本發(fā)明屬于機(jī)械制造中激光沖擊焊接領(lǐng)域及金屬箔材變形連接技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種激光加載下增強(qiáng)箔材連接強(qiáng)度的裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來微器件在電子產(chǎn)品、生物、醫(yī)療器械、精密儀器等產(chǎn)業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，產(chǎn)品的微型化成為制造業(yè)的一個重要的趨勢，與之相關(guān)的金屬箔材連接技術(shù)研究顯得越發(fā)重要。新型輕量化金屬箔材以其品種、性能的多樣性，廣泛的適用性以及巨大的應(yīng)用潛力，正在為人類社會的發(fā)展發(fā)揮越來越大的作用。然而，傳統(tǒng)的金屬箔材連接技術(shù)已經(jīng)無法滿足應(yīng)用于微零件的新型金屬箔材的發(fā)展需求。解決好應(yīng)用于微零件的兩層同種或異種新型金屬箔材的連接問題，對于現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量提高和成本降低具有重要意義。

目前箔材的連接方法有很多，包括焊接與鉚接等，但都為單一形式的連接。如：申請?zhí)枮?00810014018.1的中國專利提出了一種超薄板材脈沖激光微鉚接方法及其專用裝置，其過程為：在一塊板上預(yù)先沖孔，另一塊板壓在該塊板上，激光作用于上板材形成柔性凸模，在孔的位置將兩層板材鉚接在一起。該發(fā)明提供了一種無鉚釘、能保證板的密封性要求的鉚接方法，但由于其需對板材預(yù)先沖孔，所以效率較低，而且其剛性墊板為平面，不利于材料向兩側(cè)流動；此外，常溫下金屬板材的塑性較低，材料流動性較差，會導(dǎo)致板材很難塑性變形，進(jìn)而很難鉚接在一起，造成板材之間的連接強(qiáng)度不高；另外，僅有鉚接一種連接方式，也會導(dǎo)致連接強(qiáng)度不高。申請?zhí)枮?01010142235.6的中國專利提出了一種激光點焊的方法及激光焊接產(chǎn)品，其過程為：調(diào)整工件的位置，使工件的彎曲處貼合，在工件的彎曲處直接進(jìn)行激光點焊。該發(fā)明能減弱在點焊過程中在該工件產(chǎn)生的背痕，使該工件或由該工件所構(gòu)成產(chǎn)品的外表更加美觀，但是這種加工方法，需要預(yù)先將工件彎曲，所以效率低；此外所需激光能量高，持續(xù)時間長，所以耗能；另外，僅有點焊一種連接方式，會導(dǎo)致連接強(qiáng)度不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中金屬板材連接存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種激光加載下增強(qiáng)箔材連接強(qiáng)度的裝置及方法，同時實現(xiàn)了兩層同種或異種箔材的焊接和卡接，本方法無需在箔材上預(yù)先沖孔，確保了連接部位的密封性，提高了生產(chǎn)效率，而且本方法中下模的中央處有一正方形槽，槽的中央處有一半球體，更有利于工件材料向外側(cè)流動，卡接效果更好；本方法在基箔下方設(shè)有加熱板，對基箔加熱，提高了基箔材料塑性，有利于提高箔材之間的沖擊焊接強(qiáng)度，也有利于焊接后的復(fù)箔和基箔在模具中材料流動，進(jìn)而提高箔材之間的卡接強(qiáng)度；兩層箔材經(jīng)過了焊接和卡接兩種形式的連接方式后，連接強(qiáng)度得到雙重保證；另外，整個過程只需脈沖激光進(jìn)行單次沖擊，所需能量較小，節(jié)省加工成本。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的，一種激光加載下增強(qiáng)箔材連接強(qiáng)度的裝置，包括激光加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、卡接系統(tǒng)和三維移動平臺系統(tǒng)；

