CN106041298A - 一种渐进式激光冲击连续铆接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渐进式激光冲击连续铆接方法及装置，用于进行板材间的线状铆接，属于材料连接技术领域。方法部分的步骤为：A、利用激光器直接生成或者利用分光系统生成多束激光；B、每两个激光束的延长线形成V形夹角，并令多束激光同时扫掠板材；C、脉冲激光作用于板材表面时产生爆炸等离子体，在爆炸等离子体的冲击作用下，配合成形模具的约束，板材逐渐变形为槽形结构；D、调整多束激光的排列方式，令激光束方向分别对准槽形结构的底部两侧；E、多束激光束移动；在爆炸等离子体的继续冲击作用下，激光束配合成形模具的约束，将槽形结构逐渐冲击变成为互锁结构；重复步骤B‑E，对板材进行渐进式冲击，将板材铆接在一起。

Description

一种渐进式激光冲击连续铆接方法及装置

技术领域

本发明涉及材料连接技术领域，具体涉及一种渐进式激光冲击连续铆接方法及装置。

背景技术

材料连接技术是机械制造领域广泛应用的技术之一，发展至今，材料连接技术已经拥有相当数量的具体应用方法，分类标准也五花八门，按照连接实现的基本原理可以分为机械连接和物理化学连接。

常见的机械连接方式有：螺栓连接、螺钉连接、铆钉连接、键连接、销钉连接等等，常见的物理化学连接方式有：胶接、焊接、封接等等，区别在于实现连接的主要过程中是否发生物理状态(如固液相转变)、化学特性的变化。每种连接技术都有很多具体的实际应用，常用的连接技术都各有优缺点，有其适用的具体领域。

在薄板连接领域，现有的技术存在以下不足：

(1)热效应过于明显，容易引起板材烧穿、材料组织改变、热变形等缺陷。例如各种焊接连接。

(2)破坏材料完整性和密封性，易使连接部位受力不均，从而在连接位置引发破坏。例如螺栓连接或铆钉连接等。

(3)不耐高温，连接强度低。例如胶接。

(4)易腐蚀。例如焊接或者螺栓连接，焊缝或螺栓的材料特性与被连接物的材料特性有差异，从而在连接部位易于产生电化学腐蚀。

现有技术中，已经存在部分关于激光铆接方向的研究。例如：中国专利文献ZL201510119083.0公开了一种超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置，采用将上层板和下层板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接。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。

但是上述的技术中，存在较大的弊端，具体包括：

(1)最终形成的连接结构是铆扣形状，该连接结构属于点铆接，该工艺方式不能直接扩展为线铆接。

(2)采用激光进行单点冲击，激光束始终垂直于板材初始平面，因而难以产生大的变形量和更为复杂的变形形状。

(3)仍然存在一定的热效应；

(4)成形装置比较简单，两层板间机械互锁结构的形成，完全依赖于等离体爆炸时产生的横向力，而横向力的方向难以控制，则形成的机械互锁结构部位尺寸往往比较小，因此不易达到高连接强度。

基于上述原因，有必要设计一种新的方法和装置，来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种渐进式激光冲击连续铆接方法及装置。该方法将多束脉冲激光按一定规律排列，通过多束脉冲激光的连续冲击，为板材施加低频振动，并同时进行冲击成形，在流动水幕的共同作用下，进一步消除热效应的影响，大大提高板材的变形量，最终形成连续、均匀、牢固、密闭的线状铆接结构。

