一种激光间接冲击薄板剪切变形连接的可调装置及其方法与流程

本发明属于激光加工制造领域与金属薄板机械变形连接技术领域，尤指激光冲击变形的金属薄板的新型可调连接装置及其方法。

背景技术：

随着新型金属薄板材料使用越来越广泛，金属薄板材料的连接技术在整个制造业中扮演着越来越重要的角色，如精密仪器，生物材料，医疗器械和电子电气等工业领域。为了连接不同种类、表面有镀层以及难焊的薄板材料，人们已经创造出许多机械变形连接技术，并且工业生产对于板料连接的强度要求逐步提高。

申请号为201210070099.3的中国专利提出了包括冲孔和铆接两个步骤的金属板材连接技术，该技术首先在上下板料上分别开一大一小地通孔，再将上板材的自身材料冷挤压到下板铆接孔中实现板材铆接。该方法易于实现不同种类的金属板材的连接，其问题在于工艺步骤包括冲孔和铆接两部分，降低了生产效率，对上下两通孔的进行铆接时的对心放置，以及平行于铆接孔平面的扭转强度无法保证。申请号为201420428049.2的中国专利提出了一种瓣合式模具，通过凹凸模之间的配合挤压，使得两块薄板材料发生流动形成内锁，其问题在于平行于互锁接头平面的扭转强度无法得到保证。

技术实现要素：

为了改善现有的金属薄板连接方法中存在的上述不足，本发明提供了一种激光间接冲击薄板剪切变形连接的可调装置及其方法，旨在于实现具有可靠扭转强度的同种或异种的多层金属薄板的连接，为了提高生产效率，采用脉冲激光作为间接能量源，通过可调组合成形模具，使得多层金属薄板之间发生剪切变形和塑性变形，剪切变形使得金属薄板获得较高的平行于平面的扭转强度和剥离强度，塑性变形使得多层金属薄板在剪切变形后获得卡结并铆接在一起，获得垂直于平面的可靠的剥离强度。本发明中可调组合模具实现了组合模具的自动安装和调整，保证了工件剪切变形连接的生产精度和生产效率。

本发明通过下述装置和技术方法实现上述目的。

激光间接冲击薄板剪切变形连接的可调装置，包括激光发生系统、计算机控制系统和剪切变形连接系统；

所述激光发生系统包括纳秒脉冲激光发射器、反射镜、聚焦镜、聚焦镜支架和工作台；所述聚焦镜支架垂直安装在工作台上；所述聚焦镜支架上安装有与工作台平行的聚焦镜，且聚焦镜置于经过45°布置的反射镜反射的由纳秒脉冲激光发射器发射出的激光的光路中心；

所述计算机控制系统包括激光发生控制器、计算机、液压控制装置a、液压控制装置b和三维移动调整控制装置；所述激光发生控制器、液压控制装置a、液压控制装置b、三维移动调整控制装置均与计算机相连；所述激光发生控制器与纳秒脉冲激光发射器相连，用于控制调整纳秒脉冲激光发射器发射激光的状态；所述三维移动调整控制装置与三维移动调整平台相连，用于控制三维移动调整平台的移动；所述液压控制装置a与液压缸相连，用于控制液压缸的不同工位状态；所述液压控制装置a与液压缸相连，用于控制单杆双作用液压缸的不同工位状态；

所述剪切变形连接系统包括压边装置、工件系统、可调组合成形模具和三维移动调整平台；

所述可调组合成形模具包括方形槽凹模、凹模砧块、方形剪切模、剪切模滑套、模具支撑、液压缸a、连接块a、液压缸b、连接块b和定位块；

所述液压缸b对称设置在模具支撑的四角位置上，液压缸b的活塞杆分别通过连接块b与方形槽凹模连接，

所述液压缸a安装在模具支撑中心位置，液压缸a的活塞杆与连接块a相连接；所述方形槽凹模与剪切模滑套间隙配合；所述剪切模滑套通过螺栓安装于模具支撑中心位置上，且其中心开设有槽孔a，槽孔a与方形剪切模间隙配合，且方形剪切模下端与连接块a相连接；方形剪切模上端左右对称开设有定位槽，定位槽内安装有l型块，两l型块之间设置有凹模砧块；凹模砧块通过螺栓安装在剪切模滑套上端面上；所述模具支撑安装在三维移动调整平台上；所述三维移动调整平台安装在工作台上；

