一种激光加载下丝和箔的冲击焊接装置及方法与流程

本发明属于机械制造中激光加工技术领域，尤其是涉及一种激光加载下丝和箔的冲击焊接装置及方法。

背景技术：

近年来，随着电子产品、生物、医疗器械、精密仪器、传感器等产业的高速发展，产品的微型化、精密化和高性能化成为制造业发展的重要趋势之一，与之相关的微器件焊接技术的研究显得越发重要。而金属丝和箔材是微器件焊接的主要对象，对焊接精度和工艺参数要求非常高，因此焊接难度很大。此外，焊接质量不仅会直接影响微器件的稳定性和可靠性，也是微制造过程中的关键问题。解决好丝和箔的焊接问题，对于微型化产品的产业化发展具有重要意义。

申请号为200510094155.7的中国专利提出了激光冲击爆炸焊接的方法和装置，其过程为：利用激光照射吸收层材料诱导产生冲击波，同时利用激光热效应和冲击波效应引爆吸收层材料中混合的炸药产生爆轰波，冲击波和爆轰波共同作用使复板高速撞击基板实现焊接。该发明多应用于较厚板件之间的焊接，对于厚度在100um以下厚度的箔材焊接却不适用，更不适用于金属丝和箔材之间的焊接；且所需能量大；而且焊接过程中不能保证有碰撞角，会导致焊接强度不够；此外，只能实现单件焊接，效率较低。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种激光加载下丝和箔的冲击焊接装置及方法，实现了金属丝和箔材之间的冲击焊接；本发明能保证焊接过程有碰撞角，保证了焊接强度；本发明中的碰撞角可以调节以适应不同材料组合的焊接；本发明可以实现连续焊接，效率较高，自动化程度较高；另外，本发明所需激光能量较小，无需炸药，节省加工成本。

本发明采用的技术方案为：一种激光加载下丝和箔的冲击焊接装置，包括激光加载系统、工件系统和控制系统；

所述激光加载系统包括双直角型基架、聚焦透镜、透镜支架、透镜高度调节器、全反镜、全反镜支架和脉冲激光器；所述聚焦透镜通过透镜支架垂直安装在透镜高度调节器上，所述透镜高度调节器底部与双直角型基架的下直板通过横向轨道配合连接；所述全反镜通过全反镜支架固定在双直角型基架的下直板上、且位于脉冲激光器的下方，将脉冲激光器发射的激光反射到聚焦透镜上；

所述工件系统包括约束层、吸收层、箔材、金属丝和工作台；所述工作台上下两端的中间开有圆弧形的定位槽，所述金属丝定位在两个定位槽所确定的直线上；所述箔材在工作台下端定位槽的位置与金属丝形成碰撞角；所述吸收层喷涂在箔材的右表面；所述约束层在碰撞角处的黑漆的右表面上；

所述控制系统包括计算机、激光控制器、伺服电机驱动器和气压控制器；所述激光控制器、伺服电机驱动器、气压控制器均与计算机电连接；所述激光控制器与脉冲激光器电连接；所述伺服电机驱动器与伺服电机电连接；所述气压控制器与气缸电连接。

上述方案中还包括辅助系统；所述辅助系统包括气缸、活塞杆、箔材卷筒、金属丝卷筒、金属丝卷筒支架、工作台支架、收料卷筒、伺服电机、收料卷筒支架、容水器和喷水头；

所述箔材卷筒位于工作台的右上方、且通过销轴安装在活塞杆的右端，并可绕销轴转动，箔材被卷在所述箔材卷筒上；所述活塞杆的左端与气缸连接，所述气缸的底部与气缸控制器连接，所述气缸控制器固定安装在双直角型基架的上直角处；所述金属丝卷筒支架的左端被固定在双直角型基架的侧板上；

所述金属丝卷筒通过销轴安装在金属丝卷筒支架的右端，并可绕销轴转动，金属丝被卷在所述金属丝卷筒上；所述工作台支架的左端被固定在双直角型基架的侧板上、且位于金属丝卷筒支架的下方，工作台支架的右端与工作台底部的正中央垂直连接；

所述收料卷筒位于工作台的左下方，所述伺服电机的电机轴与收料卷筒的中心孔通过键连接来带动收料卷筒的间歇转动；所述收料卷筒和伺服电机被固定在所述收料卷筒支架的上端；所述收料卷筒支架与伺服电机驱动器相连并共同固定在双直角型基架的下直板上；

所述容水器被固定在双直角型基架的下直板上，并位于约束层的正下方，用于盛放流下的水约束层；所述喷水头对准箔材与金属丝之间的碰撞角处。

上述方案中，所述约束层为水。

上述方案中，所述吸收层为黑漆。

上述方案中，所述工作台由陶瓷材料制成。

上述方案中，所述碰撞角为5～25度。

本发明还提供一种激光加载下丝和箔的冲击焊接方法，包括以下步骤：

S1、将金属丝和箔材进行预处理：用粗砂纸对金属丝和箔材表面进行打磨，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，使得金属丝和箔材表面清洁光滑，然后在箔材表面均匀喷涂黑漆；

