CN110834148A - 一种激光对冲薄壁管材铆接装置及连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及管材铆接技术领域，尤其涉及一种激光对冲薄壁管材铆接装置及连接方法。包括：等离子体诱导器，脉冲激光器和电脑终端，其中，所述等离子体诱导器为圆柱形结构，从其中心向外依次为圆柱形支撑体、粘结剂层、能量吸收层和约束层，所述粘结剂层设置在支撑体的两个端面上，粘结剂层上设置有凹槽形成的通道；所述能量吸收层设置在所述通道中，但能量吸收层的厚度小于凹槽深度，使凹槽不被能量吸收层填满；约束层设置在粘结剂层上，且约束层不会将凹槽填满；所述脉冲激光器用于冲击能量吸收层，所述电脑终端用于调控脉冲激光器。这种方法使管材连接处牢固的铆扣结构，从而形成三维约束，使连接处可传递轴向力、周向力，并具有良好的抗弯强度。

Description

一种激光对冲薄壁管材铆接装置及连接方法

技术领域

本发明涉及管材铆接技术领域，尤其涉及一种激光对冲薄壁管材铆接装置及连接方法。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

薄壁管材等薄壁空心结构之间的连接，在现实生活中有着广泛的应用，并且已经成为实现多材料混合结构汽车轻量化的重要方法之一。最常见的管材连接方式有胶接式、卡套式、薄管扩口式、焊接式等，对于用来传输扭矩等载荷的管材连接件，还需要加工上花键等结构特征。

现有技术的缺陷是显而易见的，采用黏结剂的粘接，随着时间的推移很容易老化，从而影响结构的可靠性；承插密配的管材，端口结构复杂，加工工序繁琐；焊接管材通常具有高的可靠性，但对于轻量化结构中最常见的多材料混合结构，由于异质材料熔点和热胀系数的差异，很难实现较好焊合。申请号为201110153574.9的中国专利文献公开了一种基于激光冲击波技术的金属管连接方法和装置，但是该方法形成的连接件并不能传递周向力和扭矩。因此，研究开发能够传递各种载荷的管材连接新技术是技术人员需要解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种激光对冲薄壁管材铆接装置及连接方法，该方法使管材连接处形成牢固的铆扣结构，从而形成三维约束，使连接处可传递轴向力、周向力，并具有良好的抗弯强度。

本发明的第一目的，是提供一种激光对冲薄壁管材铆接装置。

本发明的第二目的，是提供一种激光对冲薄壁管材铆接方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：

首先，本发明公开一种激光对冲薄壁管材铆接装置，包括：等离子体诱导器，脉冲激光器和电脑终端，其中，所述等离子体诱导器为圆柱形结构，从其中心向外依次为圆柱形支撑体、粘结剂层、能量吸收层和约束层，所述粘结剂层设置在支撑体的两个端面上，且粘结剂层上设置有一条凹槽形成的通道，或者多条凹槽交叉形成的通道，该通道中每条凹槽均有一端延伸并指向待连接管材的内壁。所述能量吸收层设置在所述通道中，但能量吸收层的厚度小于凹槽深度，以使凹槽不被能量吸收层填满；透明的约束层设置在粘结剂层上，且约束层不会将凹槽填满，以便于由粘结剂层、能量吸收层和约束层共同形成引导等离子体冲击波传播的通道。所述脉冲激光器用于冲击能量吸收层，所述电脑终端用于调控脉冲激光器。

进一步地，所述粘结剂层上设置有两条凹槽交叉形成的“十字形”通道，且所述“十字形”通道中的凹槽沿着支撑体的径向分布。

进一步地，所述等离子体诱导器上对称地设置有两组通道，每组通道均对应一个脉冲激光器，以便于同时从管材的两个端口中进行激光冲击。

进一步地，用一台激光器和一个分束装置代替两个脉冲激光器，用分束装置把激光器发出的光束分为两束，并进行对向冲击。

进一步地，所述能量吸收层包括黑漆、石墨或石蜡，在受到激光照射时电离气化形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量转变为使工件发生形变的等离子体爆轰波。能量吸收层的厚度取决于激光种类、板材厚度、加工能量，预计变形尺寸。

