專利名稱：一種帶均熱與恒壓的激光沖擊溫成形方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光加工領域，特指對一種板料進行預加熱和激光沖擊溫成形的方法和裝置，特別適用于難成形金屬板料的成形。
背景技術：
激光沖擊成形具有超高壓、高能、高應變率特征，是一種集材料改性強化和成形于一體的復合成形技術，特別適合于有抗疲勞及抗應力腐蝕要求的板料。由于吸收層和約束層的熱障保護，激光不會對金屬板料形成熱傷害；由于激光的脈沖能量、光斑尺寸及脈沖寬度、激光能量等參數(shù)精確可控，通過數(shù)控系統(tǒng)可實現(xiàn)對板料成形的精確控制。但是對于一些難成形板料，如鎂合金，在空氣中進行激光沖擊成形時，在激光沖擊波作用下，板料在變形中心區(qū)域容易產(chǎn)生破裂，破裂影響了激光沖擊加載下板料成形性能的發(fā)揮和提高。若對這一類難成形板料采用熱成形又會產(chǎn)生有害的熱應力，而采用溫成形的方法可以較好改善板料的成形性能，也不會對板料造成較大的熱傷害，但由于溫成形時的溫度范圍較窄，溫度難以控制，使這種方法的廣泛運用受到了限制。專利號為200810138715. 8的專利，發(fā)明名稱為帶同步加熱的板材激光微拉伸成形方法，該專利采用環(huán)狀激光對板材邊緣進行預熱，使板材塑性提高后，再對板材進行激光沖擊成形。該方法的缺點是激光加熱的溫度較高，容易對板材形成熱傷害；加熱不均勻， 其應力分布難以控制，會在板材表面形成有害的殘余拉應力；也無法實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的精確控制，對于一些特定的難成形材料，如鎂合金，其溫成形的溫度在一定的范圍內(nèi)，用此方法不能保證其成形的效果。此外，該方法在空氣中對板材進行激光沖擊成形，易造成板材的破裂和起皺。專利號為200810138720. 9的專利，發(fā)明名稱為帶整體加熱的板材激光沖擊方法及裝置，該專利采用通電感應線圈對板材進行加熱后，使板材屈服強度降低，再進行激光沖擊成形。該方法的缺點是板材受熱的均勻程度不易控制，且無法實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的精確控制，對于一些諸如鎂合金一類的難成形材料，其溫成形的溫度在一個較窄的范圍內(nèi)，故此方法不能保證其成形的效果。該方法同樣是在空氣中對板材進行激光沖擊成形，板材破裂和起皺的情況較易發(fā)生。專利號為200610096474. 6的專利，發(fā)明名稱為一種板料成形的方法和裝置，提出了一種激光沖擊的方法對板料進行成形和表面強化，該方法先用二氧化碳激光對板料進行加熱軟化，降低板材的屈服強度，再控制激光沖擊裝置對金屬材料進行沖擊成形。但采用二氧化碳激光進行預熱，其溫度范圍難以控制，而一旦溫度過高就會對板料造成熱傷害；由于激光加熱的局部性，不能對板料進行均勻加熱，應力分布難以控制，殘余有害拉應力普遍存在，無法在對板料進行成形的同時，實現(xiàn)板料的強化；此外，采用二氧化碳激光對板料進行加熱時，由于激光的溫度很高，很容易造成板料上能量吸收層的破壞，其生產(chǎn)過程也難以控制。美國專利文件US2007/0039933A1公開了一種用光致等離子體做凸模的成形方法"System and Method of Laser Dynamic Forming”(申請?zhí)枮?11/507064)，該方法先用激光對板材進行沖擊，再進行激光沖擊，該方法無法實現(xiàn)對板材加熱溫度的控制，且易對板材造成熱傷害，其成形設備復雜，成本較高。專利號為01134063. 