所述三維移動平臺系統(tǒng)包括L型底座和三維移動平臺；所述三維移動平臺安裝在L型底座上面，所述三維移動平臺為左邊具有臺階的L型平臺；

所述激光加載系統(tǒng)包括聚焦透鏡、透鏡支架、透鏡高度調(diào)節(jié)器、反射鏡、脈沖激光器；反射鏡位于聚焦透鏡的上方，聚焦透鏡通過透鏡支架與透鏡高度調(diào)節(jié)器連接，透鏡高度調(diào)節(jié)器安裝在L型底座的側(cè)邊上，并位于激光經(jīng)反射鏡反射后的光路上；

所述控制系統(tǒng)包括計算機(jī)、激光控制器、氣壓控制器和三維移動平臺控制器；所述激光控制器、氣壓控制器和三維移動平臺控制器的一端均與計算機(jī)電連接；所述激光控制器另一端與脈沖激光器電連接；所述氣壓控制器另一端與氣缸電連接；所述三維移動平臺控制器另一端與三維移動平臺電連接；

所述焊接系統(tǒng)包括吸收層、約束層高度調(diào)節(jié)器、約束層支架和約束層，所述約束層通過約束層支架和約束層高度調(diào)節(jié)器連接，約束層高度調(diào)節(jié)器垂直安裝在L型底座的側(cè)邊上，所述約束層位于聚焦透鏡的下方；

所述卡接系統(tǒng)包括氣缸、驅(qū)模裝置、上模和下模；所述氣缸和驅(qū)模裝置安裝在三維移動平臺左端的臺階上，所述下模安裝在三維移動平臺右端上，所述上模安裝在下模上；

所述上模包括活動上模和固定上模；所述活動上模和固定上模合攏時，中間有一圓形孔，圓形孔處的截面為半圓?。凰龌顒由夏５淖蠖伺c驅(qū)模裝置鉸接；所述固定上模上有兩個對稱布置的孔；所述下模的中央處有一正方形槽，槽的中央處有一半球體，半球體與正方形槽表面之間為圓弧過渡，下模的左端與活動上模的底部滑動連接，下模的右端與固定上模固定連接。

上述方案中，還包括溫?zé)嵯到y(tǒng)；所述溫?zé)嵯到y(tǒng)包括加熱板，所述加熱板位于三維移動平臺的右端，所述下模位于加熱板的上面；所述控制系統(tǒng)還包括溫?zé)峥刂破?，溫?zé)峥刂破鞯膬啥朔謩e與計算機(jī)和加熱板電連接。

上述方案中，所述驅(qū)模裝置為對稱裝置，包括活塞桿、上短桿、下短桿、上三角塊、下三角塊、上長桿和下長桿；

所述活塞桿為T型，其左端與氣缸相連，右端的上、下分別與上短桿、下短桿通過鉸鏈相連；上短桿的另一端、下短桿的另一端分別與上三角塊的C角、下三角塊的C’角通過鉸鏈相連；上三角塊的A角和下三角塊的A’角都通過銷釘固定在三維移動平臺上，并可繞銷釘旋轉(zhuǎn)；上三角塊的B角和下三角塊的B’角分別與上長桿左端和下長桿左端通過鉸鏈相連；上長桿的右端和下長桿的右端都通過鉸鏈分別與活動上模的左端相連。

上述方案中，所述活動上模下表面有兩根對稱布置的截面為燕尾形的導(dǎo)軌；所述下模的左端有兩個與上模導(dǎo)軌相配合的燕尾槽，導(dǎo)軌安裝在燕尾槽內(nèi)、且可在燕尾槽內(nèi)滑動。

上述方案中，所述固定上模上有兩個對稱布置的孔；所述下模的右端有兩個與固定上模的孔相配合的固定銷，固定銷可分別插入固定上模上的孔中。

一種激光加載下增強(qiáng)箔材連接強(qiáng)度的方法，包括以下步驟：

S1、將復(fù)箔和基箔進(jìn)行預(yù)處理；

S2、將吸收層鍍在約束層的下表面，將步驟S1中預(yù)處理的復(fù)箔貼在吸收層的下表面；將基箔放在上模的中心處；調(diào)節(jié)復(fù)箔和基箔之間的距離；

