CN109048029A - 一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置及其方法，涉及高速冲击焊接领域，包括激光发生装置、焊接装置、三坐标移动平台装置、控制装置；所述激光发射装置包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架、聚焦透镜支架位置调节装置；所述控制系统包括激光控制器、计算机、三维移动平台控制器、位置传感器；所述焊接夹紧装置包括约束层、吸收层、冲击版、约束层支架、约束层支架位置调节装置、基板、旋转杆、连接杆、压块组成的夹紧装置；本发明采用脉冲激光作为能量源，实现金属板与板的固态焊接；本发明中自动夹紧装置，利用连杆机构与斜楔机构，实现取件时，压块自动松开，焊接时，压块自动夹紧，自动化程度高，方便快捷。

Description

一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置及其方法

技术领域

本发明属于机械制造中激光冲击压力焊接领域，尤其是涉及到一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置及其方法。

背景技术

近年来，随着微电子、医疗器件、精密仪器等产业的高速发展,金属薄板连接在微器件的制造和组装中应用越来越广泛。因此，与之相关的微器件焊接技术的研究显得愈加重要。然而传统的金属箔材连接技术已经无法满足应用于微零件的新型金属箔材的发展需求，解决好应用于微零件的两层金属箔材连接的问题对于现代工业产品的质量提高和成本降低具有重要意义，其中，激光冲击焊接以其焊接之后很少存在热影响区和金属间化合物的特点，已经成为一种新颖高速冲击焊接技术，在金属薄板的连接上具有独特的技术优势，微器件的制造和组装中具有十分广阔的应用前景。

申请号为201710623103.7的中国专利提出了一种新型激光冲击点焊装置。该发明通过改变垫片的厚度可对飞板的飞行距离进行精确控制,飞板和基板置于直流电场之间对焊接产生的等离子体具有强化作用,可以提供更大的焊接力。然而该发明中并未设计专用夹紧装置，而且取件时需要先等温度冷却再人工取下压盖，操作繁琐，精度低，效率低下。申请号为201710694725.的中国专利提出了超声振动辅助高速冲击压力焊接金属箔板的装置及方法，该发明在超声振动下,添加自动夹紧装置和反馈系统,通过加载激光对两层箔板进行冲击焊接。但是并未设计焊接件取出装置，操作繁琐，自动化程度低。

发明内容

针对现有技术中激光冲击焊接的不足，本发明提供了一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置及其方法，本发明通过活塞运动，从而推动连杆机构运动，在实现工件的自动松开与夹紧的同时，实现工作台槽的升降，整个焊接过程自动化程度高，操作简便，精度高，有效的提高焊接质量与效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：

一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置，包括激光发射系统、控制系统、夹紧系统和焊接系统；

所述激光发射系统包括脉冲激光器、激光束、反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架、聚焦透镜位置调节装置；所述激光控制器分别与计算机和脉冲激光器通过电信号相连接，所述聚焦透镜通过聚焦透镜支架连接聚焦透镜位置调节装置，聚焦透镜位置调节装置安装在L型底座侧板上；所述反射镜位于聚焦透镜的上方，所述脉冲激光器发出激光束经过反射镜和聚焦透镜聚焦在吸收层上。

所述焊接系统包括约束层、吸收层、冲击板、约束层支架、约束层支架位置调节装置、压块、基板、工作台、三坐标移动平台和L型底座；所述约束层吸收层冲击板通过约束层支架与约束层支架位置调节装置相连接，约束层支架位置调节装置安装在三坐标移动平台侧板上；所述三坐标移动平台安装在L型底座上；所述基板通过压块压紧在工作台槽内；

所述自动夹紧系统包括工作台、压块、销、滑柱、斜楔、隔板、气缸、工作台槽、左下连杆、连接螺栓、推杆、连接螺母、右上连杆、支撑板、限位板、右活塞、旋转杆、左活塞、弹簧、支撑杆、左活塞、斜楔面和孔；

