CN109048032A - 一种激光冲击压力焊接自动装夹装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光冲击压力焊接自动装夹装置及其方法，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；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、冲击板、约束层支架、约束层支架位置调节装置、基板、斜楔、推杆、连杆机构、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，利用空气压力差，使活塞的上下部产生压力差，从而推动斜楔与连杆机构运动，实现工件的快速装夹，方便快捷，提高了工作效率。

Description

一种激光冲击压力焊接自动装夹装置及其方法

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装夹装置及其方法。

背景技术

近年来，随着微机电、医疗器械、电池等产业的迅速发展，与之相关的具有轻、薄、短、小特征的微型材料的焊接在微器件制造中的需求日益增加，且对焊接精度要求很高。激光高速冲击焊接与爆炸焊接和电磁脉冲焊接在基本的焊接原理上有一定的相似性，但是，无论是在加载方式上还是在应用尺度上激光高速冲击焊接又都与爆炸焊接和电磁脉冲焊接有极大的差别。激光冲击焊接一般用于尺寸相对较薄,一般在微米或者更薄的材料中,焊接区域直径一般几毫米,可以实现同种和异种材料之间的点焊,其优点在于焊接之后不存在热影响区。此外，当复板和基板的冲击速度和冲击角度均超过一定的阈值时，在碰撞点处将会产生金属射流，射流以极高的速度向外喷射，从而清除冲击板和基板表面的油膜和氧化层等杂质，形成清洁新鲜的表面。这有利于焊接的形成。

申请号为201410001861.1的中国专利提出了一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置，该发明将夹具位于真空室内、固定在真空室底面上,通过调节工作台角度，实现了激光冲击焊接的过程中冲击角度的连续可调,消除了大气压对高速冲击条件下超薄复板材料的阻力,有效地提高了焊接性能。但是焊接前需要人工装夹，焊接完成后需要人工拆取件，过程繁琐，不能实现自动化生产，效率低下。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，该发明通过加载激光，对两层箔材进行焊接和卡接，并通过驱模装置驱动活动上模左右移动，形成自锁。但该专利并未设计夹紧装置于工件取出装置，影响焊接效果和精度。

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装夹装置及其方法，本发明通过不同管道输入空气，推动活塞上下运动，从而引起斜楔机构运动，在推动连接机构运动，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装夹装置，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、活塞、三坐标移动平台、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活塞；

所述自动夹紧系统包括压块、支撑杆、连接长杆、连接块、连接短杆、支撑块、推杆、弹簧、活塞、右进气道、斜楔、滑柱、限位块、套筒、左进气道、底座、密封圈，销和气缸；

所述压块左右对称设置，所述压块中间位置通过销设置在支撑杆上，压块的一端通过销与连接长杆相连接，另一端将基板压紧；所述连接块为三角形，一边通过销与连接长杆相连接，一边通过销固定在支撑块上，一边通过销与压块相连接；所述斜楔通过推杆与连接短杆相连接，斜楔面与滑柱相接触，斜楔通过弹簧与套筒相连接；所述活塞上由密封圈，并与滑柱保持接触；所述套筒与底座下部开有小进气道、大进气道与气缸连接，且套筒两边有左进气道、右进气道；

所述小进气道与右进气道连通，大进气道与左进气通道连通；所述右进气道将气通入下气腔内，下气腔内的气体用来顶起活塞；

所述控制系统包括计算机、激光控制器、位移控制器、三坐标移动控制器、进气控制器、位传感器；所述激光控制器、位移控制器、三坐标移动控制器、进气控制器、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活塞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，通过三坐标移动控制器调节三坐标平台的位置；所述进气控制器通过控制气缸控制空气进入大进气孔与小进气孔。

进一步的，所述大进气道长300mm，宽4mm；小进气道长310mm，宽4mm；左进气道长158mm，宽4mm；右进气道长158mm，宽4mm。

进一步的，所述推杆长40mm，宽5mm；所述套筒两边开直径为5mm孔，与推杆配合。

进一步的，所述连接块做成长为24mm的正三角形，三个角分别与支撑块、连接短杆、连接长杆连接。

进一步的，所述活塞为阶梯状，高60mm，中间部分直径为170mm，高15mm，两边直径为140mm，活塞包括上面的上活塞高33mm；所述活塞底部开直径为120mm的圆槽，深22mm，且活塞上设置有密封圈。

进一步的，所述斜楔斜面角度为30°；所述斜楔通过弹簧与套筒连接；所述滑柱宽4mm。

进一步的，所述限位块直径为105mm，高25mm。

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，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。

S2：将吸收层镀在约束层的下面，将步骤S1中预处理的冲击板贴在吸收层的下表面；通过气缸控制器控制气缸，向大进气道输入空气，空气经过右进气道进入下气腔，推动活塞向上运动基板顶出，与此同时，弹簧泄压向内推动斜楔，通过推杆带动连接短杆向左运动，再通过连接块带动连接长杆向下运动，拉动压块松开；

