一种激光加载下增强箔材连接强度的装置及方法与流程

本发明属于机械制造中激光冲击焊接领域及金属箔材变形连接技术领域，尤其是涉及一种激光加载下增强箔材连接强度的装置及方法。

背景技术：

近年来微器件在电子产品、生物、医疗器械、精密仪器等产业应用越来越广泛，产品的微型化成为制造业的一个重要的趋势，与之相关的金属箔材连接技术研究显得越发重要。新型轻量化金属箔材以其品种、性能的多样性，广泛的适用性以及巨大的应用潜力，正在为人类社会的发展发挥越来越大的作用。然而，传统的金属箔材连接技术已经无法满足应用于微零件的新型金属箔材的发展需求。解决好应用于微零件的两层同种或异种新型金属箔材的连接问题，对于现代工业产品的质量提高和成本降低具有重要意义。

目前箔材的连接方法有很多，包括焊接与铆接等，但都为单一形式的连接。如：申请号为200810014018.1的中国专利提出了一种超薄板材脉冲激光微铆接方法及其专用装置，其过程为：在一块板上预先冲孔，另一块板压在该块板上，激光作用于上板材形成柔性凸模，在孔的位置将两层板材铆接在一起。该发明提供了一种无铆钉、能保证板的密封性要求的铆接方法，但由于其需对板材预先冲孔，所以效率较低，而且其刚性垫板为平面，不利于材料向两侧流动；此外，常温下金属板材的塑性较低，材料流动性较差，会导致板材很难塑性变形，进而很难铆接在一起，造成板材之间的连接强度不高；另外，仅有铆接一种连接方式，也会导致连接强度不高。申请号为201010142235.6的中国专利提出了一种激光点焊的方法及激光焊接产品，其过程为：调整工件的位置，使工件的弯曲处贴合，在工件的弯曲处直接进行激光点焊。该发明能减弱在点焊过程中在该工件产生的背痕，使该工件或由该工件所构成产品的外表更加美观，但是这种加工方法，需要预先将工件弯曲，所以效率低；此外所需激光能量高，持续时间长，所以耗能；另外，仅有点焊一种连接方式，会导致连接强度不高。

技术实现要素：

针对现有技术中金属板材连接存在的上述问题，本发明提供了一种激光加载下增强箔材连接强度的装置及方法，同时实现了两层同种或异种箔材的焊接和卡接，本方法无需在箔材上预先冲孔，确保了连接部位的密封性，提高了生产效率，而且本方法中下模的中央处有一正方形槽，槽的中央处有一半球体，更有利于工件材料向外侧流动，卡接效果更好；本方法在基箔下方设有加热板，对基箔加热，提高了基箔材料塑性，有利于提高箔材之间的冲击焊接强度，也有利于焊接后的复箔和基箔在模具中材料流动，进而提高箔材之间的卡接强度；两层箔材经过了焊接和卡接两种形式的连接方式后，连接强度得到双重保证；另外，整个过程只需脉冲激光进行单次冲击，所需能量较小，节省加工成本。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的，一种激光加载下增强箔材连接强度的装置，包括激光加载系统、控制系统、焊接系统、卡接系统和三维移动平台系统；

所述三维移动平台系统包括L型底座和三维移动平台；所述三维移动平台安装在L型底座上面，所述三维移动平台为左边具有台阶的L型平台；

所述激光加载系统包括聚焦透镜、透镜支架、透镜高度调节器、反射镜、脉冲激光器；反射镜位于聚焦透镜的上方，聚焦透镜通过透镜支架与透镜高度调节器连接，透镜高度调节器安装在L型底座的侧边上，并位于激光经反射镜反射后的光路上；

所述控制系统包括计算机、激光控制器、气压控制器和三维移动平台控制器；所述激光控制器、气压控制器和三维移动平台控制器的一端均与计算机电连接；所述激光控制器另一端与脉冲激光器电连接；所述气压控制器另一端与气缸电连接；所述三维移动平台控制器另一端与三维移动平台电连接；

