一种激光冲击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，尤其是一种激光冲 击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，本发明提供了一种激光冲击金属 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] -种激光冲击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压边装置、工件系统、组合凹模、自动开关模装置、三维移动 平台组成，三维移动平台置于底座上方，所述工件系统由从上到下依次排列的约束层、吸收 层、第一金属薄板以及第二金属薄板组成；所述工件系统放置在组合凹模上、并通过压边装 置固定；所述组合凹模由凹模基座、凹模端盖、凹模拉杆组成；凹模基座呈"几"字形状，凹 模基座的底部通过螺钉紧固在三维移动平台上，凹模基座上表面开有两条平行的凹槽，凹 模端盖底部设有两条平行的导轨，凹模端盖底部的导轨装配在凹模基座的凹槽中；凹模端 盖上表面的中心处开有小孔作为上凹模腔，在凹模端盖的中央设有前后相通的矩形槽作为 下凹模腔，凹模端盖两侧设有对称分布的凹模拉杆，凹模端盖由两块对称的端盖组件对接 而成，且两个凹模拉杆分别位于两块端盖组件上；所述自动开关模装置由基板、右长杆、右 短杆、销钉、左短杆、左长杆、滑块、单杆双作用液压缸组成；基板固定安装在三维移动平台 上，基板的中轴线上加工有销钉孔和矩形孔，矩形孔的两侧内壁开有滑槽；所述滑块两侧设 有厚度小于矩形块的滑轨，滑块两侧的滑轨与基板上的滑槽进行间隙配合；单杆双作用液 压缸位于基板的矩形孔处、并固定在三维移动平台上，单杆双作用液压缸的活塞杆与滑块 相连；销钉安装在基板上的销钉孔内，右短杆、左短杆的一端共同装在销钉上，并均可绕销 钉进行转动；右长杆、左长杆的一端共同铰接于滑块上，右短杆、左短杆的另一端分别铰链 于右长杆、左长杆上，构成一个平面连杆机构，并且右短杆、左短杆和右长杆的长度以及左 右长杆构成平面连杆机构部分的长度满足
，即可使得两个长连杆的上端沿着水 平方向作直线运动；右长杆、左长杆的另一端分别与组合凹模两端的凹模拉杆相铰接；
[0009] 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； 激光控制器、液压控制系统、三维移动平台控制器均与计算机联接；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，用于控制其作平面移动；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。
[0010] 进一步地，所述的组合凹模尺寸为5mmX 3mmX 5mm。
[0011] 进一步地，凹模基座上表面的凹槽截面为燕尾形的，凹模端盖底部的导轨截面为 燕尾形。
[0012] 进一步地，所述右长杆、左长杆的一端通过销钉铰接于滑块上，或者铰接于与所述 滑块一体的凸起上。
[0013] 进一步地，所述上凹模腔的截面为圆形或矩形，下凹模腔的横截面尺寸为 3mmX 0.3mm，上下凹模腔相结合构成整体凹模腔，整体凹模腔呈"凸"字形状。
[0014] 所述一种激光冲击金属薄板变形连接装置的激光冲击金属薄板变形连接方法，具 体包括如下步骤：
[0015] S1.将激光控制器、液压控制系统、三维移动平台控制器与计算机联接；将自动开 关模装置中的滑块与单杆双作用液压缸相连后，滑块装入基板上的滑槽中，单杆双作用液 压缸放置在基板上的矩形孔处，使用螺钉将基板和单杆双作用液压缸固定在三维移动平台 上，销钉装入基板的销钉孔中，短连杆和长连杆通过铰链相连后，将两个短连杆的一端通过 销钉铰接于基板上，两个长连杆的一端铰接于滑块；将组合凹模装在三维移动平台上，自动 开关模装置中两个长连杆的上端通过铰链与组合凹模的凹模拉杆相连；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，使得凹模端盖中上凹模腔的中心位于激光光 路上；
[0016] S2.在组合凹模上放上工件系统，压边装置对工件系统施加压边力；
[0017] S3.调整反射镜与可调聚焦透镜，将脉冲激光器发出的激光聚焦到工件系统上，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，两层金属薄板发生超速塑性变形，从而完成激光冲击金属薄板变形连接过 程；
[0018] S4.完成一次激光冲击金属薄板变形连接之后，压边装置卸去压边力；计算机通 过液压控制系统控制单杆双作用液压缸的活塞杆顶着滑块向上运动，滑块带动右长杆、左 长杆，使右长杆、左长杆、右短杆、左短杆构成的平面连杆机构协同作用，牵引构成凹模端盖 的两个端盖组件沿凹模基座的凹槽向相反的方向移动，凹模端盖被打开；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与滑块 一起向下运动，平面连杆机构协同作用，牵引构成凹模端盖的两个端盖组件沿凹模基座的 凹槽相向移动，关闭组合凹模的凹模端盖；由此进入下一个激光冲击金属薄板变形连接周 期。
[0019] 本发明的有益效果是：
[0020] 本发明所述的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