一種激光沖擊金屬箔板同步焊接和成形方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)械制造中激光沖擊微成形領(lǐng)域，尤其是涉及一種激光沖擊金屬箔板同步焊接和成形方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)微器件在電子產(chǎn)品、生物、醫(yī)療器械、精密儀器等產(chǎn)業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，產(chǎn)品的微型化成為制造業(yè)的一個(gè)重要的趨勢(shì)，與之相關(guān)的金屬微成形技術(shù)研究顯得越發(fā)重要。
[0003]隨著材料科學(xué)的發(fā)展，人們?cè)桨l(fā)認(rèn)識(shí)到多種材料組合，特別是異種金屬材料連接廣泛應(yīng)用于航空和航天、電子、生物和醫(yī)療等產(chǎn)業(yè)。由復(fù)合材料制備的器件可以充分綜合利用組成材料的良好性能，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
[0004]目前制造復(fù)合材料的成形件的工藝大多分成兩步，先通過(guò)爆炸復(fù)合和乳制等工藝制造復(fù)合板材接著再通過(guò)沖壓成形和爆炸成形等工藝制造成形件。關(guān)于一個(gè)過(guò)程同時(shí)實(shí)現(xiàn)異種金屬材料的焊接和成形的報(bào)道非常少。鄭遠(yuǎn)謀著的《爆炸焊接和爆炸復(fù)合材料的原理及應(yīng)用》一書報(bào)道了一種爆炸焊接和爆炸成形兩種工藝一氣呵成的工藝。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于一次爆炸加載可以完成焊接和成形兩種工藝，該工藝特別適用于大型復(fù)合件的制造。但是炸藥加載可控性差，危險(xiǎn)程度高，所用模具較為簡(jiǎn)單，很難應(yīng)用于微器件的制造。2003年俄亥俄艸丨立大學(xué)的張鵬慧在博士論文《Joining Enabled by High VelocityDeformat1n》報(bào)道一種彈丸沖擊焊接和成形的工藝，通過(guò)彈丸高速?zèng)_擊緊貼的兩層金屬，在模具的約束下材料流入模具，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分金屬材料焊接在一起，同時(shí)成功復(fù)制模具的形狀。但是，該工藝是接觸式加載驅(qū)動(dòng)的固態(tài)焊接和成形工藝，由于可控性較差，因此表面質(zhì)量不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種激光沖擊金屬箔板同步焊接和成形方法及裝置，該焊接和成形方法快捷、精密、可重復(fù)，提高了加工精度和工作效率。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0007]—種激光沖擊金屬箔板同步焊接和成形方法，包括以下步驟:
[0008]S1:將基板和復(fù)板預(yù)處理；
[0009]S2:將吸收層涂覆在約束層下表面，將步驟S1中預(yù)處理后的復(fù)板緊貼在吸收層下表面;將基板放在模具的固定槽上;調(diào)節(jié)基板和復(fù)板之間的距離；
[0010]S3:調(diào)節(jié)光路使激光聚焦在步驟S2中所述吸收層上，調(diào)節(jié)光斑直徑;控制激光對(duì)復(fù)板單次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)復(fù)板和基板單次同步焊接和成形；
[0011]S4:去除吸收層，即可得到金屬箔板復(fù)合的成形件。
[0012]進(jìn)一步的，步驟S1中所述基板和復(fù)板預(yù)處理過(guò)程為:用粗砂紙打磨方法除去基板和復(fù)板表面存在的氧化層，然后再用細(xì)砂紙打磨拋光，最后用酒精或丙酮清洗表面，得到清潔光滑的表面，Ra < 0.025μπι。
[0013]進(jìn)一步的，步驟S2中調(diào)節(jié)基板和復(fù)板的過(guò)程為:將約束層通過(guò)約束層支架連接約束層位置調(diào)節(jié)器;通過(guò)約束層位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)復(fù)板和基板之間的距離。
[0014]進(jìn)一步的，步驟S2中所述約束層為K9玻璃，厚度為3_;所述吸收層為黑漆，厚度為
0.lmm-0.5mm;所述復(fù)板通過(guò)粘合劑A380緊密貼在吸收層上;所述基板和復(fù)板之間的距離為
0.3mm-0.9mm。
[0015]進(jìn)一步的，所述復(fù)板厚度為20um-100um，基板厚度為50um-200um;所述復(fù)板和基板為同種或異種金屬材質(zhì)。
[0016]進(jìn)一步的，步驟S3中所述調(diào)節(jié)光路過(guò)程為:通過(guò)三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)位置，使由脈沖激光器輸出的激光經(jīng)過(guò)反射鏡和聚焦透鏡聚焦在吸收層上；調(diào)節(jié)光斑直徑過(guò)程為:通過(guò)調(diào)節(jié)聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)聚焦透鏡與復(fù)板的距離，來(lái)調(diào)節(jié)光斑直徑。
[0017]進(jìn)一步的，所述脈沖激光器為脈寬8ns-10ns的短脈沖激光器，激光能量控制在3J-8J，光斑直徑控制在2mm-6mm。
