CN110948108B - 一种超薄板材激光对冲铆接方法及装置 - Google Patents

一种超薄板材激光对冲铆接方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超薄板材铆接技术领域，尤其涉及一种超薄板材激光对冲铆接方法及装置。所述装置包括：水幕生成器，水槽，水泵，脉冲激光器和电脑终端；其中，所述水幕生成器安装在水槽上方，水幕生成器与水槽之间的连接管路上设置有水泵，以便于循环利用水槽中的水；所述脉冲激光器为两个对称设置在水幕生成器形成的水幕的左、右两侧，所述电脑终端用于控制脉冲激光器。本发明的这种方法从左右两侧同时发射激光冲击右侧板材，改变了传统激光冲击成形的变形模式，增大了板材变形量，进而增大了互锁结构的嵌入量，优化了铆扣结构，提高了铆接处的连接强度，而且成形效率高。

Description

一种超薄板材激光对冲铆接方法及装置
技术领域
本发明涉及超薄板材铆接技术领域，尤其涉及一种超薄板材激光对冲铆接方法及装置。
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。
板材铆接是板材连接技术的重要组成部分，在现代工业中应用广泛。而超薄板材微铆接作为该领域的重要难题之一，正受到越来越多的关注。
现有技术中已存在部分关于超薄板材微铆接的研究。专利文献CN 101214580 A提出了一种超薄板材脉冲激光微铆接方法及其专用装置。该方法是一种将激光作用于板材形成柔性凸模，将两层或多层板材铆接在一起的方法。优选的方案是，在约束层的作用下，将激光作用于板材表面的能量吸收层产生等离子爆轰波，等离子爆轰波作为柔性凸模进而作用于板材，将两层或多层板材铆接在一起。然而，本发明人发现：通过该方法得到的铆扣，在垂直于激光束入射方向的横向变形小于沿激光束入射方向的纵向变形，所形成的铆扣形嵌入式互锁结构的嵌入量小，两层板材难以紧密地扣合在一起，在受到垂直于板料的拉力时，上层板与下层板料易于脱离，导致铆接部位连接强度不足。
专利文献CN 106392320 A提出了一种激光驱动液压胀形的板材铆接方法。在具有凹槽的成型模具上放置下层板材，下层板材具有通孔；在下层板材上放置中间层板材，该中间层板材具有鼓包，且所述鼓包位于所述通孔内；向鼓包加注液体，并将上层板材置于中间层板材上方；利用压紧装置压紧上层板材；利用激光冲击上层板材，令上层板材产生向下的形变，则冲击力令鼓包内的液体传递至鼓包，令鼓包朝向通孔下方产生横向及纵向形变，实现中间层板材与下层板材的铆接。该方法利用液体的均匀传递特性将单向的激光冲击力变为多向，从而增加了中层板材受到的横向力以及产生的横向变形量，互锁结构嵌入量有所增大。然而，本发明人发现：该方法虽然较专利文献CN 101214580 A的铆接技术效果有所改善，但铆扣的形状结构特征并没有本质性改变，只是互锁嵌入量有所增大，使用过程中受到法向力仍然易脱落；鼓包内的液体不易排出，会对铆接处产生不利影响；操作步骤多，生产效率与稳定性受限。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种超薄板材激光对冲铆接方法及装置，这种方法从左右两侧同时发射激光冲击板材，改变了传统激光冲击成形的变形模式，增大了板材变形量，优化了铆扣结构特征，并且增大了互锁结构的嵌入量，明显提高了铆接处的连接强度，而且成形效率高。
本发明的第一目的，是提供一种超薄板材激光对冲铆接方法。
本发明的第二目的，是提供一种超薄板材激光对冲铆接装置。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：
首先，本发明公开一种超薄板材激光对冲铆接方法，包括如下步骤：
(1)将两块待铆接的板材按照一左一右的方式竖向并列安装，形成复合板材，其中一块板材上开设有通孔，在复合板材靠外侧的两个表面形成水幕；
(2)控制激光束中心对准通孔中心，利用激光束从复合板材的左、右两侧同时冲击未开设通孔的板材，未开孔板材一侧的激光束的光斑直径大于另一侧激光束的光斑直径，使未开设通孔的板材进入通孔，且进入通孔的板材形成开口状的杯状结构，铆接结构第一阶段变形完成；
(3)改变两束激光参数，使未开孔板材一侧的激光束的光斑直径小于另一侧激光束的光斑直径，控制激光束中心对准通孔中心，利用激光束从复合板材的左、右两侧同时冲击步骤(2)形成的开口状的杯状结构的底部，使该底部的板材向所述杯状结构的开口方向变形凹陷，同时杯状结构的侧壁向外扩张，从而与开孔的板材孔壁及表面紧密接触，即铆接结构第二阶段变形完成，左右两侧板材被牢固地铆接在一起。
进一步地，步骤(1)中，可选择在未开孔的板材两侧表面涂覆能量吸收层，以避免板材受激光冲击处产生烧蚀。若不涂覆，则板材受激光冲击处产生微量烧蚀，但仍然可以进行激光对冲铆接。
