CN107378233B - 基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置及其方法，该装置包括激光发生系统、计算机控制系统和剪切变形连接系统；激光发生系统包括纳秒脉冲激光发射器、反射镜、聚焦镜、聚焦镜支架和工作台；计算机控制系统包括激光发生控制器、计算机、液压控制装置和三维移动调整控制装置；所述剪切变形连接系统包括压边定位装置、工件系统、组合成形模具、组合模具装卸装置和三维移动调整平台；本发明采用纳秒脉冲激光作为间接能量源，通过组合模具实现了同种或异种的多层金属薄板的剪切变形连接，获得在连接平面内较高的扭转强度和剥离强度，垂直方向上亦拥有可靠的连接强度。
Description
技术领域
本发明属于激光加工制造领域和金属薄板机械变形连接技术领域，尤指激光冲击变形的金属薄板的新型可调连接装置及其方法。
背景技术
随着新型金属薄板材料使用越来越广泛，金属薄板材料的连接技术在整个制造业中扮演着越来越重要的角色，如精密仪器，生物材料，医疗器械和电子电气等工业领域。为了连接不同种类、表面有镀层以及难焊的薄板材料，人们已经创造出许多机械变形连接技术，并且工业生产对于金属薄板连接的强度要求逐步提高。
申请号为201210070099.3的中国专利提出了包括冲孔和铆接两个步骤的金属板材连接技术，该技术首先在上下板料上分别开一大一小地通孔，再将上板材的自身材料冷挤压到下板铆接孔中实现板材铆接。该方法易于实现不同种类的金属板材的连接，其问题在于工艺步骤包括冲孔和铆接两部分，降低了生产效率，对上下两通孔的进行铆接时的对心放置，以及平行于铆接孔平面的扭转强度无法保证。申请号为201420428049.2的中国专利提出了一种瓣合式模具，通过凹凸模之间的配合挤压，使得两块薄板材料发生流动形成内锁，其问题在于平行于互锁接头平面的扭转强度无法得到保证。
发明内容
为了改善现有的金属薄板连接方法中存在的上述不足，本发明提供了一种基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置及其方法，旨在于实现具有可靠扭转强度的同种或异种的多层金属薄板的连接，为了提高生产效率，采用脉冲激光作为间接能量源，通过组合成形模具，使得多层金属薄板之间发生剪切变形和塑性变形，剪切变形使得金属薄板获得较高的平行于平面的扭转强度和剥离强度，塑性变形使得多层金属薄板在剪切变形后获得卡结并铆接在一起，获得垂直于平面的可靠的剥离强度；本发明中组合模具装卸装置实现了组合模具的自动安装和卸载，具有保压功能，保证了工件剪切变形连接生产精度和效率。
本发明通过下述装置和技术方法实现上述目的。
基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置，包括激光发生系统、计算机控制系统和剪切变形连接系统；
所述激光发生系统包括纳秒脉冲激光发射器、反射镜、聚焦镜、聚焦镜支架和工作台；所述聚焦镜支架垂直安装在工作台上；所述聚焦镜支架上安装有与工作台平行的聚焦镜，且聚焦镜置于经过45°布置的反射镜反射的由纳秒脉冲激光发射器发射出的激光的光路中心；
所述计算机控制系统包括激光发生控制器、计算机、液压控制装置和三维移动调整控制装置；
所述激光发生控制器、液压控制装置、三维移动调整控制装置均与计算机相连；所述激光发生控制器与纳秒脉冲激光发射器相连，用于控制调整纳秒脉冲激光发射器发射激光的状态；所述三维移动调整控制装置与三维移动调整平台相连，用于控制三维移动调整平台的移动；所述液压控制装置与单杆双作用液压缸相连，用于控制液压缸不同工位工作状态；
所述剪切变形连接系统包括压边定位装置、工件系统、组合成形模具、组合模具装卸装置和三维移动调整平台；
所述组合成形模具包括左剪切模、右剪切模、凹模砧板和凹模支撑；所述左剪切模和右剪切模结构相同，且对接组成十字形剪切槽型凹模，该十字形剪切槽型凹模置于凹模支撑上表面；所述凹模支撑通过螺栓与组合模具装卸装置中基座相连接；凹模支撑上表面中心处设置有槽A，槽A内放置有凹模砧板，且凹模砧板置于十字形剪切槽型凹模的正下方；
所述组合模具装卸装置包括基座，所述基座安装在三维移动调整平台；基座上表面左右两侧对称安装有液压缸，液压缸的活塞杆上安装有连接块；左右布置的连接块上分别安装有左剪切模和右剪切模；
