CN110977164B - 一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置及铆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置及铆焊方法。铆焊装置包括：脉冲激光器，用于产生脉冲激光；分光器，用于将产生的脉冲激光分光为三束激光束，分别为第一束激光束、第二束激光束和第三束激光束；铆焊模具，位于分光器的下方，包括第一支撑板、第二支撑板、垫板，第一支撑板和第二支撑板水平设置，两者的上表面平齐，且两者之间预留设定间隙，垫板位于两个支撑板的下方，且预留设定距离；楔块位于垫板的上方，且位于两个支撑板之间；压紧轮，设置于第一支撑板与第二支撑板之间，且位于楔块的下游；第一束激光束和第二束激光束的照射方向分别位于压紧轮的两侧，第三束激光束的照射方向位于压紧轮与楔块之间。

Description

一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置及铆焊方法

技术领域

本发明属于激光先进制造技术领域，具体涉及一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置及铆焊方法，即通过脉冲激光冲击，同步实现超薄板材的铆接与焊接，并通过激光束与板材的相对移动，进行铆焊区域的渐进式扩展，最终实现连续的线形铆焊复合连接。

背景技术

公开该背景技术部分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。

现代机械加工制造领域中，铆接与焊接是板材连接的主要方法。板材铆接是指通过塑性变形使板材产生互锁结构，将两块或多块板材连接在一起，包括外加铆钉铆接和无铆钉铆接两大类。板材焊接是指通过加热、加压等方式，使不同板材之间发生原子结合进而紧密连接，通常包括点焊和缝焊。

然而，当板材连接对象变为超薄板材时，以上两种连接方式均存在一定的弊端。一方面，适应超薄板材外加铆钉铆接所需要铆钉的尺寸很小，其制造与装配存在许多困难，并且铆钉会影响连接处的密封性，因此有时必须进行无铆钉连接，但无铆钉铆接存在连接强度差、使用过程中易分离脱落的缺点。另一方面，板材很薄时，焊接热效应对焊接部位的影响过于明显，易引起板材烧穿、材料组织改变、热变形等缺陷，特别是在线连接(即缝焊)时的热影响区很大，往往产生难以接受的焊接变形。再者，焊接虽然连接强度高，但产生微动损伤时会导致抗疲劳性急剧下降，且焊接结构在受到撞击时的能量吸收能力较弱。

现有技术中已经存在部分利用激光加工技术连接超薄板材的研究。中国专利文件ZL201510119083.0公开了超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置，该方法将上层板和下层板叠放，置于带模孔的凹模上，凹模内设有底模，用脉冲激光束作用于上层板或上层板表面涂覆的能量吸收层，形成爆炸等离子体，上层板随之撞击下层板，上层板与下层板产生高应变率塑性流动耦合，在底模的约束下，上层板与下层板共同塑性成形为铆扣形状，由此产生机械互锁而铆合。在塑性变形过程中，上层板与下层板的接触界面上存在压应力，并产生高速滑动和剪切变形，界面因此产生熔化和原子扩散，并在共同撞击底模时，使上层板与下层板焊合在一起。但该方法实现的超薄板材铆合焊合形式仍停留在点连接水平，工艺方法不能直接扩展为线连接，实际应用存在局限性。

中国专利文件ZL201610473216.9公开了一种渐进式激光冲击连续铆接方法及装置，该方法利用激光器直接生成或利用分光系统生成多束激光；每两个激光束的延长线形成V形夹角，并令多束激光同时扫掠板材；脉冲激光作用于板材表面时产生爆炸等离子体，在爆炸等离子体的冲击作用下，配合成形模具的约束，板材逐渐变形为槽形结构；调整多束激光的排列方式，令激光束方向分别对准槽形结构的底部两侧；多束激光束移动，在爆炸等离子体的继续冲击作用下，激光束配合成形模具的约束，将槽形结构逐渐冲击变为互锁结构；重复上述步骤，对板材进行渐进式冲击，将板材铆接在一起。该方法采用渐进式激光冲击成功实现了超薄板材的线铆接，但没能同时实现板材焊接，其单纯的互锁结构在使用过程中易脱落，连接强度差。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置及铆焊方法，实现同种或异种超薄板材之间的无铆钉铆合与焊合。该方法采用两束脉冲激光连续、渐进地冲击上层板材，并在工字型压紧轮(简称工字轮)和第三束激光的作用下，将板材沿着一条线焊接，并且铆接在一起。两层板材最终形成线状铆焊区域，具有变形均匀、密封性好、连接强度高、耐疲劳、能量吸收性能优良等特点。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置，包括：

