一种基于自动夹持粘贴复板的激光冲击焊接装置及其方法与流程

本发明属于机械制造中激光冲击压力焊接领域，尤其是涉及到基于自动夹持粘贴复板的激光冲击焊接装置及其方法。

背景技术

近年来，随着现代工业技术的快速发展，产品的微型化、精密化和轻型化成为制造业发展的重要趋势之一，因此，与之相关的微器件焊接技术的研究显得愈加重要。然而传统的金属箔材连接技术已经无法满足应用于微零件的新型金属箔材的发展需求，解决微零件的两层金属箔材连接的问题对于现代工业产品的质量提高和成本降低具有重要意义。激光冲击压力焊接是一种相对较新的高速冲击压力焊接技术，其焊接结合基本原理与爆炸焊接和电磁脉冲焊接相同，都是利用两块金属板以适当的冲击角度高速碰撞，当上层板和下层板的碰撞角度和冲击速度超过临界值时，在碰撞界面的强塑性剪切变形和高温高压的作用下会发生固态冶金结合。激光冲击压力焊接一般应用于尺寸在微米以下同种或异种金属箔板的连接，焊接区域的直径一般为几毫米。而且脉冲激光参数可控性强且不受材料导电性的限制，因此在微器件焊接领域具有很大的发展潜力。然而目前激光冲击焊接工艺比较复杂，每次焊接前的准备工作都比较长，尤其是每次焊接过程前都需要手动将复板粘贴到吸收层的下方，这就大大降低了焊接效率。为了实现激光冲击焊接过程中复板的自动粘贴，需要对目前的激光冲击焊接装置和方法进行改进。

申请号为201610671249.4的中国专利提出了一种激光冲击焊接装置及其方法，该发明通过使焊接装置中的上层板加工倒梯形台阶，便于形成冲击焊接所需要的冲击角度和冲击速度。克服了传统激光冲击焊接方法中上层板与下层板之间必须给定一定飞行距离的局限性，解决了上层板尺寸受激光光斑尺寸限制的问题。但该方法并不能解决激光冲击焊接的自动化问题，在对金属箔板进行激光冲击焊接时效率依然比较低下。公开号为cn103722291a的专利介绍了一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置，虽然冲击角度连续可调，可以获得不同角度下的焊接状态，但是仍然没有实现焊接过程中的自动粘贴复板的功能。

技术实现要素：

针对现有技术中冲击焊接的不足，本发明提供了一种基于自动夹持粘贴复板的激光冲击焊接装置及其方法，本装置通过添加夹持转换系统和复板自动粘贴系统，实现了复板的自动粘贴，并且通过夹持装置保证两个未焊接的复板的一边处于激光冲击焊接装置中，另一边处于复板自动粘贴装置中，当处于激光冲击焊接系统中的复板焊接成功后，转换装置旋转180°，重新进行复板的自动粘贴，并使原来位于自动粘贴装置一侧的复板移动到激光冲击焊接装置中。实现了激光冲击焊接和复板自动粘贴的同步进行，整个焊接过程工作可靠，自动化程度高，可以有效的提高焊接效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的：

基于自动夹持粘贴复板的激光冲击焊接装置，包括激光加载系统、控制系统、自动夹紧焊接系统、夹持转换系统、复板自动粘贴系统和三维移动平台系统；所述复板自动粘贴系统中的复板推送底座置于夹持转换系统中一侧的约束层正下方；夹持转换系统中另一侧的约束层正下方设置有自动夹持焊接系统；且夹持转换系统中的约束层置于激光加载系统正下方；

所述三维移动平台系统包括l型底座和三维移动平台；所述三维移动平台安装在l型底座的上面；

所述激光加载系统包括聚焦透镜、透镜支架、透镜高度调节器、反射镜和强脉冲激光器；所述强脉冲激光器发出激光发射到45°布置的反光镜上，经反光镜反射到聚焦透镜上进行聚焦，聚焦后的激光打到夹持转换系统中的约束层的正上方；所述聚焦透镜安装在透镜支架上，透镜支架安装在透镜高度调节器上，且透镜支架可通过透镜高度调节器进行高度调节；透镜高度调节器安装在l型底座的竖直侧边上；