所述工件系统从上到下包括有掩膜、透明约束层、吸收层、上层薄板和下层薄板；工件系统通过左右布置的压边定位装置放置于组合成形模具中心位置，且置于激光光路的中心上。
优选的，所述凹模支撑上的槽A处开设有通孔。
优选的，所述凹模支撑上，且沿左剪切模、右剪切模移动方向上设置有导轨，用于对左剪切模、右剪切模导向与定位。
优选的，所述掩膜中心开设有通孔。
优选的，所述左剪切模和右剪切模十字形剪切槽型凹模内设有长方形体空腔，该长方形体空腔与凹模砧板组成型腔。
优选的，所述凹模砧板与槽A之间可以设置垫片，从而控制上层薄板和下层薄板的剪切变形深度。
优选的，所述凹模砧板尺寸为4mm X 4mm X 3mm。
基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置的方法，具体包括如下步骤：
S1.将激光发生控制器、液压控制装置、三维移动调整控制装置与计算机相连；通过螺栓将组合模具装卸装置的基座固定在三维移动调整平台上；再将组合成形模具的凹模支撑用螺栓固定在基座上；将计算好的垫片和凹模砧板置入凹模支撑槽A内；在基座上安装对称分布的单杆双作用液压缸；把连接块接到单杆双作用液压缸活塞杆上；再把左剪切模和右剪切模与连接块相连；利用计算机通过液压控制装置控制单杆双作用液压缸，将左剪切模和右剪切模进行安装，再通过三维移动调整控制装置控制三维移动调整平台的移动，使得组合成形模具十字剪切槽凹模中心位于激光光路中心上；
S2.将工件系统放置于组合成形模具上，使得掩膜透光孔中心位于激光光路上，之后压边定位装置对工件系统进行压紧；
S3.调整聚焦镜获得合适的激光光斑直径，利用计算机通过激光发生控制器控制纳秒脉冲激光发射器产生合适的脉冲能量及脉冲次数；
S4.打开纳秒脉冲激光发射器开关，持续特定数量的脉冲，激光聚焦到工件系统上，通过掩膜透光孔滤去多余边缘光束，再穿过约束层到达吸收层，吸收层表面材料迅速气化和电离，形成高温高压的等离子体，等离子体迅速膨胀，产生强冲击波，在冲击波和组合成形模具的作用下，上层薄板和下层薄板发生剪切变形，压边定位装置卸压，计算机通过液压控制装置控制单杆双作用液压缸，将左剪切模和右剪切模退让一定行程，压边定位装置压紧，再次打开纳秒脉冲激光发射器开关，持续特定数量的脉冲使上下薄板剪切部分发生塑性变形并形成卡结，从而完成新型金属薄板的剪切变形连接；
S5.一次金属薄板的剪切变形连接完成后，压边定位装置卸压；计算机通过液压控制装置控制液压缸，将左剪切模和右剪切模进行拆卸，打开十字形剪切槽凹模，取出完成的工件系统的连接接头；之后计算机通过液压控制装置控制液压缸，将左剪切模和右剪切模进行安装，由此进入下一个工作生产循环。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用脉冲激光作为间接能量源，通过组合模具实现了同种或异种的多层金属薄板的剪切变形连接，显著增大了金属薄板在连接平面内的扭转强度和剥离强度，垂直方向上亦拥有可靠的连接强度；本发明中组合模具装卸装置实现了组合模具的自动安装和卸载，此外，组合模具安装后，该装置具有自动保压功能，保证了工件剪切变形连接生产精度和效率。
2.凹模砧板与槽A之间可以设置垫片，从而控制上层薄板和下层薄板的剪切变形深度。
3.凹模支撑上，且沿左剪切模、右剪切模移动方向上设置有导轨，用于对左剪切模、右剪切模导向与定位。
附图说明
图1是本发明所述的基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置的结构示意图；
图2是本发明中组合模具装卸装置的结构示意图；
图3是本发明中左剪切模示意图；
图4是本发明中右剪切模示意图；
图5是本发明中凹模砧块示意图；
图6是本发明中凹模支撑示意图；
图7本发明中组合成形模具的结构示意图；
图8本发明中掩膜示意图；
图9本发明中工件系统示意图；
图10是本发明中组合模具装卸装置，组合成形模具安装和工件系统安装示意图；
图11是本发明中工件系统加工后剖视示意图；
图12为本发明中工件系统加工后俯视示意图。
附图标记如下：
