CN107252975A - 一种温热状态下激光冲击焊接的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温热状态下激光冲击焊接的装置及其方法，所述装置包括激光发射系统、控制系统、工件温热焊接操作系统；所述工件温热焊接操作系统包括工件温热装置、垫板压紧装置、工件压紧装置。本发明通过工件温热装置实现了工件焊接前的预热，提高了待焊接工件的塑性进而改善工件的焊接性能；本发明通过垫板压紧装置、工件压紧装置实现了工件在温热状态下的精确装夹。该装置精准度、自动化程度高、适用范围广，可实现多种不同材料的温热焊接。

Description

一种温热状态下激光冲击焊接的装置及其方法

技术领域

本发明涉及激光冲击焊接领域，特别涉及温热状态下激光冲击焊接的装置及其方法。

背景技术

近年来，随着电子产品、生物、医疗器械、精密仪器、传感器等产业的高速发展，产品的微型化、精密化和高性能化成为制造业发展的重要趋势之一，与之相关的微器件焊接技术的研究显得越发重要。对微器件的性能要求越来越高，单一材料很难满足工业生产的需求，或者某一性能比较理想的材料因为比较稀缺而不能在工业生产中广泛应用，因此异种材料的连接是必然趋势。激光冲击焊接是一种较新的高速冲击焊接技术，其焊接原理与爆炸焊接和磁脉冲焊接相同，都是利用两块金属板以适当的冲击角度高速碰撞，当飞板和基板的碰撞角度和冲击速度超过临界值时，在碰撞界面的强塑性剪切变形和高温高压的作用下会发生固态冶金结合。激光冲击焊接发挥了激光诱导冲击波的超高压高速的特点，而且脉冲激光参数可控性强、应用的尺度也更小又不受材料导电性的限制，因此在微器件焊接领域具有很大的发展潜力。然而异种材料的焊接因在熔点、热膨胀系数和导热性等方面存在巨大的差异，焊接难度大。在常温激光冲击下，仍然存在一些异种材料不可焊接或焊接困难。

申请号为201610671249.4的中国专利提出了一种激光冲击焊接装置及其方法，该发明通过在上层板进行预成形克服了上层板与下层板之间必须给定一定飞行距离的局限性，解决了上层板尺寸受激光光斑尺寸限制的问题。但该装置只能作用于常温条件下激光冲击焊接，对于一些常温条件下难以焊接的材料而言很难进行冲击焊接。申请号为201610688696.0的中国专利提出了一种激光加载下增强箔材连接强度的装置及方法，该发明在温热条件下，通过加载激光，对两层箔材同时进行冲击焊接和卡接，增强了箔材之间的连接强度。但该发明适合于下端开有凹槽的异种材料的焊接，对于一些塑性变形小的材料容易发生破裂；而且该发明不能对加热过程中加热温度进行有效实时的监控。激光冲击焊接技术仍然存在着焊接强度低、工件夹紧精度低等缺陷。解决好异种材料激光冲击焊接显得至关重要。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种温热状态下激光冲击焊接的装置及其方法，该装置及方法通过使用温热系统来改变焊接材料的塑性，进而实现不易焊接的材料的焊接。通过垫板压紧装置以及工件压紧装置实现对焊接工件的固定，可以实现金属薄板的精确夹紧确保焊接质量，整个焊接过程快速灵活，自动化程度高，可以有效提高焊接效率。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种温热状态下激光冲击焊接的装置，该装置包括激光发射系统、控制系统和工件温热焊接操作系统，所述激光发射系统包括计算机、激光控制器、纳秒激光器和激光束；所述计算机、激光控制器、纳秒激光器依序连接形成激光光路，所述纳秒激光器通过螺纹连接在倒L形支架上，倒L形支架安装在底座上；所述控制系统包括三维移动平台控制器、液压控制器、滑动导轨控制器、温热装置控制器和液压小顶针控制器，三维移动平台控制器实现三维位移移动平台三维方向上的移动，液压控制器控制液压缸的伸缩，液压缸安装在滑动平台上，滑动导轨控制器通过控制滑动导轨实现滑动平台在水平方向上的滑动，滑动平台安装在三维位移移动平台上，三维位移移动平台安装到底座上；液压小顶针控制器控制液压小顶针的伸缩，所述控制系统与计算机连接实现装置自动化操作；所述工件温热焊接操作系统包括工件温热装置、垫板压紧装置和工件压紧装置，其中，工件温热装置安装在三维位移移动平台上；所述工件温热装置包括隔热保护底座、热电阻保护底座、热电阻、传热层、凸模和温度传感器；所述隔热保护底座为凹槽型，隔热保护底座凹槽内放置有热电阻保护底座，热电阻保护底座上表面开设有数个半圆形的凹槽，半圆形凹槽内放置有热电阻，热电阻上放置有传热层，传热层上表面放置有凸模，所述凸模上端为长方体，下端为圆柱；所述凸模的下端圆柱置于热保护底座凹槽内；所述垫板压紧装置包括液压缸、推杆和盖板；所述液压缸安装在滑动平台上，滑动平台安装在三维位移移动平台上，三维位移移动平台安装到底座上；推杆与盖板通过螺纹连接，盖板由四个相同的推杆支撑，所述盖板开有凸字形槽，凸字形槽下端长宽尺寸与凸模上端长方体长宽尺寸相同；所述工件压紧装置包括压板、液压小顶针和支撑杆；支撑杆通过螺纹与压板连接，液压小顶针通过螺纹连接到倒L形支架上。2.根据权利要求1所述的一种温热状态下激光冲击焊接的装置，

