CN111619196B - 一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄板材连接技术领域，具体涉及一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法及其应用。所述方法包括如下步骤：(1)通过激光冲击胀形，使下层板产生凹坑，然后往凹坑中注入胶黏剂，再将上层板与下层板叠放，并在上层板上表面涂覆能量吸收剂层和约束层，再次进行激光冲击铆接成形，得到胶铆复合接头。(2)将所述胶铆复合接头在室温下静置或放在炉中加热保温使胶黏剂固化，即得。本发明首先通过激光冲击胀形制作微凹坑的方式，形成两层板材之间具有均匀分布的胶层同时具有互锁嵌入结构的胶铆复合连接，最后使接头中的胶黏剂固化，最终得到强度高、密封性好、耐蚀性能优良的胶铆复合接头。

Description

一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法及其应用

技术领域

本发明涉及薄板材连接技术领域，具体涉及一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法及其应用。

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。

常见的板材连接方法包括铆接、焊接、胶接等，在汽车、飞机、轨道交通等领域应用广泛。单一连接方法的弱点是明显的，如焊接方法的特点是连接强度高，但由于不同材料的熔点不同，使之在连接异种板材时遇到困难；胶接可以用于各种板材间的连接，但对使用环境的温度非常敏感，温度变化会造成连接强度的急剧下降；铆接包括有铆钉铆接和无铆钉铆接，前者连接强度高但密封性差，后者密封性好但连接强度低。因此，将两种或两种以上的连接方法结合起来的复合连接技术，对满足特殊条件下特殊连接需求非常重要。

现有文献公开了一种超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置。该方法在通过激光冲击形成铆接的同时，使板材在界面处产生原子扩散并焊接在一起。该方法将铆接与焊接方法相结合，两层板材通过形状互锁与原子结合相连接，连接强度比纯铆接和纯焊接高，但适用范围仍然受到材料类型的限制，在连接物理性质不同的异种板材时仍然非常困难。另外，激光冲击所形成的焊接区域通常是一环形区域，在接头位置很易发生缝隙腐蚀和电化学腐蚀，且在潮湿环境下愈发严重，显著降低接头的耐久性。

结构轻量化及其对阻尼减震性的要求促进了无铆钉铆接和胶接技术的发展。目前已有无铆钉压印铆接技术与胶接技术复合的报道。但现有技术在铆接薄板时遇到困难，首要原因在于传统无铆钉压印铆的接头强度取决于板材在模具型腔内厚向挤压所导致的互锁嵌入量以及上板在接头颈部的厚度，薄板则因难以产生足量厚向变形和互锁嵌入而难以实现铆接应用；其次，板材在模具型腔内的剧烈挤压，易使板间胶黏剂发生聚集性流动，导致胶层在接头内部非连续分布并可能产生胶袋，进一步降低“好不容易”获得的互锁嵌入量；再次，板材在通过局部涂胶进行胶接时很难控制胶层厚度。因此，在薄板尤其是超薄板材连接领域，传统无铆钉铆接及其与化学胶接的技术复合仍然面临诸多困难。

发明内容

针对上述问题，本发明公开一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法及其应用。本发明首先通过激光冲击胀形制作微凹坑的方式形成容纳胶黏剂的型腔，并在进一步激光冲击后形成两层板材之间具有均匀分布的胶层同时具有互锁嵌入结构的胶铆复合连接，最后使接头中的胶黏剂固化，最终得到强度高、密封性好、耐蚀性能优良的胶铆复合接头。

具体地，为实现上述目的，本发明的技术方案如下所示：

在本发明的第一方面，提供了一种激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法，包括如下步骤：

(1)通过激光冲击胀形，使下层板产生凹坑，然后往凹坑中注入胶黏剂，再将上层板与下层板叠放，并在上层板上表面铺设能量吸收剂层和约束层，再次进行激光冲击铆接成形，得到胶铆复合接头。

(2)将所述胶铆复合接头在室温下静置或放在炉内加热保温使胶黏剂固化，即得。

在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述上层板、下层板的厚度均不大于1mm。

在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述凹坑深度为下层板厚度的5-12倍范围；或者采用铆接模具用脉冲激光冲击制备凹坑。