所述焊接系统包括吸收层、约束层高度调节器、约束层支架和约束层，所述约束层通过约束层支架和约束层高度调节器连接，约束层高度调节器垂直安装在L型底座的侧边上，所述约束层位于聚焦透镜的下方；

所述卡接系统包括气缸、驱模装置、上模和下模；所述气缸和驱模装置安装在三维移动平台左端的台阶上，所述下模安装在三维移动平台右端上，所述上模安装在下模上；

所述上模包括活动上模和固定上模；所述活动上模和固定上模合拢时，中间有一圆形孔，圆形孔处的截面为半圆弧；所述活动上模的左端与驱模装置铰接；所述固定上模上有两个对称布置的孔；所述下模的中央处有一正方形槽，槽的中央处有一半球体，半球体与正方形槽表面之间为圆弧过渡，下模的左端与活动上模的底部滑动连接，下模的右端与固定上模固定连接。

上述方案中，还包括温热系统；所述温热系统包括加热板，所述加热板位于三维移动平台的右端，所述下模位于加热板的上面；所述控制系统还包括温热控制器，温热控制器的两端分别与计算机和加热板电连接。

上述方案中，所述驱模装置为对称装置，包括活塞杆、上短杆、下短杆、上三角块、下三角块、上长杆和下长杆；

所述活塞杆为T型，其左端与气缸相连，右端的上、下分别与上短杆、下短杆通过铰链相连；上短杆的另一端、下短杆的另一端分别与上三角块的C角、下三角块的C’角通过铰链相连；上三角块的A角和下三角块的A’角都通过销钉固定在三维移动平台上，并可绕销钉旋转；上三角块的B角和下三角块的B’角分别与上长杆左端和下长杆左端通过铰链相连；上长杆的右端和下长杆的右端都通过铰链分别与活动上模的左端相连。

上述方案中，所述活动上模下表面有两根对称布置的截面为燕尾形的导轨；所述下模的左端有两个与上模导轨相配合的燕尾槽，导轨安装在燕尾槽内、且可在燕尾槽内滑动。

上述方案中，所述固定上模上有两个对称布置的孔；所述下模的右端有两个与固定上模的孔相配合的固定销，固定销可分别插入固定上模上的孔中。

一种激光加载下增强箔材连接强度的方法，包括以下步骤：

S1、将复箔和基箔进行预处理；

S2、将吸收层镀在约束层的下表面，将步骤S1中预处理的复箔贴在吸收层的下表面；将基箔放在上模的中心处；调节复箔和基箔之间的距离；

S3、调节温热控制器，使得加热板的温度达到150～300℃，继而使得基箔的温度升高，保温2～3min；

S4、调节透镜高度调节器使激光聚焦在步骤S2中的吸收层上，调节光斑直径；控制激光单次冲击，激光到达吸收层表面，吸收层表面部分被气化和电离后产生高温高压等离子体，等离子体迅速向外喷溅膨胀，其反作用力可形成强冲击波，复箔在冲击波作用下，高速撞击到基箔上，实现冲击焊接，焊接在一起的复箔和基箔继续在冲击波作用下，向下飞行，在上模和下模的约束下，进而实现卡接，从而完成激光加载下箔材的焊接和卡接的过程；

S5、完成一次激光加载下箔材的焊接和卡接之后，计算机控制气压控制器，气压控制器控制气缸收缩，使得活动上模左移，取出连接在一起的工件；计算机再次控制气压控制器，气压控制器控制气缸伸出，使得活动上模右移，当活动上模和固定上模合拢时，驱模装置形成自锁，此时可撤去气压缸的气压，进入下一次激光加载下箔材的焊接和卡接的过程。

上述方案中，所述约束层为K9玻璃，在复箔和基箔下方有加热板，温度较高，玻璃可起到耐高温的作用。

上述方案中，所述吸收层为铝箔。

上述方案中，所述复箔的厚度为20um～40um，基箔的厚度为50um～100um。

上述方案中，所述复箔和基箔为同种或异种金属材料。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明通过加载激光，对两层箔材同时进行冲击焊接和卡接，同时实现了两种形式的焊接，连接强度得到了双重保证；另外，在温热条件下，通过对基箔预热，提高其塑性，有利于基箔与复箔之间的冲击焊接，也有利于焊接后的复箔和基箔在模具中材料流动，进而有利于箔材之间的卡接；此外，本发明中的驱模装置能驱动活动上模左右移动，并能起到自锁作用，提高了工作效率。