0的發(fā)明專利，發(fā)明名稱為一種激光沖擊精密成形方法及裝置，采用高性能激光沖擊精密成形技術，直接利用強脈沖激光束沖擊工件表面的柔性貼膜， 使其表層氣化電離并形成沖擊波，由于產(chǎn)生的沖擊波壓力峰值超過材料動態(tài)屈服強度，這使成形材料發(fā)生明顯塑性變形。其缺點如下由于板料每次塑性變形量小，而沖擊區(qū)局部變形過大，易產(chǎn)生破裂，特別是對于難成形材料，如鎂合金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利的目的是為了克服激光沖擊成形在常溫下進行時易造成板料的破裂的缺點，也為在常溫下塑性低、難成形板料的成形提供一種新方法，提出將板料預熱到一定溫度再對其進行溫成形，溫度的提高使得板料屈服強度降低，塑性提高，改善了其成形性能，同時本專利可以實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的精確控制和對板料的均勻預熱，實現(xiàn)了對不同材料的板料可以在其對應的溫成形溫度范圍內(nèi)進行激光沖擊，避免了在預熱過程中系統(tǒng)或板料局部溫度過高造成的熱傷害。由于溫成形時的溫度范圍較窄，溫度難以控制，因此采用液體加熱和本發(fā)明方法的溫控系統(tǒng)。對于板料在空氣中進行激光沖擊成形易產(chǎn)生破裂和起皺的情況，本專利采用壓控系統(tǒng)使得其成形過程在液體中完成，液體在成形過程中產(chǎn)生的持續(xù)背壓降低了板料破裂和起皺的可能性。本發(fā)明專利的裝置為該裝置由激光沖擊裝置、溫度控制裝置裝置和壓力控制裝置三部分組成，這三者均連接到計算機控制系統(tǒng)上，由計算機控制系統(tǒng)分別通過這三部分裝置對激光沖擊成形、系統(tǒng)溫度及系統(tǒng)壓力進行控制。激光沖擊裝置由大功率激光器、數(shù)控工作臺、計算機控制系統(tǒng)、固定裝置壓邊圈和全反射鏡組成，激光沖擊時用壓邊圈將板料進行固定，由計算機控制系統(tǒng)對數(shù)控工作臺的運行路徑進行控制，大功率激光器可根據(jù)成形要求發(fā)射參數(shù)不同的激光，其可調(diào)節(jié)的參數(shù)有波長、脈沖寬度、光斑半徑、激光能量等，激光束的方向由全反射鏡進行控制。溫度控制裝置中將熱電偶均勻埋入凹模中，凹模型腔中注滿液體，在凹模型腔中安裝溫度傳感器對凹模型腔內(nèi)的溫度進行反饋，加熱過程中由加熱線圈對液體進行加熱，再由液體對板料進行均勻加熱，通過計算機控制系統(tǒng)、吸油閥和溫度傳感器來控制系統(tǒng)溫度。凹模下端有出油口，出油口外部有吸油泵、單向閥、壓力表和溢流閥，由溢流閥設定系統(tǒng)壓力后，由吸油泵將液體吸入凹模型腔，使其至系統(tǒng)設定壓力，通過計算機控制系統(tǒng)、吸油閥和溢流閥來控制系統(tǒng)壓力。以上就組成了集固定、加熱、激光沖擊成形于一體的激光溫成形裝置。本發(fā)明的操作方法是將板料進行預處理，在其表面貼上約束層和能量吸收層，以防止激光沖擊對板料的熱傷害。將板料用壓邊圈固定在上述的激光沖擊溫成形裝置上，設定溢流閥的壓力，并由吸收泵向凹模型腔中吸入液體，使凹模型腔至設定壓力。啟動溫度控制裝置，由加熱線圈加熱凹模型腔內(nèi)液體，再由液體對板料進行均勻加熱，由計算機控制系統(tǒng)通過加熱線圈和吸油泵來控制系統(tǒng)溫度，通過溫度傳感器將凹模型腔的溫度進行反饋， 若系統(tǒng)溫度低于設定的溫度范圍，可通過加熱線圈提高系統(tǒng)溫度；若系統(tǒng)溫度高于設定的溫度范圍，由吸油閥吸入冷液體降低系統(tǒng)溫度，將板料加熱到預定的溫成形溫度范圍內(nèi)。