S2、将金属丝卷筒上的金属丝一端绕过工作台的上、下定位槽，并固定在收料卷筒上，

S3、将箔材卷筒上的箔材绕过工作台的下端，并固定在收料卷筒上；

S4、计算机控制气缸伸缩，带动箔材卷筒左右移动，来调节箔材与金属丝在工作台下端所形成碰撞角的大小；

S5、调节透镜高度调节器，从而调节聚焦在吸收层上的激光光斑大小，打开喷水头；

S6、计算机控制激光冲击，实现金属丝和箔材的冲击焊接；

S7、计算机控制伺服电机转动，从而带动收料卷筒转动，当金属丝和箔材上面待焊接部位下移至激光光斑区域内，计算机控制伺服电机停止转动；由此进入步骤S6，循环进行，实现金属丝和箔材的连续焊接。

上述方案中，激光光斑处于工作台下端金属丝和箔材所形成的碰撞角的位置，且激光光斑中心位于金属丝上。

上述方案中，所述金属丝的直径小于1mm；所述箔材的宽度为2～15mm。

上述方案中，所述黑漆的喷涂厚度为0.1～0.3mm。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提出了通过加载激光来实现金属丝和箔材之间冲击焊接的装置和方法；该装置能实现激光加载下金属丝和箔材的连续焊接，提高了焊接效率，且能保证有碰撞角，提高了焊接强度；碰撞角可以调节以适应不同材料组合的焊接，装置的适应性强，自动化程度高。金属丝绕过工作台的上、下定位槽定位在工作台面上；喷有黑漆的箔材绕过工作台的下端，与金属丝相接触，并与金属丝之间形成碰撞角；在碰撞角处的黑漆表面喷水作约束层；控制激光冲击并在碰撞角处诱导出高温高压等离子体形成强冲击波，箔材在冲击波的作用下，高速撞击到金属丝上，实现了金属丝和箔材之间的冲击焊接；本发明能保证焊接过程有碰撞角，保证了焊接强度；本发明中的碰撞角可以调节以适应不同材料组合的焊接；本发明可以实现连续焊接，效率较高，自动化程度较高；另外，本发明所需激光能量较小，节省加工成本。

附图说明

图1是本发明一种激光加载下丝和箔的冲击焊接装置的结构示意图；

图2是本发明中工作台的结构示意图；

图3是本发明中工件系统的三维示意图；

图4a是本发明中冲击焊接之前工件系统的局部放大示意图；

图4b是本发明中单次冲击焊接之后工件系统的局部放大示意图。

图中，1-计算机，2-激光控制器，3-脉冲激光器，4-吸收层，5-箔材卷筒，6-箔材，7-气压控制器，8-气缸，9-活塞杆，10-金属丝卷筒支架，11-金属丝卷筒，12-金属丝，13-工作台支架，14-工作台，15-双直角型基架，16-收料卷筒，17-伺服电机，18-收料卷筒支架，19-伺服电机驱动器，20-约束层，21-容水器，22-透镜支架，23-透镜高度调节器，24-聚焦透镜，25-喷水头，26-全反镜支架，27-全反镜。

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丝和箔的冲击焊接装置的一种实施方式，所述激光加载下丝和箔的冲击焊接装置包括激光加载系统、工件系统和控制系统。

所述激光加载系统包括双直角型基架15、聚焦透镜24、透镜支架22、透镜高度调节器23、全反镜27、全反镜支架26和脉冲激光器3。所述聚焦透镜24通过透镜支架22垂直安装在透镜高度调节器23上，透镜高度调节器23安装在双直角型基架15的下直板上、且位于脉冲激光器3的下方；所述透镜高度调节器23底部与所述双直角型基架15之间设有横向轨道，通过透镜高度调节器23的横向移动和透镜高度调节器23对聚焦透镜24的高度调节从而调节聚焦在吸收层4上的激光光斑大小；所述全反镜27通过全反镜支架26固定在双直角型基架15的下直板上、且位于脉冲激光器3的下方，将脉冲激光器3发射的激光反射到聚焦透镜24上。

如图2、图3和图4所示，所述工件系统包括约束层20、吸收层4、箔材6、金属丝12和工作台14。所述工作台14由陶瓷材料制成，防止箔材6受到激光冲击之后与工作台14焊接，其上下两端的中间开有圆弧形的定位槽，用来将金属丝12定位在工作台14上两个定位槽所确定的直线上；所述箔材6在工作台14下端定位槽的位置与金属丝12形成碰撞角；所述碰撞角为5～25度，焊接效果好；所述吸收层4被预先喷涂在箔材6的右表面；所述约束层20在碰撞角处的吸收层4的右表面上。

