[发明专利]基于激光冲击波技术的金属管连接的方法和装置

说明书

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：