1.工作台；2.三维移动调整平台；3.组合模具装卸装置；4.组合成形模具；5.工件系统；6.压边定位装置；7.聚焦镜支架；8.聚焦镜；9.反射镜；10.纳秒脉冲激光发射器；11.激光发生控制器；12.计算机；13.液压控制装置；14.三维移动调整控制装置；15.液压缸；16.连接块；17.基座；18.左剪切模；19.右剪切模；20.凹模砧块；21.凹模支撑；22.掩膜；23.约束层；24.吸收层；25.上层薄板；26.下层薄板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。
结合附图1和10所示为本发明所述的基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置，包括激光发生系统、计算机控制系统和剪切变形连接系统；激光发生系统包括纳秒脉冲激光发射器10、反射镜9、聚焦镜8、聚焦镜支架7、工作台1；聚焦镜支架7固定安装在工作台1上，聚焦镜8通过紧固螺钉安装在聚焦镜支架7上且位于经45°设置的反射镜9反射后的激光光路中心，通过松动紧固螺钉来移动调整聚焦镜8在聚焦镜支架7上的垂直安装位置，可以控制辐射到工件系统上的激光光斑大小。
计算机控制系统综合控制激光发生系统和剪切变形连接系统；所述控制系统包括激光发生控制器11、计算机12、液压控制装置13和三维移动调整控制装置14；所述激光发生控制器11、液压控制装置13、三维移动调整控制装置14均与计算机12相连；所述激光发生控制器11与纳秒脉冲激光发射器10相连，用于控制调整纳秒脉冲激光发射器10发射激光的状态；所述三维移动调整控制装置14与三维移动调整平台2相连，用于控制三维移动调整平台2的三维空间移动调整；所述液压控制装置13与液压缸15相连，用于控制液压缸15的进退工作状态。
剪切变形连接系统包括压边定位装置6、工件系统5、组合成形模具4、组合模具装卸装置3和三维移动调整平台2；将组合成形模具4中凹模砧板20与适合的垫片置于凹模支撑21中心槽内，中心槽位于十字形切槽正下方，组合成形模具4中的凹模支撑21通过螺栓与组合模具装卸装置3中的基座17相连接，而基座17通过螺栓连接在三维移动调整平台2上，基座17两侧对称安装液压缸15，液压缸15上的推杆上连接有连接块16，分别通过螺钉与左剪切模18和右剪切模19相连接，同时左剪切模18和右剪切模19置于凹模支撑21上，凹模支撑21限制左右剪切模自由度，组合模具装卸装置3中基座17以螺栓连接方式与三维移动调整平台2相连，所述三维移动调整平台2则与工作台1相连，组合成形模具4组装完成后，工件系统5置于组合成形模具4上，工件系统5则从上到下依次组合放置掩膜22、约束层23、吸收层24、上层薄板25、下层薄板26，整个工件系统5通过压边定位装置6放置于组合成形模具4上。
结合附图2所示为组合模具装卸装置，左右对称装有液压缸15，连接块16作为液压缸15与左剪切模18和右剪切模19相连的中间构件，剪切模组合安装时液压缸15推动左右剪切模施压并保压，剪切模组合拆卸时液压缸15拉动左右剪切模分开，左右剪切模运动时底面始终以凹模支撑21为基准。
结合附图3、图4、图5、图6、图7，组合凹模4，十字形切槽可认为由两个宽度为1mm的长方形切槽组成，深度为1mm，由左剪切模18和右剪切模19组合而成。十字形剪切槽下方留有对称的长方形体空腔，可以和位于凹模支撑21中心凹槽的凹模砧板20组成板料形腔，凹模砧板尺寸为4mm X 4mm X 3mm，且与十字形切槽共对称面，增加凹模支撑21中心凹槽内垫片可以改变板料形腔的深度以适应不同厚度板料的工艺要求。凹模支撑21中心凹槽左外侧或右外侧一面作为定位面限制左剪切模18或右剪切模19，另一个剪切模则以受限的剪切模为定位基准。凹模支撑21前后有对称滑台面，可以限制左剪切模18和右剪切模19装卸时的运动，左剪切模18、右剪切模19与凹模支撑21为间隙配合。
基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置的方法，具体步骤包括如下：
S1.将激光发生控制器11、液压控制装置13、三维移动调整控制装置14与计算机相连；通过螺栓将组合模具装卸装置3的基座17固定在三维移动调整平台2上；再将组合成形模具4的凹模支撑21用螺栓固定在基座17上；将计算好的垫片和凹模砧板20置入凹模支撑21槽内；在基座17上安装对称分布的单杆双作用液压缸15；把连接块16接到液压缸15活塞杆上；再把左剪切模18和右剪切模19与连接块16相连；利用计算机12通过液压控制装置13控制单杆双作用液压缸15，将左剪切模18和右剪切模19进行安装，再通过三维移动调整控制装置14控制三维移动调整平台2的移动，使得组合成形模具4十字剪切槽中心位于激光光路上；
