一种基于激光冲击的金属薄板变形连接装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工制造及金属薄板材料变形连接技术领域，尤其是一种基于激光冲击的金属薄板变形连接装置及其方法。
【背景技术】
[0002]随着现代工业技术的快速发展，科学技术发展的日新月异，先进制造理念的推陈出新，越来越多具有轻、薄、短、小、多功能特点的微零件产品被广泛应用于航空航天、精密仪器、生物和医疗器械、电信电子以及国防等多个领域，产品的微型化也成为了工业制造业发展的一个重要趋势。同时随着市场对微零件品质的精益求精，在制作材料的选择上，也越来越倾向于高强度钢、铝合金、镁合金等新型轻量化金属材料。新型轻量化金属材料以其品种、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，传统的金属板件连接技术已经无法满足应用于微零件的新型金属薄板材料的发展需求。解决好应用于微零件的两层或多层、同种或异种新型金属薄板的连接问题，对于现代工业产品的质量提高和成本降低至关重要。
[0003]申请号为201210284363.3的中国专利提出了一种复合金属板材焊接方法，依次经过开坡口、预热、焊接、冷却等步骤实现复合金属板材同种金属间的焊接，其焊接接头成型良好、无焊接缺陷、抗拉强度高，但是这种加工方法能耗高，焊接过程复杂导致生产效率低下，并且容易造成热应力变形，降低了板材的疲劳强度。该方法对有镀层的板材、材质相异的板材以及三层以上的多层板材，很难或无法实行焊接。申请号为201210070099.3的中国专利提出了一种金属板材铆接办法，包括冲孔和铆接两步骤，首先分别在待铆接的两块板材上冲出一大一小两个通孔，然后通过模具的冷挤压将上板材的自身材料压到下板材的铆接孔中，从而达到铆接两块板材的目的。该方法可以实现异种板材之间的连接，提高了铆接点的连接强度，但无法确保铆接过程中两个半径不同的通孔同心放置，而且需要在两块板材上分别冲孔，破坏了连接部位的密封性，同时也降低了生产效率。申请号为201420428049.2的中国专利提出了一种用于薄板变形连接的瓣合式模具，通过凸模和凹模的配合，在挤压过程中两块薄板的材料发生流动，形成一个相互镶嵌的内锁结构。该方法解决了连接部位密封性的问题，分瓣模的扩展增大了内部变形空间，在一定程度上提高了板材的连接强度，但是微冲头的制造成本高、难度大，使得该方法难以应用于微尺寸下金属薄板材料的连接。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中金属薄板连接存在的上述问题，本发明提供了一种基于激光冲击的金属薄板变形连接装置及其方法，实现了两层或多层、同种或异种金属薄板的变形连接，本方法无需在待连接的金属薄板上预先冲孔，确保了连接部位的密封性，提高了生产效率，采用脉冲激光作为能量源，只需要凹模，并且组合凹模增大了金属薄板之间的卡结量，极大地提高了连接强度。
[0005]本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0006]—种基于激光冲击的金属薄板变形连接装置，其特征在于，包括激光发射系统、控制系统和变形连接系统；
[0007]所述激光发射系统由底座、透镜支架、脉冲激光器、反射镜、可调聚焦透镜组成；透镜支架固定在底座上，可调聚焦透镜安装在透镜支架上并位于经反射镜反射后的激光光路上;
[0008]所述变形连接系统由三维移动平台、自动开关模装置、组合凹模、工件系统、压边装置组成，三维移动平台置于底座上方；所述组合凹模由左凹模、载物台、右凹模组成；左凹模、右凹模并列相邻放置，左凹模、右凹模相邻的一侧上均具有一斜面，所述左凹模、右凹模的斜面上分别设有两条导轨，所述左凹模、右凹模的底面上分别设有一条导轨，所述左凹模、右凹模的相邻的一侧面上设有延伸至所述斜面的第一凹槽；载物台上部的截面为等腰梯形，所述等腰梯形或等腰三角形部的腰上设有两条第二凹槽，所述左凹模、右凹模斜面上的导轨装配在所述载物台上的第二凹槽内，所述载物台的下表面加工有螺纹孔；