所述工作台为倒U形结构；工作平台的竖直左右两杆上开设有孔，且竖直左右两杆的内侧壁上均设置有支撑块；两个所述支撑块之间安装有限位板；限位板上通过销轴连接有旋转杆；旋转杆的两端均连接有上连杆；上连杆通过连接螺栓与下连杆的一端连接；且连接螺栓穿过孔；下连杆的另一端与压块的一端连接；压块为L型结构；压块的另一端与工作台槽接触；且压块通过销与支撑杆连接；支撑杆设置在工作台上；旋转杆的一末端设置在左活塞与右活塞之间，其中，左活塞的一侧设置有弹簧，右活塞连接在推杆上，推杆由气缸带动；所述旋转杆的另一末端与斜楔接触；所述斜楔设置在工作台的下侧由隔板支撑，且斜楔的左侧面与第二弹簧连接；第二弹簧设置在工作台的竖直杆与斜楔之间；所述斜楔的斜楔面上设置有滑柱的一端；滑柱的另一端与工作台槽的底部连接，所述工作台槽开设在工作台的水平面上。

进一步的，所述控制系统包括计算机、激光控制器、三坐标移动气缸控制器、位移控制器、位传感器；所述激光控制器、三坐标移动控制器、位移控制器、分别于括计算机相连接；所述位移控制器与位置传感器和约束层位置调节装置相连接，位置传感器安装在约束层支架上；所述位置传感器测量冲击板与工作台间距离并反馈给约束层位置调节装置，计算机通过约束层位置调节装置调节冲击板与基板间距离，通过激光控制器控制脉冲激光器发射激光束；通过三坐标移动气缸控制器调节三坐标平台的位置和气缸。

进一步的，所述斜楔面的角度为15°；所述滑柱长度为18mm，且与工作台槽为一体；所述斜楔通过第二弹簧与工作台相连接。

进一步的，所述限位板长35mm，宽18mm；所述支撑板长22mm，宽24mm，左边的支撑板离底部高度为20mm，右边的支撑板离底部高度为12mm。

进一步的，所述旋转杆长度为70mm，且两头为凸轮状；在旋转杆中心，通过销轴固定在限位板上。

进一步的，所述孔直径为20mm。

进一步的，脉冲激光器为短脉冲激光器，脉宽为8ns-10；激光能量为5J-20J，激光光斑直径为3mm-6mm。

一种激光冲击焊接自动装夹方法，包括如下步骤：

S1：将冲击板与基板进行预处理；

S2：吸收层镀在约束层的下面，把步骤S1中预处理的冲击板贴在吸收层的下表面；通过三坐标移动气缸控制器控制气缸向右移动，气缸带动推杆推动右活塞向右移动，弹簧泄压推动左活塞向右运动；因旋转杆的一端与左活塞接触，所以左活塞推动旋转杆绕销逆时针转动，从而旋转杆带动左下连杆和右上连杆向工作台内运动，带动两边压块转动松开；与此同时，旋转杆转动导致斜楔向左运动，压缩弹簧，滑柱向上运动，工作台槽顶出；

S3：将基板放在工作台槽中心处或者取出焊接件；调节冲击板和基板之间的距离；

S4：通过三坐标移动气缸控制器控制气缸向左移动，通过推杆推动右活塞向左移动，同时左活塞压缩弹簧；由于旋转杆与右活塞接触，所以右活塞推动旋转杆绕销顺时针转动，分别带动左下连杆和右上连杆向工作台外运动，推动两边压块转动压紧；与此同时，旋转杆转动导致斜楔机构泄压，弹簧推动斜楔向有运动，滑柱向下运动，工作台槽复位；

S5：通过计算机控制约束层位置调节装置调节冲击板与基板之间的距离；通过三坐标气缸移动控制器调节三坐标移动平台的位置，使得脉冲激光器输出的激光束经过反射镜和聚焦透镜聚焦在吸收层上；通过聚焦透镜位置调节装置调节聚焦透镜与吸收层的距离，来调节光斑；

