CN102225493B - 基于激光冲击波技术的金属管连接的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于激光冲击波技术的金属管连接的方法和装置，属于激光加工技术领域。本发明采用在堵杆上端部涂覆的黑漆作为激光能量吸收层，水作为约束层，参数优化后的激光脉冲束沿管件的轴线进入管件的内部，经导光系统辐照在堵杆端部的吸收层上，吸收层吸收激光的能量后气化、电离，形成高压等离子体，高压等离子体急速膨胀，产生高幅冲击波，以此推动内管急速膨胀变形并和外管猛烈撞击，两管件在受激光冲击波冲击的部位产生明显的塑性变形，并在撞击过程中产生剧烈的热效应使两管撞击处的界面粘结在一起。本发明适用的范围广，可将不同熔点、不同热膨胀系数、不同热处理条件和状态的金属管件连接起来。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工金属领域，具体涉及一种基于激光冲击波技术的金属管连接的方法和装置。
背景技术
金属管作为功能元件有着广泛的应用，为满足其长度要求或空间位置需求，整个管路常常需要多段管件连接而成，管件常用的连接方法有焊接连接、螺纹连接。
焊接连接是目前常用加工方法，它是在高温或高压条件下，通过使用焊条等焊接材料将不同段的管件在接头处连接起来的加工方法。焊接连接的加工方法具有设备简单、生产效率高等优势，然而焊接的管件存在着焊缝和较大的热影响区，焊缝的存在不仅影响其强度，而且该处存在的有害焊接应力降低管件的抗应力腐蚀能力，缩短了管件的使用寿命。
螺纹连接是将待连接管件的接头处加工成管螺纹，通过螺纹配合将管件连接起来。螺纹连接具有接头处牢固、设备简单等优势，然而对于输送高压流体介质的管件，螺纹接头处常需要其它辅助的元件才能使之具有良好的密封性。对于壁薄管件，螺纹往往很难加工，因此无法通过螺纹实现管件的连接。
与本发明较为接近的炸药爆炸焊接管接头，它是采用炸药爆炸产生的冲击波造成管件之间迅速碰撞而把管件连接起来。爆炸焊接管件所需装置简单，操作方便，成本低廉，适用范围广，加工效率高。然而炸药爆炸焊接管接头须在野外进行，劳动条件差，难以实现精确控制，加工的安全性较差。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足，提供一种基于激光冲击波技术的金属管连接的方法和装置。
本发明所提供的基于激光冲击波技术的金属管连接的方法如下：
（1）将金属内管件插入金属外管件中，金属内、外管件同轴并用管件夹持器夹住固定，管件夹持器固定在导向柱上，导向柱固定在工作台上；
（2）把上端部涂有吸收层（黑漆）的堵杆插入金属内管件中，调节堵杆和管件连接处的相对位置，使堵杆上端部接近于金属内、外管件待连接的接头处，然后向内管件中注水作为约束层；
（3）参数受控并优化的激光脉冲，经导光系统辐照在堵杆上端面的吸收层上，金属管件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，高压等离子体急速膨胀，产生向各个方向传播的冲击波，其中横向冲击波对金属内管件管壁施加压力，使金属内管件管壁获得动量并向外作高速膨胀运动，高速运动的金属内管壁和金属外管壁剧烈撞击，受强烈冲击之处的金属内、外管发生明显的塑性变形并伴有剧烈的热效应，从而使碰撞的界面熔化粘结在一起；
（4）当金属内、外管件接头处叠合的长度较长时，需要改变堵杆上端部和管件的相对位置，在不同位置进行多次冲击连接。