所述工件系统从上到下包括有掩膜、约束层、吸收层、上层薄板、下层薄板，工件系统通过左右对称布置的压边装置放置于可调组合成形模具中心位置，且置于激光光路的中心上；所述压边装置设置在三维移动调整平台上。

优选的，所述方形槽凹模左右两侧位置处设置有定位块，定位块安装在模具支撑上，且置于前后布置的液压缸b之间。

优选的，方形槽凹模、方形剪切模和凹模砧块组成长方形体空腔，即凹模形腔，凹模砧块宽度为1mm。

优选的，可调组合成形模具中只需调整液压缸b，液压缸a随动，可以改变剪切变形深度。

激光间接冲击薄板剪切变形连接的方法，具体步骤包括如下：

s1.将激光发生控制器、液压控制装置a、液压控制装置b、三维移动调整控制装置与计算机相连；将方形剪切模与剪切模滑套配合；通过连接块a将方形剪切模和液压缸a连接；通过圆柱销和菱形销将液压缸a定位于模具支撑，通过螺栓将其紧固；通过圆柱销和菱形销将剪切模滑套定位于模具支撑，通过螺栓将其紧固；将凹模砧块固定于剪切模滑套；在模具支撑上安装定位块；将四个液压缸b通过螺栓连接在模具支撑上，通过连接块b将液压缸b与方形槽凹模相连，同时方形剪切模切口嵌套于方形槽凹模槽口；计算机控制液压控制装置a根据定位块调整方形槽凹模高度；计算机控制液压控制装置b根据方形槽凹模高度相应控制调整方形剪切模高度；计算机通过三维移动调整控制装置控制三维移动调整平台的移动，使得可调组合成形模具置于位于激光光路上；

s2.将工件系统放置于可调组合成形模具上，使得掩膜透光孔中心位于激光光路上，之后压边装置对工件系统进行压紧；

s3.调整聚焦镜获得合适的激光光斑直径，利用计算机通过激光发生控制器控制纳秒脉冲激光发射器产生合适的脉冲能量及脉冲次数；

s4.打开纳秒脉冲激光发射器开关，持续特定数量的脉冲，激光聚焦到工件系统上，通过掩膜透光孔滤去多余边缘光束，再穿过约束层到达吸收层，吸收层表面材料迅速气化和电离，形成高温高压的等离子体，等离子体迅速膨胀，产生强冲击波，在冲击波和可调组合成形模具的作用下，上层薄板、下层薄板发生剪切变形，计算机通过液压控制装置a控制液压缸a将方形剪切模退让一定行程，打开纳秒脉冲激光发射器开关，持续特定数量的脉冲使上下薄板剪切部分发生塑性变形并形成卡结，从而完成金属薄板的剪切变形连接；

s5.一次金属薄板的剪切变形连接完成后，压边装置卸压；取出完成的工件系统的连接接头，计算机通过液压控制装置a控制液压缸a将方形剪切模恢复原位，由此进入下一个工作生产循环。

本发明的有益效果是：

本发明采用纳秒脉冲激光作为间接能量源，通过组合模具实现了同种或异种的多层金属薄板的剪切变形连接，获得在连接平面内较高的扭转强度和剥离强度，垂直方向上亦拥有可靠的连接强度；本发明中可调组合模具实现了组合模具的自动安装和调整，保证了工件剪切变形连接的生产精度和生产效率。

