的閾值強度，例如波長 為10.6pm的激光對鋁箔、銅板、鈦板、聚四氟乙烯產生爆轟波的閾值強度大致分別為1.2X 107W/cm2、 2.75X 107W/cm2、 2.3X 107W/cm2、 2.8X 107W/cm2,所對應的激光能量密度分別為 84.0 J/cm2、 191.0 J/cm2、 160.1 J/cm2、 195.2 J/cm2。根據不同的薄壁管的材料可以參照以上參 數進行具體工藝條件的設定。此外，第一激光束與第二激光束交替輪番照射時，可借助于使薄壁管相對于激光束的軸 向平移和旋轉，使激光照射在一個區域內進行，最終將薄壁管材進行彎曲成形。本發明的薄壁管激光彎曲成形方法，是一種熱應力與激光沖擊復合成形方法。其工作原 理在于該方法是將兩束激光作用于薄壁管上，其中第一激光束用于薄壁管的加熱，使薄壁管 軟化，并在受熱區域產生熱應力，使管產生彎曲變形。其變形機理是第一激光束照射時， 管壁受到加熱并產生膨脹，產生壓應力，導致壓縮塑性變形，使管壁局部增厚，管材產生背 向激光束的微量彎曲變形，稱為反向彎曲；該束激光照射后，材料冷卻，導致被照射區產生 體積收縮，產生拉應力，使管材產生面向激光束的彎曲變形，稱為正向彎曲。正向彎曲與反 向彎曲角的差值，即為第一次激光照射時所產生的彎曲變形量。但前述壓縮塑性變形在受拉 時并不能完全恢復，因此正向彎曲變形量通常人于反向彎曲變形量，使管材最終殘留面向激 光束的正向彎曲變形。實驗研究表明，如果僅用一束激光通過誘發熱應力使管材發生彎曲變 形， 一是彎曲效率非常低，二是彎曲半徑不能太小，否則不能產生持續的彎曲變形。此時， 再用一束脈沖激光照射管材，并在板材表面形成等離子體，通過等離子體爆炸產生的沖擊作 用，使薄壁管材局部發生塑性失穩，并進一步產生面向激光束的正向彎曲變形。第二激光束 照射產生的等離體子體對激光具有屏蔽效應，等離子體幾乎全部吸收激光能量，并產生球狀 爆炸。等離子體的屏蔽效應使激光幾乎不能加熱管材，因此第二激光束對管材的作用是一種 冷態下的力效應，而不是熱效應。控制得當，即使第一激光束的熱效應導致了晶粒粗化現象， 第二激光束的沖擊則可使粗化晶粒破碎，從而得到好的變形組織。實現薄壁管激光彎曲成形方法的專用裝置，由激光發生器系統、激光頭系統、工作臺系 統、運動控制系統構成。激光發生器系統包括激光發生器控制系統和激光發生器，所述激光 頭系統包括沿X和Z方向移動的激光頭及其所傳輸的激光束，所述工作臺系統包括沿Y方向移動的工作臺、位于工作臺上的可使工件繞軸旋轉的卡盤，所述運動控制系統用于控制工件 與激光束產生預設的相對移動。實現薄壁管激光彎曲成形方法的專用裝置，還設有噴水嘴對加熱區域噴水形成水幕對管 材進行冷卻同時對等離子體的爆炸產生約束，從而導致更大的沖擊力。薄壁管激光彎曲成形方法的技術參數包括能量參數、運動參數、工件參數。能量參數包 括激光能量、脈沖寬度、脈沖頻率、光斑直徑；運動參數包括激光束與管材的相對速度(即 光斑在管壁上的移動速度)、光斑在管壁上的移動軌跡；工件參數包括管材壁厚、材料種類、 管材直徑和長度、能量吸收層類型、能量吸收層厚度。其中激光能量、脈沖寬度、脈沖次數 由激光發生器控制系統來調節和控制；光斑直徑由激光頭及運動控制系統調節和控制；光斑 在管壁卜-移動速度和移動軌跡由激光頭、Y向工作臺、小卡盤調節和控制。