一种温热辅助激光冲击焊接自动夹紧装置及其方法与流程

本发明属于机械制造中焊接领域，尤其是涉及到一种温热辅助冲击压力焊接自动夹紧装置及其方法。

背景技术：

随着科学技术的发展，人们认识到单一的材料越来越不能满足人们对提高材料各项性能的要求，于是高速冲击金属焊接技术以其独特的优势得到了人们的极大关注。特别是在最近几十年的时间中，研究人员对这些高速冲击焊接技术进行了重点研究，使其得到了快速的发展。这一焊接技术最重要的优点是在焊接之后不存在热影响区。因此，被焊接的材料保持或者高于母材的性能，它不会像熔化焊那样，常常在焊接结合处的强度减弱或者焊接区域由于存在的残余应力而导致裂纹、锈蚀等问题。另一个重要的优点是它可以被用来焊接同种和异种材料，而不用考虑材料熔点、热膨胀和热传导性等特性的不同。由高速冲击焊接技术焊接所形成的材料能够把不同材料的物理、化学、力学性能和价格优势集于一体，日益受到人们的重视，而且正逐步广泛应用于原子能、航空、化工、造船、电子、电力、冶金、机械等行业。其组成材料不仅能保持原有的特点，而且物理化学性能、比重、价格及综合力学性能相对于原来的基体材料还具有许多优点：(1)可以替代稀缺贵重金属，从而可以节约稀缺金属，降低生产成本。(2)可以发挥不同金属各自的性能优势，这样就为设计人员在选择和使用材料上提供了更多的空间。(3)可以提高材料的综合性能以及一些其它性能，如抗腐蚀性、耐磨性等。(4)作为过渡接头。在工业应用中经常需要焊接异种金属，使用常规的熔化焊时，异种金属之间就会形成金属间化合物，但如果采用过渡接头，异种金属材料之间的焊接变为同种金属材料的焊接，两端是同种材料，即使是使用常规的熔化焊接，也不会出现上述问题。申请号为201610695861.5的中国专利提出了一种激光冲击焊接加载金属丝和板的焊接装置及其方法，该发明可以实现金属丝与板件的固态焊接,且焊接后不存在热影响区,没有金属间化合物的生成,焊接质量高,可以提高焊接接头的力学性能，该方法只是在常温下进行焊接，对于那些在焊接过程中对温度有要求的金属与丝则难以进行焊接，且只有单一的能场。申请号为201610688698.0的中国专利提出了一种激光加载下增强箔材连接强度的装置及方法，该发明在温热条件下,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,该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，虽然该焊接在温热条件下进行，但是该方法需要额外的气缸控制工件自锁，装置繁琐，操作麻烦。

技术实现要素：

针对现有技术中激光冲击焊接的不足，本发明提供了一种温热辅助冲击压力焊接自动夹紧装置及其方法，本发明通过电阻丝与卤素灯对待焊接板和冲击板进行加热软化，，提高材料的焊接性能，进而实现不同或者同种焊接材料在相同或者不同温度下的焊接，其次，利用加热过程中空气的热胀冷缩引起压力差，实现活塞的上下移动，实现工件的自动夹紧与松开，整个焊接过程自动化程度高，操作简便，有效的提高焊接质量与效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的:

一种温热辅助冲击压力焊接自动夹紧装置，包括激光发射系统、控制系统、夹紧系统、焊接系统和温热系统；所述温热系统的两侧左右对称设置有自动夹紧系统；

所述激光发射系统包括脉冲激光器、激光束、反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架、聚焦透镜支架位置调节装置；所述脉冲激光器发出的激光束经过45°设置的反光镜进行反射后，经聚焦透镜进行聚焦照射到焊接系统的吸收层上；所述聚焦透镜安装在水平设置的聚焦透镜支架上，聚焦透镜支架通过聚焦透镜支架位置调节装置安装在l型底座的竖直侧板上；