进一步地，步骤(1)中，通过启动水幕生成器与水泵形成循环水幕。
进一步地，步骤(2)中，所述左、右两侧激光束的轴线重合且通过所述通孔的中心，两激光束垂直作用在板材待铆接部位所在的平面上。
进一步地，步骤(2)中，可通过改变激光参数进行多次对冲，以完成铆接结构第一阶段变形。第一阶段变形的目的是增大未开孔板材在铆接部位的变形量，为第二阶段变形做准备，以便于第二阶段变形完成后，未开孔板材在铆接区域与开孔板材的孔壁及表面紧密接触。
进一步地，步骤(3)中，可通过改变激光参数进行多次对冲，以完成铆接结构第二阶段变形。
进一步地，步骤(2)、(3)中，左、右两侧激光束同步冲击板材，脉冲频率、冲击次数一致。
进一步地，未开孔板材也可以是两层或多层，变形完成后，两层或多层板材被铆接在一起。
其次，本发明公开一种超薄板材激光对冲铆接装置，包括：水幕生成器，水槽，水泵，脉冲激光器和电脑终端。其中，所述水幕生成器安装在水槽上方，水幕生成器与水槽之间的连接管路上设置有水泵，以便于循环利用水槽中的水；所述脉冲激光器为两个对称设置在水幕生成器形成的水幕的左、右两侧，所述电脑终端用于控制脉冲激光器。
进一步地，用一台激光器和一个分束装置代替上述的两个脉冲激光器，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。
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)能获得牢固的铆接结构。本发明通过控制两激光束的冲击力、光斑直径等参数，在两侧不对称冲击的作用下，板材产生复杂变形并得到形状复杂的铆接结构。该结构使左侧板材与右侧板材的孔壁及表面紧密接触，从而形成牢固的铆接。
(2)能获得较高的铆接强度。本发明方法所形成的复杂铆接结构比已有方法具有更高的铆接强度。使用过程中除非将两层板材同时拉裂，否则几乎不存在两层板材之间分离脱落的可能。
(3)降低板材变形难度，增大成形效率。本发明通过在板材两侧同时冲击，相当于夹持着板材的变形部位进行塑性成形，因此板材不易破裂，比单向冲击能够形成更大的变形量，也更适合于低韧性材料的成形铆接。
(4)装置简单，操作方便。对冲时产生的冲击力能够相互平衡，或平衡掉一部分，因此，工件装夹方便，工艺设备简单，适用于大批量生产。
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1中超薄板材激光对冲铆接装置的结构示意图。
图2为本发明实施例2中超薄板材激光对冲铆接第一阶段变形示意图。
图3为本发明实施例2中超薄板材激光对冲铆接第二阶段变形示意图。
上述附图中标记分别代表：1-水幕生成器，2-水槽，3-水泵，4-脉冲激光器，5-电脑终端、6-左侧板材、7-右侧板材、8-水幕、9-通孔。
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。
正如前文所述，现有的激光铆接方法得到的铆扣结构的底切部位同样不能紧扣下层板材，使用过程中易脱落。因此，本发明提出了一种超薄板材激光对冲铆接方法及装置；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，示例一种本发明设计的超薄板材激光对冲铆接装置，包括：水幕生成器1，水槽2，水泵3，脉冲激光器4和电脑终端5。其中：所述水幕生成器1安装在水槽2上方，水幕生成器1与水槽2之间的连接管路上设置有水泵3，以便于循环利用水槽中的水，且水幕生成器1为两个，以便于对左侧板材6和右侧板材7分别提供水幕8；所述脉冲激光器4为两个，且对称设置在水幕生成器1形成的水幕的左、右两侧，所述电脑终端5用于控制脉冲激光器4。
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，用一台激光器和一个分束装置代替上述的两个脉冲激光器，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。
第三实施例，一种超薄板材激光对冲铆接，采用第一实施例所述的装置实现，包括如下步骤：
(1)选取厚度为0.2mm的不锈钢板为左侧板材，其上开孔直径为2.5mm；选取厚度为0.05mm的纯铜板为右侧板材。
(2)将两块待铆接的板材按照一左一右的方式竖向并列安装，形成复合板材，其中左侧板材6上开设有通孔9，右侧板材7不开设通孔；在复合板材靠外侧的两个表面通过水幕生成器1形成水幕8；
