CN109158494B - 一种提高激光冲击铆接成形连接强度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高激光冲击铆接成形连接强度的方法及装置。主要步骤如下：首先把树脂混合物和固化剂按一定的比例混合，形成的糊状混合物作为充填料。之后中央控制器控制激光器发射激光光束，通过导光臂和聚焦头传导到工作台，激发吸收层材料为等离子体冲击波，冲击上层板材，在下凹模的约束下，与开孔的下层板形成空心铆接结构；中央控制器调节蠕动泵挤压充填料，使之通过喷料嘴注入到空心铆扣结构之中，等到充填料凝固以后，空心铆扣就变为实心铆扣，在铆扣结构受到法向力和剪切力作用的时候，固化的充填料可以对铆扣结构起到支撑的作用，从而大大提高铆接连接强度。

Description

一种提高激光冲击铆接成形连接强度的方法及装置

技术领域

本发明涉及先进制造技术领域，具体涉及一种板材尤其是超薄板材在脉冲激光冲击铆接成形时提高材料连接强度的方法。

背景技术

随着科技的不断进步，越来越多的精密仪器都需要运用到超薄板材，因此对于超薄板材先进连接技术的需求也越来越高，其中板材的无铆钉铆接就是一种非常高效的连接工艺。例如，申请号为200810014018.1的中国专利文献提出了一种超薄板材脉冲激光微铆接方法及其专用装置，该方法采用脉冲激光束作为柔性凸模，将板材冲击成口小底大的铆扣结构，从而将两层或多层板材铆接在一起。该方法虽然方便高效，但是形成的铆扣是由超薄板材的胀形变形而成的，铆扣的内部是空心结构，连接强度较低。铆接件的各板材在受到法向的剥离力时，铆扣区域极易产生变形，口部和底部的尺寸差逐步减小，机械互锁量减少，并逐渐变形成筒状结构，从而导致铆扣结构消失，板材脱离。在受到剪切作用力时，由于空心结构的铆扣内部缺乏支撑，从而使铆扣侧面产生向内的凹陷变形，并最终导致各板材发生相互脱离。为了提高激光冲击铆接成形时材料的连接强度，申请号为201510119083.0中国专利文献又提出了一种超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置，使各板材在机械连接的同时进行冶金连接，从而提高了连接强度。但该方法对激光器的功率要求高，并要求板材接触表面洁净，即使如此，有些材料间的冶金结合仍然非常难以实现。因此，发明一种提高板材激光冲击铆接成形连接强度的新方法，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种板材尤其是超薄板材在脉冲激光冲击铆接成形时提高材料连接强度的方法。该方法把树脂混合物和固化剂按一定的比例混合，形成的糊状混合物作为充填料，通过喷料嘴注入到激光冲击形成的空心铆扣之中，等到充填料凝固以后，空心铆扣就变为实心铆扣，在铆扣结构受到法向力和剪切力作用的时候，固化的充填料可以对铆扣结构起到支撑作用，从而大大提高铆接连接强度。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高激光冲击铆接成形连接强度的方法,其特征在于，利用激光冲击上层板，使上层板与开设有通孔的下层板形成空心铆接结构，然后再向空心铆接结构(即空心铆扣)内填充充填料，待充填料固化，得到加固的铆接件。

进一步的，所述的充填料包括树脂、填料按一定的比例均匀混合得到树脂混合物和固化剂。

在提供上述方法的同时，本发明还提供了一种用于实现上述铆接方法的装置，包括导光机构、充填料供应机构、成形模具；

所述的成形模具用于辅助激光冲击成形，其包括一个工作台，在所述的工作台上从下到上依次设有下凹模、吸收层、约束层、压紧装置；

所述的导光机构包括一个激光器，所述的激光器发射激光束通过导光臂和聚焦头传导到工作台激发吸收层材料为爆炸等离子体；

所述的充填料供应机构用于将充填料送入到空心铆扣的空腔中；

所述的导光机构和充填料供应机构均有一个中央控制器控制其运动。

进一步的，所述的充填料供应机构包括树脂混合物储料箱和固化剂储料箱，所述的树脂混合物储料箱和固化剂储料箱与一个蠕动泵相连，所述的蠕动泵通过输料管与一个喷料嘴相连。

进一步的，所述的导光机构包括脉冲激光器、导光臂和聚焦头；所述的脉冲激光器与导光臂相连，所述的导光臂与聚焦头相连。

进一步的，所述的脉冲激光器和蠕动泵与中央控制器相连。

进一步的，所述的聚焦头和喷料嘴安装在一个机械手臂上，通过机械手臂控制聚焦头和喷料嘴的位置和方向，输料管和导光臂固定在关节机械手臂上，可以跟随关节机械手臂协同运动。