所述焊接系统包括约束层、吸收层、冲击板、约束层支架、约束层支架位置调节装置、压块、工作台、三坐标移动平台；

所述约束层、吸收层、冲击板通过约束层支架与约束层支架位置调节装置相连接，约束层支架位置调节装置安装在l型底座竖直侧板上；所述三坐标移动平台安装在l型底座上；

所述自动夹紧系统包括压块、支撑块、连接螺栓、活塞杆、活塞、螺钉、上出气孔、下进气孔、端盖、销、上空腔和下空腔；所述压块中间通过销固定在支撑块上，压块一端置于温热系统的工作台上，另一端通过连接螺栓与活塞杆一端相连接；所述活塞杆另一端通过螺钉卡在活塞上；所述活塞置于由端盖、隔热材料组成的活塞腔内，且活塞将活塞腔分成上空腔与下空腔，上空腔上开设有上出气孔，下空腔上开设有下进气孔，且下进气孔开设在隔热材料上，下进气孔与温热系统相通；

所述温热系统包括温热装置与卤素灯；所述温热装置由工作台、隔热材料组成工作空腔，工作空腔分为上空腔与下空腔，加热空腔内置有电阻丝，且工作台为加热空腔上面，空腔上开设有进气孔与下进气孔；所述卤素灯通过伸缩软管固定在支杆上，支杆固定在三坐标移动平台上，所述隔热材料防止温热装置把热传给上空腔和下空腔；

所述控制系统包括计算机、激光控制器、三坐标移动控制器、温热控制器、位移控制器和位置传感器；所述激光控制器、三坐标移动控制器、温热控制器、位移控制器分别于括计算机相连接；所述位移控制器与位置传感器和约束层位置调节装置相连接，位置传感器安装在约束层支架上；所述位置传感器测量冲击板与工作台间距离并反馈给约束层支架位置调节装置，计算机通过约束层支架位置调节装置调节冲击板与待焊接板间距离，通过激光控制器控制脉冲激光器发射激光束，通过三坐标移动控制器调节三坐标平台的位置，通过温热控制器控制温热装置的温度；所述卤素灯自带温度控制系统。

优选的，所述活塞与端盖上表面均设置有橡胶软垫，防止产生激烈碰撞。

优选的，所述活塞外圈设置有密封圈用于密封上空腔与下空腔，防止两腔空气流动，确保压力差。

优选的，所述进气孔直径为5mm，在温热装置前壁底部；包括空腔，所述空腔，在电阻丝下方，并通过铁板隔开；还包括隔热材料，温热装置的四壁由隔热材料组成。

优选的，所述活塞做成凸台形状且中间开有圆孔，活塞凸起的高度为8mm，直径为20mm,所述活塞杆长80mm；所述端盖做成凸台形状，端盖凸起的高度为10mm。

优选的，下出气孔直径为2mm，距离端盖底部为5mm；上出气孔直径为2mm，距离上空腔顶部距离为5mm。

基于一种温热辅助冲击压力焊接自动夹紧装置的方法，包括如下步骤：

s1：用砂纸打磨去除冲击板和待焊接板焊接区域的氧化层和杂质，用酒精洗净晒干，冲击板的厚度为20μm～40μm，待焊接板的厚度为50μm～100μm；约束层为2mm～4mm厚的透明亚力克板，所述吸收层为黑漆，厚度0.05mm～0.2mm；打开进气孔使空气进入空腔内；

s2：将吸收层镀在约束层的下面，将步骤s1中预处理的冲击板贴在吸收层的下表面；将待焊接板放在工作台中心处，调节冲击板和待焊接板之间的距离；

s3：调节温热控制器，使得工作台的温度达到100～300℃，继而使得待焊接板的温度升高，保温2～3min，由于温热装置周围是隔热材料，底部是铁板，所以热只能传给工作台和空腔内的空气，一方面使得待焊接板温度升高，另一方便使得空腔内空气受热膨胀，受热的空气体积膨胀，通过下进气孔进入下空腔，从而引起上空腔、下空腔的空气压力差，推动活塞向上运动，实现压块对待焊接板的自动压紧；

s4：通过调节伸缩软管使得卤素灯在合适位置，再设置好卤素灯的温度为50-350℃，给冲击板加热，保温2-3min；

s5：通过计算机控制约束层支架位置调节装置调节冲击板与待焊接板之间的距离；通过三坐标移动控制平台器调节三坐标移动平台的位置，使得脉冲激光器输出的激光束经过反射镜和聚焦透镜聚焦在吸收层上；通过聚焦透镜支架位置调节装置调节聚焦透镜与吸收层的距离，来调节光斑；