S6：计算机精确控制的激光束作用吸收层，产生爆炸等离子体，等离子体驱动冲击板高速运行，撞击基板，实现焊接；

S7：重复S2、S3、S4、S5、S6、S7，可实现冲击板与基板的批量焊接。

进一步的，所述冲击板和基板为同种或者异种金属材料。

进一步的，所述冲击板的厚度为20μm—40μm，基板的厚度为50μm—100μm；所述约束层为2mm-4mm厚的透明亚力克板，所述吸收层为黑漆，厚度0.05mm-0.2mm。

本发明的有益效果是：

与现有技术中激光冲击焊接相比，本发明提供了一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置及其方法，本发明通过活塞运动，从而推动连杆机构运动，在实现工件的自动松开与夹紧的同时，实现工作台槽的升降，整个焊接过程自动化程度高，操作简便，精度高，有效的提高焊接质量与效率。

附图说明

图1是本发明中激光焊接自动夹紧装置的结构示意图；

图2是本发明图1中自动夹紧装置结构示意图；

图3是本发明图2中自动夹紧装置主体结构示意图；

图4是本发明图2中自动夹紧装置斜楔示意图；

图5是本发明图1中约束层、吸收层、冲击板组件结构示意图；

1-计算机；2-激光控制器；3-脉冲激光器；4-激光器；5-反射镜；6-聚光透镜；7-聚焦透镜支架；8-聚焦透镜位置调节装置；9-约束层支架；10-约束层位置调节装置；11位移传感器；12-约束层；13-冲击板；14-压块；15-销；16-滑柱；17-斜楔；18-隔板；19-气缸；20-工作台槽；21-下连杆；22-连接螺栓；23-推杆；24-连接螺母；25-上连杆；26-支撑块；27-限位板；28-右活塞；29-工作槽；30-旋转杆；31-左活塞；32-弹簧；33-工作台；34-基板；35-三坐标移动平台；36-L形底座；37-支撑杆；38-三坐标移动气缸控制器；39-位移控制器；40-吸收层；41-小活塞；42-螺母；43-斜面；44-孔；45-圆筒。

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，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示为本发明所述在一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置及其方法的一种实施方式，所述装置包括激光发射系统、自动夹紧系统、焊接系统、控制系统。

如图1所示，所述激光发射系统包括脉冲激光器3、激光束4、反射镜5、聚焦透镜6、聚焦透镜支架8、聚焦透镜位置调节装置8；所述激光控制器2分别与计算机1和脉冲激光器3通过电信号相连接，所述聚焦透镜6通过聚焦透镜支架7连接聚焦透镜位置调节装置8，聚焦透镜位置调节装置8安装在L型底座33侧板上；所述反射镜5位于聚焦透镜6的上方，所述脉冲激光器3发出激光束4经过反射镜5和聚焦透镜6聚焦在吸收层39上。

如图1、5所示，所述焊接系统包括约束层12-吸收层40-冲击板13组件，约束层支架9、约束层支架位置调节装置10、压块15、基板34、工作台33、三坐标移动平台35、L型底座36；所述约束层12-吸收层40-冲击板13通过约束层支架9与约束层支架位置调节装置10相连接，约束层支架位置调节装置10安装在三坐标移动平台32侧板上；所述三坐标移动平台35安装在L型底座36上；所述基板34通过压块14压紧在工作台33。