另外的重要技術參 數是第一激光束在管壁上的照射時間，以及與第二激光束照射的時間間隔。第二激光束的照 射時間取決于設定的脈沖個數。將各種加工信息輸入計算機，通過計算機的處理，將信息進 一步傳遞給激光發生器控制系統和運動控制系統，從而按要求的工藝進行加工。改變技術參 數，可以調整溫度梯度、沖擊壓力和塑性變形區的大小，配合有序的多點連續激光沖擊，便 可方便地獲得不同彎曲角度的薄壁管。通過這種方法，可以加工鋼、鋁、銅等金屬及合金材料，也可加工部份非金屬材料，特 別適合于現代生產中多品件小批量薄壁彎管的制造。本發明的技術優勢在于(1) 屬于無模、無外力成形，通過優化工藝參數、精確控制熱作用區及區內的溫度分布， 控制沖擊力以及沖擊區域，就能獲得合理變形，具有高的生產柔性。(2) 屬于溫熱態的累積成形，并具有高的變形速率(第二激光束照射時，應變率可達〉10^—、 能夠成形常溫常態下的一些難變形材料。(3) 集成了激光噴丸強化與塑性成形的優點，能夠改善零件的疲勞壽命。(4) 光斑直徑可以調整至毫米級甚至微米級，能夠進行微小薄壁管的彎曲成形，并且能夠 獲得比傳統方法更小的彎曲半徑。(5) 對第一激光束的模式無特定要求，可實現激光焊接、激光切割和激光成形等激光加工 工序的同工位復合化。


圖1是薄壁管的激光彎曲成形裝置示意圖。圖2是卡盤夾持工件進行激光彎曲的示意圖。 圖3是管材受到激光照射區域的局部軸截面圖。其中1.激光發生器控制系統；2a.用于加 熱的激光發生器2b.用于脈沖沖擊的激光發生器；3.X/Z向激光頭；4a.用于加熱的激光束； 4b.用于脈沖沖擊的激光束；5.管材；6.Y向工作臺；7.運動控制系統；8.小卡盤；9.噴水 嘴；10.計算機。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明提出的技術方案的細節和工作情況。圖1為本發明進行薄壁管激光彎曲成形裝置示意圖。激光發生器系統包括依次相連的激 光發生器控制系統l、激光發生器2a和2b;激光頭系統包括可在X及Z向移動的激光頭3、 激光頭導出的激光束4a和4b;工作臺系統包括沿Y方向移動的工作臺6、位于工作臺6上用 于夾持管材5，并帶動管材5旋轉的小卡盤8;控制管材5與激光束4a及4b相對移動的是運 動控制系統7。薄壁管激光彎曲成形方法是，將激光發生器2a發出的激光，經過激光頭3中鏡片的反射和聚焦導出激光束4a，激光束4a照射在管材上(如圖2)，使受熱區域產生熱膨脹并使材料 軟化，導致壓應力，產生壓縮塑性變形，使管壁局部增厚(如圖3所示)，同時使管材5產生 背向激光束的微量彎曲變形。激光束4a停止照射后，材料冷卻并產生體積收縮，產生拉應力， 使管材5又產生面向激光束的彎曲變形。由于熱膨脹時產生的壓縮塑性變形在冷卻時并不能 完全恢復，因此，面向激光束的彎曲變形量通常比背向激光束的大，所以管材5最后殘存面 向激光束的彎曲變形，并且總是伴隨著管壁局部增厚現象(如圖3)。由于管壁不可能無限制 地增厚，所以單純由熱應力引起的彎曲變形量不會太大。為此，再用激光發生器2b發出的激 光，經過激光頭3中鏡片的反射和聚焦導出激光束4b，按照激光束4a的照射區域進行照射。 