在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，采用去离子水、纯净水、玻璃等中的任意一种作为等离子爆炸时的约束层，采用石蜡、黑漆、黑胶带等中的任意一种作为所述能量吸收剂层。

在本发明中，所选用胶黏剂应具有足够长的固化时间，以使板材在胶黏剂固化前完成塑性变形，同时，所选用的胶黏剂在激光冲击铆接时应具有适当黏度，以既不自由流动，又不阻碍板料自身流动，也不阻碍板料之间相对滑动为宜。为此，所述胶黏剂包括环氧树脂或汽车用结构胶等中的任意一种。优选为改性环氧树脂，其在常温下呈黏流态。胶黏剂可以起到减小摩擦，促进两层板材之间相对滑动的作用，有助于板材发生塑性变形；同时，胶黏剂的存在使得激光冲击力更均匀地作用于板材上，有助于得到互锁量更充足的铆接结构，同时胶黏剂在板材间重新分布，增大了胶黏剂与板材的接触面积，有助于提高接头强度。

在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述激光冲击的光斑直径大于凹坑直径，以便于凹坑的边缘部位也能够获得足够的激光冲击力，保证所得到的凹坑呈近似球面形状。

在本发明的一些实施方式中，步骤(1)中，所述进行激光冲击铆接成形采用的激光脉冲宽度是纳秒级或者更小，激光束直径不小于铆接模具的模孔直径，激光功率的大小应保证在板材表面能够形成爆炸等离子体。在爆炸等离子冲击力的作用下，凹坑中的胶黏剂在板材之间重新分布，形成两层板材之间具有均匀分布的胶层同时具有互锁嵌入结构的胶铆复合连接。

在本发明的一些实施方式中，步骤(2)中，所述加热保温条件为：在60-100℃下保温20-35min。

在本发明的第一方面，提供了所述激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法在金属板材连接中的应用，例如，用于连接铝板、铜板、钛板、钢板等板材中的任意一类或多类，例如，所述一类是指材质相同的板材，如上板材和下板材均为铝板；所述多类指材质不同的板材，如上板材为铝板，下板材均为铜板。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过激光冲击胀形首先在下板材上制作出凹坑，并向凹坑中注入胶黏剂，解决了传统方法无法精确地在特定圆形铆接区域涂覆胶黏剂的问题。而凹坑中的胶黏剂在激光冲击铆接过程中，可以有效减轻两层板材之间的摩擦力，降低变形阻力，使板材更易发生铆接成形。

(2)激光作用在上层板上的冲击力，通过凹坑中的胶黏剂，转化为下层板表面法向的作用力，从而使下层板更易产生横向变形，并且更易形成互锁嵌入结构，其互锁嵌入深度取决于变形区域的宏观形状而非传统方法中的厚向变形差，从而在成形机制上突破了薄板铆接之瓶颈，最终得到更高的连接强度。

(3)成形过程中板材各区域的应力梯度小，变形所需的垂直于板材表面的法向驱动力也小于传统方法中由冲头和凹模产生的挤压力，因此板间胶黏剂受迫发生聚集性流动产生胶袋的风险低，从而在成形机制上保证胶层连续均匀分布，并最终保证连接强度。

(4)由于胶层能够连接分布，可以将两层板材有效地隔离开来，有助于防止异种金属之间的电化学腐蚀，延长接头寿命。并且激光冲击铆接成形属于超高应变率塑性成形，成形效率高。同时，由于材料行为的率相关性，成形极限明显提高，可以连接常温常态下的难变形材料。

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。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为本发明第一实施例采用激光冲击胀形在下层板上制备凹坑的示意图。

图2为本发明第一实施例向凹坑注胶后与上层板叠放一起进行激光冲击铆接成形的示意图。

图3为本发明第一实施例中激光冲击完成后获得的胶铆复合连接接头示意图。

图中标记代表：1-脉冲激光束；2-夹紧装置；3-能量吸收剂层；4-上层板；5-下层板；6-胶黏剂；7-带孔模具；8-模具底板。

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，本发明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。

正如前文所述，目前已有无铆钉压印铆接技术与胶接技术复合的报道。但现有技术在铆接薄板时遇到困难，尤其是超薄板材连接领域，传统无铆钉铆接及其与化学胶接的技术复合仍然面临诸多困难。为此，本发明提出了一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法。现根据说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

