CN104816091A - 超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置，将上层板和下层板叠放，置于带模孔的凹模上，凹模内设有底模，用脉冲激光束作用于上层板或上层板表面涂覆的能量吸收层，形成爆炸等离子体，上层板随之撞击下层板，上层板与下层板产生高应变率塑性流动耦合，在底模的约束下，上层板与下层板共同塑性成形为铆扣形状，由此产生机械互锁而铆合。在塑性变形过程中，上层板与下层板的接触界面上存在压应力，并产生高速滑动和剪切变形，界面因此产生熔化和原子扩散，并在共同撞击底模时，使上层板与下层板焊合在一起。本发明同步实现了上层板与下层板的铆合和焊合，这种机械结合和冶金结合复合作用的特点，使本发明所形成的接头具有较高的连接强度和耐疲劳性。

Description

超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光同步铆合焊合方法及装置，具体涉及一种用脉冲激光将超薄板材进行同步铆合和焊合的方法及实现该方法的专用装置，属于制造技术领域。

背景技术

铆接和焊接是最常见的板材连接方法。铆接通过塑性变形将材料连接在一起，属于机械连接；焊接常常通过加热、加压，使材料间产生原子结合而连接在一起，属于冶金连接。传统的铆接方法是用铆钉进行的机械连接，该方法连接牢固，但需要在板材上预冲孔，因而难以保证密封性。自冲铆接(SPR,Self-piercing riveting)是通过特制铆钉刺穿上层板，并刺入下层板来实现铆接的新技术。该方法虽然不需要预冲孔，但需要特制铆钉和复杂的加工模具。冲压铆(Mechanical clinching)如TOX圆点铆是另一种广泛应用的板材铆接技术，它通过冲头将板料压入凹模，使材料形成塑性镶嵌，从而连接在一起。该方法不需要铆钉，但连接强度低。另外，当板材非常薄时，常会因嵌入量不足而大大削弱剥离强度。电阻点焊属于冶金连接技术，因其效率高、成本低、强度高、易于实现自动化等优点而在众多行业中普遍应用，但作为一种熔化焊接技术，在连接熔点不同、热导率和电导率也不同的异种材料时(如铝和钢)时面临严峻挑战，因为熔化焊时界面极易生成脆性相，从而产生结合不牢等缺陷。另外，点焊接头对微动损伤特别敏感，通常抗疲劳能力弱。因此，发明一种兼具机械和冶金复合作用机制的新型连接技术，同步达到板材的铆合和焊合，是非常具有科学意义和工程应用价值的。

中国专利文件ZL200810014018.1公开了“超薄板材脉冲激光微铆接方法及其专用装置”，该方法在下板上冲出预置孔，上板接受激光照射，并形成铆扣形状，上板的铆扣与下板的预置孔形成机械互锁，从而将上板与下板连接在一起。该方法不需要铆钉，并在一定程度解决了密封性的问题。但是，密封性问题解决的并不彻底，气体仍可通过下板的预置孔进入上板和下板的间隙中。另外，预置孔的边缘易于产生残余拉应力，并因此导致应力腐蚀。该方法属于单纯的机械连接方式，连接强度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置，具有高强度、无铆钉、能够保证板材的密封性要求等特点，可以用于同种或异种材料的连接，也可用于常规难变形材料的超薄板材。

本发明采取的技术方案为：

超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法：将上下两层板材叠放，置于带模孔的凹模上，凹模内设有底模，在上层板上表面涂覆或不涂能量吸收层，用脉冲激光束作用于上层板或上层板表面涂覆的能量吸收层，形成爆炸等离子体，上层板随之撞击下层板，上层板与下层板产生高应变率塑性流动耦合，在底模的约束下，上层板与下层板共同塑性成形为铆扣形状，由此产生机械互锁而铆合，在上层板和下层板塑性变形过程中，它们的接触界面存在压应力，并产生高速滑动和剪切变形，界面因此产生熔化和原子扩散，在共同撞击底模时，使上层板与下层板焊合在一起。