进一步的，所述脉冲激光束根据具体需要可以调节多种工艺参数，例如激光能量、脉冲频率、脉冲次数等等，激光束通过导光臂传递到聚焦头。

进一步的，在所述的下凹模和吸收层之间设置上层板和下层板，上层板放置在下层板的上方，在所述的下层板上开孔。

进一步的，当上层板是多层板时，下层板也可采用对分式通孔结构。

进一步的，中央控制器集中控制激光器系统、喷料系统、关节机械手臂，使各部分之间紧密协作，完成整个工艺。

进一步的，所述的约束层采用高透光率材料，约束层下面涂有吸能材料形成吸收层。

进一步的，所述的下层板的通孔应打磨棱角。

基于上述装置，实现上层板和下层板连接的方法，包括以下步骤：

步骤1先将树脂、填料按一定的比例均匀混合，得到树脂混合物，注入到树脂混合物储料箱中，然后将固化剂注入到固化剂储料箱中；

步骤2按从下到上的顺序，依次排列好下凹模、下层板、上层板、吸收层、约束层，将装置固定到工作台上，并将下层板中孔的中心位置和聚焦头对齐；

步骤3中央控制器控制激光器发射激光束，通过导光臂和聚焦头传导到工作台，激发吸收层材料为爆炸等离子体冲击波，冲击上层板，在下凹模的约束下，与开孔的下层板形成空心铆接结构；

步骤4移走约束层，中央控制器调节蠕动泵，将树脂混合物和固化剂按比例混合，形成充填料，并通过输料管、喷料嘴，推送到空心铆扣的空腔中；

步骤5充填料固化，得到加固的铆接件。

本发明的有益效果是：

1、提高连接强度

现有的激光冲击铆接工艺中，铆扣结构是由箔材胀形形成的，所以铆扣内部是空心的，在受到力的作用时，铆扣结构会发生变形，最终脱落，这种铆扣结构连接强度不会很高。本发明中，在激光冲击完成后，通过向铆扣结构的空腔中灌注充填料，在充填料凝固以后，使空心铆扣变为实心铆扣。此时，铆扣结构受到力的作用时，将受到内部充填料的支撑作用，不易发生变形，大大提高了铆接强度。

2、工艺灵活，节约成本

传统方式铆接时，不同的铆扣结构需要相应的工艺设备和模具来实现，这样设备结构复杂，造价高。本发明中，整个成形装置非常简便，通过控制激光器的激光束相关工艺参数，例如光斑直径尺寸、脉冲能量、脉冲次数等，可以完成各种工艺参数材料的铆接连接，工艺十分灵活，效率高，节约了生产成本。

3、简化工艺，提高效率

本发明中，通过机械手臂，将储料系统和脉冲激光器系统连接在一起，再由中央控制器集中控制各个系统。这样就可以把各个部分的功能优势集中体现出来，相互协作，共同完成一个目标。先通过激光束冲击板材，完成铆接步骤之后，紧接着进行加固步骤，这样使得整个工艺流程比较紧凑，并且在同一工位完成，有利于提高生产效率。

4、节能环保。

在整个过程中，无论是铆接步骤，还是加固步骤，没有产生废料，属于绿色加工，符合当前时代的要求。

5、属于无铆钉连接，能够保证材料的完整性及密封性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的结构示意图。

图2是进行激光冲击铆接成形时的剖面示意图。

图3是对铆扣结构进行加固处理时的剖面示意图。

图4是最终获得的铆扣结构剖面示意图。

其中：1工作台、2下凹模、3下层板、4上层板，5吸收层、6约束层、7压紧装置、8喷料嘴、9聚焦头、10关节机械手臂、11输料管、12蠕动泵、13树脂混合物储料箱、14固化剂储料箱、15中央控制器、16脉冲激光器、17导光臂。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的所述的“对分式通孔结构”是指下层板包括两块，每块上设置一个半圆孔，两块板合在一起形成一个通孔。

正如背景技术所介绍的，在申请号为200810014018.1的中国专利文献提出了一种超薄板材脉冲激光微铆接方法及其专用装置，该方法采用脉冲激光束作为柔性凸模，将板材冲击成口小底大的铆扣结构，从而将两层或多层板材铆接在一起。该方法虽然方便高效，但是形成的铆扣是由超薄板材的胀形变形而成的，铆扣的内部是空心结构，连接强度较低。铆接件的各板材在受到法向的剥离力时，铆扣区域极易产生变形，口部和底部的尺寸差逐步减小，机械互锁量减少，并逐渐变形成筒状结构，从而导致铆扣结构消失，板材脱离。在受到剪切作用力时，由于空心结构的铆扣内部缺乏支撑，从而使铆扣侧面产生向内的凹陷变形，并最终导致各板材发生相互脱离。为了提高激光冲击铆接成形时材料的连接强度，申请号为201510119083.0中国专利文献又提出了一种超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置，使各板材在机械连接的同时进行冶金连接，从而提高了连接强度。但该方法对激光器的功率要求高，并要求板材接触表面洁净，即使如此，有些材料间的冶金结合仍然非常难以实现。因此，发明一种提高板材激光冲击铆接成形连接强度的新方法，具有非常重要的意义。