第一实施例

一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法，激光束采用700mJ的YAG脉冲激光，脉冲宽度8ns，脉冲频率10Hz，激光束直径4mm。

上层板为厚度0.03mm的纯铜板，下层板为厚度0.02mm的纯铝板。

采用的带孔模具的模孔直径2.5mm。

胶黏剂采用Henkel Teroson EP 5055。

具体步骤如下：

A、如图1所示，将下层板5置于带孔模具7上，然后用夹紧装置2夹紧，并用脉冲激光束1对下层板5进行冲击胀形，从而在下层板上冲击成形出深度为0.2mm的凹坑；然后向所示凹坑中注满胶黏剂6。

B、如图2所示，将上层板4的上表面涂覆石蜡作为能量吸收层3，并将上层板4与下层板5叠放，胶黏剂6位于上层板4与下层板5之间，然后将上层板4与下层板5固定于夹紧装置2和带孔模具7之间。

C、在上层材4上覆盖去离子水作为约束层，并用脉冲激光束1进行激光冲击，在该激光束的冲击力、带孔模具7、模具底板8的共同作用下，上层板4、胶黏剂6、下层板5共同成形为互锁嵌入结构，得到胶铆复合接头，如图3所示。

D、将胶铆复合接头室温下静置48小时，待胶黏剂固化，板材激光冲击胶铆复合连接完成。

第二实施例

一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法，激光束采用1000mJ的YAG脉冲激光，脉冲宽度8ns，脉冲频率10Hz，激光束直径6mm。

上层板为厚度0.03mm的纯铜板，下层板为厚度0.03mm的纯铜板。

采用的带孔模具的模孔直径4mm。

胶黏剂采用HUITIAN 6011单组份加热固化结构粘接环氧胶。

具体步骤如下：

A、如图1所示，将下层板5置于带孔模具7上，然后用夹紧装置2夹紧，并用脉冲激光束1对下层板5进行冲击胀形，从而在下层板上冲击成形出深度为0.3mm的凹坑；然后向所示凹坑中注满胶黏剂6。

B、如图2所示，将上层板4的上表面涂覆黑漆作为能量吸收层3，并将上层板4与下层板5叠放，胶黏剂6位于上层板4与下层板5之间，然后将上层板4与下层板5固定于夹紧装置2和带孔模具7之间。

C、在上层材4上覆盖去离子水作为约束层，并用脉冲激光束1进行激光冲击，在该激光束的冲击力、带孔模具7、模具底板8的共同作用下，上层板4、胶黏剂6、下层板5共同成形为互锁嵌入结构，得到胶铆复合接头，如图3所示。

D、将胶铆复合接头放在加热炉中加热100℃并保温30分钟，待胶黏剂固化，板材激光冲击胶铆复合连接完成。

第三实施例

一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法，激光束采用1200mJ的YAG脉冲激光，脉冲宽度8ns，脉冲频率10Hz，激光束直径6mm。

上层板为厚度0.05mm的纯铜板，下层板为厚度0.05mm的纯铝板。

采用的带孔模具的模孔直径4mm。

胶黏剂采用Henkel Teroson EP 5055。

具体步骤如下：

A、如图1所示，将下层板5置于带孔模具7上，然后用夹紧装置2夹紧，并用脉冲激光束1对下层板5进行冲击胀形，从而在下层板上冲击成形出深度为0.6mm的凹坑；然后向所示凹坑中注满胶黏剂6。

B、如图2所示，将上层板4的上表面涂覆石蜡作为能量吸收层3，并将上层板4与下层板5叠放，胶黏剂6位于上层板4与下层板5之间，然后将上层板4与下层板5固定于夹紧装置2和带孔模具7之间。

C、在上层材4上覆盖去离子水作为约束层，并用脉冲激光束1进行激光冲击，在该激光束的冲击力、带孔模具7、模具底板8的共同作用下，上层板4、胶黏剂6、下层板5共同成形为互锁嵌入结构，得到胶铆复合接头，如图3所示。

D、将胶铆复合接头放在加热炉中加热60℃并保温35分钟，待胶黏剂固化，板材激光冲击胶铆复合连接完成。

第四实施例

一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法，激光束采用900mJ的YAG脉冲激光，脉冲宽度8ns，脉冲频率10Hz，激光束直径5mm。

