CN111716732B - 一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接装置，凹模；压边圈，其设置在所述凹模的顶部；激光冲击层，其设置在所述压边圈内，并位于所述凹模的顶部；激光发生器，其支撑设置在所述压边圈的顶部；至少一个第一连接孔，其开设在所述激光冲击层上；至少一个第二连接孔，其开设在所述压边圈顶部；至少一根连接管，其一端依次穿过所述第二连接孔和所述第一连接孔后设置在所述凹模内；压力调节机构，其与所述连接管的另一端相连通，用于向所述连接管内输送气体；冷却水腔，其设置在所述凹模的下部；加热器，其设置在所述凹模的外部；本装置能够实现接头的二次固化，提高接头质量。本发明还提供一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接方法。

Description

一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接装置及方法
技术领域
本发明涉及一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接方法，属于材料胶铆连接技术领域。
背景技术
塑料等非金属材料因其密度小、易成型等特点，满足了电子产品小、轻、便于携带的要求，因而得到广泛应用。电子元件不断发展革新，轻量化和小型化是必然的发展趋势。使用新型轻质材料固然是一方面，更先进的材料连接技术，也是影响轻量化的重要因素之一。近年来兴起的自冲铆、无铆钉铆接技术和粘接技术，非常有效地降低了材料接头的质量，推动了轻量化技术的发展。
然而，在小型元件中使用自冲铆使用的铆钉会给接头增加额外的质量并增大接头尺寸；无铆钉铆接接头存在金属的大变形和残余应力，在后续使用过程中容易造成接头的疲劳损伤；粘接剂在常温下延展性差，充分固化后呈现为脆性，容易造成接头的脆性断裂。因此，需要改进材料的连接方式，在实现轻量化的同时进一步提高接头的性能。
胶铆连接技术，是在无铆钉铆接技术的基础上，结合粘接技术所实现的。胶铆连接这一新工艺可以改善接头质量，在加热状态下铆接，可以加快胶粘剂固化，利于接头成形。这样的胶铆接头，既结合了铆接的高强度特性，也保持了粘接剂的吸能特性。但是胶铆在铆接过程中可能出现胶层破裂、脱粘等现象，需要进一步改进。激光冲击铆接的新技术，是利用激光冲击瞬时产生的极高能量，诱发爆炸产生等离子体作用于材料，使材料发生相应的变形。激光作用的时间极短，产生的爆炸粒子体可以充当无铆钉铆接的凸模。将上述连接技术相结合，可以作为非金属材料和金属材料连接的新方式。因此，激光冲击作用下的胶铆连接技术，可以对异种材料的接头性能有很大的提高。
发明内容
本发明设计开发了一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接装置，通过激光发生器与激光冲击层配合对板材进行铆接，并对初步得到的接头进行二次固化，能够克服现有金属与非金属材料连接困难、尺寸过大的问题，提高接头质量。
本发明还设计开发了一种金属与非金属材料激光冲击胶铆链接方法，通过对激光冲击得到的初步成型的接头进行加压、加热和降温处理，提高接头质量，克服接头尺寸过大易产生电腐蚀的问题。
本发明提供的技术方案为：
一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接，包括：
凹模；
压边圈，其设置在所述凹模的顶部；
激光冲击层，其设置在所述压边圈内，并位于所述凹模的顶部；
激光发生器，其支撑设置在所述压边圈的顶部；
至少一个第一连接孔，其开设在所述激光冲基层上；
至少一个第二连接孔，其开设在所述压边圈顶部；
至少一根连接管，其一端依次穿过所述第二连接孔和所述第一连接孔后设置在所述凹模内；
压力调节机构，其与所述连接管的另一端相连通，用于向所述连接管内输送气体；
冷却水腔，其设置在所述凹模的下部；
加热器，其设置在所述凹模的外部；
其中，所述激光发生器、所述压边圈、所述激光冲击层以及所述凹模的中心线均位于同一直线上。
优选的是，还包括：
金属板材层，其设置在所述凹模上；