本发明方法中，金属管件不处在激光辐照的区域内，激光能量的吸收层涂覆在堵杆的上端面上，而不是管件的表面；由控制器控制激光发生器产生激光脉冲束，经导光系统辐照在堵杆上端面的吸收层上，吸收层的材料吸收激光的能量后气化、电离，形成高压等离子体，高压等离子体急速膨胀产生了侧向和纵向的高幅冲击波，其中侧向冲击波对内管件管壁施加压力，使内管件受冲击处获得动量并向外作高速膨胀运动，使高速运动的内管与外管发生剧烈撞击。由于冲击波的压力峰值可达几十个GPa，甚至更高，大大超过金属材料动态屈服极限，在受到冲击波作用处的内、外管发生剧烈撞击和明显的塑性变形，并伴有剧烈的热效应，从而使碰撞的界面熔化粘结在一起。对于内、外管件叠合长度较长时，可采取在不同的位置多次冲击后实现连接成一体。
本发明所提供的基于激光冲击波技术的金属管连接的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，依次把激光发生器1、全反镜4和冲击头5连接起来，导光管3终端对着工件夹具系统；工件装夹系统包括金属外管件6、金属内管件11、管件夹持器10、约束层7、吸收层6、堵杆13、导向柱14和工作台12，堵杆13的上端部涂有吸收层9并插入内管件11中，堵杆13的上端部接近于金属外管件6与金属内管件11的连接处，吸收层9的上部为约束层7，金属内管件11插入金属外管件6中，并用管件夹持器10将金属内管件11及金属外管件6固定在导向柱14上，导向柱14固定在工作台12上；控制系统包括计算机16和控制器15，控制信息从计算机输入，传递给控制器，以控制激光发生器发出的激光脉冲，以及控制管件夹持器和工作台的运动。
所述吸收层是由易气化的材料制成，常用材料为黑漆。所述约束层为水。根据连接的需要，所述堵杆上端部的形状为平面或锥体。工作台可以实现三个方向的运动。
本发明优点为：
1、激光脉冲参数精确可控，其能量可从几焦耳调至几百焦耳，因而诱导的冲击波的峰值压力精确受控，安全性好，冲击波压力可供选择的范围大，既可连接屈服强度较低的材料的管件，又可连接材料屈服强度较高的管件；而且激光光斑尺寸可聚焦至毫米量级甚至微米量级，可根据管件直径大小来调整激光光斑尺寸，具有较大柔性。
2、堵杆和管件分离，管件不处在激光直接辐照的区域内，管件永不被激光热损伤，因此可用很高功率密度的激光诱导冲击波，或在同一位置连续多次辐照和冲击，即使激光烧蚀气化完吸收层材料，也不会对管件表面造成热损伤。堵杆和管件分离，还可以通过改变堵杆端面的结构形状来改变激光冲击波的空间结构。
3、适用范围广，可将不同熔点、不同热膨胀系数、不同热处理条件和状态的管件连接起来。管件连接处受冲击部位有较为明显的塑性变形，内管件的外部凹陷入到外管件管壁的内侧，这种凸凹结构的塑性变形有利于管件在使用过程中承载更大轴向拉力。
附图说明
图1 本发明装置示意图。
图2 本发明提出的金属管连接后接头处形状的示意图。
图中：1：激光发生器，2：激光脉冲束，3：导光管，4：全反镜， 5：冲击头， 6：金属外管件，7：约束层（水），8：高压等离子体，9：吸收层（黑漆），10：管件夹持器，11：金属内管件，12：工作台，13：堵杆，14：导向柱，15：控制器，16：计算机。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
该装置主要包括激光发生器1、导光系统、工件夹具系统和控制系统。其中导光系统包括导光管3、全反镜4和冲击头5。工件夹具系统包括外管件6、内管件11、约束层（水）7、吸收层（黑漆）9、堵杆13、管件夹持器10、导向柱14、工作台12组成；控制系统包括计算机16和控制器15。