上层板为厚度0.05mm的纯铜板，下层板为厚度0.03mm的纯铝板。

采用的带孔模具的模孔直径4mm。

胶黏剂采用HUITIAN 6011单组份加热固化结构粘接环氧胶。

具体步骤如下：

A、如图1所示，将下层板5置于带孔模具7上，然后用夹紧装置2夹紧，并用脉冲激光束1对下层板5进行冲击胀形，从而在下层板上冲击成形出深度为0.3mm的凹坑；然后向所示凹坑中注满胶黏剂6。

B、如图2所示，将上层板4的上表面涂覆黑漆作为能量吸收层3，并将上层板4与下层板5叠放，胶黏剂6位于上层板4与下层板5之间，然后将上层板4与下层板5固定于夹紧装置2和带孔模具7之间。

C、在上层材4上覆盖去离子水作为约束层，并用脉冲激光束1进行激光冲击，在该激光束的冲击力、带孔模具7、模具底板8的共同作用下，上层板4、胶黏剂6、下层板5共同成形为互锁嵌入结构，得到胶铆复合接头，如图3所示。

D、将胶铆复合接头放在加热炉中加热100℃并保温20分钟，待胶黏剂固化，板材激光冲击胶铆复合连接完成。

第五实施例

一种激光冲击的薄板胶铆复合连接方法，激光束采用1200mJ的YAG脉冲激光，脉冲宽度8ns，脉冲频率10Hz，激光束直径7mm。

上层板为厚度0.05mm的纯铜板，下层板为厚度0.05mm的纯铝板。

采用的带孔模具的模孔直径5mm。

胶黏剂采用Henkel Teroson EP 5055。

具体步骤如下：

A、如图1所示，将下层板5置于带孔模具7上，然后用夹紧装置2夹紧，并用脉冲激光束1对下层板5进行冲击胀形，从而在下层板上冲击成形出深度为0.25mm的凹坑；然后向所示凹坑中注满胶黏剂6。

B、如图2所示，将上层板4的上表面涂覆石蜡作为能量吸收层3，并将上层板4与下层板5叠放，胶黏剂6位于上层板4与下层板5之间，然后将上层板4与下层板5固定于夹紧装置2和带孔模具7之间。

C、在上层材4上覆盖去离子水作为约束层，并用脉冲激光束1进行激光冲击，在该激光束的冲击力、带孔模具7、模具底板8的共同作用下，上层板4、胶黏剂6、下层板5共同成形为互锁嵌入结构，得到胶铆复合接头，如图3所示。

D、将胶铆复合接头室温下静置48小时，待胶黏剂固化，板材激光冲击胶铆复合连接完成。

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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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)

1.一种激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过激光冲击胀形，使下层板产生凹坑，然后往凹坑中注入胶黏剂，再将上层板与下层板叠放，并在上层板上表面涂覆能量吸收剂层和约束层，再次进行激光冲击铆接成形，得到胶铆复合接头；其中，所述上层板厚度为0.03mm或0.05mm、下层板的厚度为0.02mm、0.03mm或0.05mm，凹坑深度为下层板厚度的5-12倍范围；

(2)将所述胶铆复合接头在室温下静置或放在炉中加热保温使胶黏剂固化，即得。

2.根据权利要求1所述的激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法，其特征在于，激光脉冲宽度是纳秒级或者更小。

3.根据权利要求1所述的激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法，其特征在于，所述胶黏剂包括环氧树脂、汽车用结构胶中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法，其特征在于，所述胶黏剂为改性环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法，其特征在于，步骤(1)中，所述激光冲击的光斑直径大于凹坑直径。

6.根据权利要求1-5任一项所述的激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热保温条件为在60-100℃下保温20-35min。

7.根据权利要求1-5任一项所述的激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法，其特征在于，步骤(1)中，采用去离子水、纯净水、玻璃中的任意一种作为等离子爆炸时的约束层；或者采用石蜡、黑漆、黑胶带中的任意一种作为所述能量吸收剂层。

8.根据权利要求1-7任一项所述的激光冲击的金属薄板胶铆复合连接方法在金属板材连接中的应用。

9.根据权利要求8所述应用，其特征在于，所述应用为用于连接铝板、铜板、钛板、钢板中的任意一类或多类。

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