如图2、3、4所示，所述自动夹紧系统包括压块14、销15、滑柱16、斜楔17、隔板18、气缸19、工作台槽20、左下连杆21、连接螺栓22、推杆23、连接螺母24、右上连杆25、支撑板26、限位板27、右活塞28、旋转杆工作槽29、旋转杆30、左活塞31、弹簧32、支撑杆37、小活塞41、螺母42、斜楔面43、孔44；所述压块15中间通过销13固定在支撑杆37上，左边的压块15通过销15与上连接杆25相连接；所述限位板27通过螺母42固定在支撑块19上；所述推杆23与气缸19连接；所述斜楔17左端通过弹簧与工作台33连接，上面通过斜楔面43与滑柱16接触；所述旋转杆30通过销15固定在限位板27上，上端与斜楔17右端相接触，下端与左活塞31接触，且旋转杆30上部分通过销15与右上连杆25连接，旋转杆30下部分通过销15与左下连杆21连接；所述工作台左右两边开孔44；所述小活塞41左边通过弹簧32与右活塞28连接，右边与推杆23相连。

如图1所示，所述控制系统包括计算机1、激光控制器2、三坐标移动气缸控制器38、位移控制器39、位传感器11；所述激光控制器2、三坐标移动控制器38、位移控制器39、分别于括计算机1相连接；所述位移控制器39与位置传感器11和约束层位置调节装置10相连接，位置传感器11安装在约束层支架9上；所述位置传感器11测量冲击板13与工作台33间距离并反馈给约束层位置调节装置10，计算机1通过约束层位置调节装置10调节冲击板13与基板34间距离，通过激光控制器2控制脉冲激光器3发射激光束4；通过三坐标移动气缸控制器39调节三坐标平台26的位置和气缸。

本发明还提供了激光冲击焊接金属箔板的方法，具体包括以下步骤：

S1：将冲击板13与基板34进行预处理；

S2：吸收层40镀在约束层12的下面，把步骤S1中预处理的冲击板13贴在吸收层41的下表面；通过三坐标移动气缸控制器38控制气缸19向右移动，气缸19带动推杆23推动右活塞28向右移动，弹簧32泄压推动左活塞31向右运动；因旋转杆30的一端与左活塞31接触，所以左活塞31推动旋转杆30绕销15逆时针转动，从而旋转杆30带动左下连杆21和右上连杆25向工作台34内运动，带动两边压块14转动松开；与此同时，旋转杆30转动导致斜楔17向左运动，压缩弹簧32，滑柱16向上运动，工作台槽20顶出；

S3：将基板34放在工作台槽20中心处或者取出焊接件；调节冲击板13和基板34之间的距离；

S4：通过三坐标移动气缸控制器38控制气缸19向左移动，通过推杆23推动右活塞28向左移动，同时左活塞31压缩弹簧32；由于旋转杆30与右活塞28接触，所以右活塞28推动旋转杆30绕销15顺时针转动，分别带动左下连杆21和右上连杆25向工作台34外运动，推动两边压块14转动压紧；与此同时，旋转杆30转动导致斜楔机构泄压，弹簧32推动斜楔17向有运动，滑柱16向下运动，工作台槽20复位；

S5：通过计算机1控制约束层位置调节装置10调节冲击板13与基板34之间的距离；通过三坐标气缸移动控制器38调节三坐标移动平台35的位置，使得脉冲激光器3输出的激光束4经过反射镜5和聚焦透镜6聚焦在吸收层12上；通过聚焦透镜位置调节装置8调节聚焦透镜6与吸收层40的距离，来调节光斑；

S6：计算机1精确控制的激光束4作用吸收层12，产生爆炸等离子体，等离子体驱动冲击板13高速运行，撞击基板29，实现焊接；

S7：重复S2、S3、S4、S5、S6、S7，可实现冲击板13与基板34的批量焊接。

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 (10)

1.一种激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置，其特征在于，包括激光发射系统、控制系统、自动夹紧系统和焊接系统；