所述控制系统包括计算机1、激光控制器2、伺服电机驱动器19和气压控制器7。所述激光控制器2、伺服电机驱动器19、气压控制器7均与计算机1电连接；所述激光控制器2与脉冲激光器3电连接，用于控制脉冲激光器3的工作状态；所述伺服电机驱动器19与伺服电机17电连接，用于控制伺服电机17的间歇转动状态；所述气压控制器7与气缸8电连接，用于控制气缸8的伸缩。

本发明还包括一个辅助系统；所述辅助系统包括气缸8、活塞杆9、箔材卷筒5、金属丝卷筒11、金属丝卷筒支架10、工作台支架13、收料卷筒16、伺服电机17、收料卷筒支架18、容水器21和喷水头25。所述气缸8、活塞杆9和箔材卷筒5从左到右依次安装在一起；所述箔材卷筒5位于工作台14的右上方、且通过销轴安装在活塞杆9的右端，并可绕销轴转动，箔材6被卷在所述箔材卷筒5上；所述活塞杆9的左端与气缸8连接，所述气缸8的底部与气缸控制器7连接，所述气缸控制器7固定安装在双直角型基架15的上直角处；所述金属丝卷筒支架10的左端被固定在双直角型基架15的侧板上；所述金属丝卷筒11通过销轴安装在金属丝卷筒支架10的右端，并可绕销轴转动，金属丝12被卷在所述金属丝卷筒11上；所述工作台支架13的左端被固定在双直角型基架15的侧板上、且位于金属丝卷筒支架10的下方，工作台支架13的右端与工作台14底部的正中央垂直连接；所述收料卷筒16位于工作台的左下方，所述伺服电机17的电机轴与收料卷筒16的中心孔通过键连接来带动收料卷筒16的间歇转动；所述收料卷筒16和伺服电机17被固定在所述收料卷筒支架18的上端；所述收料卷筒支架18与伺服电机驱动器19相连并共同固定在双直角型基架15的下直板上；所述容水器21被固定在双直角型基架15的下直板上，并位于约束层20的正下方，用于盛放流下的水约束层20；所述喷水头25对准箔材6与金属丝12之间的碰撞角处。

优选的，所述约束层20为水，操作更加简单方便，使用完成后可流入底下的容水器21中；所述吸收层4为黑漆。

本发明还提供一种激光加载下丝和箔的冲击焊接方法，包括以下步骤：

S1：将金属丝12和箔材6进行预处理：用粗砂纸对金属丝12和箔材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，使得金属丝12和箔材6表面清洁光滑，然后在箔材6表面均匀喷涂黑漆作为吸收层4；

S2：将金属丝卷筒11上的金属丝12一端绕过工作台14的上、下定位槽，并固定在收料卷筒16上；

S3：将箔材卷筒5上的箔材6绕过工作台14的下端，并固定在收料卷筒16上；

S4：计算机1控制气缸8伸缩，带动箔材卷筒5左右移动，来调节箔材6与金属丝12在工作台14下端所形成碰撞角的大小；

S5：调节透镜高度调节器23，从而调节聚焦在吸收层4上的激光光斑大小，打开喷水头25；

S6：计算机1通过激光控制器2控制脉冲激光器3进行激光冲击，激光到达吸收层4表面，吸收层4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，箔材6在冲击波作用下，高速撞击到金属丝12上，实现金属丝12和箔材6的冲击焊接；

S7：计算机1控制伺服电机17转动，从而带动收料卷筒16转动，当金属丝12和箔材6上面待焊接部位下移至激光光斑区域内，计算机1控制伺服电机17停止转动；由此进入步骤S6，循环进行，实现金属丝12和箔材6的连续焊接。

激光光斑处于工作台14下端金属丝12和箔材6所形成的碰撞角的位置，且激光光斑中心位于金属丝12上。

优选的，所述金属丝12的直径小于1mm；所述箔材6的宽度为2～15mm，焊接效果好。

优选的，所述黑漆的喷涂厚度为0.1～0.3mm。

图4为激光加载下金属丝12和箔材6的冲击焊接过程，图4a是金属丝12和箔材6冲击焊接之前的局部放大示意图，图4b是金属丝12和箔材6单次冲击焊接之后的局部放大示意图。

本发明中，金属丝12绕过工作台14的上、下定位槽定位在工作台面上；喷有黑漆的箔材6绕过工作台14的下端，与金属丝12相接触，并与金属丝12之间形成碰撞角；在碰撞角处的黑漆表面喷水作约束层4；控制激光冲击并在碰撞角处诱导出高温高压等离子体形成强冲击波，箔材6在冲击波的作用下，高速撞击到金属丝12上，实现冲击焊接；此外，通过气缸8的伸缩，带动箔材卷筒5的左右移动，从而可以调节金属丝12与箔材6之间的碰撞角。本发明实现了金属丝12和箔材6的冲击焊接；本发明中的碰撞角可以调节以适应不同材料组合的焊接；本发明可以实现连续焊接，自动化程度较高。

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。