优选的，所述隔热保护底座的侧面开有一圆孔；圆孔用来方便连接电路与热电阻。

优选的，所述凸模上端长方体的高L为1-2mm。

优选的，所述盖板开有凸字形槽，凸字形槽下端高H为0.5-0.8mm；凸字形槽上端长宽尺寸小于下端长宽尺寸，其高K为0.2-0.3mm。

优选的，所述压板为中间开有圆孔的长方形板。

优选的，所述隔热保护底座为凹槽型，凹槽型结构为上端开孔的圆柱。

基于温热状态下激光冲击焊接的装置的方法，包括以下步骤：

步骤一)打开温热装置控制器，，通过计算机控制温热装置控制器来实现工件温热装置的加热，通过安装在凸模上的温度传感器将温度信号传递给温热装置控制器，进而传递给计算机，通过计算机程序来控制温热装置的温度；

步骤二)，安装基板，在步骤一)的基础上，通过计算机控制滑动导轨控制器实现滑动平台移动在工件温热装置的一侧，然后，将基板放置在工件温热装置的凸模上，然后，将开孔的垫板放置在基板上，该开孔的垫板用来保证一定的飞行距离；最后，通过计算机控制滑动导轨控制器实现滑动平台的移动，直到将盖板压紧装置移动到工件温热装置的正上方；

步骤三)，压紧基板，在步骤二)的基础上，通过计算机控制液压控制器来控制液压缸的伸缩，从而实现推杆的伸缩以及盖板的上下运动，使得盖板将开孔的垫板压紧；

步骤四)，压紧飞板，将飞板粘贴K9玻璃下端上，将K9玻璃放置在盖板的凸字形槽的上端内；通过计算机控制液压小顶针控制器实现液压小顶针伸缩，进而通过支撑杆实现压板对K9玻璃的压紧；

步骤五)，激光冲击，得到工件，通过计算机调节激光参数，对纳秒脉冲激光器进行单次发射操作，使得激光光束穿过压板中心孔，进而透过K9玻璃来实现飞板与基板在温热状态下的激光冲击焊接；焊接完成后，将飞板与基板从开孔的垫板中间取出，得到焊后的基板与飞板，从而得到工件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过垫板压紧装置以及工件压紧装置实现对焊接工件的固定，可以实现金属薄板的精确夹紧确保焊接质量，整个焊接过程快速灵活，自动化程度高，可以有效提高焊接效率。

