CN105127314A - 基于超强激光冲击的薄板连接装置及其连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超强激光冲击的薄板连接装置及其连接方法，基于超强激光冲击的薄板连接装置包括：工作台，所述工作台上设置有将两块待连接的薄板叠压在一起的装夹支撑装置，两块待连接的薄板叠压在一起后形成连接部位；凹模，所述凹模安装在工作台上，并且所述凹模支撑在连接部位的下方，以便所述凹模用于支撑连接部位；激光照射吸收层，所述激光照射吸收层涂覆在连接部位的上表面上；等离子波约束层，所述等离子波约束层设置在所述激光照射吸收层的上表面上；激光照射装置，所述激光照射装置用于对连接部位的上表面照射激光。本发明可以实现薄板之间的绿色环保、可控制的精密连接，可操作性强和应用范围广，适用于海洋和汽车以及轨道交通工程装备中薄板的连接。

Description

基于超强激光冲击的薄板连接装置及其连接方法

技术领域

本发明涉及一种基于超强激光冲击的薄板连接装置及其连接方法，涉及海洋和汽车以及轨道交通工程装备的安装技术领域。

背景技术

目前，随着汽车工业的发展，铝合金板、高强度钢板等薄型板材的连接越来越受到关注。传统的板材连接主要有：焊接、铆接和螺纹连接。焊接过程中随着大量焊接热的输入，板材会发生变形和内部残余应力。而且随着汽车工业的发展，越来越多的涂层或镀层板材被使用，焊接热对涂层或镀层会有一定的损害。螺纹连接对于薄板连接也有诸多不便，例如无法开设螺纹孔；增加螺母等影响了板材连接的外观甚至后续安装。铆接需要预冲孔，所以冲压连接是一种绿色环保，容易实现自动化操作的一种连接方式。但是随着工业化的继续发展，对冲压连接的要求越来越高，比如连接形状从圆形、方形、十字形、一直到蝴蝶形等。冲压连接的尺寸也在不停变化，冲压连接的对象也从平板提升到了像汽车覆盖件样的曲面薄板。上述变化对冲压连接的模具提出了更高的要求，不同的连接类型、形状等都需要配套的模具以及对应的安装配件，消耗大量的钢材，提高了连接的成本，减低了生产的效率，增长了生产周期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于超强激光冲击的薄板连接装置，它可以实现薄板之间的绿色环保、可控制的精密连接，可操作性强和应用范围广，适用于海洋和汽车以及轨道交通工程装备中薄板的连接。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于超强激光冲击的薄板连接装置，它包括：

工作台，所述工作台上设置有将两块待连接的薄板叠压在一起的装夹支撑装置，两块待连接的薄板叠压在一起后形成连接部位；

凹模，所述凹模安装在工作台上，并且所述凹模支撑在连接部位的下方，以便所述凹模用于支撑连接部位；

激光照射吸收层，所述激光照射吸收层涂覆在连接部位的上表面上；

等离子波约束层，所述等离子波约束层设置在所述激光照射吸收层的上表面上；

激光照射装置，所述激光照射装置用于对连接部位的上表面照射激光。

进一步，激光照射装置包括激光器、激光器光路和激光器控制系统，所述激光器控制系统的信号输出端与激光器的控制输入端相连接，所述激光器产生的激光经过激光器光路后照射至等离子波约束层。

进一步，基于超强激光冲击的薄板连接装置还包括整体控制系统和工作台控制系统，整体控制系统与激光器控制系统双向信号传输连接，所述整体控制系统与工作台控制系统双向信号传输连接，工作台控制系统用于控制工作台的动作。