激光束4b是一束脈沖激光，其能量密度大于管材5的點火閾值強度，并在管材5表面形成等 離子體云，等離子體云進 -步吸收激光能量而爆炸，產生面向管材5的沖擊力，該沖擊力是 沿管壁法線方向的，它作用在第一次彎曲變形時管壁增厚的區域，使管材5進一步產生面向 激光束的彎曲變形。由于等離子體云對激光有屏蔽作用，所以第二激光朿(即4b)對管材的 作用本質是力效應而不是熱效應。激光束的能量大小、激光模式、脈沖寬度、脈沖個數，由激光發生器控制系統1調節和 控制。激光束的光斑直徑通過激光頭3的Z向移動來調節，并通過運動控制系統7進行控制。 根據工藝要求的不同，由計算機通過運動控制系統7調整激光束與管材5的相對位置、相對 移動速度和光斑大小，通過激光器控制系統1調整激光發生器的輸出參數。由于激光頭3及 其所導出的激光束4a和4b沿X方向(管的軸向)移動，同時管材在小卡盤8的作用下產生 轉動，各個方向的運動通過插補使管材與激光束按預定速度和預定軌跡進行相對移動，從而 使激光束掃描管材的一個區域。由于激光束4a及4b與管材5的相對位置不斷變化，所以激 光加熱和激光沖擊都是在一個區域中進行的，同時，激光束4a與4b交替照射，從而得到合 乎要求的彎曲半徑和彎曲角度。為了適應不同截面形狀的管材的激光彎曲成形，成形裝置中包含沿Y方向移動的工作臺。 另外，為了測量并控制管材的彎曲角度，可以在Y向工作臺上安裝位移傳感器，用于測量管 材端部的位移量，并轉化為管材的彎曲角。為了增加管材對激光能量的吸收率，優選的技術方案是在管壁外表面覆蓋能量吸收層。 能量吸收層可以是黑漆、柔性貼膜、也可以是金屬涂層或金屬鍍膜。管壁覆蓋能量吸收層后， 當激光束4a照射時，可以顯著增加管壁的厚向溫度梯度，從而增加彎曲變形量。當激光束4b 照射時，覆蓋有能量吸收層的管壁更易于電離氣化并形成等離子體，從而形成更強的沖擊力， 使管材產生更大的彎曲變形。能量吸收層的組成和厚度取決于激光的種類、管材的厚度、使 工件變形的能量和壓力、預計變形的尺寸。例如在銅板上，能量吸收層可選黑色有機漆或石 墨。能量吸收層的成分和厚度影響其氣化形成的等離子體的能量和壓力，例如，20微米厚的 銅板變形需要20-40微米厚的石墨吸收層，但用金屬涂層或金屬鍍膜作吸收層時，吸收層的厚 度只需要15微米。為了使管材5在激光束4a照射后能夠快速冷卻，可以通過噴水嘴9對加熱區域噴上水幕 進行冷卻。水幕的另一個重要作用是，在激光束4b掃描時對等離子體的爆炸產生約束，顯著 增加等離子體對管壁的沖擊。實驗研究表明，同一束脈沖激光所產生的沖擊力，在沒有約束 層時為lGPa,當采用水幕作約束層時，其沖擊力可達4GPa。本發明進行薄壁管激光彎曲成形的操作步驟是(l)開始；(2)夾持管材；(3)管材表面覆蓋能 量吸收層(可選)；(4)第一激光束開始照射；(5)噴水幕(可選)；(6)第二激光束丌始照射； (7)判斷是否達到彎曲要求；(8)沒達到彎曲要求則轉步驟(3)，否則轉步驟(9); (9)移 去管材；(10)清理。
權利要求