非金属板材层，其设置在所述金属材料层上；
胶粘剂层，其设置在所述金属材料层和所述非金属材料层之间；
其中，所述压边圈设置在所述非金属材料层上。
优选的是，所述第一连接孔和所述第二连接孔的数量均为两个，并对称设置，所述连接管的数量为两根。
优选的是，所述两个第一连接孔之间的距离小于所述凹模型腔的宽度。
优选的是，所述激光冲击层包括：
吸收层，其设置在所述非金属板材上；
约束层，其设置在所述吸收层上。
优选的是，所述金属板材层的材质为铝板，所述非金属板材层的材质为塑料板。
一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接方法，使用所述的金属与非金属材料激光冲击胶铆连接装置，并包括：
步骤一、将待铆接板材机构放置在凹模上，进行初步固化；
步骤二、启动激光发生器，在常压下进行激光冲击铆接，向型腔内冲入惰性气体，得到初步成型的铆接板材；
步骤三、使用外部加热设备对初步成型的铆接板材加热，使粘接剂融化，并在压力下充分流动，得到成型的铆接板材；
步骤四、对成型的铆接板材进行降温，使胶粘剂二次固化，冷却后得到成品铆接板材。
优选的是，所述待铆接板材机构包括：钢板层、铝板层以及胶粘剂层。
优选的是，所述钢板层和所述铝板层均为正方形结构，且边长为60mm，所述胶粘剂层的厚度为0.5mm。
优选的是，所述成型的铆接板材通过冷却水进行降温，并通过调节冷却水的流量控制胶粘剂层的固化时长，所述冷却水的流量调节经验公式为：
Figure GDA0003299373000000031
其中，TH为环境温度，TR为非金属板材的温度，TW为冷却水的初始温度，TL为铝板的温度，h为胶层厚度，P0为型腔内初始压力，Pmax型腔内的最大压力，Pmin为型腔内的最小压力，Qv为设定的基础冷却水流量。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的激光胶铆连接装置，结合了无铆钉铆接和粘接的优点，既可以达到无铆钉铆接的强度，同时具有粘接的质量轻、接头小的优点。
2、本发明所述的激光胶铆连接方法，在作用过程中，非金属材料和胶层在高温作用下容易变形，可以充分释放残余应力，避免常温铆接带来的材料损伤等问题。
3、本发明所述的激光冲击铆接方法，使用激光爆炸作为凸模，不需要金属凸模，避免了更换冲头的成本和冲头磨损造成的不良影响。且激光发射的能量、光斑直径可以便捷地调节，改变接头尺寸时可以随时调整光斑大小，而不用制造新的冲头。激光加载能量可以根据需要调整加载方式，例如按照正弦函数或者幂函数等的形式进行加载，可以逐步诱发等离子体爆炸冲击板件成型，避免短时间内急促的大变形损坏常温下较脆的非金属板材。
4、本发明所述的激光冲击胶铆方法，是在粘接后再进行铆接，在两种板材之间隔着粘接剂，在使用过程中粘接剂既可以作为冲击吸能的部分，又可以隔绝两种材料，避免产生互相作用或者电化学腐蚀。
5、本发明所述的激光冲击胶铆方法中二次加热了胶层，胶层与非金属材料可以在加热冷却过程中紧密结合，并填充进非金属材料在成型过程中产生的微小缝隙。
6、本发明所述的激光冲击胶铆流程中，使用惰性气体作为保护气，既避免了非金属在高温作用下与空气中的氧气等发生化学反应、降低使用寿命，又避免了激光冲击作用诱发的等离子体与空气的相互作用。
附图说明
图1为本发明所述的待铆接机构未经过激光冲击胶铆连接装置处理的结构示意图。
图2为本发明所述的待铆接机构经过激光冲击胶铆连接装置处理的结构示意图。
图3为本发明所述的激光冲击胶铆连接方法的流程图。
图4(a)为本发明所述的激光冲击胶铆连接方法预处理粘接时胶粘剂层与铆接区域的示意图
图4(b)为本发明所述的待焊接机构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-4所示，本发明提供一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接装置，包括：凹模100、金属板材层210、胶粘剂层220、非金属板材层230、吸收层310、约束层320、第一连接孔330、压边圈400、第二连接孔410、激光发生器500。