进一步，整体控制系统还连接有计算机。

进一步，本发明还提供了一种基于超强激光冲击的薄板连接装置的连接方法，该方法的步骤如下：

1)根据被连接的薄板在工作中的位置，确定两块薄板的连接部位，并将其中在上面位置的一块薄板进行清洗处理；

2)将清洗过的薄板的连接部位的上表面涂覆激光照射吸收层，再在激光照射吸收层的上表面设置等离子波约束层；

3)将两块薄板安装于工作台，通过装夹支撑装置装夹两块薄板，并且使两块薄板的连接部位支撑在相应的凹模上方；

4)输入激光参数给激光照射装置，通过调节激光照射装置以及工作台，使激光照射至连接部位上方的等离子波约束层上；

5)激光照射装置输出激光，冲击在薄板的连接部位上，激光通过激光照射吸收层发生汽化，电离产生高压等离子波，由于等离子波约束层的存在，等离子体冲击薄板，使得薄板内产生冲击波，迫使薄板发生屈服，在凹模的共同作用下两块薄板之间的连接部位处发生拉深、胀形和弯曲变形，从而使两块薄板的连接部位连接在一起。

采用了上述技术方案后，本发明提出的基于超强激光冲击的薄板连接装置及其连接方法，大大地减少了连接前冲模凸头的的设计、加工时间和成本，缩减了在连接过程中凸头不停更换的时间，解决了复杂形状凸模的无法拆卸的技术难题，并且可通过光路系统实现了任意复杂形状无障碍拆卸的可能，极大程度上节省了设计、加工、安装和人工成本，减小了加工难度，缩短了加工周期，可以实现薄板之间绿色环保、可控制的精密连接。

附图说明

图1为本发明的基于超强激光冲击的薄板连接装置的结构示意图。

图2为本发明采用圆形光斑后的连接部位的焊接成型图；

图3为图2的俯视图。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于超强激光冲击的薄板连接装置，它包括：

工作台1，工作台1上设置有将两块待连接的薄板3叠压在一起的装夹支撑装置2，两块待连接的薄板3叠压在一起后形成连接部位；

凹模4，凹模4安装在工作台1上，并且凹模4支撑在连接部位的下方，以便凹模4用于支撑连接部位；

激光照射吸收层5，激光照射吸收层5涂覆在连接部位的上表面上；

等离子波约束层6，所述等离子波约束层6设置在所述激光照射吸收层5的上表面上；

激光照射装置，所述激光照射装置用于对连接部位的上表面的等离子波约束层6照射激光。

如图1所示，激光照射装置包括激光器8、激光器光路和激光器控制系统7，激光器控制系统7的信号输出端与激光器8的控制输入端相连接，激光器8产生的激光经过激光器光路后照射至等离子波约束层6。

如图1所示，基于超强激光冲击的薄板连接装置还包括整体控制系统9和工作台控制系统10，整体控制系统9与激光器控制系统7双向信号传输连接，整体控制系统9与工作台控制系统10双向信号传输连接，工作台控制系统10用于控制工作台的动作。

整体控制系统9还连接有计算机11。

一种基于超强激光冲击的薄板连接装置的连接方法，该方法的步骤如下：

1)根据被连接的薄板在工作中的位置，确定两块薄板3的连接部位，并将其中在上面位置的一块薄板3进行清洗处理；

2)将清洗过的薄板2的连接部位的上表面涂覆激光照射吸收层5，再在激光照射吸收层5的上表面设置等离子波约束层6；

3)将两块薄板3安装于工作台1，通过装夹支撑装置2装夹两块薄板3，并且使两块薄板3的连接部位支撑在相应的凹模4上方；

4)输入激光参数给激光照射装置，通过调节激光照射装置以及工作台1，使激光照射至连接部位上方的等离子波约束层6上；

5)激光照射装置输出激光，冲击在薄板3的连接部位上，激光通过激光照射吸收层3发生汽化，电离产生高压等离子波，由于等离子波约束层6的存在，等离子体冲击薄板3，使得薄板3内产生冲击波，由于远高于材料的动态屈服强度，迫使薄板3发生屈服，在凹模4的共同作用下两块薄板3之间的连接部位处发生拉深、胀形和弯曲变形，从而使两块薄板的连接部位连接在一起。