所述控制系统包括计算机、强脉冲激光控制器、气压控制器、步进电机控制器和三维移动平台控制器；所述强脉冲激光控制器、气压控制器、步进电机控制器和三维移动平台控制器的一端均与计算机通过电信号相连接；所述强脉冲激光控制器另一端与强脉冲激光器通过电信号相连接；所述气压控制器另一端与第一气缸、第二气缸、第三气缸和第四气缸通过电信号相连接；所述步进电机控制器另一端与转换电机通过电信号相连接；所述三维移动平台控制器另一端与三维移动平台通过电信号相连接；

所述自动夹紧焊接系统包括焊接加工底座、自动夹紧装置和基板；所述自动夹紧装置左右对称置于焊接加工底座两侧；所述自动夹紧装置包括第一气缸、第一推杆、压板和自动夹紧底座；所述焊接加工底座和第一气缸安装在三维移动平台上；所述基板放置在焊接加工底座上平面；所述第一推杆的一端与第一气缸连接，第一推杆的另一端与压板的下表面连接；第一气缸带动第一推杆向上移动，从而实现压板的一端对基板的自动夹紧；所述自动夹紧底座上端开设有圆孔，该圆孔内安装有转动轴；所述自动夹紧底座、压板通过转动轴连接在一起；

所述夹持转换系统包括转换装置和夹持装置；所述夹持装置与转换装置中的第二推杆相连接；

所述转换装置包括转换底座、转换电机、转换支架、第二气缸、第二推杆；所述转换底座安装在三维移动平台上；所述转换电机安装在转换底座上并控制转换支架的旋转；所述第二气缸固定安装在转换支架上，并可随转换支架旋转；第二气缸控制第二推杆的伸缩移动；

所述夹持装置包括第三气缸、第三推杆、滑块、连接杆、平行连杆、支撑转动销、销钉、夹持块和限制层；

所述夹持装置中间左右两侧开有对称的矩形槽a，所述第三气缸矩安装在矩形槽a中间，第三推杆与第三气缸相连接；所述滑块与第三推杆相连接，第三推杆带动滑块沿矩形槽a左右滑动；所述滑块、连接杆、平行连杆和夹持块通过销钉依次连接在一起，平行连杆中间开有孔与支撑转动销相配合连接，支撑转动销安装在夹持装置上；

所述复板自动粘贴系统包括复板、复板推送平台、第四推杆、第四气缸；所述第四气缸安装在复板推送底座上，复板放置在复板推送平台上，复板推送平台通过连接在第四气缸上的第四推杆上下移动，涂有瞬干胶的复板在复板推送平台作用下最后粘贴在吸收层上。

进一步的，所述夹持装置两侧开有对称的矩形槽a，矩形槽a的两侧设有滑轨，滑轨的尺寸为5mm×5mm×70mm。

进一步的，所述滑块两侧开有矩形槽b，其尺寸为5mm×5mm×20mm，与夹持装置矩形槽a两侧的滑轨尺寸相匹配。

进一步的，所述压板上远离自动夹紧底座端的下表面设置有凸台，该凸台作为工件的压紧部位。

进一步的，所述夹持块为u形结构；所述夹持块靠近约束层一面中间开有矩形槽c；矩形槽c的尺寸为5mm×5mm×60mm，矩形槽c内放置有约束层；约束层的厚度为5mm。