凹模100水平放置，并具有向上开口的凹口，待铆接板材机构放置在凹模100上，并覆盖凹口，压边圈400设置在待铆接板材机构上，激光冲击层设置在压边圈400内部，激光发生器500支撑设置在压边圈400的顶部；其中，激光发生器500、激光冲击层、待焊接板材以及凹模的中心线位于同一直线上。在激光冲击层上，开设有第一连接孔330，在压边圈400顶部，开设有第二连接孔410，连接管的一端依次穿过第二连接孔410和第一连接孔330后，通过压力调节机构为铆接后初步成型的接头与激光冲基层之间的型腔内输送惰性气体，进而使胶粘剂流动充分。
待铆接板材包括：金属板材层210、胶粘剂层220以及非金属板材层230，待焊接板材的金属板材层210设置在凹模100上，并覆盖住凹模的凹口，非金属板材层230设置在金属板材层210上，在金属板材层210和非金属板材层230之间设置有胶粘剂层220。
在本发明中，作为一种优选，金属板材层210为铝板，非金属板材层230为热塑性塑料板，金属板材层210和非金属板材层230均为正方形，并且边长为60mm。
如图4(a)和4(b)所示，在进行铆接前，胶粘剂层与铆接区域面积有所不同，图4(a)中所示的点化线方框即为预处理时的涂胶的区域，中间的点化线圆R1表示对应发生铆接变形的区域，点化线圆R2表示在激光作用下，胶层受到激光的热和能量影响的区域。由于预处理中胶层的面积大于后续铆接的接头面积，受到激光热影响部分的胶层在流动变化时，未受到影响的胶层(R1与R2形成的圆环部分)仍然处于固化状态，将R1中的胶约束在接头部分而不溢出。
压边圈400设置在非金属材料层230上，激光冲基层设置在压边圈400内，同时也位于非金属材料层230上，激光冲基层包括约束层320和吸收层310，吸收层310紧贴非金属材料层230，约束层320压紧吸收层，限制激光能量的冲击空间。
在激光冲击层上，开设有第一连接孔330，在本发明中，作为一种优选第一连接孔330的数量为两个，两个第一连接孔330对称设置，并贯穿约束层和吸收层，并且，两个第一连接孔330之间的距离小于凹口的宽度。
压边圈400的顶部开设有第二连接孔410，在本发明中，作为一种优选，第二连接孔410的数量为两个，并对称设置。
在本发明中，作为一种优选，连接管的数量为两根，连接管的一端依次分别穿过第二连接孔410和第一连接孔330后，设置在凹模100的凹口内，另一端连接惰性压力调节机构，用于为铆接接头输送惰性气体，形成压力，使胶粘剂层充分流动。
激光发生器500支撑设置在压边圈400的顶部，其中，激光发生器500、激光冲基层、待铆接机构以及凹模的中心线位于同一平面上，以确保待铆接机构的中心正对凹模和激光发生器的中心。
本发明还提供一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接方法，通过对激光冲击得到的初步成型的接头进行加压和加热处理，实现接头的二次固化，提高接头质量，克服接头尺寸过大易产生电腐蚀的问题，包括：
步骤一、将待铆接板材机构放置在凹模上，进行初步固化；
步骤二、启动激光发生器，在常压下进行激光冲击铆接，向型腔内冲入惰性气体，得到初步成型的铆接板材；
步骤三、使用外部加热设备对初步成型的铆接板材加热，使粘接剂融化，并在压力下充分流动，得到成型的铆接板材；
步骤四、对成型的铆接板材进行降温，使胶粘剂二次固化，冷却后得到成品铆接板材。
当对待铆接机构进行激光冲击铆接时，具体包括：
步骤1、准备边长为60mm，厚度1mm的正方形铝板和热塑性塑料板，用砂纸打磨后，铝板在下塑料板在上，并放置在凹模上，进行初步粘接固化，保持胶层厚度为0.5mm；
步骤2、启动激光发生器，在常压下进行铆接；考虑到热塑性塑料板快速受热后会发生反应，所以在加载激光时，将机关能量按照正弦函数的形式，由零开始缓慢加载，缓慢诱发粒子爆炸，冲击塑料板的表面，此时胶层吸收塑料板传递的能量，防止热塑性塑料板温度过高(为了防止塑料成分中氧化的部分在高温下与空气发生反应，通过吸收层和约束层向成型的型腔内注入惰性气体作为保护气)，得到初步成型的铆接板材；