当连接部位有多个时，移动薄板3到下一连接部位按照的其连接头的个数进行其他位置点的冲击，实现精密可靠连接。

在步骤1)中，两块薄板之间的连接部位可以为多个，连接部位的确定过程和相对应的激光冲击参数确定过程如下：

1a、根据薄板3的工作条件和连接强度要求，优化设计每个连接部位的连接头的技术参数，主要包括连接头的个数、位置、形状和尺寸参数；

1b、根据连接头的形状分析薄板连接的变形机理，结合连接头的尺寸参数设计出对应的可拆装的凹模4及工作台1上的装夹支撑装置2；

1c、根据连接头的形状，选择对应的激光器光路，结合连接头的尺寸参数，设计出对应的激光冲击参数；

1d、建立对应的凹模4和激光冲击数字模型，在计算机里进行数值模拟分析，优化工艺参数。

1e、根据优化结果，进行生产、安装凹模和光路系统。

本基于超强激光冲击的薄板连接装置的连接方法中通过整体控制系统9控制工作台控制系统10来移动工作台1来完成其他位置的连接；通过更换激光转换装置改变光斑的形状(如方形和圆形)和尺寸来完成连接形状和尺寸的改变，并可结合数控程序和工作台控制系统10来实现曲面的冲压连接。

当激光照射装置采用圆形光斑时，其连接部位最后的成型图如图2、3所示，当然也可以采用其他形状的光斑。

以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超强激光冲击的薄板连接装置，其特征在于，它包括：

工作台(1)，所述工作台(1)上设置有将两块待连接的薄板(3)叠压在一起的装夹支撑装置(2)，两块待连接的薄板(3)叠压在一起后形成连接部位；

凹模(4)，所述凹模(4)安装在工作台(1)上，并且所述凹模(4)支撑在连接部位的下方，以便所述凹模(4)用于支撑连接部位；

激光照射吸收层(5)，所述激光照射吸收层(5)涂覆在连接部位的上表面上；

等离子波约束层(6)，所述等离子波约束层(6)设置在所述激光照射吸收层(5)的上表面上；

激光照射装置，所述激光照射装置用于对连接部位的上表面的等离子波约束层(6)照射激光。

2.根据权利要求1所述的基于超强激光冲击的薄板连接装置，其特征在于：所述激光照射装置包括激光器(8)、激光器光路和激光器控制系统(7)，所述激光器控制系统(7)的信号输出端与激光器(8)的控制输入端相连接，所述激光器(8)产生的激光经过激光器光路后照射至等离子波约束层(6)。

3.根据权利要求2所述的基于超强激光冲击的薄板连接装置，其特征在于：还包括整体控制系统(9)和工作台控制系统(10)，整体控制系统(9)与激光器控制系统(7)双向信号传输连接，所述整体控制系统(9)与工作台控制系统(10)双向信号传输连接，工作台控制系统(10)用于控制工作台的动作。

4.根据权利要求3所述的基于超强激光冲击的薄板连接装置，其特征在于：所述整体控制系统(9)还连接有计算机(11)。

5.一种如权利要求1至4中任一项所述的基于超强激光冲击的薄板连接装置的连接方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1)根据被连接的薄板在工作中的位置，确定两块薄板(3)的连接部位，并将其中在上面位置的一块薄板(3)进行清洗处理；

2)将清洗过的薄板(2)的连接部位的上表面涂覆激光照射吸收层(5)，再在激光照射吸收层(5)的上表面设置等离子波约束层(6)；

3)将两块薄板(3)安装于工作台(1)，通过装夹支撑装置(2)装夹两块薄板(3)，并且使两块薄板(3)的连接部位支撑在相应的凹模(4)上方；

4)输入激光参数给激光照射装置，通过调节激光照射装置以及工作台(1)，使激光照射至连接部位上方的等离子波约束层(6)上；

5)激光照射装置输出激光，冲击在薄板(3)的连接部位上，激光通过激光照射吸收层(3)发生汽化，电离产生高压等离子波，由于等离子波约束层(6)的存在，等离子体冲击薄板(3)，使得薄板(3)内产生冲击波，迫使薄板(3)发生屈服，在凹模(4)的共同作用下两块薄板(3)之间的连接部位处发生拉深、胀形和弯曲变形，从而使两块薄板的连接部位连接在一起。