所述的下层板可为预成形的非平板板材，使上下两层板材叠放后中间形成一定间隙。爆炸等离体首先冲击上层板，上层板产生塑性变形，上层板随即冲击下层板，然后上层板与下层板一起撞击底模，在界面处产生高速滑动剪切，压力和温升导致材料局部表面产生熔化和原子扩散。上层板与下层板共同塑性成形为铆扣形状，导致机械互锁，并同时焊接在一起，从而实现同步铆合与焊合。

所述的能量吸收层为黑漆、柔性贴膜、或金属涂层。脉冲激光束作用于上层板表面涂覆的能量吸收层，并产生等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸等离子体作为沿径向高速扩张的柔性凸模，进而作用于上层板。

为了能够产生爆炸等离子体冲击效应，所述的脉冲激光的单脉冲能量密度应不小于1GW/cm²,光斑直径不小于各板材厚度之和。

为了能够使上下两层板在脉冲激光的作用下共同塑性成形为铆扣形状，超薄板材厚度小于0.2mm。

通过改变激光能量、脉冲宽度、脉冲次数、光斑直径等参数，来调整冲击压力和成形半径的大小，便可方便地获得不同尺寸规格的铆接部位。在激光冲击时，采用小能量、多脉冲的激光工艺参数组合，更易于成形口小底大的铆扣形状。

实现超薄板材脉冲激光同步铆合焊合的装置，包括带模孔的凹模和置于凹模模孔中的底模，底模与凹模孔间存在足够间隙。底模与凹模模孔间的单边间隙不小于下层板的厚度，底模上表面与凹模上表面的间距不小于板材厚度之和的2倍，凹模模孔直径不小于板材厚度之和的3倍，这样易于底模和凹模之间的材料流动，易于局部塑性成形为铆扣形状，从而使上板与下板之间产生机械互锁效应。

洁净的板材表面和足够的冲击波压力，是形成焊合的必要条件。底模上表面与凹模上表面保持足够间距，一是通过足够的运动距离产生足够的速度来撞击底模，等离子体与底模间产生夹击力，上层板与下层板紧密接触，克服原子斥力，形成原子键；二是让板材产生足量的塑性变形，上层板与下层板因材料性能和变形量差异，在接触界面产生高速滑动和高应变率的剪切变形，必然导致局部快速温度升高，通过表面熔化和原子扩散，使材料产生焊合。

上层板与下层板一起撞击底模时，必然产生弹复，并有可能造成上层板与下层板间焊接不牢或脱开，其原因在于撞击时的压力波在界面反射为拉伸波。为此，一种优选的方案是，将底模做成多层材料的层叠式，压力波在传播过程中遇到多个界面，并在反射时被多次削弱，从而解决因弹复造成板间脱开的问题。

通过这种方法，可以将钢、铝、铜等同种或异种金属材料同步铆接与焊接在一起，也可加工塑料等非金属材料，或者将两层以上的板材连接在一起。

本发明的技术优势在于：

(1)铆合与焊合同时进行，机械与冶金复合作用，既有冶金连接的高强度，又有机械连接的抗疲劳和可靠性；(2)板材因局部塑性成形而连接，不受材料熔点和热胀系数的限制，易于铆接热物理性能不同的异种材料；(3)因激光所致等离子体爆炸诱发的力效应而非热效应来成形，板材高速碰撞和剪切变形产生的温升只瞬间发生在铆扣表层和局部，没有宏观热影响，连接精度高；(4)是高应变率成形，加工速度快且效率高，由于惯性效应和材料率相关本构行为的变化，材料的成形极限较准静态成形明显提高，可以铆接常温常态下的难变形材料；(5)是无冲头成形、无铆钉铆接，激光束一侧没有刚性接触，对结构的开敞性要求低，连接密封性好，并具备环境友好性；(6)激光诱发的等离子体呈近似球形爆炸，板材互锁嵌入深度不受材料厚度限制，能够适应超薄板材和微尺度铆接。

附图说明

图1是超薄板材脉冲激光同步铆合焊合装置示意图。其中图1(a)是平板与平板的同步铆合与焊合，图1(b)是平板与预成形板的同步铆合与焊合，并采用了层叠式底模。

图2是超薄板材脉冲激光同步铆合焊合过程示意图，其中上层板与下层板接触并共同产生塑性变形。

图3是完成超薄板材脉冲激光同步铆合焊合过程示意图。其中上层板与下层板共同产生机械互锁，并且焊合在一起。

其中：1.脉冲激光束；2.爆炸等离子体；3.上层板；4.下层板；5.凹模；6.底模。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明提出的技术方案的细节和工作情况。

