一种新型激光冲击连接金属薄板的装置及其方法
【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，尤其是一种新型激光冲击连接金属薄板的装置及其方法。
【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，本发明提供了一种新型激光冲击连接金属薄板的装置及其方法，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]—种新型激光冲击连接金属薄板的装置，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三维移动平台、自动开关模装置、组合凹模、工件系统、压边装置组成，三维移动平台置于底座上方；所述组合凹模中间设有前后相通的矩形槽作为下凹模腔，组合凹模上表面的中心处开有与下凹模腔连通的小孔作为上凹模腔，组合凹模底部设有两个对称的导柱和一个矩形槽，所述的组合凹模由结构相同的左凹模、右凹模组成，所述小孔、矩形槽均位于左凹模、右凹模连接处，所述两个对称的导柱分别位于左凹模、右凹模上；所述的工件系统由约束层、吸收层、第一金属薄板以及第二金属薄板组成；工件系统放置在组合凹模上、并由压边装置固定；所述的自动开关模装置由单杆双作用液压缸、连接块、短连杆、长连杆、基座组成；基座的截面呈“几”字形状，基座的底部通过螺钉紧固在三维移动平台上，基座的上表面开有两条在同一条直线上的导柱槽，以及一个与所述导柱槽垂直、并位于两条导柱槽之间的定位块；所述两个导柱分别装于所述导柱槽中，所述定位块镶嵌在所述矩形槽内；两个单杆双作用液压缸分别安装在基座的正面与背面，所述液压缸的活塞杆分别与一个连接块相连；每一个连接块上分别与两个短连杆的一端相铰接；每个短连杆的另一端分别与一个长连杆的中间段铰接，所述长连杆的一端与基座铰接、另一端与左凹模或右凹模铰接，构成前后两组完全对称的平面连杆机构；
[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；所述激光控制器、液压控制系统及三维移动平台控制器均与计算机相连接；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，用于控制三维移动平台的移动；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]优选地，所述的组合凹模尺寸为4mmX3_X2mm。
[0011]优选地，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。
[0012]优选地，所述组合凹模的左凹模、右凹模分别设有两个位于同一平面内的第一通孔，左凹模上的两个第一通孔与右凹模上的两个第一通孔关于中轴线对称；基座左右两部分上分别设有两个位于同一平面内的第二通孔，且左侧的两个通孔与右侧两个通孔关于基座的中轴线对称；所述第一通孔、第二通孔相平行，第一通孔、第二通孔内均穿有一根轴，轴与第一通孔过渡配合，轴与第二通孔过渡配合；位于所述基座正面与背面的长连杆的两端分别与所述轴连接、且均可绕轴转动。
[0013]—种新型激光冲击连接金属薄板的装置的新型激光冲击连接金属薄板的方法，具体包括如下步骤:
[0014]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；通过螺钉将自动开关模装置中的基座紧固在三维移动平台上，两个单杆双作用液压缸分别安装在基座的正面与背面的中间位置，两个所述液压缸的活塞杆分别与一个连接块相连；左凹模和右凹模上的导柱放入基座上表面的导柱槽、使矩形槽紧贴定位块，放置在基座上，长连杆的两端分别铰接于基座、组合凹模上；两个短连杆的一端分别与中间两个长连杆通过铰链相连接，另一端通过销钉共同与连接块相连；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，使得组合凹模上凹模腔的中心位于激光光路上；
[0015]S2.将工件系统放在组合凹模上，设有压边装置对工件系统施加压边力；
[0016]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，从而完成激光冲击连接金属薄板的过程;
[0017]S4.完成一次激光冲击连接金属薄板之后，压边装置卸去压边力；计算机控制液压控制系统，液压控制系统控制单杆双作用液压缸的活塞杆顶着连接块向上运动，即控制左凹模与右凹模向上运动的同时自动打开组合凹模；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连接块一起向下运动，控制自动开关模装置自动关闭组合凹模；由此进入下一个激光冲击连接金属薄板周期。
[0018]本发明的有益效果是:
[0019]本发明采用脉冲激光作为能量源，只需要凹模，通过组合凹模实现了两层或多层、同种或异种新型金属薄板的变形连接，组合凹模的整体凹模腔呈“凸”字形状，保证了两层或多层金属薄板之间较大的卡结量，其连接强度较高；本发明中自动开关模装置可以实现凹模的自动开模和自动闭合，提高了装置的工作效率，在凹模闭合时，单杆双作用液压缸使得自动开关模装置具有自锁功能，保证了金属薄板变形连接的精度。
【附图说明】
[0020]图1是本发明所述的新型激光冲击连接金属薄板装置的结构示意图；
[0021]图2是本发明中自动开关模装置的结构示意图；
[0022]图3是本