S3、調(diào)節(jié)溫?zé)峥刂破?，使得加熱板的溫度達(dá)到150～300℃，繼而使得基箔的溫度升高，保溫2～3min；

S4、調(diào)節(jié)透鏡高度調(diào)節(jié)器使激光聚焦在步驟S2中的吸收層上，調(diào)節(jié)光斑直徑；控制激光單次沖擊，激光到達(dá)吸收層表面，吸收層表面部分被氣化和電離后產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體迅速向外噴濺膨脹，其反作用力可形成強(qiáng)沖擊波，復(fù)箔在沖擊波作用下，高速撞擊到基箔上，實現(xiàn)沖擊焊接，焊接在一起的復(fù)箔和基箔繼續(xù)在沖擊波作用下，向下飛行，在上模和下模的約束下，進(jìn)而實現(xiàn)卡接，從而完成激光加載下箔材的焊接和卡接的過程；

S5、完成一次激光加載下箔材的焊接和卡接之后，計算機(jī)控制氣壓控制器，氣壓控制器控制氣缸收縮，使得活動上模左移，取出連接在一起的工件；計算機(jī)再次控制氣壓控制器，氣壓控制器控制氣缸伸出，使得活動上模右移，當(dāng)活動上模和固定上模合攏時，驅(qū)模裝置形成自鎖，此時可撤去氣壓缸的氣壓，進(jìn)入下一次激光加載下箔材的焊接和卡接的過程。

上述方案中，所述約束層為K9玻璃，在復(fù)箔和基箔下方有加熱板，溫度較高，玻璃可起到耐高溫的作用。

上述方案中，所述吸收層為鋁箔。

上述方案中，所述復(fù)箔的厚度為20um～40um，基箔的厚度為50um～100um。

上述方案中，所述復(fù)箔和基箔為同種或異種金屬材料。

本發(fā)明的有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過加載激光，對兩層箔材同時進(jìn)行沖擊焊接和卡接，同時實現(xiàn)了兩種形式的焊接，連接強(qiáng)度得到了雙重保證；另外，在溫?zé)釛l件下，通過對基箔預(yù)熱，提高其塑性，有利于基箔與復(fù)箔之間的沖擊焊接，也有利于焊接后的復(fù)箔和基箔在模具中材料流動，進(jìn)而有利于箔材之間的卡接；此外，本發(fā)明中的驅(qū)模裝置能驅(qū)動活動上模左右移動，并能起到自鎖作用，提高了工作效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施方式的激光加載下增強(qiáng)箔材連接強(qiáng)度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一實施方式的中驅(qū)模裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一實施方式的中上模和下模的組合圖；

圖4是本發(fā)明一實施方式的中上模和下模的爆炸圖；

圖5是本發(fā)明一實施方式的焊接準(zhǔn)備開始的過程示意圖；

圖6是本發(fā)明一實施方式的強(qiáng)沖擊波使復(fù)箔撞擊到基箔的焊接過程示意圖；

圖7是本發(fā)明一實施方式的復(fù)箔和基箔完成焊接向下飛行進(jìn)入上模的過程示意圖；

圖8是本發(fā)明一實施方式的復(fù)箔和基箔進(jìn)行卡接的過程原理圖。

圖中，1-L型底座，2-三維移動平臺，3-加熱板，4-下模，5-上模，6-基箔，7-復(fù)箔，8-吸收層，9-約束層高度調(diào)節(jié)器，10-約束層支架，11-約束層，12-透鏡高度調(diào)節(jié)器，13-透鏡支架，14-聚焦透鏡，15-反射鏡，16-脈沖激光器，17-激光控制器，18-計算機(jī)，19-氣壓控制器，20-溫?zé)峥刂破鳎?1-三維移動平臺控制器，22-氣缸，23-驅(qū)模裝置，24-活動上模，25-上長桿，26-上三角塊，27-上短桿，28-活塞桿，29-下短桿，30-下三角塊，31-下長桿，32-固定上模，33-沖擊波。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示為本發(fā)明所述激光加載下增強(qiáng)箔材連接強(qiáng)度的裝置的一種實施方式，所述激光加載下增強(qiáng)箔材連接強(qiáng)度的裝置包括激光加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、溫?zé)嵯到y(tǒng)、焊接系統(tǒng)、卡接系統(tǒng)和三維移動平臺系統(tǒng)。