脉冲激光器，用于产生脉冲激光；

分光器，用于将产生的脉冲激光分光为三束激光束，分别为第一束激光束、第二束激光束和第三束激光束；

铆接凹模，位于分光器的下方，包括第一支撑板、第二支撑板、垫板，第一支撑板和第二支撑板水平设置，两者的上表面平齐，且两者时间预留设定间隙，垫板位于两个支撑板的下方，且预留设定距离；楔块位于垫板的上方，且位于两个支撑板之间，同时位于上层板和下层板之间；

压紧轮，设置于第一支撑板与第二支撑板之间，且位于楔块的下游；

第一束激光束和第二束激光束的照射区域分别位于压紧轮的两侧，第三束激光束的照射区域位于压紧轮与楔块之间。

在一些实施例中，所述压紧轮为工字轮，工字轮通过旋转轴定位安装，工字轮的轴向与板材移动方向垂直。

进一步的，工字轮的压紧面上设置有橡胶层。橡胶层的设置便于压紧板材而不会磨损板材。

进一步的，工字轮与支撑板之间的单侧间隙为上层板和下层板厚度之和的1.5～2倍。

支撑板、垫板、上层板材、下层板材，被夹持在能够平移的工作台上。楔块、工字轮轴固定。当工作台移动时，带动支撑板、垫板、上层板材、下层板材移动，并与工字轮、楔块产生相对移动，同时由于摩擦力的作用，工字轮会发生转动。

在一些实施例中，还包括控制系统，控制系统分别与脉冲激光器和工作台连接。

一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊方法，包括如下步骤：

将下层板材和上层板材相互叠合放置于两个支撑板上，使待铆焊区域位于两个支撑板之间，且使楔块位于上层板材和下层板材之间；

分光器将脉冲激光器发出的激光分为三束激光束，分别为第一激光束、第二激光束和第三激光束，第三激光束照射于压紧轮与楔块之间的上层板材的上方，使上下两层板材焊合；

板材在工作台的带动下继续往前移动，当焊合区域移动至压紧轮的下方时，焊合区域的两侧被压紧轮压紧，同时对焊合区域的两侧分别照射第一激光束和第二激光束，在两束激光的冲击作用下，上下两层板材向下膨大，完成板材该区域的铆合；

随着板材的不断移动，完成板材的线状铆焊连接。

楔块位于上下两层板材之间，两层板材经工字轮滚压后，在两层板材之间形成一定的夹角，该夹角有利于后续的冲击焊接。

在一些实施例中，还包括在上层板材的上表面涂覆能量吸收层的步骤。

进一步的，还包括在上层板材上表面涂覆透明液体的步骤。

更进一步的，透明液体为去离子水。以降低激光冲击热效应，约束等离子体爆炸波冲击方向。

在一些实施例中，第三激光束的能量大于第一激光束和第二激光束的能量。

进一步的，第一激光束的能量和第二激光束的能量相等。使铆接结构对称。

本发明的有益效果为：

(1)本发明克服了单纯使用铆接或焊接技术进行超薄板材线连接时，得到的连接部位强度不足、抗疲劳性能和能量吸收性能差的弱点，实现了线状区域的铆焊复合连接，且连接部位无需外加铆钉、结构简单、密封性好。