进一步地，所述约束层为玻璃，其目的是限制等离子体的发散，使其产生朝向工件的冲击波。约束层对所采用的激光透明，厚度取决于激光种类、板材厚度、加工能量，预计变形尺寸。

进一步地，所述粘结剂包括环氧树脂、丙烯酸酯等中的任意一种，其主要作用一是将支撑体与约束层相对固定，从而更好地限制等离子体的发散，二是粘结剂层上的凹槽成为爆炸等离子体的发散通道，从而使所产生的冲击力沿规定的路径朝向管材内壁，并在期望的位置产生铆扣。

其次，本发明公开一种采用上述的激光对冲薄壁管材铆接装置进行管材铆接的方法，包括如下步骤：

(1)首先将等离子体诱导器放置在第一管材端口中，并使等离子体诱导器中的能量吸收层朝向管材端口；然后将第一管材的上述端口套进第二管材的端口中；

(2)利用脉冲激光器生成的脉冲激光冲击所述能量吸收层，生成高温高压等离子体；在等离子体诱导器中通道的诱导、约束作用下，等离子体的冲击力作用在管材内壁上，将管材冲击出凸起并形成铆扣结构，两段不同口径管材的连接完成。最终得到的管材连接处靠铆扣约束两段管材的轴向、周向运动，并可传递扭矩、弯矩、拉力或压力。

进一步地，步骤(1)中，所述等离子体诱导器和第一管材之间过盈配合，管材连接结束后如有需要可强力取出。

进一步地，步骤(1)中，所述脉冲激光器的工艺参数可根据管材的厚度等进行确定，本发明不进行特殊限定。

进一步地，步骤(1)中，等离子体诱导器中的通道为两条凹槽交叉形成的“十字形”通道，最终形成的是均匀分布于管材连接处呈环绕状分布的四个槽型铆扣，激光对冲后，共形成八个这种铆扣，可以更加均衡地约束管材周向、轴向的相对运动并传递扭矩。

与现有技术相比，本发明至少具有以下几方面的有益效果：

(1)本发明实现的是三维立体加固连接：利用脉冲激光诱导产生爆炸等离子体，并在诱导器的作用下将爆炸等离子体冲击波引导至不同方向，经冲击形成两组环形阵列铆扣，达到连接管材的目的。铆扣在连接处产生周向、轴向约束，可传递扭矩、弯矩。

(2)本发明能够实现无连接件的本体材料连接：基本原理是通过大口径管材与小口径管材本体材料的同步变形进行连接，不需要铆钉等外部材料，因而铆接部位密封性好，不易发生电化学腐蚀，并且管材端口不需要进行特殊加工。等离子体诱导器在激光冲击完成后可视工艺需求进行取出或不取出。

(3)本发明实现了冷成形连接：脉冲激光作用到等离子体诱导器时，涂抹在诱导器复合层上的能量吸收层吸收激光能量瞬间变为等离子体，并进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸产生的冲击力使管材连接处发生变形，只有极小部分激光能量会转化为热，因此不会因受热而引起晶粒粗大等现象。

(4)本发明成形方式和所需要的工装夹具简单：激光冲击时所产生的冲击波沿管材的径向从内向外作用于管壁上，所有向外的径向冲击力相互平衡，激光对冲产生的轴向力也能相互平衡，从而使管材不产生宏观外力。因此，加工过程中不需要特殊的工装夹具。另外，可以根据不同管材的尺寸，用空心钻等方法，方便地批量制造等离子体诱导器。因此，该方法工艺及设备简单，适应大批量生产的要求。