2.将激光冲击焊接技术和温热技术结合，通过加热焊接材料来改变焊接材料的塑性，进而提高焊接强度；

3.通过盖板压紧装置实现在温热焊接过程中焊接材料精确布置；

4.设计工件压紧装置保证工件夹紧精度，使整个冲击焊接过程稳定高效。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明图1中工件温热装置和压板压紧装置三维示意图；

图3本发明图1中热电阻保护底座三维示意图；

图4本发明中带有开孔的垫板的飞板与基板的结构示意图；

附图标记如下：

1-计算机，2-激光控制器，3-液压小顶针控制器，4-纳秒激光器，5-激光光束，6-滑动导轨控制器，7-三维移动平台控制器，8-液压控制器，9-温热装置控制器，10-底座，11-滑动导轨，12-三维位移移动平台，13-滑动平台，14-隔热保护底座，15-热电阻保护底座，16-热电阻，17-传热层，18-凸模，19-倒L形支架，20-盖板，21-K9玻璃，22-压板,23-支撑杆,24-液压小顶针，25-液压缸，26-温度传感器，27-推杆，28-圆孔，29-半圆形凹槽；30-飞板；31-开孔的垫板；32-基板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。

结合附图1至4，一种温热状态下激光冲击焊接的装置，所述装置包括激光发射系统、控制系统、工件温热焊接操作系统；

所述激光发射系统包括计算机1、激光控制器2、纳秒激光器4、激光束5；所述计算机1、激光控制器2、纳秒激光器4依序连接形成激光光路，所述纳秒激光器4通过螺纹连接在倒L形支架19上，倒L形支架19安装在底座10上；所述控制系统包括三维移动平台控制器7、液压控制器8、滑动导轨控制器6、温热装置控制器9和液压小顶针控制器3，三维移动平台控制器7实现三维位移移动平台12三维方向上的精确移动，以便于工件温热装置能够精准的移动在纳秒激光器下；液压控制器8控制液压缸25的伸缩，4个相同的液压缸25安装在滑动平台13上，滑动导轨控制器6通过控制滑动导轨11实现滑动平台13在水平方向上的滑动，滑动平台13安装在三维位移移动平台12上，三维位移移动平台12安装到底座10上。液压小顶针控制器3控制液压小顶针24的伸缩，2个相同的液压小顶针24安装在倒L形支架19上，倒L形支架19安装在底座10上；所述控制系统与计算机1连接实现装置自动化操作。其特征在于，所述工件温热焊接操作系统包括工件温热装置、垫板压紧装置、工件夹紧装置，其中工件温热装置安装在三维位移移动平台12上，三维位移移动平台12安装在底座10上。

所述的工件温热装置包括隔热保护底座14、热电阻保护底座15、热电阻16、传热层17、凸模18和温度传感器26；隔热保护底座14为上端开口的空心圆柱体，隔热保护底座14的侧面开有一圆孔28。热电阻保护底座15为圆柱体，其上表面为4个半圆形的凹槽29。热电阻16放置在半圆形的凹槽内29。凸模18上端成长方体，下端为圆柱，放置在传热层17上，传热层17放置在热电阻16上。工件温热装置安装在三维位移移动平台12上，三维位移移动平台12安装到底座10上。所述凸模18上端长方体的高L为1-2mm。

所述垫板压紧装置包括液压缸25、推杆27和盖板20，4个相同的液压缸25安装在滑动平台13上，滑动平台13安装在三维位移移动平台12上，三维位移移动平台12安装到底座10上。推杆27与盖板20通过螺纹连接。盖板20由四个相同的推杆27支撑。所述的盖板20开有凸字形槽，用于对垫板的压紧，凸字形槽下端长宽尺寸与凸模18上端长方体长宽尺寸一样，凸字形槽下端高H为0.5-0.8mm。凸字形槽上端长宽尺寸小于下端长宽尺寸，其高K为0.2-0.3mm。