1、薄壁管的激光彎曲成形方法，其特征在于，步驟如下(1)將連續激光或脈沖激光作為第一激光束照射在薄壁管的設定區，使該區管材受熱產生熱膨脹并使材料軟化，導致壓應力，產生壓縮塑性變形，使管壁局部增厚，同時使管材產生背向激光束的微量彎曲變形，停止照射，材料冷卻并產生體積收縮，產生拉應力，使管材又產生面向激光束的彎曲變形；(2)將功率密度大于薄壁管材料的閾值強度的脈沖激光作為第二激光束照射在第一激光束照射過的薄壁管的同一區域，在管材表面形成等離子體云，等離子體云進一步吸收激光能量而爆炸，產生面向管材的沖擊力，該沖擊力是沿管壁法線方向的，它作用在步驟(1)彎曲變形時管壁增厚的區域，使管材進一步產生面向激光束的彎曲變形；(3)第一激光束和第二激光束交替輪番照射薄壁管的同一區域，使激光加熱和激光沖擊都是在一個區域中進行的，直至得到要求的彎曲半徑和彎曲角度。
2、 如權利要求1所述的薄壁管的激光彎曲成形方法，其特征在于，在薄壁管外表面 上涂20-50//m能量吸收層，能量吸收層是石墨涂層、黑漆、柔性貼膜、金屬涂層或金屬鍍 膜。
3、 如權利要求1所述的薄壁管的激光彎曲成形方法，其特征在于，所述的第二激光 束是功率大于1GW，脈寬為1 50納秒的脈沖激光，并優選C02激光等長波長脈沖激光。
4、 如權利要求1所述的薄壁管的激光彎曲成形方法，其特征在于，所述薄壁管壁厚 小于0. 5腦。
5、 如權利要求1所述的薄壁管的激光彎曲成形方法，其特征在于，所述的薄壁管管 材是金屬材料、合金材料。
6、 實現權利要求1-5所述的薄壁波紋管的脈沖激光成形方法的專用裝置，其特征在于， 該裝置由激光發生器系統、激光頭系統、工作臺系統、運動控制系統構成。
7、 如權利要求6所述實現薄壁波紋管脈沖激光成形方法的專用裝置，其特征在于， 所述激光發生器系統包括激光發生器控制系統(O和兩個激光發生器(2a,2b)，所述激光 頭系統包括沿X和Z方向移動的激光頭(3)及其所傳輸的第一激光束(4a)、第二激光束(4b)，所述工作臺系統包括沿Y方向移動的工作臺(6)、位于工作臺(6)上的可使工件 繞軸旋轉的卡盤(8)，所述運動控制系統(7)用于控制工件(5)與第一激光束(4a)、 第二激光束(4b)產生預設的相對移動。
8、 如權利要求6所述實現薄壁管激光彎曲成形方法的專用裝置，其特征在于，還設 有噴水嘴(9)，在第一激光束照射后對加熱區域噴水形成水幕對管材進行冷卻，同時對等 離子體的爆炸產生約束。
全文摘要
本發明公開了一種薄壁管的激光彎曲成形方法及實現該方法的專用裝置。該方法是將兩束激光作用于薄壁管上，其中第一激光束用于薄壁管的加熱，使薄壁管軟化，并在管壁厚度方向產生熱應力，使管產生彎曲變形；另一激光束在管材表面形成等離子體，并通過等離子體爆炸產生的沖擊作用，將薄壁管進一步彎曲，并獲得細化的晶粒組織。實現薄壁管激光彎曲成形方法的專用裝置，由激光發生器系統、激光頭系統、工作臺系統、運動控制系統構成。通過這種方法，可以加工鋼、鋁、銅、鈦等金屬及合金管材，是一種高柔性的無模成形技術。
文檔編號B23K26/18GK101332536SQ20081013871
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月30日 優先權日2008年7月30日
發明者晶 劉, 韌 劉, 劉曉軍, 忠 季, 楊丹丹, 林樂嘉, 巍 王 申請人:山東大學