附图说明

图1是本发明所述的激光间接冲击薄板剪切变形连接的可调装置的结构示意图；

图2是方形槽凹模示意图；

图3是凹模砧块示意图；

图4是方形剪切模示意图；

图5是剪切模滑套示意图；

图6是模具支撑示意图；

图7是定位块示意图；

图8本发明中掩膜示意图；

图9是本发明中可调组合成形模具的结构示意图；

图10是本发明中工件系统加工前的剖视图；

图11是本发明中工件系统加工后的剖视图；

附图标记如下：

1.工作台；2.三维移动调整平台；3.可调组合成形模具；4.工件系统；5.压边装置；6.聚焦镜支架；7.聚焦镜；8.反射镜；9.纳秒脉冲激光发射器；10.激光发生控制器；11.计算机；12.液压控制装置a；13.液压控制装置b；14.三维移动调整控制装置；15.方形槽凹模；16.凹模砧块；17.方形剪切模；18.剪切模滑套；19.模具支撑；20.液压缸a；21.连接块a；22.液压缸b；23.连接块b；24.定位块2；25.掩膜；26.约束层；27.吸收层；28.上层薄板；29.下层薄板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

图1所示为本发明所述的激光间接冲击薄板剪切变形连接的可调装置，由激光发生系统、计算机控制系统和剪切变形连接系统组成。激光发生系统包括纳秒脉冲激光发射器9、反射镜8、聚焦镜7、聚焦镜支架6、工作台1；聚焦镜支架6固定安装在工作台1上，聚焦镜7通过紧固螺钉安装在聚焦镜支架6上且位于经反射镜8反射后的激光光路中心，通过松动紧固螺钉来移动调整聚焦镜7在聚焦镜支架6上的垂直安装位置，可以控制辐射到工件系统上的激光光斑大小。

所述计算机控制系统综合控制激光发生系统和剪切变形连接系统；所述计算机控制系统包括激光发生控制器10、计算机11、液压控制装置a12、液压控制装置b13、三维移动调整控制装置14；所述激光发生控制器10、液压控制装置a12、液压控制装置b13、三维移动调整控制装置14均与计算机11相连；所述激光发生控制器10与纳秒脉冲激光发射器9相连，用于控制调整纳秒脉冲激光发射器9发射激光的状态；所述三维移动调整控制装置14与三维移动调整平台2相连，用于控制三维移动调整平台2的三维空间移动调整；所述液压控制装置a12与液压缸a20相连，用于控制液压缸a的进退工作状态所述；液压控制装置b13与液压缸b22相连，用于控制四个液压缸b22的进退工作状态。

剪切变形连接系统包括压边装置5、工件系统4、可调组合成形模具3、三维移动调整平台2、工作台1；所述可调组合成形模具3包括方形槽凹模15、凹模砧块16、方形剪切模17、剪切模滑套18、模具支撑19、液压缸a20、连接块a21、液压缸b22、连接块b23、定位块24；液压缸a20、液压缸b22、剪切模滑套18通过螺栓安装于模具支撑19，其中液压缸a20和剪切模滑套18均开有定位销槽；方形剪切模17与剪切模滑套18为间隙配合，并通过连接块a21与液压缸a20相连；凹模砧块16通过螺栓连接在剪切模滑套18上，与方形剪切模17间隙配合；方形槽凹模15与剪切模滑套18间隙配合，并与四个液压缸b22通过连接块b23相连，方形槽凹模15位置由对称分布的两个定位块24决定；模具支撑19螺栓连接方式与三维移动调整平台2相连，所述三维移动调整平台2既与工作台1相连，又与三维移动调整控制装置14相连；所述工作台1安装有压边装置6和聚焦镜支架7；所述工件系统5从上到下包括有掩膜25、约束层26、吸收层27、上层薄板28、下层薄板29，整个工件系统4通过压边装置5放置于可调组合成形模具3上。

图2、图3、图4、图5、图6、图7、图9所示为可调组合成形模具，可调组合成形模具3包括方形槽凹模15、凹模砧块16、方形剪切模17、剪切模滑套18、模具支撑19、液压缸a20、连接块a21、液压缸b22、连接块b23、定位块24；液压缸a20、液压缸b22、剪切模滑套18通过螺栓安装于模具支撑19，其中，液压缸a20和剪切模滑套18均开有定位销槽；方形剪切模17与剪切模滑套18为间隙配合，并通过连接块a21与液压缸a20相连；凹模砧块16通过螺栓连接在剪切模滑套18上，与方形剪切模17间隙配合；方形槽凹模15与剪切模滑套18间隙配合，并与四个液压缸b22通过连接块b23相连，方形槽凹模15位置由对称分布的两个定位块24决定；