s6：计算机精确控制的激光束作用吸收层，产生爆炸等离子体，等离子体驱动冲击板高速运行，撞击待焊接板，实现焊接；

s7：通过计算机控制温热控制器使得温热装置加热停止3min，热空气温度逐渐下降，体积收缩，下空腔空气通过下进气孔进入空腔内，在上空腔、下空腔之间形成空气压力差，使得活塞向下移动，压块自动松开，可取出焊接完的工件；

s8：重复s3、s4、s5、s6、s7，可实现冲击板与待焊接板的批量焊接；

优选的，所述冲击板和待焊接板为同种或异种金属材料。

优选的，脉冲激光器为短脉冲激光器，脉宽为8ns～10ns；激光能量为5j-20j，激光光斑直径为3mm-6mm。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明通过加载温热系统，将激光冲击焊接技术和温热技术结合起来，实现了温热场和激光多能场条件下的冲击焊接工艺。通过对冲击板与待焊接板的加热软化，提高焊接材料的性能，可实现相同或者不同材料在不同温度或者同种温度下的焊接，解决了一些焊接工艺的难题；其次，在加热工程中，引起空气的热胀冷缩，使得在活塞上下部引起空气压力差，从而引起活塞的上下运动，实现待焊接板的压紧与松开。本发明温热系统与自动夹紧系统，操作方便快捷，自动化程度高，同时冲击过程高效稳定，焊接质量效率高。

本发明采用电阻丝与卤素灯分别给待焊接板与冲击板加热，再采用脉冲激光作为能量源，实现金属板与板各种温度的固态焊接，使得焊接质量提高，解决一些在常温下难以焊接的金属板的问题，并且提高焊接接头的力学性能；本发明中自动夹紧装置，利用温热装置在加热过程中，引起空气的热胀冷缩，使活塞的上下部产生压力差，实现自动夹紧与松开，方便快捷，提高了工作效率，提高了焊接质量。

附图说明

图1是本发明中温热辅助激光焊接自动夹紧装置的结构示意图；

图2是本发明中自动夹紧装置活塞结构示意图；

图3是本发明中自动夹紧装置压块结构示意图；

图4是本发明中温热装置结构示意图；

图5是本发明中约束层、吸收层、冲击板组件结构示意图；

附图标记如下：

1-计算机；2-激光控制器；3-脉冲激光器；4-激光束；5-反射镜；6-聚光透镜；7-聚焦透镜支架；8-聚焦透镜支架位置调节装置；9-约束层支架；10-约束层支架位置调节装置；11-位移传感器；12-约束层；13-冲击板；14-卤素灯；15-压块；16-连接螺栓；17-活塞杆；18-密封圈；19-活塞；20-螺钉；21-端盖；22-电阻丝；23-待焊接板；24-工作台；25-进气孔；26-三坐标移动平台；27-销；28-l型底座；29-空腔；30-支撑块；31-伸缩软管；32-上出气孔；33-支杆；34-位移传感器；35-三坐标移动控制器；36-温热控制器；37-橡胶软垫；38-下进气孔；39-隔热材料；40-温热装置；41-吸收层；42-上空腔；43-下空腔。

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。结合附图1所示为本发明所述在一种温热辅助冲击压力焊接自动夹紧装置及其方法的一种实施方式，所述装置包括激光发射系统、温热系统、自动夹紧系统、焊接系统、控制系统；

所述激光发射系统包括脉冲激光器3、激光束4、反射镜5、聚焦透镜6、聚焦透镜支架7、聚焦透镜支架位置调节装置8；所述激光控制器2分别与计算机1和脉冲激光器3通过电信号相连接，所述聚焦透镜6通过聚焦透镜支架7连接聚焦透镜支架位置调节装置，聚焦透镜支架位置调节装置8安装在l型底座28侧板上；所述反射镜5位于聚焦透镜6的上方，所述脉冲激光器3发出激光束4经过反射镜5和聚焦透镜6聚焦在吸收层41上。

结合附图5所示，所述焊接系统包括约束层12、吸收层41、冲击板13组件，约束层支架9、约束层支架位置调节装置10、压块15、待焊接板23、工作台24、三坐标移动平台26、l型底座28；所述约束层12、吸收层41、冲击板13通过约束层支架9与约束层支架位置调节装置10相连接，约束层支架位置调节装置10安装在三坐标移动平台26侧板上；所述三坐标移动平台26安装在l型底座28上；所述待焊接板23通过压块15压紧在工作台24；所述工作台24与加热装置41连在一起。