附图说明

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

图1为本发明实施例中激光对冲薄壁管材铆接装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中等离子体诱导器轴截面示意图。

图3为本发明实施例中等离子体诱导器的复合层横截面示意图。

图4为两段管材连接完成后的轴截面示意图。

图5为两段管材连接完成后的横截面示意图。

上述附图中标记分别代表：1-等离子体诱导器，2-脉冲激光器，3-电脑终端，4-圆柱形支撑体，5-粘结剂层，6-能量吸收层，7-约束层，8-通道，9-第一管材，10-第二管材，11-铆扣结构；其中，粘结剂层和能量吸收层共同形成复合层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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需要具有特定的方位，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：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

针对目前薄壁管材连接的问题，本发明提出一种激光对冲薄壁管材铆接装置及连接方法；现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

第一实施例，参考图1和2，示例一种本发明设计的激光对冲薄壁管材铆接装置，包括：等离子体诱导器1，脉冲激光器2和电脑终端3，其中：

所述等离子体诱导器1为圆柱形结构，从其中心向外依次为圆柱形支撑体4、粘结剂层5、能量吸收层6和约束层7；所述支撑体4材质为304不锈钢，粘结剂层5材质为丙烯酸酯，能量吸收层6材质为黑漆，约束层7材质为K9玻璃。所述粘结剂层5设置在支撑体4的两个端面上，且粘结剂层上设置有一条凹槽形成的通道8，该通道中凹槽的两端均延伸并指向待连接管材的内壁。所述能量吸收层6设置在所述通道中，但能量吸收层的厚度小于凹槽深度，以使凹槽不被能量吸收层填满；透明的约束层7设置在粘结剂层5上，且约束层7不会将凹槽填满，以便于由粘结剂层5、能量吸收层6和约束层7共同形成引导等离子体冲击波传播的通道。所述脉冲激光器2用于冲击能量吸收层6，所述电脑终端3用于调控脉冲激光器2。

可以理解的是，在所述第一实施例的基础上，还可衍生出包括但不限于以下的技术方案，以解决不同的技术问题，实现不同的发明目的，具体示例如下：

第二实施例，参考图3，所述粘结剂层5上设置有两条凹槽交叉形成的“十字形”通道，且所述“十字形”通道中的凹槽沿着支撑体的径向分布。从而经两个激光器对冲铆接完成后，在管材的周向上形成两组且每组四个铆扣结构，增加管材连接的牢固性。

第三实施例，继续参考第二实施例，用一台激光器和一个分束装置代替其采用的两个脉冲激光器，用分束装置把激光器发出的光束分为两束，并进行对向冲击。所述能量吸收层为石蜡，石墨在受到激光照射时电离气化形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量转变为使工件发生形变的等离子体爆轰波。

第四实施例，一种薄壁管材铆接工艺，参考图4和5，采用第二实施例所述的装置实现，包括如下步骤：

(a)用厚度为1mm的304不锈钢钢板作为支撑体材料，厚度为2mm的K9玻璃作为约束层材料，用环氧树脂在支撑体端面涂覆厚度为0.1mm的粘结剂层，在粘结剂层上按图3所示设置两条凹槽交叉形成的“十字形”通道，凹槽宽度1.5mm。在凹槽内充填石蜡作为能量吸收层，约束层厚度0.05mm。粘结剂层和能量吸收层共同形成复合层。按照“约束层-复合层-支撑体-复合层-约束层”的顺序叠放在一起并粘牢，且粘结剂层5、能量吸收层6和约束层7共同形成引导等离子体冲击波传播的通道。最后用空心钻通孔，钻出直径为6mm的等离子体诱导器1(需要时，可采用这种方法进行批量化制造等离子体诱导器1)，等离体诱导器的直径公差取正公差。

(b)将预先制造的等离子体诱导器1塞入小口径管材(内径为6mm，壁厚为0.1mm的第一管材9)的一端，二者之间通过尺寸配合暂时固定，再将此段小口径管材5套接入大口径管材(内径为6.2mm，壁厚为0.1mm的第二管材10)的一端。