根據(jù)板料的成形要求調(diào)節(jié)激光的波長、脈沖寬度、光斑半徑及激光能量等參數(shù)，并通過計算機控制系統(tǒng)對數(shù)控工作臺的運行路徑進行編程，激光束的方向由全反射鏡進行控制，對板料進行激光沖擊溫成形。在成形過程中，由計算機控制系統(tǒng)控制吸油泵和溢流閥來控制系統(tǒng)壓力，當板料受到激光沖擊波壓力的作用產(chǎn)生變形時，凹模型腔內(nèi)壓力會逐漸增加，液體會對板料產(chǎn)生背壓，板料受力及變形較均勻，減小了板料破裂的可能性，當其壓力超過所設定的溢流閥的壓力時，水從溢流閥溢出，由此凹模型腔壓力恢復到溢流閥設定壓力以內(nèi)，避免因型腔內(nèi)壓力過高造成板料的反變形，當板料變形產(chǎn)生一定量的回彈時，型腔內(nèi)壓力會降低，由計算機控制系統(tǒng)控制吸油閥吸入一定的液體，使系統(tǒng)壓力恢復到設定狀態(tài)。在激光沖擊成形的同時，會在板料表面產(chǎn)生有益的殘余壓應力，起到強化的效果。加工完成后對板料進行后處理。本發(fā)明的有益效果是
1)綜合了激光沖擊成形和溫成形各自的優(yōu)點；
2)采用了溫度控制裝置，熱量由液體傳遞給板料，使得板料受熱均勻，且通過計算機控制系統(tǒng)、溫度傳感器和吸油閥實現(xiàn)了對系統(tǒng)溫度的精確控制，可以滿足不同材料板料的不同溫成形溫度范圍要求；
3)將板料加熱到預定溫度使其屈服強度降低，成形性能提高，克服了板料在常溫下進行激光沖擊成形易破裂的問題，且為在常溫下的難成形材料的成形提供了一種新的思路；
4)采用了壓力控制裝置，通過計算機控制系統(tǒng)、溢流閥和吸油閥實現(xiàn)對系統(tǒng)壓力的控制，使凹模型腔的壓力保持恒定，且液體在板料成形過程中產(chǎn)生背壓，進一步改善了其成形性能；
5)在激光沖擊成形的同時會在板料表面產(chǎn)生殘余壓應力，起到表面強化的效果，提高了材料的疲勞壽命和抗應力腐蝕性能，實現(xiàn)了對板料成形和強化的一體化；
6)激光沖擊過程中由于吸收層和約束層的熱保護，不會對板料形成熱傷害；
7)該方法操作方便，利于進行生產(chǎn)化，也提高了生產(chǎn)效率。


圖1激光沖擊溫成形裝置簡圖。圖1中標記1、大功率激光器，2、激光束，3、壓邊圈，4、約束層，5、吸收層，6、板料， 7、凹模，8、液體，9、出油口，10、吸油泵，11、單向閥，12、壓力表，13、溢流閥14、數(shù)控工作臺， 15、加熱線圈，16、溫度傳感器，17、計算機控制系統(tǒng)，18、全反射鏡。
具體實施例方式本實例以鎂合金板料為例。結合圖1，將鎂合金板料進行預處理后，在其表面貼上鋁箔為能量吸收層5，再在鋁箔外貼上耐高溫玻璃為約束層4，以在激光沖擊過程中對板料 6進行熱保護，減小激光對板料6的熱傷害；將鎂合金板料用壓邊圈2固定到圖1所示裝置上；本實例中用水作為凹模7型腔內(nèi)的液體，設定溢流閥13的壓力，通過吸油泵10將水由單向閥11吸滿凹模7型腔(可在裝置中設計一單向出氣口，便于凹模內(nèi)氣體的排出)，使凹模7型腔達到設定壓力后，用加熱線圈15對凹模7進行加熱，熱量通過凹模7傳遞到型腔內(nèi)的水再均勻傳到鎂合金板料，使鎂合金板料達到180°C至270°C之間；溫度的提高使鎂合金的成形性能得到改善，屈服強度降低，塑性增強；通過溫度傳感器16將水的溫度反饋到計算機控制系統(tǒng)17，由計算機控制系統(tǒng)17通過加熱線圈15和吸油泵10來控制系統(tǒng)溫度， 若系統(tǒng)溫度低于設定的溫度范圍，可通過加熱線圈提高系統(tǒng)溫度，若系統(tǒng)溫度高于設定的溫度范圍，可由吸油閥吸入冷液體降低系統(tǒng)溫度，使水和板料可以保持在指定溫度范圍內(nèi)； 根據(jù)成形要求調(diào)節(jié)激光的波長、脈沖寬度、光斑半徑及激光能量等參數(shù)，并通過計算機控制系統(tǒng)17對數(shù)控工作臺14的運行路徑進行編程；本實例中可設置波長為1. OM μ m，脈沖寬度為20. 