所述控制系统包括计算机1、激光控制器2、三坐标移动控制器35、温热控制器36、位移控制器34、位置传感器11；所述激光控制器2、三坐标移动控制器35、温热控制器36、位移控制器34分别于括计算机1相连接；所述位移控制器34与位置传感器11和约束层支架位置调节装置10相连接，位置传感器11安装在约束层支架9上；所述位置传感器11测量冲击板13与工作台24间距离并反馈给约束层位置调节装置10，计算机1通过约束层支架位置调节装置10调节冲击板13与待焊接板23间距离，通过激光控制器2控制脉冲激光器3发射激光束4，通过三坐标移动控制器35调节三坐标平台26的位置，通过加热控制器36控制温热装置40的温度；所述卤素灯14自带温度控制系统。

结合附图2、3所示，所述自动夹紧系统包括压块15、支撑块30、连接螺栓16、活塞杆17、密封圈18、活塞19、螺钉20、橡胶软垫37、上出气孔27、下进气孔38、端盖21、销27、上空腔42、下空腔43；所述压块15中间通过销27固定在支撑块30上，一边通过连接螺栓16与活塞杆17相连接，另一边将待焊接板23压紧；所述活塞杆17一头通过连接螺栓16与压块15相连接，另一头通过螺钉20卡在活塞19上；所述橡胶软垫37分别在活塞19与端盖21表面，防止产生激烈碰撞；所述密封圈18在活塞19上保证上空腔42与下空腔43的空气压力差；所述上出气孔27与下进气孔38保证上空腔42与下空腔43空气流动形成空气压力差。

结合附图4所示，所述为温热装置40，包括电阻丝22、隔热材料39、空腔29、进气孔25；所述温热装置40通过电阻丝22加热；所述空腔29通过进气孔25进入空气；所述隔热材料39防止温热装置传热给上空腔(42)和下空腔(43)。

本发明还提供了超声振动辅助激光冲击焊接金属箔板的方法，具体包括以下步骤：

s1：用砂纸打磨去除冲击板和待焊接板焊接区域的氧化层和杂质，用酒精洗净晒干，所述冲击板的厚度为20μm～40μm，待焊接板的厚度为50μm～100μm；所述约束层为2mm～4mm厚的透明亚力克板，所述吸收层为黑漆，厚度0.05mm～0.2mm；打开进气孔使空气进入空腔内；

s2：将吸收层镀在约束层的下面，将步骤s1中预处理的冲击板贴在吸收层的下表面；将待焊接板放在工作台中心处。调节冲击板和待焊接板之间的距离；

s3：调节温热控制器，使得工作台的温度达到100-300℃，继而使得待焊接板的温度升高，保温2～3min，由于温热装置周围是隔热材料，底部是铁板，所以热只能传给工作台和空腔内的空气，一方面使得待焊接板温度升高，另一方便使得空腔内空气受热膨胀，受热的空气体积膨胀，通过下进气孔进入下空腔，从而引起上空腔、下空腔的空气压力差，推动活塞向上运动，实现压块对待焊接板的自动压紧；

s4：通过调节伸缩软管使得卤素灯在合适位置，再设置好卤素灯的温度为50-350℃，给冲击板加热，保温2～3min；

s5：通过计算机控制约束层支架位置调节装置调节冲击板与待焊接板之间的距离；通过三坐标移动控制平台器调节三坐标移动平台的位置，使得脉冲激光器输出的激光束经过反射镜和聚焦透镜聚焦在吸收层上；通过聚焦透镜支架位置调节装置调节聚焦透镜与吸收层的距离，来调节光斑；

s6：计算机精确控制的激光束作用吸收层，产生爆炸等离子体，等离子体驱动冲击板高速运行，撞击待焊接板，实现焊接。

s7：通过计算机1控制温热控制器36使得温热装置40加热停止3min，热空气温度逐渐下降，体积收缩，下空腔43空气通过下进气孔38进入空腔28内，在上空腔42、下空腔43之间形成空气压力差，使得活塞19向下移动，压块15自动松开，可取出焊接完的工件。

s8：重复s3、s4、s5、s6、s7，可实现冲击板13与待焊接板23的批量焊接。

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。