[发明专利]基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，涉及一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置。

背景技术

变径管作为管路系统中的功能元件、弹性变形补偿元件以及不同管件连接的过渡接头，在航空、航天和汽车等领域中有着广泛应用，其常用的加工方法有：分段冲压再焊接、爆炸成形和内高压液力成形。

分段冲压再焊接是目前变径管加工最常用的加工方法，它先将图纸中设计的变截面管件按照直径大小和变化的趋势将管件分割成不同的几个部分，再对不同部分各自进行冲压加工成形，最后把各部分通过焊接的方法连接成整体。通过冲压焊接加工得到的变径管具有节省原材料、重量轻等优点，然而管件在焊接后需要进行必要的手工修整，以消除焊接变形，尤其是焊缝的存在不仅影响其强度，而且该处存在的有害残余拉应力降低管件的抗应力腐蚀能力，缩短了管件的使用寿命。

爆炸胀形是在坯料管内部放置炸药，通过炸药爆炸产生的冲击波作为管径变形的力源。其分为不使用模具的自由爆炸胀形和使用模具的有模胀形两种。变径管的爆炸胀形具有模具简单、生产效率高等优势，然而加工中存在着炸药用量难以控制，管件加工质量难以精确控制，加工的安全性较差等不足。

金属变径管的内高压液力成形就是采用液体作为传递成形力的介质，通过在管两端施加轴向力，在管坯内部形成内高压，在内压和轴力的联合作用下使管坯贴靠模具而成为所需的管件。内高压成形可以将多个不同截面形状的管件一次成形，减少了模具数量，也无需后续焊接工序，管件表面质量高，生产效率较高。然而在成形时，需要复杂的液压设备，内压与轴向载荷常常难以合理匹配，造成管材成形后失稳，使管件发生折叠、起皱与破裂等失效。目前该技术仅限于铝合金、不锈钢等屈服强度较低的材料的管件成形，还难以适应屈服强度较高的钛合金类的管件成形。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法和装置。

本发明所提供得一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的方法，该方法具体步骤如下：

（1）先将待成形的金属变径管管坯放入分体式模具中，分体式模具型腔的表面装有保护垫，调整分体式模具和金属变径管管坯的相对位置并固定，分体式模具固定在支架上，支架固定在工作台上；

（2）在金属变径管管坯内部插入堵杆，堵杆上端部涂有有效吸收激光能量的吸收层，吸收层为黑漆，调节堵杆上端部与分体式模具型腔的相对位置，使堵杆上端部接近于分体式模具的型腔，然后向金属变径管管坯中注水作为约束层；

（3）由激光发生器发出的受控并优化后的激光脉冲束，沿金属变径管管坯的轴线进入其内部，并辐照在堵杆上端部的吸收层上，金属变径管管坯不处在激光辐照的区域内，吸收层吸收激光的能量后气化、电离，形成高压等离子体，高压等离子体急速向外膨胀形成向外传播的高幅冲击波，该高幅冲击波对金属变径管管坯施压，使金属变径管管坯与分体式模具的型面贴合；

（4）抽出堵杆，打开分体式模具，取出金属变径管管件。

以上成形方法中，根据待成形金属变径管管坯的材料力学性能、管坯直径、管壁厚度以及胀形量来选择激光脉冲参数，受控的激光脉冲束沿金属变径管管坯的轴线进入其内部，并辐照在堵杆上端部的吸收层上，金属变径管管坯不处在激光辐照的区域内，吸收激光能量的吸收层不是涂覆在管件的表面，而是涂覆在与金属变径管管坯分开的堵杆上端面上。吸收层材料被气化，形成高压等离子体，高压等离子体的急速膨胀产生向各个方向传播的高幅冲击波，其侧向冲击波推动金属变径管管坯沿半径方向向外作膨胀运动，推动金属变径管管坯发生塑形变形直至与模具型面贴合，金属变径管形状是由模具的型面决定，根据金属变径管管壁厚度、胀形量、材料的力学性能实行一次成形或多次成形。

本发明所提供得一种基于激光冲击波技术的金属变径管成形的装置，该装置包括激光发生器1、导光系统、工件装夹系统和控制系统，其中导光系统包括导光管3、全反镜4、冲击头5，导光管3始端连着激光发生器1、导光管3依次把全反镜4和冲击头5连接起来，导光管3的终端对着工件装夹系统；工件装夹系统包括金属变径管管坯6、分体式模具7、保护垫14、堵杆16、吸收层15、约束层12、支架8、工作台9，所述堵杆16的上端部涂有吸收层15并插入金属变径管管坯6中，堵杆16的上端部接近于分体式模具的型腔，吸收层15上部为约束层12，金属变径管管坯6和分体式模具7固定在支架8上，堵杆16和支架8固定在工作台9上；控制系统包括计算机和控制器，控制信息由计算机输入，传递给控制器以控制激光发生器发出的激光参数及工件装夹系统的运动。