[0009]所述自动开关模装置由单杆双作用液压缸和基座组成；所述基座的截面呈“几”字形状，通过螺栓紧固在三维移动平台上，基座的上表面中心处加工有一圆形通孔及一条贯通左右两侧的第三凹槽，所述左凹模、右凹模底面上的导轨装配在所述第三凹槽内；所述单杆双作用液压缸位于基座下部并固定在三维移动平台上，单杆双作用液压缸的活塞杆上加工有外螺纹，活塞杆穿过基座上的圆形通孔与载物台上的螺纹孔螺纹连接；所述工件系统由从上到下依次排列的约束层、吸收层、第一待连接金属薄板以及第二待连接金属薄板组成；所述工件系统放置在组合凹模上、并通过压边装置固定；
[0010]所述控制系统由激光控制器、计算机、液压控制系统、三维移动平台控制器组成；所述激光控制器、液压控制系统及三维移动平台控制器均与计算机相连接；所述激光控制器与脉冲激光器相连接，用于控制脉冲激光器的工作状态；三维移动平台控制器与三维移动平台相连，用于控制三维移动平台的移动；所述液压控制系统与单杆双作用液压缸相连，用于控制单杆双作用液压缸的伸缩。
[0011]优选地，所述组合凹模尺寸为5_X3_X2mm。
[0012]优选地，所述导轨、第二凹槽、第三凹槽的截面均为燕尾形。
[0013]优选地，第一凹槽的截面为半圆形、矩形或正方形。
[0014]优选地，斜面与水平面之间的夹角均为30°，所述载物台上部的等腰梯形的腰与水平面的夹角也为30°。
[0015]优选地，所述左凹模、右凹模斜面上的导轨在同一平面内，左凹模、右凹模的底部的燕尾形导轨位于同一条直线上。
[0016]所述的基于激光冲击的金属薄板变形连接装置用于变形连接金属薄板的方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0017]S1:通过螺栓将单杆双作用液压缸紧固在三维移动平台上，单杆双作用液压缸的活塞杆穿过基座中心的圆形通孔后，将基座固定安装在三维移动平台上；载物台底部的螺纹孔与单杆双作用液压缸活塞杆通过螺纹连接；左凹模、右凹模底面上的导轨分别从基座上的第三凹槽的左右两端滑入，利用计算机通过液压控制系统控制单杆双作用液压缸活塞杆伸出，抬升载物台的位置使得载物台的下表面高于左右凹模的上表面，然后再控制活塞杆缩回使载物台缓慢下降，在载物台缓慢下降的同时，将左凹模、右凹模缓慢靠近载物台、并将左凹模、右凹模斜面上的导轨滑入载物台上的第二凹槽内，从而完成载物台与左凹模、右凹模之间的配合；载物台的下表面与基座的上表面相接触时，左凹模、右凹模实现自动定位；利用计算机通过三维移动平台控制器控制三维移动平台的移动，使得组合凹模上第一凹槽的中心位于激光光路上；
[0018]S2:将第一待连接金属薄板及第二待连接金属薄板依次放置在约束层、吸收层下部构成工件系统；将工件系统放在组合凹模上，并使用压边装置对工件系统施加压边力以固定;
[0019]S3:调整反射镜与可调聚焦透镜，利用计算机通过激光控制器控制脉冲激光器发出激光。激光经过反光镜和可调聚焦透镜的作用辐照到工件系统上，激光透过透明的约束层到达吸收层表面，吸收层表面部分被汽化和电离后产生高温高压等离子体，等离子体快速地向外喷溅膨胀，其反作用力可形成强冲击波，在强冲击波与组合凹模的共同作用下，两层薄板发生超速塑性变形，从而完成基于激光冲击的金属薄板变形连接过程；
[0020]S4:完成金属薄板变形连接之后，压边装置卸去压边力；计算机控制液压控制系统，液压控制系统控制单杆双作用液压缸的活塞杆伸出，顶着载物台向上运动，即控制左凹模与右凹模沿着基座上表面的燕尾槽同时向外运动，从而自动打开组合凹模；取出加工完成的工件系统；计算机向液压控制系统发出指令，液压控制系统控制单杆双作用液压缸的活塞杆与载物台一起向下运动，控制自动开关模装置自动关闭组合凹模；由此进入下一个基于激光冲击的金属薄板变形连接周期。
[0021]本发明的有益效果是:
[0022]本发明所述的基于激光冲击的金属薄板变形连接方法采用脉冲激光作为能量源，使需要连接的两层或多层金属薄板在激光冲击的作用下同时发生变形，以实现两层或多层、同种或异种金属薄板的连接。在变形连接的过程中，只需要在待连接的金属薄板的连接处具有一个空间，即所述凹模上具有一个模腔，以满足待连接金属薄板在激光冲击时能够发生形变即可。无需在待连接的金属薄板上预先冲孔，确保了连接部位的密封性，简化了工