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:通过气缸控制器控制气缸，向小进气道输入空气，空气经过左进气道进入上气腔，推动活塞向下运动基板向下运动复位，与此同时，活塞向下推动滑柱，由于斜楔机构特性，斜楔向外运动；通过推杆带动连接短杆向右运动，再通过连接块带动连接长杆向上运动，推动压块压紧；

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异种金属材料。

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。

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装夹装置及其方法，本发明通过不同管道输入空气，推动活塞上下运动，从而引起斜楔机构运动，在推动连接机构运动，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中涉及到的自动夹紧装置结构示意图；

图3是本发明图2中涉及到的自动夹紧装置右侧主体结构示意图；

图4是本发明图2中涉及到的自动夹紧装置左侧主体结构示意图；

图5是本发明中自动夹紧装置斜楔示意图；

图6是本发明中约束层、吸收层、冲击板组件结构示意图；

附图标记如下：

1-计算机；2-激光控制器；3-脉冲激光器；4-激光束；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-支撑杆；16-连接长杆；17连接块；18-连接短杆；19-支撑块；20-推杆；21-弹簧；22-活塞；23-右进气道；24-斜楔；25-滑柱；26-限位块；27-大进气道；28-小进气道；29-套筒；30-基板；31-左进气道；32-底座；33-密封圈；34-三坐标移动平台；35-L型底座；36-销；37-气缸；38-位移控制器、39-三坐标移动控制器、40-进气控制器；41-吸收层；42-斜楔面；43-孔；44-圆槽；45-上活塞；46-下气腔；47-上气腔

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。

结合附图1所示为本发明所述在一种激光冲击压力焊接自动装夹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。

结合附图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，聚焦透镜位置调节装置8安装在L型底座34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41上。

结合附图1、6所示，所述焊接系统包括约束层12-吸收层41-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30、活塞22、三坐标移动平台33、L型底座34；所述约束层12-吸收层41-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34侧板上；所述三坐标移动平台34安装在L型底座35上；所述基板30通过压块14压紧在活塞22。

结合附图2、3、4、5所示，所述自动夹紧系统包括压块14、支撑杆15、连接长杆16、连接块17、连接短杆18、支撑块19、推杆20、弹簧21、活塞22、右进气道23、斜楔24、滑柱25、限位块26、套筒29、左进气道31、底座32、密封圈33，销36，气缸37；所述压块15中间通过销36固定在支撑杆15上，一边通过销34与连接长杆16相连接，另一边将基板30压紧；所述连接块17为三角形，一边通过销36与连接长杆16相连接，一边通过销36固定在支撑块19上，一边通过销36与连接短杆18相连接；所述斜楔24一边通过推杆20与连接短杆18相连接，一边通过斜楔面42与滑柱25相接触，斜楔24通过弹簧21与套筒29相连接；所述活塞22上由密封圈32，并与滑柱25保持接触；所述套筒29与底座32下部开有小进气道28、大进气道27与气缸连接，且套筒29两边有左进气道31、右进气道23。

结合附图1所示，所述控制系统包括计算机1、激光控制器2、位移控制器38、三坐标移动控制器39、进气控制器40、位传感器11；所述激光控制器2、位移控制器38、三坐标移动控制器39、进气控制器40、分别于括计算机1相连接；所述位移控制器38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与工作台活塞22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30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，通过三坐标移动控制器39调节三坐标平台26的位置；所述进气控制器40通过控制气缸37控制空气进入大进气孔27与小进气孔28。

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30进行预处理，所述冲击板13的厚度为20μm—40μm，基板30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41为黑漆，厚度0.05mm-0.2mm。

S2：将吸收层41镀在约束层12的下面，将步骤S1中预处理的冲击板13贴在吸收层41的下表面；通过气缸控制器40控制气缸37，大进气道28输入空气，空气经过右进气道23进入下气腔46，推动活塞22向上运动基板30顶出，与此同时，弹簧21泄压向内推动斜楔24，通过推杆20带动连接短杆18向左运动，再通过连接块17带动连接长杆16向下运动，拉动压块14松开。

S3：将基板30放在工作台槽23中心处或者取出焊接件。调节冲击板13和基板30之间的距离。

S4:通过气缸控制器40控制气缸37，向小进气道27输入空气，空气经过左进气道31进入上气腔47，推动活塞向下运动基板30向下运动复位，与此同时，活塞22向下推动滑柱25，由于斜楔机构特性，斜楔向外运动；通过推杆20带动连接短杆18有右运动，再通过连接块17带动连接长杆16向上运动，推动压块14压紧。

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30之间的距离；通过三坐标移动控制器39调节三坐标移动平台34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12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41，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30，实现焊接。

S7：重复S2、S3、S4、S5、S6、S7，可实现冲击板13与基板30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装夹装置，其特征在于，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(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(34)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(41)上；

所述焊接系统包括约束层(12)、吸收层(41)、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(30)、活塞(22)、三坐标移动平台(33)、L型底座(34)；所述约束层(12)、吸收层(41)、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(34)侧板上；所述三坐标移动平台(34)安装在L型底座(35)上；所述基板(30)通过压块(14)压紧在活塞(22)；