1ns，脈沖能量為36J ；激光束2由大功率激光器1發(fā)出后通過全反射鏡18控制方向，對板料表面進行沖擊，激光誘導會產(chǎn)生沖擊波，沖擊波產(chǎn)生后，等離子體迅速膨脹，但其被限制在鎂合金表面和約束層之間，從而產(chǎn)生一個向板料內(nèi)部傳播的強沖擊壓縮波，該沖擊壓縮波就會對鎂合金產(chǎn)生強化成形作用，從而得到我們所需要的成形效果；在成形過程中，當板料受到激光沖擊波壓力的作用產(chǎn)生變形時，凹模7型腔內(nèi)壓力會逐漸增加，水會對板料6產(chǎn)生背壓，板料6受力及變形較均勻，減小了板料6破裂的可能性，當其壓力超過所設定的溢流閥13的壓力時，水從溢流閥13溢出，由此凹模7型腔壓力恢復到溢流閥13設定壓力以內(nèi)，避免因型腔內(nèi)壓力過高造成板料的反變形，當板料6變形產(chǎn)生一定量的回彈時， 型腔內(nèi)壓力會降低，由計算機控制系統(tǒng)17控制吸油閥10吸入一定的液體，使系統(tǒng)壓力恢復到設定狀態(tài)；同時，激光沖擊會使金屬表面產(chǎn)生微小塑性拉伸變形，沖擊后材料彈性恢復就會在金屬表面形成有益的殘余壓應力，提高了板料6的疲勞壽命和抗應力腐蝕性能，對板料6表面產(chǎn)生強化效果；加工完成后對板料進行后處理。
權利要求
1.一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形方法，其特征在于，對板料施以均熱與恒定背壓的方法，用激光誘導沖擊波作為力源對板料(6)進行溫成形；其具體步驟為A)將板料(6)進行預處理；B)在板料(6)表面貼上能量吸收層(5)和約束層(4)；C)將板料用壓邊圈(2)固定在激光沖擊溫成形裝置上；D)設定溢流閥的壓力，由吸收泵向凹模(7)型腔中吸入液體(8)，使凹模(7)型腔的壓力上升至設定壓力，并由壓力控制裝置維持激光沖擊過程中系統(tǒng)壓力的恒定；E)根據(jù)板料的材料性能確定其溫成形溫度，啟動溫度控制裝置對型腔內(nèi)液體(8)進行加熱，再由液體(8)對板料(6)均勻加熱至溫成形溫度；F)根據(jù)板料(6)的成形要求調(diào)節(jié)大功率激光器(1)的參數(shù)，編譯程序以控制數(shù)控工作臺(14)的運行路徑；G)對板料(6)進行激光沖擊溫成形及表面強化；H)加工完成后對板料(6)進行后處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形方法，其特征在于，激光波長的調(diào)節(jié)范圍為220-1100nm、激光脈沖寬度的調(diào)節(jié)范圍為0. 002-99ns、激光光斑半徑的調(diào)節(jié)范圍為0. 02-29mm、激光脈沖能量大小的調(diào)節(jié)范圍為0. 1-99J。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形方法，其特征在于，能量吸收層(5)可以使用鋁箔、黑漆或黑膠帶。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形方法，其特征在于，約束層(4)可以使用水、K9光學玻璃、有機玻璃、硅膠或合成樹脂。
5.據(jù)權利要求1所述的一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形方法，其特征在于， 液體(8)使用不可燃的液體或不可燃的粘性液體。