(2)铆、焊两种工艺在一个加工工序中同步进行，加工效率高。分光器分出的三束激光，其中一束用于冲击焊接，另两束用于冲击铆接。焊接完成后的板材向前进给，到达工字轮正下方，被工字轮压紧、压平。压紧的目的一是使上层板材与下层板材产生一定的初始夹角，以利于冲击焊接；二是防止后续激光冲击所产生的震动引起已焊接部分的脱焊；三是减少铆接所需的激光冲击的变形量，易于铆接成形，并利于得到表面平整的加工件。

(3)工艺步骤少，操作简单，方便实现自动化生产。改变脉冲激光参数、两个支撑板之间的距离等，可实现不同材料、不同尺寸板材的铆焊复合连接，生产适应性好。并且工字轮不需要单独的动力源，在板材进给过程中，可借助工字轮与板材间的摩擦力，驱使工字轮转动，并与板材产生相对移动。

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为本发明实施例的一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置的正向剖视示意图；

图2为本发明实施例的一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置的侧向剖视示意图；

图3为本发明实施例的一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置的俯视示意图；

图4为本发明实施例的铆焊复合连接完成后的侧向剖视示意图。

其中，1、电脑终端；2、脉冲激光器；3、分光器；4、工字轮；5、约束层；6、能量吸收层；7、上层板材；8、下层板材；9a、第一支撑板；9b、第二支撑板；9c、楔块；10、垫板；B1、第一激光束；B2、第二激光束；B3、第三激光束。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，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。

下面结合实施例对本发明进一步说明：

一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊合装置，其结构如图1所示，包括电脑终端1、脉冲激光器2、分光器3、工字轮4、第一支撑板9a、第二支撑板9b、楔块9c和垫板10。工字轮4与楔块9c的相对位置保持不变，工字轮4通过旋转轴和安装于旋转轴两端的轴承进行可旋转安装，工字轮的压紧面上设置橡胶层，橡胶层的设置便于压紧板材而不会磨损板材，并提供与板材间的摩擦力。

如图2所示，第一支撑板9a、第二支撑板9b用于与工作台垫板10组成铆接凹模，约束板材变形区域及变形方向，以完成铆接；且第一支撑板9a、第二支撑板9b与工作台垫板10之间保持一定距离，楔块9c位于第一支撑板9a和第二支撑板9b之间，且位于上层板材7与下层板材8之间(参见图3)。由于楔块9c的作用，两层板材经工字轮4滚压后，呈一定夹角α，该夹角利于后续的冲击焊接。

具体的焊接方法如下：

1.依次放置下层板材8与上层板材7；其中，第一支撑板9a和第二支撑板9b位于两层板材的下方，与工作台垫板10共同组成铆接凹模；在上层板材7上涂覆能量吸收层6，能量吸收层6的材质为黑漆，厚度为30微米。并在能量吸收层6的上方涂覆去离子水，形成约束层5，以降低激光冲击热效应、约束等离子体爆炸波冲击方向。

楔块9c位于上层板材7与下层板材8之间；用工字轮4压紧两层板材，并使上层板材7与下层板材8呈一定夹角α；

支撑板9a和9b、垫板10、上层板材7、下层板材8，被夹持在能够在X方向移动的工作台上。楔块9c、工字轮4的旋转轴固定。当工作台移动时，带动支撑板、垫板、上层板材、下层板材移动，并与工字轮、楔块产生相对移动，同时由于摩擦力的作用，工字轮会发生转动。

2.通过电脑终端1控制工作台移动从而带动垫板10、两块支撑板9a和9b、两层板材7和8，以一定速度向前进给，工字轮4随之转动，并与楔块9c一起，与板材7和8产生相对移动。楔块9c使两层板材在工字轮4后始终保持一定间隙和一个夹角α。