基于自动夹持粘贴复板的激光冲击焊接的方法，包括以下步骤：

s1、用砂纸将复板和基板的待焊接区域进行打磨以去除杂质和氧化层，用酒精作为清洗剂将复板和基板擦拭干净，自然晾干以获得清洁的表面；

s2、在约束层下面喷涂一层黑漆，作为吸收层，将约束层放置在对称分布夹持块的矩形槽c上，计算机控制气压控制器，使第二推杆伸出，控制夹持块将约束层夹紧；

s3、将步骤s1中预处理的复板放置在复板推送平台上面，在复板上表面滴上瞬干胶，通过气压控制器控制第四气缸，使第四推杆向上运动，并带动复板推送平台的向上移动，最后使复板和约束层下表面的吸收层相接触，并在第四气缸提供的压力和瞬干胶共同的作用下，使复板粘贴在吸收层上面；控制第四推杆向下运动，重新在复板推送平台放置未焊接的复板，通过步进电机控制器控制转换电机使转换支架旋转180°，重复步骤s3，使另一个未焊接的复板粘贴在吸收层上面；使得在未焊接之前夹持装置的两侧分别粘贴复板，通过气压控制器控制第三气缸的伸缩，从而调节复板和基板之间的飞行距离；

s4、将基板放置在焊接加工底座上，计算机控制气压控制器，使第一推杆伸出，控制压板的一侧上移，使得自动夹紧装置将基板压紧；

s5、调节透镜高度调节器使得激光聚焦在步骤s3中的吸收层上，调节光斑直径；控制强脉冲激光器对复板进行单次冲击，激光到达吸收层上表面，吸收层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，其反作用力可形成冲击波，复板在冲击波作用下，高速撞击到基板上，在碰撞界面的强塑性剪切变形和高温高压的作用发生固态冶金结合从而完成一次焊接过程；

s6、完成一次焊接之后，计算机控制气压控制器，气压控制器控制第一气缸收缩，使得被夹紧的基板松开，取出焊接在一起的工件；通过步进电机控制器控制转换电机使转换支架旋转180度，根据步骤s3在焊接后的约束层下方的吸收层对应位置重新粘贴未焊接的复板，重复步骤s4、s5即可得到所需要的焊接试样；这实现了激光冲击焊接和复板粘贴的同步进行，提高了焊接效率；

s7、清除焊接表面的黑漆，即得到光滑的焊接试样。

进一步的，所述复板和基板为异种金属材料；

进一步的，所述焊接件复板的厚度为20μm～40μm，焊接件基板的厚度为50μm～100μm，约束层的尺寸为20mm×20mm×5mm。

进一步的，k9玻璃作为约束层。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过添加夹持转换系统和复板自动粘贴系统，实现了复板的自动粘贴，并且通过夹持装置保证两个未焊接的复板的一边处于激光冲击焊接装置中，另一边处于复板自动粘贴装置中，当处于激光冲击焊接系统中的复板焊接成功后，转换装置旋转180°，重新进行复板的自动粘贴，并使原来位于自动粘贴装置一侧的复板移动到激光冲击焊接装置中。

2.本发明实现了激光冲击焊接和复板自动粘贴的同步进行，整个焊接过程工作可靠，自动化程度高，可以有效的提高焊接效率。

附图说明

图1是本发明中基于自动夹持粘贴复板的激光冲击焊接装置结构示意图；

图2是本发明图1中的自动夹紧焊接系统结构示意图；

图3是本发明图1中的自动夹持转换系统的三维结构示意图；

图4是本发明中图3中的夹持装置的结构示意图；

图5是本发明中图1中的复板自动粘贴系统的结构组合图；

图6是本发明中图5中的复板自动粘贴装置粘贴复板成功的示意图；

附图标记如下：

1-l型底座；2-三维移动平台；3-焊接加工底座；4-自动夹紧装置；5-透镜高度调节器；6-透镜支架；7-聚焦透镜；8-反射镜；9-强脉冲激光器；10-强脉冲激光控制器；11-计算机；12-气压控制器；13-步进电机控制器；14-三维移动平台控制器；15-复板推送底座；16-复板推送装置；17-转换装置；18-第一气缸；19-第一推杆；20-压板；21-自动夹紧底座；22-转动轴；23-基板；24-转换底座；25-转化电机；26-转化支架；27-第二气缸；28-第二推杆；29-夹持装置；30-第三气缸；31-第三推杆；32-滑块；33-连接杆；34-平行连杆；35-支撑转动销；36-销钉；37-夹持块；38-约束层；39-吸收层；40-复板；41-复板推送平台；42-第四推杆；43-第四气缸。