步骤3、使用外部加热设备对初步成型的板材加热，加热温度保持在胶粘接层的玻璃转化温度之上、热塑性塑料板的玻璃转化温度之下；此时非固态的胶粘剂层可以缓慢流动，释放出残余应力，在加热温度下胶粘剂流动渗透填补热塑性塑料板在成型中可能产生的表面裂纹，与热塑性塑料板更紧密的结合，强化胶粘剂对上下板材的连接作用；
在加热温度下，热塑性塑料板和胶粘剂层容易改变状态，为了促使进一步成型，先升高吸收层和约束层的温度，向板材接头形成的型腔内输入惰性气体，使板材接头和胶粘剂被挤压的更加均匀，得到成型的铆接板材；
步骤4、撤去加热装置，使用外部冷却装置为板材接头进行降温，铝板在热胀冷缩的作用下不断缩小，内部的热塑性塑料板和胶粘剂在惰性气体的压力作用下保持不变的状态，接头的尺寸进一步缩小，材料分布也更加均匀化；铝板的热量逸散，胶粘剂层和塑料板也逐渐升温，能量通过铝板传递至冷却装置，降温使得胶粘剂层得以二次固化；冷却后去除铆接好的板材，得到成品铆接板材。
在本发明中作为一种优选，通过冷却水为板材接头进行降温；并通过调节冷却水留的流量控制胶粘剂层的固化时间。
其中，冷却水的流量调节经验公式为：
Figure GDA0003299373000000081
式中，TH为环境温度，TR为非金属板材的温度，TW为冷却水的初始温度，TL为铝板的温度，h为胶层厚度，P0为型腔内初始压力，Pmax型腔内的最大压力，Pmin为型腔内的最小压力，Qv为设定的基础冷却水流量。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种金属与非金属材料激光冲击胶铆连接方法，其特征在于，所述的金属与非金属材料激光冲击胶铆连接装置，包括：
凹模；
压边圈，其设置在所述凹模的顶部；
激光冲击层，其设置在所述压边圈内；
激光发生器，其支撑设置在所述压边圈的顶部；
至少一个第一连接孔，其开设在所述激光冲击层上；
至少一个第二连接孔，其开设在所述压边圈顶部；
至少一根连接管，其一端依次穿过所述第二连接孔和所述第一连接孔后设置在所述凹模内；
压力调节机构，其与所述连接管的另一端相连通，用于向所述连接管内输送气体；
冷却水腔，其设置在所述凹模的下部；
加热器，其设置在所述凹模的外部；
其中，所述激光发生器、所述压边圈、所述激光冲击层以及所述凹模的中心线均位于同一直线上；
金属板材层，其设置在所述凹模上；
非金属板材层，其设置在所述金属材料层上；
胶粘剂层，其设置在所述金属材料层和所述非金属材料层之间；
其中，所述压边圈设置在所述非金属材料层上；
所述第一连接孔和所述第二连接孔的数量均为两个，并对称设置，所述连接管的数量为两根；
所述两个第一连接孔之间的距离小于所述凹模型腔的宽度；
所述激光冲击层包括：
吸收层，其设置在所述非金属板材上；
约束层，其设置在所述吸收层上；
所述金属板材层的材质为铝板，所述非金属板材层的材质为塑料板；
所述的金属与非金属材料激光冲击胶铆连接方法，包括：
步骤一、将待铆接板材放置在凹模上，进行初步固化；
步骤二、启动激光发生器，在常压下进行激光冲击铆接后，得到初步成型的铆接板材；
步骤三、对所述初步成型的铆接板材加热，使粘接剂融化，向型腔内充入惰性气体，使融化后的粘接剂在惰性气体的压力下充分流动，得到成型的铆接板材；
步骤四、通过冷却水腔对所述成型的铆接板材进行降温，使胶粘剂二次固化，冷却后得到成品铆接板材；
所述成型的铆接板材通过冷却水进行降温，并通过调节冷却水的流量控制胶粘剂层的固化时长，所述冷却水的流量调节经验公式为：
Figure FDA0003299372990000021
其中，TH为环境温度，TR为非金属板材的温度，TW为冷却水的初始温度，TL为铝板的温度，h为胶层厚度，P0为型腔内初始压力，Pmax型腔内的最大压力，Pmin为型腔内的最小压力，Qv为设定的基础冷却水流量。
2.根据权利要求1所述的金属与非金属材料激光冲击胶铆连接方法，其特征在于，所述待铆接板材包括：钢板层、铝板层以及胶粘剂层。
3.根据权利要求2所述的非金属材料激光冲击胶铆连接方法，其特征在于，所述钢板层和所述铝板层均为正方形结构，且边长为60mm，所述胶粘剂层的厚度为0.5mm。
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