所述三維移動平臺系統(tǒng)包括L型底座1和三維移動平臺2；所述三維移動平臺2安裝在L型底座1上面，所述三維移動平臺2為L型。

所述激光加載系統(tǒng)包括聚焦透鏡14、透鏡支架13、透鏡高度調(diào)節(jié)器12、反射鏡15和脈沖激光器16；反射鏡15位于聚焦透鏡14的上方，聚焦透鏡14通過透鏡支架13與透鏡高度調(diào)節(jié)器12連接，透鏡高度調(diào)節(jié)器12安裝在L型底座1的側(cè)邊上，并位于激光經(jīng)反射鏡15反射后的光路上；

所述控制系統(tǒng)包括計算機(jī)18、激光控制器17、氣壓控制器19、溫?zé)峥刂破?0和三維移動平臺控制器21；所述激光控制器17、氣壓控制器19、溫?zé)峥刂破?0、三維移動平臺控制器21均與計算機(jī)18電連接；所述激光控制器17與脈沖激光器16電連接，用于控制脈沖激光器16的工作狀態(tài)；所述氣壓控制器19與氣缸22電連接，用于控制氣缸22的伸縮；所述溫?zé)峥刂破?0與加熱板3電連接，用于控制加熱板3的加熱溫度；所述三維移動平臺控制器21與三維移動平臺2電連接，用于控制三維移動平臺2的移動。

所述溫?zé)嵯到y(tǒng)包括加熱板3，用于對基箔6進(jìn)行預(yù)熱。所述加熱板3位于三維移動平臺2的右端，三維移動平臺2左端的臺階用來支撐氣缸22和驅(qū)模裝置23。

所述焊接系統(tǒng)用于對復(fù)箔7和基箔6的沖擊焊接，包括吸收層8、約束層高度調(diào)節(jié)器9、約束層支架10和約束層11；所述約束層11通過約束層支架10和約束層高度調(diào)節(jié)器9連接，約束層高度調(diào)節(jié)器9垂直安裝在L型底座1的側(cè)邊上，且所述約束層11位于聚焦透鏡14的下方。復(fù)箔7貼在吸收層8的下表面，通過調(diào)節(jié)約束層高度調(diào)節(jié)器9來間接地調(diào)節(jié)復(fù)箔7和基箔6之間的距離。

所述卡接系統(tǒng)用于對焊接在一起的復(fù)箔7和基箔6進(jìn)行卡接，包括氣缸22、驅(qū)模裝置23、上模5和下模4，所述氣缸22和驅(qū)模裝置23安裝在三維移動平臺2左端的臺階上，所述下模4安裝在加熱板3上，所述上模5安裝在下模4上，基箔6放在上模5的中心處。

如圖2所示，所述驅(qū)模裝置23為對稱裝置，包括活塞桿28、上短桿27、下短桿29、上三角塊26、下三角塊30、上長桿25和下長桿31。當(dāng)活塞桿28右移時，帶動活動上模24向固定上模32移動，當(dāng)活動上模24和固定上模32合攏時，上三角塊26的AB邊、下三角塊30的A’B’邊分別與上長桿25、下長桿31共線，形成自鎖，此時可撤去氣壓缸的氣壓；所述活塞桿28為T型，其左端與氣缸22相連，右端的上、下分別與上短桿27、下短桿29通過鉸鏈相連；上短桿27的另一端、下短桿29的另一端分別與上三角塊26的C角、下三角塊30的C’角通過鉸鏈相連；上三角塊26的A角和下三角塊30的A’角都通過銷釘固定在三維移動平臺2上，并可繞銷釘旋轉(zhuǎn)；上三角塊26的B角和下三角塊30的B’角分別與上長桿25左端和下長桿31左端通過鉸鏈相連；上長桿25的右端和下長桿31的右端都通過鉸鏈與活動上模24的左端相連。