所述的工件压紧装置包括压板22、液压小顶针24和支撑杆23。支撑杆23通过螺纹与压板22连接，液压小顶针通过螺纹连接到倒L形支架19上，倒L形支架19安装在底座10上。所述的压板22为中间开有圆孔的长方形板。

基于温热状态下激光冲击焊接的方法，它包括以下步骤：

S1，调节工件温热装置，通过计算机1控制工件温热装置控制器9来实现工件温热装置的加热，安装在凸模18上的温度传感器26将温度信号传递给温热系统控制器9，进而传递给计算机1，通过计算机程序来控制温热装置的温度，从而实现对焊接材料的加热。

S2，工件安装，作业时，通过计算机1控制滑动导轨控制器6实现滑动平台13移动在工件温热装置的一侧，之后将基板放置在工件温热装置的凸模18上，将开孔的垫板31放置在基板上，用来保证一定的飞行距离。然后，通过计算机1控制滑动导轨控制器6实现滑动平台13的移动，直到将盖板压紧装置移动到工件温热装置的正上方。

S3，开孔的垫板31压紧，通过计算机1控制液压控制器8来控制液压缸25的伸缩，从而实现推杆26的伸缩以及盖板20的上下运动，使得盖板20将垫板压紧，然后将飞板30粘贴K9玻璃21上，将K9玻璃21放置在盖板20的凸字形槽的上端内。

S4，工件的压紧，通过计算机1控制液压小顶针控制器3实现液压小顶针24伸缩，进而通过支撑杆23实现压板22对K9玻璃21的压紧。

S5，激光冲击，通过计算机1调节激光参数，对纳秒脉冲激光器4进行单次发射操作，使得激光光束5穿过压板22中心孔，进而透过K9玻璃来实现飞板30与基板32在温热状态下的激光冲击焊接。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种温热状态下激光冲击焊接的装置，其特征在于，该装置包括激光发射系统、控制系统和工件温热焊接操作系统，所述激光发射系统包括计算机(1)、激光控制器(2)、纳秒激光器(4)和激光束(5)；所述计算机(1)、激光控制器(2)、纳秒激光器(4)依序连接形成激光光路，所述纳秒激光器(4)通过螺纹连接在倒L形支架(19)上，倒L形支架(19)安装在底座(10)上；所述控制系统包括三维移动平台控制器(7)、液压控制器(8)、滑动导轨控制器(6)、温热装置控制器(9)和液压小顶针控制器(3)，三维移动平台控制器(7)实现三维位移移动平台(12)三维方向上的移动，液压控制器(8)控制液压缸(25)的伸缩，液压缸(25)安装在滑动平台(13)上，滑动导轨控制器(6)通过控制滑动导轨(11)实现滑动平台(13)在水平方向上的滑动，滑动平台(13)安装在三维位移移动平台(12)上，三维位移移动平台(12)安装到底座(10)上；液压小顶针控制器(3)控制液压小顶针(24)的伸缩，所述控制系统与计算机(1)连接实现装置自动化操作；所述工件温热焊接操作系统包括工件温热装置、垫板压紧装置和工件压紧装置，其中，工件温热装置安装在三维位移移动平台(12)上；所述工件温热装置包括隔热保护底座(14)、热电阻保护底座(15)、热电阻(16)、传热层(17)、凸模(18)和温度传感器(26)；所述隔热保护底座(14)为凹槽型，隔热保护底座(14)凹槽内放置有热电阻保护底座(15)，热电阻保护底座(15)上表面开设有数个半圆形的凹槽(29)，半圆形凹槽(29)内放置有热电阻(16)，热电阻(16)上放置有传热层(17)，传热层(17)上表面放置有凸模(18)，所述凸模(18)上端为长方体，下端为圆柱；所述凸模(18)的下端圆柱置于热保护底座(14)凹槽内；所述垫板压紧装置包括液压缸(25)、推杆(27)和盖板(20)；所述液压缸(25)安装在滑动平台(13)上，滑动平台(13)安装在三维位移移动平台(12)上，三维位移移动平台(12)安装到底座(10)上；推杆(27)与盖板(20)通过螺纹连接，盖板(20)由四个相同的推杆(27)支撑，所述盖板(20)开有凸字形槽，凸字形槽下端长宽尺寸与凸模(18)上端长方体长宽尺寸相同；所述工件压紧装置包括压板(22)、液压小顶针(24)和支撑杆(23)；支撑杆(23)通过螺纹与压板(22)连接，液压小顶针(24)通过螺纹连接到倒L形支架(19)上。