激光发生器1发出经过优化的激光脉冲束2，激光脉冲束2的参数决定于外管件6和内管件11的管壁厚度、管径大小及其材料的性能。激光脉冲束2的模式可以是基模、多模等多种模式，由控制器15调节和控制。由激光发生器1发出的激光脉冲束2经导光管3和全反境4以及冲击头5和约束层（水）7，辐照在堵杆13上端面的吸收层9上。冲击头5内有聚焦镜，改变冲击头5与堵杆13的上端面距离，从而可改变光斑大小。外管件6、内管件11用管件夹持器10固定在导向柱14上，管件夹持器10受控制器15的控制并能够沿导向柱14移动，导向柱14和堵杆13固定在工作台12上，工作台12可实现沿三个轴向移动，使激光脉冲束2轴线和内管件11的轴线重合。
如图1所示，经导光系统输出的激光脉冲束2穿过约束层（水）7，辐照作用在覆盖在堵杆13上端面的能量吸收层9上，能量吸收层9吸收了激光能量以后，迅速气化、电离，形成高压等离子体8，高压等离子体8急速膨胀，产生高幅冲击波，推动内管件11快速向外膨胀运动并在其内部产生应力波，内管件11快速撞向外管6的内壁并一起向外膨胀运动。由于激光诱导的冲击波的压力峰值高达GPa量级，超过了材料的动态屈服极限，巨大的压力使内管件11迅速膨胀并高速撞向外管件6，外管件6和内管件11产生了不能回复的塑性变形，如图2所示，且在撞击过程中产生大量的热使内管件11外壁和外管件6内壁的撞击界面熔化粘结在一起。对于管件连接的叠合长度较长时，需要在多个不同位置，通过多个脉冲多次诱导激光冲击才能连接在一起，即管件夹持器10接受控制器15的指令沿导向柱14运动，改变与堵杆13上端部的相对位置，在新的位置上再用激光诱导冲击波，直至内外管件在接头处全部粘结成为一整体为止。
Claims (2)
1.基于激光冲击波技术的金属管连接的方法，其特征在于该方法具体步骤如下：
（1）将金属内管件插入金属外管件中，金属内、外管件同轴并用管件夹持器夹住固定，管件夹持器固定在导向柱上，导向柱固定在工作台上；
（2）把上端部涂有吸收层的堵杆插入金属内管件中，吸收层为黑漆，调节堵杆和管件连接处的相对位置，使堵杆上端部接近于金属内、外管件待连接的接头处，然后向内管件中注水作为约束层；所述堵杆上端部为平面；
（3）参数受控并优化的激光脉冲，经导光系统辐照在堵杆上端面的吸收层上，金属管件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，高压等离子体急速膨胀，产生向各个方向传播的冲击波，其中横向冲击波对金属内管件管壁施加压力，使金属内管件管壁获得动量并向外作高速膨胀运动，高速运动的金属内管壁和金属外管壁剧烈撞击，受强烈冲击之处的金属内、外管发生明显的塑性变形并伴有剧烈的热效应，从而使碰撞的界面熔化粘结在一起；
（4）当金属内、外管件接头处叠合的长度较长时，需要改变堵杆上端部和管件的相对位置，在不同位置进行多次冲击连接。
2.基于激光冲击波技术的金属管连接的装置，其特征在于该装置包括激光发生器、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、全反镜、冲击头，导光管始端连着激光发生器，依次把激光发生器、全反镜和冲击头连接起来，导光管终端对着工件夹具系统；工件装夹系统包括金属外管件、金属内管件、管件夹持器、约束层、吸收层、堵杆、导向柱和工作台，堵杆的上端部涂有吸收层并插入内管件中，堵杆的上端部接近于金属外管件与金属内管件的连接处，所述堵杆上端部为平面，吸收层的上部为约束层，金属内管件插入金属外管件中，并用管件夹持器将金属内管件及金属外管件固定在导向柱上，导向柱固定在工作台上；控制系统包括计算机和控制器，控制信息从计算机输入，传递给控制器，以控制激光发生器发出的激光脉冲，以及控制管件夹持器和工作台的运动。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140402 Termination date: 20170609 |