如圖3和圖4所示，所述上模5包括活動上模24和固定上模32。當(dāng)活動上模24和固定上模32合攏時，中間有一圓形孔，圓形孔處的截面為半圓弧；所述活動上模24的左端邊緣有兩個對稱布置的鉸鏈孔，分別與上長桿25和下長桿31的右端連接，且其下表面有兩根對稱布置的截面為燕尾形的導(dǎo)軌；所述固定上模32上有兩個對稱布置的孔；所述下模4的中央處有一正方形槽，槽的中央處有一半球體，半球體與正方形槽表面之間為圓弧過渡，下模4的左端有兩個與上模24導(dǎo)軌相配合的燕尾槽，且下模4的右端有兩個與固定上模32的孔相配合的固定銷。

本發(fā)明還提供一種激光加載下增強(qiáng)箔材連接強(qiáng)度的方法，具體包括以下步驟：

S1、用粗砂紙對復(fù)箔7和基箔6表面進(jìn)行打磨，去掉表面的氧化層，然后再用細(xì)砂紙對其打磨拋光，最后用酒精清洗表面，使得復(fù)箔7和基箔6的表面清潔光滑；所述復(fù)箔7的厚度為20um～40um，基箔6的厚度為50um～100um；所述復(fù)箔7和基箔6為同種或異種金屬材料；

S2、將3mm厚的K9玻璃作為約束層11，在約束層11的下表面鍍上一層鋁箔，作為吸收層8，將步驟S1中預(yù)處理的復(fù)箔7貼在吸收層8的下表面；將基箔6放在上模5的中心處；約束層11、約束層支架10和約束層高度調(diào)節(jié)器9三者相連并安裝在L型底座1上，通過調(diào)節(jié)約束層高度調(diào)節(jié)器9來間接地調(diào)節(jié)復(fù)箔7和基箔6之間的距離；

S3、調(diào)節(jié)溫?zé)峥刂破?0，使得加熱板3的溫度達(dá)到150～300℃，繼而使得基箔6的溫度升高，保溫2～3min；

S4、調(diào)節(jié)聚焦透鏡14高度調(diào)節(jié)器12使激光聚焦在步驟S2中的吸收層8上，調(diào)節(jié)光斑直徑；控制激光單次沖擊，激光到達(dá)吸收層8表面，吸收層8表面部分被氣化和電離后產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體迅速向外噴濺膨脹，其反作用力可形成強(qiáng)沖擊波33，復(fù)箔7在沖擊波33作用下，高速撞擊到基箔6上，實現(xiàn)沖擊焊接，焊接在一起的復(fù)箔7和基箔6繼續(xù)在沖擊波33作用下，向下飛行，在上模5和下模4的約束下，進(jìn)而實現(xiàn)卡接，從而完成激光加載下箔材的焊接和卡接的過程；

S5、完成一次激光加載下箔材的焊接和卡接之后，計算機(jī)18控制氣壓控制器19，氣壓控制器19控制氣缸22收縮，使得活動上模24左移，取出連接在一起的工件；計算機(jī)18再次控制氣壓控制器19，氣壓控制器19控制氣缸22伸出，使得活動上模24右移，當(dāng)活動上模24和固定上模32合攏時，驅(qū)模裝置23形成自鎖，此時可撤去氣壓缸的氣壓；由此進(jìn)入下一次激光加載下箔材的焊接和卡接的過程。

圖5、圖6、圖7為激光加載下箔材的焊接過程，其過程如下：

控制激光單次沖擊，激光到達(dá)吸收層8表面，吸收層8表面部分被氣化和電離后產(chǎn)生高溫高壓等離子體，等離子體迅速向外噴濺膨脹，其反作用力可形成強(qiáng)沖擊波33，復(fù)箔7在沖擊波33作用下，高速撞擊到基箔6上，實現(xiàn)沖擊焊接。

圖7、圖8為激光加載下箔材的卡接過程，其過程如下：

焊接在一起的復(fù)箔7和基箔6繼續(xù)在沖擊波33作用下，向下飛行，在上模5和下模4的約束下，進(jìn)而實現(xiàn)卡接，從而完成激光加載下箔材的焊接和卡接的過程。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。