[发明专利]薄壁波纹管的脉冲激光成形方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄壁波纹管的脉冲激光成形方法及实现该方法的专用装置。 

背景技术

波纹管的用途非常广泛，作为弹性元件，可用于各类测量、调节、控制、传感仪器的敏感元件、补偿元件、连接件和密封件等；作为膨胀节的柔性段，可用于补偿管路因温差造成的轴向、横向和角位移，也可以在管路中用于补偿位置偏差、吸收管系的振动等。由于波纹管通常承受交变载荷，因此往往要求具有高的抗疲劳性能。 

波纹管的成形方法很多，如液压成形、滚压成形、机械胀形、焊接成形和沉积成形等。其中液压成形最为常见，它利用管材中的液体压力，使管坯在限制环中胀形。由于要在管材中充液，在成形微小波纹管时不容易控制；滚压成形则依靠设在管材中的成形轮进行滚压，主要用于加工大型波纹管；机械胀形采用在管材内部扩胀的胎具，逐个波纹进行胀压，该方法也不适合于微小波纹管的制造；对于波高过大或波形特殊的波纹管，多采用焊接成形，但这类波纹管不能承受内压，其应用范围有限；沉积成形是利用电沉积方法将波纹管材料沉积到芯模上，然后将芯模熔蚀，该方法适应于微小波纹管的制造(如最小内径可达0.75mm，最小长度可达1mm)，但成本太高，且目前仅限于镍材。由于疲劳破坏通常是波纹管损坏的常见方式，但上述各种方法都很难发挥材料的抗疲劳能力；另外，微机电(微传感器等)行业的发展，对微小波纹管的需求愈来愈大，因此迫切需要一种效率高、工艺范围广、易于操作和控制，能制造高疲劳寿命的微小波纹管的方法及装置。 

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一是提供一种用脉冲激光做成形工具、特别适合于薄壁微小波纹管的成形方法。 

本发明的目的之二是提供实现薄壁波纹管的脉冲激光成形方法的专用装置。 

本发明薄壁波纹管的脉冲激光成形方法，将脉冲激光束4作用于薄壁管7表面覆盖的能量吸收层6产生等离子体云，等离子体云进一步吸收激光能量而爆炸，所产生的爆轰波在约束层套管5的作用下导致面向管壁的冲击力，借助于薄壁管7的轴向平移和旋转，将薄壁管7加工成为波纹管。 

所述能量吸收层6为漆、石墨、金属涂层或金属镀膜。能量吸收层的成分和厚度影响 其气化形成的等离子体的能量和压力。例如，20微米厚的铜板变形需要20-40微米厚的石墨吸收层，但用金属涂层或金属镀膜作吸收层时，吸收层的厚度只需要15微米。 

所述脉冲激光束4的功率不能过低，这是因为等离子体爆轰波是在一定激光强度下产生的，这一强度被称为点火阈值强度，并以功率密度表示。阈值强度与激光辐照脉宽有关，在一定范围内，脉宽越宽阈值越低。不同材料也对应不同的阈值强度，如果激光强度小于被加工材料的阈值强度，则达不到变形所需的冲击力。波长为10.6μm的激光对铝箔、铜板、钛板产生爆轰波的阈值强度大致分别为1.2×10⁷W/cm²、2.75×10⁷W/cm²、2.3×10⁷W/cm²，所对应的激光能量密度分别为84.0J/cm²、191.0J/cm²、160.1J/cm²。如果板材表面覆盖的不是金属涂层，而是石墨等材料，阈值强度又会与上述数值不所不同。理论上，功率大于1MW，脉宽大于1ns的任何激光都可用于薄壁波纹管的成形。对于金属管材，所述激光束4的功率密度优选为1～10GW/cm²，脉冲宽度为10～50ns。 

在优选的方案中，所述约束层套管5对所选用的激光接近透明。在更为优选的方案中，所述约束层套管5为有机玻璃套管。约束层的组成和厚度取决于激光的种类、板材的厚度、预计使工件变形的能量和压力、预计变形的尺寸。如用玻璃作约束层时，冲击应力可达到10GPa以上，不采用任何约束层，等离子体直接向空气中爆炸扩散时，对材料所产生的冲击力只有1GPa左右。为了尽量减小激光束4透过约束层5时的能量损失，并保证约束作用，约束层厚度优选为0.2～1.0mm。 

在优选的方案中，所述薄壁管7壁厚小于0.1mm。在更为优选的方案中，所述薄壁管7的壁厚小于0.05mm。