激光间接冲击薄板剪切变形连接的可调装置的金属薄板新型连接方法，具体步骤包括如下：

s1.将激光发生控制器10、液压控制装置a12、液压控制装置b13、三维移动调整控制装置14与计算机11相连；将方形剪切模17与剪切模滑套18配合；通过连接块a21将方形剪切模17和液压缸a20连接；通过圆柱销和菱形销将液压缸a20定位于模具支撑19，通过螺栓将其紧固；通过圆柱销和菱形销将剪切模滑套18定位于模具支撑19，通过螺栓将其紧固；将凹模砧块16固定于剪切模滑套18；在模具支撑19上安装适合工艺的特定的定位块24；将四个液压缸b22通过螺栓连接在模具支撑19上，通过连接块2将四个液压缸b22与方形槽凹模15相连，同时使得方形剪切模17切口嵌套于方形槽凹模15槽口；计算机11控制液压控制装置a12根据定位块24调整方形槽凹模15高度；计算机11控制液压控制装置b13根据方形槽凹模15高度相应控制调整方形剪切模17高度；计算机11通过三维移动调整控制装置14控制三维移动调整平台2的移动，使得可调组合成形模具3方形剪切槽中心位于激光光路上；

s2.将工件系统4放置于可调组合成形模具3上，使得掩膜25透光孔中心位于激光光路上，之后压边装置5对工件系统4进行压紧；

s3.调整聚焦镜7获得合适的激光光斑直径，利用计算机11通过激光发生控制器10控制纳秒脉冲激光发射器9产生合适的脉冲能量及脉冲次数；

s4.打开纳秒脉冲激光发射器9开关，持续特定数量的脉冲，激光聚焦到工件系统4上，通过掩膜25透光孔滤去多余边缘光束，再穿过约束层26到达吸收层27，吸收层27表面材料迅速气化和电离，形成高温高压的等离子体，等离子体迅速膨胀，产生强冲击波，在冲击波和可调组合成形模具3的作用下，上下两层金属薄板，发生剪切变形，计算机11通过液压控制装置a12控制液压缸a20将方形剪切模17退让一定行程，打开纳秒脉冲激光发射器10开关，持续特定数量的脉冲使上下薄板剪切部分发生塑性变形并形成卡结，从而完成金属薄板的剪切变形连接；

s5.一次金属薄板的剪切变形连接完成后，压边装置5卸压；取出完成的工件系统4的连接接头，计算机11通过液压控制装置a12控制液压缸a20将方形剪切模17恢复原位，由此进入下一个工作生产循环。

图10和图11分别为激光间接冲击薄板剪切变形连接的可调装置中工件系统加工前后的剖面视图，其具体加工成形过程为：

纳秒脉冲激光发射器9辐照的激光聚焦到工件系统4上，通过掩膜25透光孔滤去多余边缘光束，再穿过约束层26到达吸收层27，吸收层27表面材料迅速气化和电离，形成高温高压的等离子体，等离子体迅速膨胀，产生强冲击波，在冲击波和可调组合成形模具3的作用下，上层薄板28和下层薄板29，发生剪切变形和塑性变形，从而完成新型金属薄板的剪切变形连接。

结合附图10和11所示，剪切变形使得两层板剪切部分错位接触获得较高的平行于平面的扭转强度和剥离强度，塑性变形使得金属薄板剪切变形后的错位接触部分获得卡结并与剩余薄板部分铆接，获得垂直于平面的可靠的剥离强度。

所述实施实例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不局限于上述实施方式。在不背离本发明的实质内容的情况下，任何明显的修改、替换和改进均包含在本发明的保护范围内。