附图说明

图1是本发明一实施方式的激光加载下增强箔材连接强度的装置的结构示意图；

图2是本发明一实施方式的中驱模装置的结构示意图；

图3是本发明一实施方式的中上模和下模的组合图；

图4是本发明一实施方式的中上模和下模的爆炸图；

图5是本发明一实施方式的焊接准备开始的过程示意图；

图6是本发明一实施方式的强冲击波使复箔撞击到基箔的焊接过程示意图；

图7是本发明一实施方式的复箔和基箔完成焊接向下飞行进入上模的过程示意图；

图8是本发明一实施方式的复箔和基箔进行卡接的过程原理图。

图中，1-L型底座，2-三维移动平台，3-加热板，4-下模，5-上模，6-基箔，7-复箔，8-吸收层，9-约束层高度调节器，10-约束层支架，11-约束层，12-透镜高度调节器，13-透镜支架，14-聚焦透镜，15-反射镜，16-脉冲激光器，17-激光控制器，18-计算机，19-气压控制器，20-温热控制器，21-三维移动平台控制器，22-气缸，23-驱模装置，24-活动上模，25-上长杆，26-上三角块，27-上短杆，28-活塞杆，29-下短杆，30-下三角块，31-下长杆，32-固定上模，33-冲击波。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示为本发明所述激光加载下增强箔材连接强度的装置的一种实施方式，所述激光加载下增强箔材连接强度的装置包括激光加载系统、控制系统、温热系统、焊接系统、卡接系统和三维移动平台系统。

所述三维移动平台系统包括L型底座1和三维移动平台2；所述三维移动平台2安装在L型底座1上面，所述三维移动平台2为L型。

所述激光加载系统包括聚焦透镜14、透镜支架13、透镜高度调节器12、反射镜15和脉冲激光器16；反射镜15位于聚焦透镜14的上方，聚焦透镜14通过透镜支架13与透镜高度调节器12连接，透镜高度调节器12安装在L型底座1的侧边上，并位于激光经反射镜15反射后的光路上；

所述控制系统包括计算机18、激光控制器17、气压控制器19、温热控制器20和三维移动平台控制器21；所述激光控制器17、气压控制器19、温热控制器20、三维移动平台控制器21均与计算机18电连接；所述激光控制器17与脉冲激光器16电连接，用于控制脉冲激光器16的工作状态；所述气压控制器19与气缸22电连接，用于控制气缸22的伸缩；所述温热控制器20与加热板3电连接，用于控制加热板3的加热温度；所述三维移动平台控制器21与三维移动平台2电连接，用于控制三维移动平台2的移动。

所述温热系统包括加热板3，用于对基箔6进行预热。所述加热板3位于三维移动平台2的右端，三维移动平台2左端的台阶用来支撑气缸22和驱模装置23。

所述焊接系统用于对复箔7和基箔6的冲击焊接，包括吸收层8、约束层高度调节器9、约束层支架10和约束层11；所述约束层11通过约束层支架10和约束层高度调节器9连接，约束层高度调节器9垂直安装在L型底座1的侧边上，且所述约束层11位于聚焦透镜14的下方。复箔7贴在吸收层8的下表面，通过调节约束层高度调节器9来间接地调节复箔7和基箔6之间的距离。

所述卡接系统用于对焊接在一起的复箔7和基箔6进行卡接，包括气缸22、驱模装置23、上模5和下模4，所述气缸22和驱模装置23安装在三维移动平台2左端的台阶上，所述下模4安装在加热板3上，所述上模5安装在下模4上，基箔6放在上模5的中心处。