本申请的一种典型的实施方式中，一种提高激光冲击铆接成形连接强度的方法,利用激光冲击上层板，使上层板与开设有通孔的下层板形成空心铆接结构，然后再向空心铆接结构内填充充填料，待充填料固化，得到加固的铆接件。具体的，首先把树脂混合物和固化剂按一定的比例混合，形成的糊状混合物作为充填料。之后中央控制器控制激光器发射激光光束，通过导光臂和聚焦头传导到工作台，激发吸收层材料为等离子体冲击波，冲击上层板材，在下凹模的约束下，与开孔的下层板形成空心铆接结构；中央控制器调节蠕动泵挤压充填料，使之通过喷料嘴注入到空心铆扣结构之中，等到充填料凝固以后，空心铆扣就变为实心铆扣，在铆扣结构受到法向力和剪切力作用的时候，固化的充填料可以对铆扣结构起到支撑的作用，从而大大提高铆接连接强度。

实现上述方法的装置如图1、图2和图3所示，图1是本发明的结构示意图，包括导光机构、充填料供应机构、成形模具；

成形模具用于辅助激光冲击成形，其包括一个工作台1，在所述的工作台1上从下到上依次设有下凹模2、吸收层5、约束层6、压紧装置7；成形模具用于辅助激光冲击成形，其中约束层采用高透光率材料，如K9玻璃、蒸馏水，下层板的通孔应打磨棱角，约束层下面涂有吸能材料，如黑漆、铝镀层等，作为吸收激光能量的吸收层。

所述的导光机构包括一个脉冲激光器6、导光臂17、聚焦头9；所述的脉冲激光器6发射激光束通过导光臂17和聚焦头9传导到工作台激发吸收层材料为等离子体冲击波；

所述的充填料供应机构用于将充填料送入到空心铆扣的空腔中；包括树脂混合物储料箱13和固化剂储料箱14，所述的树脂混合物储料箱和固化剂储料箱与一个蠕动泵12相连，所述的蠕动泵12通过输料管11与喷料嘴8相连。

导光机构和充填料供应机构均有一个中央控制器15控制其运动。

树脂混合物与固化剂凝固收缩率要低，否则会导致空腔充填不密实，不利于对空心铆扣结构的支撑作用。充填物的固化速度要适中，否则会影响加工效率。

其中：一种优选的充填料配方(单位：质量份)

树脂混合物配方：双酚A环氧树脂20～80，液体端羧基丁腈橡胶(CTBN)20，多官能团脂环类环氧树脂20～80，填料石英砂50～200；

固化剂配方：改性芳胺固化剂100～200，叔胺催化剂1～5。

树脂混合物和固化剂按配方分别投入到混料机中高速搅拌混合均匀，并分别加入到树脂混合物储料箱、固化剂储料箱中。充填料用量按照树脂混合物：固化剂＝(1～3):1配比，通过蠕动泵混合均匀施加使用。

另一种充填料配方(单位：质量份)

树脂混合物配方：环氧树脂(E-51)100，氧化铝(200目)50～100，线型聚脲树脂20；

固化剂配方：邻苯二甲酸酐40～100。

树脂混合物按配方投入到混料机中高速搅拌混合均匀，并与固化剂分别加入到树脂混合物储料箱、固化剂储料箱中。充填料用量按照树脂混合物：固化剂＝(1～3):1配比，通过蠕动泵混合均匀施加使用。

另一种充填料配方(单位：质量份)

树脂混合物配方：环氧树脂(E-51)100，三氯甲烷200，聚砜80，石英砂300～400；

按照配方，将聚砜溶于三氯甲烷中，随后加入环氧树脂、石英砂，混合搅拌，最终形成树脂混合物。

固化剂配方：二甲基甲酰胺50～80，双氰胺10～20。

将树脂混合物与固化剂分别按配方加入到树脂混合物储料箱、固化剂储料箱中。充填料用量按树脂混合物：固化剂＝(1～3):1配比，通过蠕动泵混合均匀施加使用。

脉冲激光束根据具体需要可以调节多种工艺参数，例如激光能量、脉冲频率、脉冲次数等等，激光束通过导光臂传递到聚焦头。

导光臂17可以采用镜片形成光路，也可使用高透光率光导纤维，以减少激光传播过程中的能量损失。

关节机械手臂由中央控制器来控制，可以进行多自由度的运动，可以控制激光器聚焦头和喷料嘴的运动轨迹与方向。输料管和导光臂固定在关节机械手臂上，可以跟随机械手臂协同运动。