本发明的技术方案如下：

一种渐进式激光冲击连续铆接方法，主要包括如下步骤：

A、利用激光器直接生成或者利用分光系统生成多束激光；

B、每两个激光束的延长线形成V形夹角，并令多束激光同时扫掠板材；

C、脉冲激光作用于板材表面时产生爆炸等离子体，在爆炸等离子体的冲击作用下，配合成形模具的约束，板材逐渐变形为槽形结构；

D、调整多束激光的排列方式，令激光束方向分别对准槽形结构的底部两侧；

E、多束激光束移动；在爆炸等离子体的继续冲击作用下，激光束配合成形模具的约束，将槽形结构逐渐冲击变成为互锁结构；

重复步骤B-E，对板材进行渐进式冲击，将板材铆接在一起。

上述方法中，优选的是，所述多束激光在扫掠时同时冲击板材。

上述方法中，优选的是，所述激光器或分光系统由控制模块控制，控制模块使每束激光位于板材受激光冲击而变形的局部表面的法向上。

上述方法中，优选的是，进行步骤D时，槽型结构的两侧至少各有一束激光束冲击，且使每束激光位于板材受激光冲击而变形的局部表面的法向上。

上述方法中，优选的是，进行步骤B和/或步骤E时，采用多束激光可以同时进行冲击或交叉进行冲击，从而调节对板材施加的振动频率。

上述方法中，优选的是，进行步骤B和/或步骤E时，采用循环水系统在板材成形部位形成流动水幕，以降低热效应，并提高冲击效果。

上述方法中，优选的是，成形模具包括底座和L型支撑架，两L型支撑架与所述底座形成的非闭合空间作为板材形成互锁结构的成形腔。

上述方法中，优选的是，所述L型支撑架辅助板材变形的端部为弧形结构。

一种用于实现权利要求上述的渐进式激光冲击连续铆接方法的装置，包括由控制模块、激光器、分光系统、控制激光束运动的自动化设备、成形模具及循环水系统；

所述激光器用于输出参数可调的脉冲激光，通过分光系统分成多束激光，并使用光纤传导至激光聚焦镜头；

所述自动化设备用于控制激光聚焦镜头的运动轨迹和出射角度，自动化设备为多轴关节机器人；

所述成形模具用于辅助激光冲击成形，

所述循环水系统用于形成流动水幕，覆盖板材形成保护层；

其中，所述成型模具位于所述循环水系统上，自动化设备位于所述成型模具的一侧。

本发明的有益效果是：

(1)属于线连接，能够形成均匀连续的线状铆接，连接强度高。

(2)属于低频振动辅助塑性成形连接。由于振动具有影响材料内部应力的“体积效应”，以及影响模具与板材之间摩擦的“表面效应”，因而振动能够有效降低成形力，改善内部组织，提高表面质量，同时能够形成更大的塑性变形量，因而形成更牢固的铆接结构。

(3)低频振动与激光冲击成形同源产生、同步进行。脉冲激光既作为冲击成形源，同时也作为低频振动源，低频振动由脉冲激光在冲击成形时同步产生，不需其它任何辅助激振装置。

(4)属于冷加工，几乎没有热效应的影响。尽管激光冲击的本质是等离子体爆炸时产生的冲击力，但是仍有极小份额的激光能量会转化为热，在多激光束多次扫掠时，热量将产生累积，并导致热变形。利用流动水幕的冷却作用，可以消除激光对板材的热效应，从而有效地避免板材烧穿以及热变形等。

(5)属于无铆钉连接，能够保证材料的完整性及密封性，以避免产生电化学腐蚀。

(6)属于渐进式成形，可变形程度大，成形效果好。采用多束激光按照一定规律排列，同时扫掠板材，每束激光尽量位于板材受激光冲击而变形的局部表面的法向上，通过多束激光的一次或多次往复扫掠，板材沿着运动轨迹方向逐渐变形为最终所要求的形状。激光束垂直照射到变形的局部表面上，能够引起最好的变形效果；多次小变形量的累积，比一次性成形为最终形状，许可更大的变形量，因而能够形成更可靠的铆接结构。

(7)工艺适应性好，易于自动化生产。配合适当的自动化设备和辅助设备，可以形成直线连接、平面曲线连接、三维立体空间曲线连接。根据不同的板材和连接要求，可以方便地调节激光器的输出参数和激光聚焦程度，成形装置简单，通用性好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是激光冲击成形为槽形结构的纵截面示意图；

图3是激光冲击成形为槽形结构的横截面示意图；

图4是激光冲击成形为互锁铆接结构的横截面示意图；

其中，1、控制模块，2、脉冲激光器，3、关节机器人，4a、上层板材，4b、下层板材，5、水幕发生器，6、水泵，7、蓄水槽，8a、底座，8b、L型支架，9a、第一激光聚焦镜头，9b、第二激光聚焦镜头，10、分光系统。

具体实施方式

为了便于描述，以两束激光进行冲击的形式作为实施例，实际应用时，可以根据需要采用更多束激光，并合理排布多束激光的位置和角度。

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例：一种渐进式激光冲击连续铆接的装置，其结构如图1所示，包括控制模块1，与所述控制模块连接的脉冲激光器2和关节机器人3，位于所述关节机器人3一侧的蓄水槽7，安装于蓄水槽7上的水幕发生器5，用于将蓄水槽7中的水泵送至水幕发生器5的水泵6。

所述蓄水槽7上安装有成形模具8，所述成形模具包括底座8a；底座上倒置的两个L型支撑架8b，两L型支撑架与所述底座形成的非闭合空间是板材形成互锁结构的成形腔。

脉冲激光器2可以输出参数可调的脉冲激光，并通过分光系统10分为至少两束，使用光纤传导至第一激光聚焦镜头9a和第二激光聚焦镜头9b。

光纤及所有的激光聚焦镜头都安装在关节机器人3上。

关节机器人3可以由控制模块1控制做多自由度的运动，关节机器人3控制着激光聚焦镜头的运动轨迹和激光出射角度；激光聚焦镜头可以控制激光束的聚焦量和出射角度，从而调节冲击效果及成形效果。

成形模具用于辅助激光冲击成形；水幕发生器5用于形成流动水幕，覆盖板材形成保护层；蓄水槽7用于收集形成水幕的水，并通过水泵6重新输送到水幕发生器5，水幕发生器5、蓄水槽7、水泵6共同构成循环水单元。