如图2所示，所述驱模装置23为对称装置，包括活塞杆28、上短杆27、下短杆29、上三角块26、下三角块30、上长杆25和下长杆31。当活塞杆28右移时，带动活动上模24向固定上模32移动，当活动上模24和固定上模32合拢时，上三角块26的AB边、下三角块30的A’B’边分别与上长杆25、下长杆31共线，形成自锁，此时可撤去气压缸的气压；所述活塞杆28为T型，其左端与气缸22相连，右端的上、下分别与上短杆27、下短杆29通过铰链相连；上短杆27的另一端、下短杆29的另一端分别与上三角块26的C角、下三角块30的C’角通过铰链相连；上三角块26的A角和下三角块30的A’角都通过销钉固定在三维移动平台2上，并可绕销钉旋转；上三角块26的B角和下三角块30的B’角分别与上长杆25左端和下长杆31左端通过铰链相连；上长杆25的右端和下长杆31的右端都通过铰链与活动上模24的左端相连。

如图3和图4所示，所述上模5包括活动上模24和固定上模32。当活动上模24和固定上模32合拢时，中间有一圆形孔，圆形孔处的截面为半圆弧；所述活动上模24的左端边缘有两个对称布置的铰链孔，分别与上长杆25和下长杆31的右端连接，且其下表面有两根对称布置的截面为燕尾形的导轨；所述固定上模32上有两个对称布置的孔；所述下模4的中央处有一正方形槽，槽的中央处有一半球体，半球体与正方形槽表面之间为圆弧过渡，下模4的左端有两个与上模24导轨相配合的燕尾槽，且下模4的右端有两个与固定上模32的孔相配合的固定销。

本发明还提供一种激光加载下增强箔材连接强度的方法，具体包括以下步骤：

S1、用粗砂纸对复箔7和基箔6表面进行打磨，去掉表面的氧化层，然后再用细砂纸对其打磨抛光，最后用酒精清洗表面，使得复箔7和基箔6的表面清洁光滑；所述复箔7的厚度为20um～40um，基箔6的厚度为50um～100um；所述复箔7和基箔6为同种或异种金属材料；

S2、将3mm厚的K9玻璃作为约束层11，在约束层11的下表面镀上一层铝箔，作为吸收层8，将步骤S1中预处理的复箔7贴在吸收层8的下表面；将基箔6放在上模5的中心处；约束层11、约束层支架10和约束层高度调节器9三者相连并安装在L型底座1上，通过调节约束层高度调节器9来间接地调节复箔7和基箔6之间的距离；

S3、调节温热控制器20，使得加热板3的温度达到150～300℃，继而使得基箔6的温度升高，保温2～3min；

S4、调节聚焦透镜14高度调节器12使激光聚焦在步骤S2中的吸收层8上，调节光斑直径；控制激光单次冲击，激光到达吸收层8表面，吸收层8表面部分被气化和电离后产生高温高压等离子体，等离子体迅速向外喷溅膨胀，其反作用力可形成强冲击波33，复箔7在冲击波33作用下，高速撞击到基箔6上，实现冲击焊接，焊接在一起的复箔7和基箔6继续在冲击波33作用下，向下飞行，在上模5和下模4的约束下，进而实现卡接，从而完成激光加载下箔材的焊接和卡接的过程；

S5、完成一次激光加载下箔材的焊接和卡接之后，计算机18控制气压控制器19，气压控制器19控制气缸22收缩，使得活动上模24左移，取出连接在一起的工件；计算机18再次控制气压控制器19，气压控制器19控制气缸22伸出，使得活动上模24右移，当活动上模24和固定上模32合拢时，驱模装置23形成自锁，此时可撤去气压缸的气压；由此进入下一次激光加载下箔材的焊接和卡接的过程。

图5、图6、图7为激光加载下箔材的焊接过程，其过程如下：

控制激光单次冲击，激光到达吸收层8表面，吸收层8表面部分被气化和电离后产生高温高压等离子体，等离子体迅速向外喷溅膨胀，其反作用力可形成强冲击波33，复箔7在冲击波33作用下，高速撞击到基箔6上，实现冲击焊接。

图7、图8为激光加载下箔材的卡接过程，其过程如下：

焊接在一起的复箔7和基箔6继续在冲击波33作用下，向下飞行，在上模5和下模4的约束下，进而实现卡接，从而完成激光加载下箔材的焊接和卡接的过程。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。