实施例：

超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法：将上下两层板材叠放，置于带模孔的凹模5上，凹模5内设有底模6，在上层板3上表面涂覆或不涂能量吸收层，用脉冲激光束1作用于上层板3或上层板3表面涂覆的能量吸收层，形成爆炸等离子体2，上层板3随之撞击下层板4，上层板3与下层板4产生高应变率塑性流动耦合，在底模的约束下，上层板3与下层板4共同塑性成形为铆扣形状，由此产生机械互锁而铆合。在塑性变形过程中，上层板3与下层板4的接触界面上存在压应力，并产生高速滑动和剪切变形，界面因此产生熔化和原子扩散，在共同撞击底模时，使上层板3与下层板4焊合在一起。由此形成上层板3与下层板4的同步铆合与焊合。

实施步骤包括：开始→选择板材→将能量吸收层涂覆在上层板上(可选)→第二块板材预成形(可选)→将上层板与下层板紧密贴合在一起，保证相对位置，并放置在凹模上→保证下层板的预成形与凹模孔对中，并与激光束对中→在上层板或能量吸收层上覆盖约束层(可选，可选用K9玻璃)→将一个或多个激光脉冲垂直辐照上层板→移去工件→清理工件→结束。

图1为本发明进行超薄板材脉冲激光同步铆合焊合装置示意图，包括脉冲激光束1、脉冲激光束1作用于上层板3或上层板3表面涂覆的能量吸收层而产生的爆炸等离子体2、与上层板重叠在一起的下层板4、支撑上层板3与下层板4的凹模5、位于凹模5孔中心的底模6。其中图1(a)表示平板与平板的同步铆合与焊合，图1(b)表示平板与预成形板的同步铆合与焊合，并采用了层叠式底模。

图2是超薄板材脉冲激光同步铆合焊合过程中的某一瞬时示意图。爆炸等离子体2冲击上层板3，上层板3随即冲击下层板4，上层板3与下层板4，在凹模5的作用下，共同进行塑性变形。由于上层板3与下层板4的变形量差异，或材料屈服应力、弹性模量、泊松比等性能差异，上层板3与下层板4在接触界面处必然产生相对滑动和塑性剪切变形，并导致局部温升。由于爆炸等离子体所形成的冲击波压力，上层板3压迫下层板产生塑性变形，上层板3与下层板4在接触界面必然存在压应力。上层板3与下层板4逐渐具备压应力、剪应变、局部温度升高等冶金结合条件。

图3是完成超薄板材脉冲激光同步铆合焊合过程示意图。其中上层板3与下层板4在爆炸等离子体2的作用下，产生高应变率塑性流动耦合，共同成形为铆扣形状，形成机械互锁，并且在压应力、剧烈塑性变形以及高速剪应变所导致的温升的共同作用下，在局部界面产生熔化和原子扩散，导致冶金结合从而焊合在一起。

上层板3表面涂覆的能量吸收层可以是黑漆、柔性贴膜、也可以是金属涂层。能量吸收层在激光照射时会电离气化形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，从而转变为使工件变形的等离子体冲击波。能量吸收层的组成和厚度取决于激光的种类、板材的厚度、使工件变形的能量和压力、预计变形的尺寸。铜板和铝板上，能量吸收层优选黑色有机漆；对于非金属材料，能量吸收层可以是铝或铜的涂层或镀膜，这些膜可以通过喷溅或化学气相沉积法覆盖在工件上。上层板3上覆盖着能量吸收层的那一面朝向脉冲激光束1。

上层板3和下层板4可以是钢、铝、铜等同种或异种金属材料，也可以是塑料等非金属材料，也可以将两层以上的板材连接在一起。

在激光冲击时，也可以在上层板3上覆盖一层K9玻璃，作为等离体子爆炸时的约束层，其目的是限制等离子体的发散并使其产生的冲击波朝向工件，从而达到更好的变形效果。

图3中，上层板3与下层板4在底模6的约束下，共同变形为铆扣形。铆扣的形状特征在于口小底大，即颈部直径小于底部直径，传统冲压技术难以实现。其塑性成形的力学原理基于脉冲激光束1诱发的爆炸等离子体2的球形爆炸。在冲击波的作用下，上层板3与下层板4首先产生局部胀形，然后高速撞击底模6并产生屈曲，上层板3的上表面随即演变为腔体的内表面，而爆炸等离子体2形成的冲击波压力仍然作用于腔体内表面的法向，并使腔体沿横向持续变形，从而形成铆扣形状。