2.根据权利要求1所述的一种温热状态下激光冲击焊接的装置，其特征在于，所述隔热保护底座(14)的侧面开有一圆孔(28)；圆孔(28)用来方便连通电路与热电阻(16)。

3.根据权利要求1所述的一种温热状态下激光冲击焊接的装置，其特征在于，所述凸模(18)上端长方体的高L为1-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种温热状态下激光冲击焊接的装置，其特征在于，所述盖板(20)开有凸字形槽，凸字形槽下端高H为0.5-0.8mm；凸字形槽上端长宽尺寸小于下端长宽尺寸，其高K为0.2-0.3mm。

5.根据权利要求1所述的一种温热状态下激光冲击焊接的装置，其特征在于，所述压板(22)为中间开有圆孔的长方形板。

6.根据权利要求1所述的一种温热状态下激光冲击焊接的装置，其特征在于，所述隔热保护底座(14)为凹槽型，凹槽型结构为上端开孔的圆柱。

7.根据权利要求1至6任一项所述的基于温热状态下激光冲击焊接的装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一)打开温热装置控制器(9)，通过计算机(1)控制温热装置控制器(9)来实现工件温热装置的加热，通过安装在凸模(18)上的温度传感器(26)将温度信号传递给热装置控制器(9)，进而传递给计算机(1)，通过计算机程序来控制温热装置的温度；

步骤二)，安装基板(32)，在步骤一)的基础上，通过计算机(1)控制滑动导轨控制器(6)实现滑动平台(13)移动在工件温热装置的一侧，然后，将基板(32)放置在工件温热装置的凸模(18)上，然后，将开孔的垫板(31)放置在基板(32)上，该开孔的垫板(31)用来保证一定的飞行距离；最后，通过计算机(1)控制滑动导轨控制器(6)实现滑动平台(13)的移动，直到将盖板压紧装置移动到工件温热装置的正上方；

步骤三)，压紧基板(32)，在步骤二)的基础上，通过计算机(1)控制液压控制器(8)来控制液压缸(25)的伸缩，从而实现推杆(26)的伸缩以及盖板(20)的上下运动，使得盖板(20)将开孔的垫板(31)压紧；

步骤四)，压紧飞板(30)，将飞板(30)粘贴K9玻璃(21)下端上，将K9玻璃(21)放置在盖板(20)的凸字形槽的上端内；通过计算机(1)控制液压小顶针控制器(3)实现液压小顶针(24)伸缩，进而通过支撑杆(23)实现压板(22)对K9玻璃(21)的压紧；

步骤五)，激光冲击，得到工件，通过计算机(1)调节激光参数，对纳秒脉冲激光器(4)进行单次发射操作，使得激光光束(5)穿过压板(22)中心孔，进而透过K9玻璃(21)来实现飞板与基板在温热状态下的激光冲击焊接；焊接完成后，将焊好的飞板(30)与基板(32)从开孔的垫板(31)中间取出，得到焊后的基板(32)与飞板(30)，从而得到工件。