所述夹紧系统包括压块(14)、支撑杆(15)、连接长杆(16)、连接块(17)、连接短杆(18)、支撑块(19)、推杆(20)、弹簧(21)、活塞(22)、右进气道(23)、斜楔(24)、滑柱(25)、限位块(26)、套筒(29)、左进气道(31)、底座(32)、密封圈(33)，销(36)和气缸(37)；所述压块(14)左右对称设置，所述压块(14)中间位置通过销(36)设置在支撑杆(15)上，压块(14)的一端通过销(36)与连接长杆(16)相连接，另一端将基板(30)压紧；所述连接块(17)为三角形，一边通过销与连接长杆(16)相连接，一边通过销固定在支撑块(19)上，一边通过销(36)与压块(14)相连接；所述斜楔(24)通过推杆(20)与连接短杆(18相连接，斜楔面(42)与滑柱(25)相接触，斜楔(24)通过弹簧(21)与套筒(29)相连接；所述活塞(22)上由密封圈(32)，并与滑柱(25)保持接触；所述套筒(29)与底座(32)下部开有小进气道(28)、大进气道(27)与气缸连接，且套筒(29)两边有左进气道(31)、右进气道(23)；

所述小进气道(28)与右进气道(23)连通，大进气道(27)与左进气通道(31)连通；所述右进气道(23)将气通入下气腔(46)内，下气腔(46)内的气体用来顶起活塞(22)；

所述控制系统包括计算机(1)、激光控制器(2)、位移控制器(38)、三坐标移动控制器(39)、进气控制器(40)、位传感器(11)；所述激光控制器(2)、位移控制器(38)、三坐标移动控制器(39)、进气控制器(40)、分别于括计算机(1)相连接；所述位移控制器(38)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)与工作台活塞(22)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(30)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)，通过三坐标移动控制器(39)调节三坐标平台(26)的位置；所述进气控制器(40)通过控制气缸(37)控制空气进入大进气孔(27)与小进气孔(28)。

2.根据权利要求1所述的基于一种激光冲击压力焊接自动装夹装置，其特征在于：所述大进气道(27)长300mm，宽4mm；小进气道(28)长310mm，宽4mm；左进气道(31)长158mm，宽4mm；右进气道(23)长158mm，宽4mm。

3.根据权利要求1所述的基于一种激光冲击焊接自动装夹装置，其特征在于：所述推杆(20)长40mm，宽5mm；所述套筒(29)两边开直径为5mm孔(43)，与推杆(20)配合。

4.根据权利要求1所述的基于一种激光冲击焊接自动装夹装置，其特征在于：所述连接块(17)做成长为24mm的正三角形，三个角分别与支撑块(19)、连接短杆(18)、连接长杆(16)连接。

5.根据权利要求1所述的基于一种激光冲击压力焊接自动装夹装置，其特征在于：所述活塞(22)为阶梯状，高60mm，中间部分直径为170mm，高15mm，两边直径为140mm，活塞(22)包括上面的上活塞(45)高33mm；所述活塞(22)底部开直径为120mm的圆槽(44)，深22mm，且活塞(22)上设置有密封圈(33)。

6.根据权利要求1所述的基于一种激光冲击焊接自动装夹装置，其特征在于：所述斜楔(24)斜面角度为30°；所述斜楔(24)通过弹簧(21)与套筒(29)连接；所述滑柱(25)宽4mm。

7.根据权利要求1所述的基于一种激光冲击焊接自动装夹装置，其特征在于：

所述限位块(26)直径为105mm，高25mm。

8.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(30)进行预处理，所述冲击板(13)的厚度为20μm—40μm，基板(30)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(41)为黑漆，厚度0.05mm-0.2mm；

S2：将吸收层(41)镀在约束层(12)的下面，将步骤S1中预处理的冲击板(13)贴在吸收层(41)的下表面；通过气缸控制器(40)控制气缸(37)，向大进气道(28)输入空气，空气经过右进气道(23)进入下气腔(46)，推动活塞(22)向上运动基板(30)顶出，与此同时，弹簧(21)泄压向内推动斜楔(24)，通过推杆(20)带动连接短杆(18)向左运动，再通过连接块(17)带动连接长杆(16)向下运动，拉动压块(14)松开；

S3：将基板(30)放在工作台槽(23)中心处或者取出焊接件；调节冲击板(13)和基板(30)之间的距离；

S4:通过气缸控制器(40)控制气缸(37)，向小进气道(27)输入空气，空气经过左进气道(31)进入上气腔(47)，推动活塞(22)向下运动基板(30)向下运动复位，与此同时，活塞(22)向下推动滑柱(25)，由于斜楔机构特性，斜楔向外运动；通过推杆(20)带动连接短杆(18)向右运动，再通过连接块(17)带动连接长杆(16)向上运动，推动压块(14)压紧；

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(30)之间的距离；通过三坐标移动控制器(39)调节三坐标移动平台(34)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(12)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(41)，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(30)，实现焊接；

S7：重复S2、S3、S4、S5、S6、S7，可实现冲击板(13)与基板(30)的批量焊接。

9.根据权利要求8所述的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(30)为同种或异种金属材料。

10.根据权利要求8所述的基于一种激光冲击焊接自动装夹方法，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。