S2.将工件系统5放置于组合成形模具4上，使得掩膜22透光孔中心位于激光光路上，之后压边定位装置6对工件系统5进行压紧；
S3.调整聚焦镜8获得合适的激光光斑直径，利用计算机12通过激光发生控制器11控制纳秒脉冲激光发射器10产生合适的脉冲能量及脉冲次数；
S4.打开纳秒脉冲激光发射器10开关，持续特定数量的脉冲，激光聚焦到工件系统5上，通过掩膜22透光孔滤去多余边缘光束，再穿过透明约束层23到达吸收层24，吸收层24表面材料迅速气化和电离，形成高温高压的等离子体，等离子体迅速膨胀，产生强冲击波，在冲击波和组合成形模具4的作用下，上下两层金属薄板，发生剪切变形，压边定位装置6稍许卸压，计算机12通过液压控制装置13控制单杆双作用液压缸15，将左剪切模18和右剪切模19退让一定行程，压边定位装置6压紧，再次打开纳秒脉冲激光发射器10开关，持续特定数量的脉冲使上下薄板发生塑性变形并形成卡结，从而完成新型金属薄板的剪切变形连接；
S5.一次金属薄板的剪切变形连接完成后，压边定位装置6卸压；计算机12通过液压控制装置13控制单杆双作用液压缸15，将左剪切模18和右剪切模19进行拆卸，打开十字形剪切槽，取出完成的工件系统5的连接接头；之后计算机12通过液压控制装置13控制单杆双作用的液压缸15，将左剪切模18和右剪切模19进行安装，由此进入下一个工作生产循环。
具体加工成形过程为：纳秒脉冲激光发射器1辐照的激光聚焦到工件系统5上，通过掩膜22透光孔滤去多余边缘光束，再穿过约束层23到达吸收层24，吸收层24表面材料迅速气化和电离，形成高温高压的等离子体，等离子体迅速膨胀，产生强冲击波，在冲击波和组合成形模具4的作用下，上层薄板25和下层薄板26，发生剪切变形和塑性变形，从而完成新型金属薄板的剪切变形连接；结合附图11和12所示，剪切变形使得两层板剪切部分错位接触获得较高的平行于平面的扭转强度和剥离强度，塑性变形使得金属薄板剪切变形后的错位接触部分获得卡结并与剩余薄板部分铆接，获得垂直于平面的可靠的剥离强度。
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 (6)
1.基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置，其特征在于，包括激光发生系统、计算机控制系统和剪切变形连接系统；
所述激光发生系统包括纳秒脉冲激光发射器(10)、反射镜(9)、聚焦镜(8)、聚焦镜支架(7)和工作台(1)；所述聚焦镜支架(7)垂直安装在工作台(1)上；所述聚焦镜支架(7)上安装有与工作台(1)平行的聚焦镜(8)，且聚焦镜(8)置于经过45°布置的反射镜(9)反射的由纳秒脉冲激光发射器(10)发射出的激光的光路中心；
所述计算机控制系统包括激光发生控制器(11)、计算机(12)、液压控制装置(13)和三维移动调整控制装置(14)；
所述激光发生控制器(11)、液压控制装置(13)、三维移动调整控制装置(14)均与计算机(12)相连；所述激光发生控制器(11)与纳秒脉冲激光发射器(10)相连，用于控制调整纳秒脉冲激光发射器(10)发射激光的状态；所述三维移动调整控制装置(14)与三维移动调整平台(2)相连，用于控制三维移动调整平台(2)的移动；所述液压控制装置(13)与液压缸(15)相连，用于控制单杆双作用液压缸(15)不同工位工作状态；
所述剪切变形连接系统包括压边定位装置(6)、工件系统(5)、组合成形模具(4)、组合模具装卸装置(3)和三维移动调整平台(2)；
所述组合成形模具(4)包括左剪切模(18)、右剪切模(19)、凹模砧板(20)和凹模支撑(21)；所述左剪切模(18)和右剪切模(19)结构相同，且对接组成十字形剪切槽型凹模，该十字形剪切槽型凹模置于凹模支撑(21)上表面；所述凹模支撑(21)通过螺栓与组合模具装卸装置(3)中基座(17)相连接；凹模支撑(21)上表面中心处设置有槽A，槽A内放置有凹模砧板(20)，且凹模砧板(20)置于十字形剪切槽型凹模的正下方；
所述组合模具装卸装置(3)包括基座(17)；所述基座(17)安装在三维移动调整平台(2)，基座(17)上表面左右两侧对称安装有液压缸(15)，液压缸(15)的活塞杆上安装有连接块(16)；左右布置的连接块(16)上分别安装有左剪切模(18)和右剪切模(19)；