(3)控制激光束中心对准通孔中心，利用激光束从复合板材的左、右两侧同时冲击右侧板材7，右侧板材一侧的激光束的光斑直径为4mm，能量为400mJ，左侧板材一侧的激光束光斑直径为2mm，能量为300mJ。两侧激光束脉冲频率、次数完全一致，通过冲击使右侧板材的部分逐渐塑性变形后流入通孔，且流入通孔的板材形成开口状的杯状结构，铆接结构第一阶段变形完成，由于受到来自左侧的冲击力较为集中，因此，杯状结构的底部呈现向右凸起的趋势，参考图2；
(4)改变两束激光参数，左侧板材一侧的激光束光斑直径调整为6mm，能量为700mJ，右侧板材一侧的激光束的光斑直径为3mm，能量为200mJ，使左侧板材一侧的激光束的光斑直径大于右侧板材激光束的光斑直径，两侧激光束脉冲频率、次数完全一致，控制激光束中心对准通孔中心，利用激光束从复合板材的左、右两侧同时冲击步骤(2)形成的开口状的杯状结构的底部，使该底部的板材向所述杯状结构的开口方向变形凹陷，同时杯状结构的侧壁向外扩张，从而与开孔的板材孔壁及表面紧密接触，即铆接结构第二阶段变形完成，左右两侧板材被牢固地铆接在一起，参考图3。
对比单侧激光冲击，在两侧不对称冲击的作用下，板材产生复杂变形并得到形状复杂的铆接结构。通过在板材两侧同时冲击，相当于夹持着板材的变形部位进行塑性成形，板材不易破裂，可获得的变形量大，材料成形极限高。最终形成牢固的高强度铆接。
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)

1.一种超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将两块待铆接的板材按照一左一右的方式竖向并列安装，形成复合板材，其中一块板材上开设有通孔，在复合板材靠外侧的两个表面形成水幕；
(2)控制激光束中心对准通孔中心，利用激光束从复合板材的左、右两侧同时冲击未开设通孔的板材，未开孔板材一侧的激光束的光斑直径大于另一侧激光束的光斑直径，使未开设通孔的板材进入通孔，且进入通孔的板材形成开口状的杯状结构，铆接结构第一阶段变形完成；
(3)改变两束激光参数，使未开孔板材一侧的激光束的光斑直径小于另一侧激光束的光斑直径，控制激光束中心对准通孔中心，利用激光束从复合板材的左、右两侧同时冲击步骤(2)形成的开口状的杯状结构的底部，使该底部的板材向所述杯状结构的开口方向变形凹陷，同时杯状结构的侧壁向外扩张，从而与开孔的板材孔壁及表面紧密接触，即铆接结构第二阶段变形完成，左右两侧板材被牢固地铆接在一起。
2.如权利要求1所述的超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，步骤(1)中，可选择在未开孔的板材两侧表面涂覆能量吸收层，以避免板材受激光冲击处产生烧蚀。
3.如权利要求1所述的超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，步骤(1)中，通过启动水幕生成器与水泵形成循环水幕。
4.如权利要求1所述的超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，步骤(2)中，所述左、右两侧激光束的轴线重合且通过所述通孔的中心，两激光束垂直作用在板材待铆接部位所在的平面上。
5.如权利要求1所述的超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，步骤(2)中，通过改变激光参数进行多次对冲，以完成铆接结构第一阶段变形；
或者，通过改变激光参数进行多次对冲，以完成铆接结构第二阶段变形。
6.如权利要求1所述的超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，步骤(3)中，所述未开孔板材至少为两层。
7.如权利要求1-6任一项所述的超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，步骤(2)、(3)中，左、右两侧激光束同步冲击板材，脉冲频率、冲击次数一致。
8.如权利要求1-6任一项所述的超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，采用超薄板材激光对冲铆接装置执行该方法；
所述超薄板材激光对冲铆接装置，包括：水幕生成器，水槽，水泵，脉冲激光器和电脑终端；其中，所述水幕生成器安装在水槽上方，水幕生成器与水槽之间的连接管路上设置有水泵，以便于循环利用水槽中的水；所述脉冲激光器为两个，对称设置在水幕生成器形成的水幕的左、右两侧，所述电脑终端用于控制脉冲激光器。
9.如权利要求8所述的超薄板材激光对冲铆接方法，其特征在于，用一台激光器和一个分束装置代替上述的两个脉冲激光器，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。
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