为了防止板材撞击底模6后因为弹复而造成脱层现象，底模6可设计为由多层板构成的层叠式，以改变能量耗散模式。发生撞击时，压力波反射转变为拉伸波的过程中，会遇到层叠式底模的多个界面，从而在反射过程中被多次削弱，从而解决因弹复造成板间脱开的问题。

为了能够产生爆炸等离子体冲击效应，所述的脉冲激光束1的单脉冲能量密度应不小于1GW/cm²。为了能够使上下两层板在脉冲激光的作用下共同塑性成形为铆扣形状，超薄板材厚度一般应小于0.2mm，光斑直径不小于各板材厚度之和。合适的工艺规律是，小能量、多脉冲的激光工艺参数组合，易于成形铆扣；高能量激光，则利于形成焊合。

为了便于板材的胀形，底模6与凹模5的模孔要形成足量的空间。底模6与凹模5的模孔间的单边间隙不小于下层板的厚度，底模上表面与凹模上表面的间距不小于板材厚度之和的2倍，这样易于底模和凹模之间的材料流动，使上板与下板局部塑性成形为铆扣形，并产生机械互锁效应。

按本发明方法实施后，铆扣处产生的机械互锁来自两方面，一是上层板3和下层板4的厚向应变产生的相互嵌入，二是上层板3和下层板4因横向变形产生的相互嵌入。而横向变形是常规的机械凸模难以实现的，这也是本发明的技术特点之一。爆炸等离子体导致的高速撞击，其应变率可以达到10^-7，并进而实现冶金结合，这也是常规机械方法难以实现的。

本发明同步实现了上层板3与下层板4的铆合和焊合，这种机械结合和冶金结合复合作用的特点，使本发明所形成的接头具有较高的连接强度和耐疲劳性。

Claims (9)

1.超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法，其特征是，将上下两层板材叠放，置于带模孔的凹模上，凹模内设有底模，在上层板上表面涂覆或不涂能量吸收层，用脉冲激光束作用于上层板或上层板表面涂覆的能量吸收层，形成爆炸等离子体，上层板随之撞击下层板，上层板与下层板产生高应变率塑性流动耦合，在底模的约束下，上层板与下层板共同塑性成形为铆扣形状，由此产生机械互锁而铆合，在上层板和下层板塑性变形过程中，它们的接触界面存在压应力，并产生高速滑动和剪切变形，界面因此产生熔化和原子扩散，在共同撞击底模时，使上层板与下层板焊合在一起。

2.根据权利要求1所述的超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法，其特征是，所述的下层板为预成形的非平板板材，使上下两层板材叠放后中间形成一定间隙。

3.根据权利要求1所述的超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法，其特征是，所述的能量吸收层为黑漆、柔性贴膜、或金属涂层。

4.根据权利要求1所述的超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法，其特征是，所述的超薄板材厚度小于0.2mm。

5.根据权利要求1所述的超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法，其特征是，所述的脉冲激光的单脉冲能量密度不小于1GW/cm²,光斑直径不小于各板材厚度之和。

6.根据权利要求1所述的超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法，其特征是，所述的板材为同种或异种金属材料。

7.根据权利要求1所述的超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法，其特征是，所述的上层板上面有约束层。

8.实现超薄板材脉冲激光同步铆合焊合的装置，其特征是，包括带模孔的凹模和置于凹模模孔中的底模，底模与凹模孔间存在足够间隙，底模与凹模模孔间的单边间隙不小于下层板的厚度，底模上表面与凹模上表面的间距不小于板材厚度之和的2倍，凹模模孔直径不小于板材厚度之和的3倍。

9.根据权利要求8所述的实现超薄板材脉冲激光同步铆合焊合的装置，其特征是，所述的底模做成多层材料的层叠式。