(c)通过电脑终端3控制脉冲激光器2，使其发射脉冲激光，激光能量为700mJ，两束激光经过管材的内腔照射在等离子体诱导器1的端面上，激光束穿过诱导器上透明的约束层7后作用在能量吸收层6上，能量吸收层吸收激光能量从而产生高温高压等离子体。等离子体冲击波经由约束层、支撑体、粘结剂构成的通道8引导，作用在第一管材9的内壁上对管材进行冲击，如图4所示。

(d)等离子体冲击波使管材连接处发生变形，激光冲击结束后，共产生八个凸起铆扣11。八个铆扣呈两组环形阵列分布在管壁上，每组四个。两组铆扣在轴向、周向上约束管材的运动，并使得管材连接处可以传递扭矩，具有一定的抗弯强度。

(e)不同口径管材的激光对冲连接成形完成，可视需要选择是否取出留在第一管材9内的等离子体诱导器1。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光对冲薄壁管材铆接装置，其特征在于，包括：等离子体诱导器，脉冲激光器和电脑终端，其中，所述等离子体诱导器为圆柱形结构，从其中心向外依次为圆柱形支撑体、粘结剂层、能量吸收层和约束层；

所述粘结剂层设置在支撑体的两个端面上，且粘结剂层上设置有一条凹槽形成的通道，或者多条凹槽交叉形成的通道，该通道中每条凹槽均有一端延伸并指向待连接管材的内壁；

所述能量吸收层设置在所述通道中，但能量吸收层的厚度小于凹槽深度，以使凹槽不被能量吸收层填满；透明的约束层设置在粘结剂层上，且约束层不会将凹槽填满，以由粘结剂层、能量吸收层和约束层共同形成引导等离子体冲击波传播的通道；

所述脉冲激光器用于冲击能量吸收层，所述电脑终端用于调控脉冲激光器。

2.如权利要求1所述的激光对冲薄壁管材铆接装置，其特征在于，所述粘结剂层上设置有两条凹槽交叉形成的“十字形”通道，且所述“十字形”通道中的凹槽沿着支撑体的径向分布。

3.如权利要求1所述的激光对冲薄壁管材铆接装置，其特征在于，所述等离子体诱导器上对称地设置有两组通道，每组通道均对应一个脉冲激光器。

4.如权利要求3所述的激光对冲薄壁管材铆接装置，其特征在于，用一台激光器和一个分束装置代替两个脉冲激光器，分束装置用于把激光器发出的光束分为两束。

5.如权利要求1-4任一项所述的激光对冲薄壁管材铆接装置，其特征在于，所述能量吸收层包括石蜡、黑漆或石墨。

6.如权利要求1-4任一项所述的激光对冲薄壁管材铆接装置，其特征在于，所述约束层为玻璃。

7.如权利要求1-4任一项所述的激光对冲薄壁管材铆接装置，其特征在于，所述粘结剂包括环氧树脂、丙烯酸酯中的任意一种。

8.一种激光对冲薄壁管材铆接方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的激光对冲薄壁管材铆接装置执行，包括如下步骤：

(1)首先将等离子体诱导器放置在第一管材端口中，并使等离子体诱导器中的能量吸收层朝向管材端口；然后将第一管材的上述端口套进第二管材的端口中；

(2)利用脉冲激光器生成的脉冲激光冲击所述能量吸收层，生成高温高压等离子体；在等离子体诱导器中通道的诱导、约束作用下，等离子体的冲击力作用在管材壁上，将管材冲击出凸起并形成铆扣结构，两段不同口径管材的连接完成。

9.如权利要求8所述的激光对冲薄壁管材铆接方法，其特征在于，步骤(1)中，所述等离子体诱导器和第一管材之间过盈配合。

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