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所示为本发明的所述的一种基于自动夹持粘贴复板的激光冲击焊接装置实施方式，所述装置包括激光加载系统、控制系统、自动夹紧焊接系统、夹持转换系统、复板自动粘贴系统和三维移动平台系统。所述复板自动粘贴系统中的复板推送底座15置于夹持转换系统中一侧的约束层38正下方；夹持转换系统中另一侧的约束层38正下方设置有自动夹持焊接系统；且夹持转换系统中的约束层38置于激光加载系统正下方；

所述三维移动平台系统包括l型底座1和三维移动平台2；所述三维移动平台2安装在l型底座1的上面。

所述激光加载系统包括聚焦透镜7、透镜支架6、透镜高度调节器5、反射镜8和强脉冲激光器9；所述强脉冲激光器9发出激光发射到45°布置的反光镜8上，经反光镜8反射到聚焦透镜7上进行聚焦，聚焦后的激光打到夹持转换系统中约束层38的正上方；所述聚焦透镜7安装在透镜支架6上，透镜支架6安装在透镜高度调节器5上，且透镜支架6可通过透镜高度调节器5进行高度调节；透镜高度调节器5安装在l型底座1的竖直侧边上；。

所述控制系统包括计算机11、强脉冲激光控制器10、气压控制器12、步进电机控制器13和三维移动平台控制器14；所述强脉冲激光控制器10、气压控制器12、步进电机控制器13和三维移动平台控制器14的一端均与计算机11通过电信号相连接；所述强脉冲激光控制器10另一端与强脉冲激光器9通过电信号相连接；所述气压控制器12另一端与第一气缸18、第二气缸27、第三气缸30和第四气缸43通过电信号相连接；所述步进电机控制器13另一端与转换电机25通过电信号相连接；所述三维移动平台控制器14另一端与三维移动平台2通过电信号相连接。

结合附图2所示，所述自动夹紧焊接系统包括焊接加工底座3、第一气缸18、第一推杆19、压板20、自动夹紧底座21、转动轴22、基板23；所述自动夹紧紧装置4左右对称置于焊接加工底座3两侧；所述焊接加工底座3和第一气缸18安装在三维移动平台2上；所述基板23放置在焊接加工底座3上面；所述第一推杆19与第一气缸18连接，第一气缸18控制第一推杆19向上移动，从而实现压板20对基板23的自动夹紧；所述自动夹紧底座21上端对应位置处开设有圆孔，该圆孔内安装有转动轴22，自动夹紧底座21、压板20通过转动轴22连接在一起；所述压板20上远离自动夹紧底座21端的下表面设置有凸台，该凸台作为工件的压紧部位。

结合附图3和4所示，所述夹持转换系统包括转换装置17和夹持装置29；所述转换装置17包括转换底座24、转换电机25、转换支架26、第二气缸27、第二推杆28；所述转换底座24安装在三维移动平台2上；所述转换电机25安装在转换底座24上并控制转换支架26的旋转；所述第二气缸27安装在转换支架26上，第二气缸27控制第二推杆28的伸缩移动；所述夹持装置29与转换装置17中的第二推杆28相连接；所述夹持装置29包括第三气缸30、第三推杆31、滑块32、连接杆33、平行连杆34、支撑转动销35、销钉36、夹持块37、限制层38；所述夹持装置29两侧开有对称的矩形槽，矩形槽的两侧设有滑轨；所述第三气缸30安装在矩形槽中间，第三推杆31与第三气缸30相连接；滑块32安装在夹持装置29的矩形槽内，滑块32两侧同样开有矩形槽与滑轨相配合，并且滑块32与第三推杆31相连接；所述滑块32、连接杆33、平行连杆34和夹持块37通过销钉36连接在一起，平行连杆34中间开有孔与支撑转动销35相配合连接，支撑转动销35安装在夹持装置29上；所述夹持块37靠近约束层38一面中间开有矩形槽；所述夹持装置29两侧开有对称的矩形槽，矩形槽的两侧设有滑轨，滑轨的尺寸为5mm×5mm×70mm；所述滑块32两侧开有矩形槽，其尺寸为5mm×5mm×20mm，与夹持装置29矩形槽两侧的滑轨尺寸相匹配；所述夹持块37靠近约束层38一面中间开有矩形槽，矩形槽的尺寸为5mm×5mm×60mm，约束层38的厚度为5mm使其与矩形槽的厚度相配合。