所述激光发射系统包括脉冲激光器(3)、激光束(4)、反射镜(5)、聚焦透镜(6)、聚焦透镜支架(8)、聚焦透镜位置调节装置(8)；所述激光控制器(2)分别与计算机(1)和脉冲激光器(3)通过电信号相连接，所述聚焦透镜(6)通过聚焦透镜支架(7)连接聚焦透镜位置调节装置(8)，聚焦透镜位置调节装置(8)安装在L型底座(33)侧板上；所述反射镜(5)位于聚焦透镜(6)的上方，所述脉冲激光器(3)发出激光束(4)经过反射镜(5)和聚焦透镜(6)聚焦在吸收层(39)上；

所述焊接系统包括约束层(12)、吸收层(40)、冲击板(13)、约束层支架(9)、约束层支架位置调节装置(10)、压块(15)、基板(34)、工作台(33)、三坐标移动平台(35)和L型底座(36)；所述约束层(12)吸收层(40)冲击板(13)通过约束层支架(9)与约束层支架位置调节装置(10)相连接，约束层支架位置调节装置(10)安装在三坐标移动平台(32)侧板上；所述三坐标移动平台(35)安装在L型底座(36)上；所述基板(34)通过压块(14)压紧在工作台槽(20)内；

所述自动夹紧系统包括工作台(34)、压块(14)、销(15)、滑柱(16)、斜楔(17)、隔板(18)、气缸(19)、工作台槽(20)、左下连杆(21)、连接螺栓(22)、推杆(23)、连接螺母(24)、右上连杆(25)、支撑板(26)、限位板(27)、右活塞(28)、旋转杆(30)、左活塞(31)、弹簧(32)、支撑杆(37)、左活塞(31)、斜楔面(43)和孔(44)；

所述工作台(34)为倒U形结构；工作平台(34)的竖直左右两杆上开设有孔(44)，且竖直左右两杆的内侧壁上均设置有支撑块(26)；两个所述支撑块(26)之间安装有限位板(27)；限位板(27)上通过销轴连接有旋转杆(30)；旋转杆(30)的两端均连接有上连杆(25)；上连杆(25)通过连接螺栓(22)与下连杆(21)的一端连接；且连接螺栓(22)穿过孔(44)；下连杆(21)的另一端与压块(14)的一端连接；压块(14)为L型结构；压块(14)的另一端与工作台槽(20)接触；且压块(14)通过销(15)与支撑杆(37)连接；支撑杆(37)设置在工作台(34)上；旋转杆(30)的一末端设置在左活塞(31)与右活塞(28)之间，其中，左活塞(31)的一侧设置有弹簧(32)，右活塞(28)连接在推杆(23)上，推杆(23)由气缸(19)带动；所述旋转杆(30)的另一末端与斜楔(17)接触；所述斜楔(17)设置在工作台(34)的下侧由隔板(18)支撑，且斜楔(17)的左侧面与第二弹簧连接；第二弹簧设置在工作台(34)的竖直杆与斜楔(17)之间；所述斜楔(17)的斜楔面(43)上设置有滑柱(16)的一端；滑柱(16)的另一端与工作台槽(20)的底部连接，所述工作台槽(20)开设在工作台(34)的水平面上。

2.根据权利要求1所述的激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置，其特征在于，所述控制系统包括计算机(1)、激光控制器(2)、三坐标移动气缸控制器(38)、位移控制器(39)、位传感器(11)；所述激光控制器(2)、三坐标移动控制器(38)、位移控制器(39)、分别于括计算机(1)相连接；所述位移控制器(39)与位置传感器(11)和约束层位置调节装置(10)相连接，位置传感器(11)安装在约束层支架(9)上；所述位置传感器(11)测量冲击板(13)与工作台(33)间距离并反馈给约束层位置调节装置(10)，计算机(1)通过约束层位置调节装置(10)调节冲击板(13)与基板(34)间距离，通过激光控制器(2)控制脉冲激光器(3)发射激光束(4)；通过三坐标移动气缸控制器(39)调节三坐标平台(26)的位置和气缸。