本发明的具体实施方法如下：

(a)将要连接的上层板材4a和下层板材4b的连接部位放置到L型支架8b上方，打开水泵6，水幕发生器5中持续产生水幕，水幕覆盖板材连接部位，形成保护层。

(b)调试关节机器人3，定位初始位置，设置关节机器人3的运动轨迹及端部关节的夹持角度，使得第一激光聚焦镜头9a和第二激光聚焦镜头9b所发出的激光束成一定角度沿扫掠轨迹前后分布，微调第一激光聚焦镜头9a和第二激光聚焦镜头9b的角度，使得激光束能够尽量位于板材受激光冲击而变形的局部表面的法向上(如图2所示)。

(c)打开分光系统10，打开脉冲激光器2，设置适当的输出参数，调节第一激光聚焦镜头9a和第二激光聚焦镜头9b的聚焦程度，测试冲击效果。

(d)控制模块1控制关节机器人3夹持着第一激光聚焦镜头9a和第二激光聚焦镜头9b首次扫掠连接部位，进行如图2及图3所示的激光冲击。

如图2中所示，在激光冲击成槽时，激光聚焦镜头9a和9b之间成一定角度前后排列，在横向呈现V形夹角，两束激光各自与板材上的激光作用部位局部表面垂直；两束激光沿图2中箭头方向进行扫掠，在两束脉冲激光的共同冲击作用下，板材产生低频振动，同时，上层板材4a和下层板材4b逐渐向底座8a方向变形，成为槽形结构。

(e)激光束的第一次扫掠完成后，连接部位被冲击成形为如图3所示的槽形结构。控制模块1控制关节机器人3调节第一激光聚焦镜头9a和第二激光聚焦镜头9b的夹持角度，在纵向呈现V形夹角，使两个激光聚焦镜头分别对准槽形结构的底部两侧。

(f)关节机器人3夹持着激光聚焦镜头沿原路径返回，进行如图4所示的激光冲击铆接。

激光冲击铆接时，两束激光呈一定夹角，同时向槽形结构两外侧方向进行冲击，在发生低频振动的同时，在成形模具的约束下，上层板材4a和下层板材4b成形为图4中的凸起形状，使得上层板材4a和下层板材4b形成机械互锁结构，从而实现铆接目的。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种渐进式激光冲击连续铆接方法，其特征在于，步骤如下：

A、利用激光器直接生成或者利用分光系统生成多束激光；

B、每两个激光束的延长线形成V形夹角，并令多束激光同时扫掠板材；

C、脉冲激光作用于板材表面时产生爆炸等离子体，在爆炸等离子体的冲击作用下，配合成形模具的约束，板材逐渐变形为槽形结构；

D、调整多束激光的排列方式，令激光束方向分别对准槽形结构的底部两侧；

E、多束激光束移动；在爆炸等离子体的继续冲击作用下，激光束配合成形模具的约束，将槽形结构逐渐冲击变成为互锁结构；

重复步骤B-E，对板材进行渐进式冲击，将板材铆接在一起。

2.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击连续铆接方法，其特征在于：所述多束激光在扫掠时同时冲击板材。

3.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击连续铆接方法，其特征在于：所述激光器或分光系统由控制模块控制，控制模块使每束激光位于板材受激光冲击而变形的局部表面的法向上。

4.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击连续铆接方法，其特征在于：进行步骤D时，槽型结构的两侧至少各有一束激光束冲击，且使每束激光位于板材受激光冲击而变形的局部表面的法向上。

5.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击连续铆接方法，其特征在于：进行步骤B和/或步骤E时，采用多束激光可以同时进行冲击或交叉进行冲击，从而调节对板材施加的振动频率。

6.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击连续铆接方法，其特征在于：进行步骤B和/或步骤E时，采用循环水系统在板材成形部位形成流动水幕，以降低热效应，并提高冲击效果。

7.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击连续铆接方法，其特征在于：成形模具包括底座和L型支撑架，两L型支撑架与所述底座形成的非闭合空间作为板材形成互锁结构的成形腔。

8.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击连续铆接方法，其特征在于：所述L型支撑架辅助板材变形的端部为弧形结构。

9.一种用于实现权利要求1-8任一项所述的渐进式激光冲击连续铆接方法的装置，其特征在于：包括由控制模块、激光器、分光系统、控制激光束运动的自动化设备、成形模具及循环水系统；

所述激光器用于输出参数可调的脉冲激光，通过分光系统分成多束激光，并使用光纤传导至激光聚焦镜头；

所述自动化设备用于控制激光聚焦镜头的运动轨迹和出射角度，自动化设备为多轴关节机器人；

所述成形模具用于辅助激光冲击成形，

所述循环水系统用于形成流动水幕，覆盖板材形成保护层；

其中，所述成型模具位于所述循环水系统上，自动化设备位于所述成型模具的一侧。