6.一種根據(jù)權利要求1所述的一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形方法的激光沖擊溫成形裝置，其特征在于，該裝置由激光沖擊成形裝置、溫度控制裝置和壓力控制裝置三部分組成，這三部分均連接到計算機控制系統(tǒng)(17)上，由計算機控制系統(tǒng)(17)分別通過這三部分裝置對激光沖擊成形、系統(tǒng)溫度及系統(tǒng)壓力進行控制。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形的裝置，其特征在于，由大功率激光器(1)、數(shù)控工作臺(14)、計算機控制系統(tǒng)(17)、固定裝置壓邊圈(3)和全反射鏡(18)組成，用壓邊圈(3)對板料(6)進行固定，由計算機控制系統(tǒng)(17)對數(shù)控工作臺(14)的運行路徑進行控制，由大功率激光器(1)發(fā)射激光束(2)，其方向由全反射鏡(18) 進行控制。
8.根據(jù)權利要求6所述的一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形的裝置，其特征在于，將加熱線圈(15)均勻分布在凹模(7)里，凹模型腔內(nèi)注滿液體(8)，通過加熱線圈(15) 加熱凹模(7)型腔內(nèi)的液體，再由液體(8)對板料(6)均勻加熱，在型腔中安裝溫度傳感器 (16)對凹模(7)型腔內(nèi)溫度進行反饋，由計算機控制系統(tǒng)(17)調(diào)節(jié)加熱線圈(15)和吸油泵(10)來控制系統(tǒng)溫度，若系統(tǒng)溫度低于設定的溫度范圍，可通過加熱線圈提高系統(tǒng)溫度， 若系統(tǒng)溫度高于設定的溫度范圍，可由吸油閥吸入冷液體降低系統(tǒng)溫度。
9.根據(jù)權利要求6所述的一種帶均熱與恒壓的板料激光沖擊溫成形的裝置，其特征在于，凹模(7)下端有出油口(9)，出油口(9)外部有吸油泵(10)、單向閥(11)、壓力表(12)和溢流閥(13)，由溢流閥(13)設定系統(tǒng)壓力后，由吸油泵(10)將液體(8)吸入凹模(7)型腔， 使其至設定壓力，通過計算機控制系統(tǒng)(17)和吸油閥(10)來控制系統(tǒng)壓力，若系統(tǒng)壓力低于設定的壓力范圍，由計算機控制系統(tǒng)(17)控制吸油閥(10)吸入一定液體以提高系統(tǒng)壓力，若系統(tǒng)壓力低于設定的壓力范圍，則部分液體由溢流閥流(13)出，系統(tǒng)壓力降低。全文摘要
本發(fā)明是一種帶均熱與恒壓的激光沖擊溫成形方法與裝置。本發(fā)明采用加熱線圈提高系統(tǒng)溫度，吸油泵吸入冷液體來降低系統(tǒng)溫度，保證系統(tǒng)溫度控制在預定溫度范圍內(nèi)；用溢流閥設定系統(tǒng)壓力，由吸油閥吸入液體至凹模型腔，使其達到指定壓力；用激光誘導沖擊波作為力源對板料進行溫成形及強化。本發(fā)明專利綜合了溫成形技術和激光沖擊技術的各自優(yōu)勢，采用液體加熱板料，加熱溫度均勻易控制；壓力控制裝置保證了在成形過程中產(chǎn)生持續(xù)背壓，使板料受力均衡。本發(fā)明方法改善了激光沖擊成形時板料的成形性能，為難成形板料的成形提供了一種新的思路；板料在成形的同時，提高了板料的疲勞壽命和抗應力腐蝕性能。
文檔編號B23K26/18GK102513698SQ201110448739
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者丁報, 姜文帆, 姜銀方, 張永康, 張青來, 金華, 黃宇 申請人:江蘇大學