结合附图5和6所示，所述复板自动粘贴系统包括复板40、复板推送平台41、第四推杆42、第四气缸43；所述第四气缸43安装在复板推送底座15上，复板40放置在复板推送平台41上，复板推送平台41通过连接在第四气缸43上的第四推杆42控制上下移动，涂有瞬干胶的复板40在复板推送平台41作用下最后粘贴在吸收层39上。

本发明还提供了一种基于自动夹持粘贴复板的激光冲击焊接的方法，具体包括以下步骤：

s1、用砂纸将复板40和基板23的待焊接区域进行打磨以去除杂质和氧化层，用酒精作为清洗剂将复板40和基板23擦拭干净，自然晾干以获得清洁的表面；所述复板40和基板23为异种金属材料；所述焊接件复板40的厚度为20μm～40μm，焊接件基板23的厚度为50μm～100μm；

s2、将5mm厚的k9玻璃作为约束层38，在约束层38下面喷涂一层黑漆，作为吸收层39，将约束层38放置在对称分布夹持块37的矩形槽上，计算机11控制气压控制器12，使第二推杆28伸出，控制夹持块37将约束层38夹紧；

s3、将步骤s1中预处理的复板40放置在复板推送平台41上面，在复板40上表面滴上瞬干胶(乐泰380)，通过气压控制器12控制第四气缸43，使第四推杆42向上运动，并带动复板推送平台41的向上移动，最后使复板40和约束层38下表面的吸收层39相接触，并在第四气缸43提供的压力和瞬干胶共同的作用下，使复板40粘贴在吸收层39上面；控制第四推杆42向下运动，重新在复板推送平台41放置未焊接的复板40，通过步进电机控制器13控制转换电机25使转换支架26旋转180度，重复上述步骤，使另一个未焊接的复板40粘贴在吸收层39上面；保证在未焊接之前夹持装置29的两侧分别粘贴复板40，通过气压控制器12控制第三气缸30的伸缩，从而调节复板40和基板23之间的飞行距离；

s4、将基板23放置在焊接加工底座3上，计算机11控制气压控制器12，使第一推杆19伸出，控制压板20的一侧上移，使得自动夹紧装置4将基板23压紧；

s5、调节透镜高度调节器5使得激光聚焦在步骤s3中的吸收层39上，调节光斑直径；控制强脉冲激光器9对复板40进行单次冲击，激光到达吸收层39上表面，吸收层39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，其反作用力可形成冲击波，复板40在冲击波作用下，高速撞击到基板23上，在碰撞界面的强塑性剪切变形和高温高压的作用发生固态冶金结合从而完成一次焊接过程；

s6、完成一次焊接之后，计算机11控制气压控制器12，气压控制器12控制第一气缸18收缩，使得被夹紧的基板23松开，取出焊接在一起的工件；通过步进电机控制器13控制转换电机25使转换支架26旋转180度，根据步骤s3在焊接后的约束层38下方的吸收层39对应位置重新粘贴未焊接的复板40，重复步骤s4、s5即可得到所需要的焊接试样；这实现了激光冲击焊接和复板40粘贴的同步进行，提高了焊接效率；

s7、清除焊接表面的黑漆，即得到光滑的焊接试样。

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。