3.根据权利要求1所述的激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置，其特征在于，所述斜楔面(43)的角度为15°；所述滑柱(16)长度为18mm，且与工作台槽(20)为一体；所述斜楔(17)通过第二弹簧与工作台(33)相连接。

4.根据权利要求1所述的激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置，其特征在于，所述限位板(27)长35mm，宽18mm；所述支撑板(26)长22mm，宽24mm，左边的支撑板(26)离底部高度为20mm，右边的支撑板(26)离底部高度为12mm。

5.根据权利要求1所述的激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置，其特征在于，所述旋转杆(30)长度为70mm，且两头为凸轮状；在旋转杆(30)中心，通过销轴固定在限位板(27)上。

6.根据权利要求1所述的激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置，其特征在于，所述孔(44)直径为20mm。

7.根据权利要求2所述的激光冲击压力焊接自动夹紧取件装置，其特征在于，脉冲激光器(3)为短脉冲激光器，脉宽为8ns-10；激光能量为5J-20J，激光光斑直径为3mm-6mm。

8.一种激光冲击焊接自动装夹方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将冲击板(13)与基板(34)进行预处理；

S2：吸收层(40)镀在约束层(12)的下面，把步骤S1中预处理的冲击板(13)贴在吸收层(41)的下表面；通过三坐标移动气缸控制器(38)控制气缸(19)向右移动，气缸(19)带动推杆(23)推动右活塞(28)向右移动，弹簧(32)泄压推动左活塞(31)向右运动；因旋转杆(30)的一端与左活塞(31)接触，所以左活塞(31)推动旋转杆(30)绕销(15)逆时针转动，从而旋转杆(30)带动左下连杆(21)和右上连杆(25)向工作台(34)内运动，带动两边压块(14)转动松开；与此同时，旋转杆(30)转动导致斜楔(17)向左运动，压缩弹簧(32)，滑柱(16)向上运动，工作台槽(20)顶出；

S3：将基板(34)放在工作台槽(20)中心处或者取出焊接件；调节冲击板(13)和基板(34)之间的距离；

S4：通过三坐标移动气缸控制器(38)控制气缸(19)向左移动，通过推杆(23)推动右活塞(28)向左移动，同时左活塞(31)压缩弹簧(32)；由于旋转杆(30)与右活塞(28)接触，所以右活塞(28)推动旋转杆(30)绕销(15)顺时针转动，分别带动左下连杆(21)和右上连杆(25)向工作台(34)外运动，推动两边压块(14)转动压紧；与此同时，旋转杆(30)转动导致斜楔机构泄压，弹簧(32)推动斜楔(17)向有运动，滑柱(16)向下运动，工作台槽(20)复位；

S5：通过计算机(1)控制约束层位置调节装置(10)调节冲击板(13)与基板(34)之间的距离；通过三坐标气缸移动控制器(38)调节三坐标移动平台(35)的位置，使得脉冲激光器(3)输出的激光束(4)经过反射镜(5)和聚焦透镜(6)聚焦在吸收层(12)上；通过聚焦透镜位置调节装置(8)调节聚焦透镜(6)与吸收层(40)的距离，来调节光斑；

S6：计算机(1)精确控制的激光束(4)作用吸收层(12)，产生爆炸等离子体，等离子体驱动冲击板(13)高速运行，撞击基板(29)，实现焊接；

S7：重复S2、S3、S4、S5、S6、S7，可实现冲击板(13)与基板(23)的批量焊接。

9.根据权利要求8所述的一种激光冲击焊接自动装夹方法，其特征在于，所述冲击板(13)和基板(23)为同种或者异种金属材料。

10.根据权利要求8所述的一种激光冲击焊接自动装夹方法，其特征在于，所述冲击板(13)的厚度为20μm—40μm，基板(34)的厚度为50μm—100μm；所述约束层(12)为2mm-4mm厚的透明亚力克板，所述吸收层(40)为黑漆，厚度0.05mm-0.2mm。