3.通过电脑终端1控制脉冲激光器2与分光器3，分光器3将脉冲激光器2发射的激光分成第一激光束B1、第二激光束B2和第三激光束B3，其中第一激光束B1、第二激光束B2的能量较小且相等，照射点分别位于工字轮4两侧，照射点连线与工字轮4轴线平行；第三激光束B3的能量较大，照射点位于第一激光束B1和第二激光束B2照射点连线的垂直平分面上，且方向与第一激光束B1、第二激光束B2所在平面成一定夹角，以保证第三激光束B3与待焊接区域的板材表面基本垂直；

4.板材进给过程中，第三激光束B3先照射到待连接区域，引起较大规模的等离子体爆炸波，冲击上层板材7，使上层板材7高速撞击下层板材8，使其相互之间发生原子扩散，完成板材焊合；

5.两层板材继续进给，步骤4得到的焊合部位前进至工字轮4正下方，焊合部位两侧被工字轮4压紧，此时，第一激光束B1和第二激光束B2照射工字轮5两侧的板材，引起两股较小规模的对称的等离子体爆炸波，冲击两层板材，使其同时发生塑性变形向外凸起，得到互锁结构，完成板材铆合；

6.至此，两层超薄板材的单点铆焊复合连接完成。控制板材继续进给，重复步骤4、5，对板材进行渐进式冲击，得到线状铆焊区域，两层超薄板材的线状连续铆焊完成。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (12)

1.一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置，其特征在于：包括：

脉冲激光器，用于产生脉冲激光；

分光器，用于将产生的脉冲激光分光为三束激光束，分别为第一束激光束、第二束激光束和第三束激光束；

铆接凹模，位于分光器的下方，包括第一支撑板、第二支撑板、垫板，第一支撑板和第二支撑板水平设置，两者的上表面平齐，且两者之间预留设定间隙，垫板位于两个支撑板的下方，且预留设定距离；楔块位于垫板的上方，且位于两个支撑板之间，并且位于上层板和下层板之间；

压紧轮设置于第一支撑板与第二支撑板之间，且位于楔块的下游；

第一束激光束和第二束激光束的照射区域分别位于压紧轮的两侧，第三束激光束的照射区域位于压紧轮与楔块之间。

2.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置，其特征在于：所述压紧轮为工字轮，工字轮通过旋转轴定位安装，工字轮的轴向与板材移动方向垂直。

3.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置，其特征在于：工字轮的压紧面上设置有橡胶层。

4.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置，其特征在于：工字轮与支撑板之间的单侧间隙为上层板和下层板厚度之和的1.5～2倍。

5.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置，其特征在于：两块支撑板、垫板、两层板材，被夹持在能够移动的工作台上。

6.根据权利要求1所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊装置，其特征在于：还包括控制系统，控制系统分别与脉冲激光器和可移动的工作台连接。

7.一种渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊方法，其特征在于：包括如下步骤：

将下层板材和下层板材相互叠合放置于两个支撑板上，使待铆焊区域位于两个支撑板之间，且使楔块位于上下层板材之间；

分光器将脉冲激光器发出的激光分为三束激光束，分别为第一激光束、第二激光束和第三激光束，第三激光束照射于压紧轮与楔块之间的上层板材的上方，使上下两层板材焊合；

板材在工作台的带动下继续往前移动，当焊合区域移动至压紧轮的下方时，焊合区域的两侧被压紧轮压紧，同时对焊合区域的两端分别照射第一激光束和第二激光束，在两束激光的冲击作用下，上下两层板材向下膨大，完成板材该区域的铆合；

随着板材的不断移动，完成板材的线状铆焊连接。

8.根据权利要求7所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊方法，其特征在于：还包括在上层板材的上表面涂覆能量吸收层的步骤。

9.根据权利要求7所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊方法，其特征在于：还包括在上层板材上表面涂覆透明液体的步骤。

10.根据权利要求9所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊方法，其特征在于：所述透明液体为去离子水。

11.根据权利要求7所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊方法，其特征在于：第三激光束的能量大于第一激光束和第二激光束的能量。

12.根据权利要求7所述的渐进式激光冲击超薄板材连续铆焊方法，其特征在于：第一激光束的能量和第二激光束的能量相等。

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