当上层板为多层板时，下层板可采用对分式结构，当多层的上层板铆接在一起时，可以把对分式的下层板移走。

利用上述装置对上层板和下层板进行铆接成形的方法如下：

1.将工装夹具系统按图1所示的结构组装完成，将工装放置于工作台上方，工作台1和聚焦头9的相对位置由中央控制器15来控制。

2.将树脂混合物与固化剂分别注入树脂混合物储料箱13、固化剂储料箱14中。

3.中央控制器15控制脉冲激光器16发出的激光的脉冲能量、脉冲频率等相关参数，激光束经由导光臂17传递至远端的聚焦头9上，导光臂固定在关节机械手臂10上。

4.激光激发吸收层5产生等离子体冲击波，将上层板4胀形，最终形成空心铆扣结构，将下层板3与上层板4铆接在一起。

5.移走约束层6。启动蠕动泵12，将树脂混合物储料箱13、固化剂储料箱14中充填料混合并挤出，通过输料管11、喷料嘴8，充填到空心铆扣当中，成形后的结构如图4所示。

关节机械手臂10由中央控制器15来控制，可以进行多自由度的运动，可以控制激光器聚焦头9和喷料嘴8的运动轨迹与方向。在空心铆扣被充填料充填至铆扣结构的2/3高度后，蠕动泵即可停止工作。取下铆扣结构，等待充填料的自然凝固。之后便可以循环进行以上步骤。凝固后的充填料在铆扣结构受到力的作用时，对铆扣起到支撑作用，使铆扣不易变形，提高了空心铆扣结构的连接强度。

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)

1.一种提高激光冲击铆接成形连接强度的方法,其特征在于，利用激光冲击上层板，使上层板与开设有通孔的下层板形成空心铆接结构，然后再向空心铆接结构内填充充填料，待充填料固化，得到加固的铆接件；所述的充填料包括树脂、填料按一定的比例均匀混合得到树脂混合物和固化剂。

2.一种用于实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于，包括导光机构、充填料供应机构、成形模具；

所述的成形模具用于辅助激光冲击成形，其包括一个工作台，在所述的工作台上从下到上依次设有下凹模、吸收层、约束层、压紧装置；

所述的导光机构包括一个激光器、导光臂和聚焦头，所述的激光器发射激光束通过导光臂和聚焦头传导到工作台激发吸收层材料为等离子体冲击波；

所述的充填料供应机构用于将充填料送入到空心铆扣的空腔中；

所述的导光机构和充填料供应机构均有一个中央控制器控制其运动。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的充填料供应机构包括树脂混合物储料箱和固化剂储料箱，所述的树脂混合物储料箱和固化剂储料箱与一个蠕动泵相连，所述的蠕动泵通过输料管与一个喷料嘴相连。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述导光机构的激光器为脉冲激光器；所述的脉冲激光器与导光臂相连，所述的导光臂与聚焦头相连。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的脉冲激光器和蠕动泵与中央控制器相连。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的聚焦头和喷料嘴安装在一个机械手臂上，通过机械手臂控制聚焦头和喷料嘴的位置和方向，输料管和导光臂固定在关节机械手臂上，跟随关节机械手臂协同运动。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的约束层采用高透光率材料，约束层下面涂有吸能材料形成吸收层。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，在所述的下凹模和吸收层之间设置上层板和下层板，上层板放置在下层板的上方，在所述的下层板上开设有通孔；所述的下层板的通孔打磨棱角；

进一步的，当上层板是多层板时，下层板采用对分式通孔结构。

9.基于权利要求2-8任一所述的装置实现上层板和下层板铆接的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1先将树脂、填料按一定的比例均匀混合，得到树脂混合物，注入到树脂混合物储料箱中，然后将固化剂注入到固化剂储料箱中；

步骤2按从下到上的顺序，依次排列好下凹模、下层板、上层板、吸收层、约束层，将装置固定到工作台上，并将下层板中孔的中心位置和聚焦头对齐；

步骤3中央控制器控制激光器发射激光束，通过导光臂和聚焦头传导到工作台，激发吸收层材料为等离子体冲击波，冲击上层板，在下凹模的约束下，与开孔的下层板形成空心铆接结构；

步骤4移走约束层，中央控制器调节蠕动泵，将树脂混合物和固化剂按比例混合，形成充填料，并通过输料管、喷料嘴，推送到空心铆扣的空腔中；

步骤5充填料固化，得到加固的铆接件。

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