所述工件系统(5)从上到下包括有掩膜(22)、约束层(23)、吸收层(24)、上层薄板(25)和下层薄板(26)；工件系统(5)通过左右布置的压边定位装置(6)放置于组合成形模具(4)中心位置，且置于激光光路的中心上；所述凹模支撑(21)上，且沿左剪切模(18)、右剪切模(19)移动方向上设置有导轨，用于对左剪切模(18)、右剪切模(19)导向与定位；所述凹模砧板(20)与槽A之间设置垫片，从而控制上层薄板(25)和下层薄板(26)的剪切变形深度。
2.根据权利要求1所述的基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置，其特征在于，所述凹模支撑(21)上的槽A处开设有通孔。
3.根据权利要求1至2任一项所述的基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置，其特征在于，所述掩膜(22)中心开设有通孔。
4.根据权利要求1所述的基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置，其特征在于，所述左剪切模(18)和右剪切模(19)构成的十字形剪切槽型凹模内设有长方形体空腔，该长方形体空腔与凹模砧板(20)组成型腔。
5.根据权利要求1所述的基于激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置，其特征在于，所述凹模砧板(20)尺寸为4mm × 4mm×3mm。
6.根据权利要求1所述的激光冲击的可调金属薄板剪切变形连接装置的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1.将激光发生控制器(11)、液压控制装置(13)、三维移动调整控制装置(14)与计算机(12)相连；通过螺栓将组合模具装卸装置(3)的基座(17)固定在三维移动调整平台(2)上；再将组合成形模具(4)的凹模支撑(21)用螺栓固定在基座(17)上；将计算好的垫片和凹模砧板(20)置入凹模支撑(21)槽A内；在基座(17)上安装对称分布的液压缸(15)；把连接块(16)接到液压缸(15)活塞杆上；再把左剪切模(18)和右剪切模(19)与连接块(16)相连；利用计算机(12)通过液压控制装置(13)控制液压缸(15)，将左剪切模(18)和右剪切模(19)进行安装，再通过三维移动调整控制装置(14)控制三维移动调整平台(2)的移动，使得组合成形模具(4)十字剪切槽凹模中心位于激光光路中心上；
S2.将工件系统(5)放置于组合成形模具(4)上，使得掩膜(22)透光孔中心位于激光光路上，之后压边定位装置(6)对工件系统(5)进行压紧；
S3.调整聚焦镜(8)获得合适的激光光斑直径，利用计算机(12)通过激光发生控制器(11)控制纳秒脉冲激光发射器(10)产生合适的脉冲能量及脉冲次数；
S4.打开纳秒脉冲激光发射器(10)开关，持续特定数量的脉冲，激光聚焦到工件系统(5)上，通过掩膜(22)透光孔滤去多余边缘光束，再穿过约束层(23)到达吸收层(24)，吸收层(24)表面材料迅速气化和电离，形成高温高压的等离子体，等离子体迅速膨胀，产生强冲击波，在冲击波和组合成形模具(4)的作用下，上层薄板(25)和下层薄板(26)发生剪切变形，压边定位装置(6)卸压，计算机(12)通过液压控制装置(13)控制液压缸(15)，将左剪切模(18)和右剪切模(19)退让一定行程，压边定位装置(6)压紧，再次打开纳秒脉冲激光发射器(10)开关，持续特定数量的脉冲使上下薄板剪切部分发生塑性变形并形成卡结，从而完成金属薄板的剪切变形连接；
S5.一次金属薄板的剪切变形连接完成后，压边定位装置(6)卸压；计算机(12)通过液压控制装置(13)控制液压缸(15)，将左剪切模(18)和右剪切模(19)进行拆卸，打开十字形剪切槽凹模，取出完成的工件系统(5)的连接接头；之后计算机(12)通过液压控制装置(13)控制液压缸(15)，将左剪切模(18)和右剪切模(19)进行安装，由此进入下一个工作生产循环。
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