[0018]—種激光沖擊金屬箔板同步焊接和成形裝置，包括激光發(fā)生裝置、焊接和成形裝置、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)裝置、控制裝置；
[0019]所述焊接和成形裝置包括模具支撐板、模具、基板、復(fù)板、吸收層、約束層、約束層支架和約束層位置調(diào)節(jié)器;所述三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)裝置包括三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)和L型底座;所述三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)位于L型底座的底板上;所述模具支撐板固定在三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)上表面;所述模具支撐板上表面固定模具;所述模具的固定槽上部放置基板;所述約束層通過(guò)約束層支架連接約束層位置調(diào)節(jié)器，所述約束層位置調(diào)節(jié)器固定在L型底座的側(cè)板上;所述約束層下表面涂有吸收層;所述吸收層下表面緊貼有復(fù)板；
[0020]所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光聚焦在吸收層上;所述控制裝置包括計(jì)算機(jī)、脈沖激光器控制器和三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器;所述脈沖激光器控制器和三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器分別與計(jì)算機(jī)相連接。
[0021 ] 進(jìn)一步的，所述模具尺寸為50mm x 50mm x 3mm;固定槽的深度為0.03mm-0.10mm，固定槽位于模具上方中心處;模具形腔的深度為0.模具形腔下方開直徑為0.5mm-
lmm排氣孔。
[0022 ]進(jìn)一步的，所述激光發(fā)生裝置包括脈沖激光器、反射鏡、聚焦透鏡、聚焦透鏡支架、聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器;所述聚焦透鏡通過(guò)聚焦透鏡支架與聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器相連接，聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器安裝在L型底座的側(cè)板上;所述脈沖激光器發(fā)出激光束經(jīng)過(guò)反射鏡和聚焦透鏡聚焦在吸收層上。
[0023]本發(fā)明的有益效果:
[0024](1)本發(fā)明所述激光沖擊金屬箔板同步焊接和成形方法，通過(guò)利用激光誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波驅(qū)動(dòng)復(fù)板發(fā)生局部變形，并以高速與基板碰撞，在模具的作用下，復(fù)板與基板同時(shí)發(fā)生固態(tài)焊接和成形;能夠在一次脈沖加載下制備厚度在微米級(jí)尺度的同種或異種金屬箔板復(fù)合的成形件。該方法加工效率高，成形精度高，表面質(zhì)量高，加工成本低，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。
[0025](2)本發(fā)明所得到的成型件中復(fù)板與基板焊接結(jié)合區(qū)域?yàn)榄h(huán)形，焊接結(jié)合界面呈周期波紋狀，連接強(qiáng)度高。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明一種激光沖擊同步焊接和成形裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2是本發(fā)明中模具的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3是本發(fā)明的工作過(guò)程原理圖。
[0029]圖4是本發(fā)明的焊接和成形件截面圖。
[0030]附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:
[0031 ] 1-L型底座，2-三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)，3-模具支撐板，4-模具，5_基板，6_復(fù)板，7_吸收層，8-約束層，9-約束層支架，10-約束層位置調(diào)節(jié)器，11-聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器，12-聚焦透鏡支架，13-聚焦透鏡，14-反射鏡，15-脈沖激光器，16-脈沖激光器控制器，17-計(jì)算機(jī)，18-三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器，19等離子體。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0033]如圖1所示，一種激光沖擊金屬箔板同步焊接和成形裝置，包括激光發(fā)生裝置、焊接和成形裝置、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)裝置、控制裝置；
[0034]所述激光發(fā)生裝置包括脈沖激光器15、反射鏡14、聚焦透鏡13、聚焦透鏡支架12、聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器11;所述焊接和成形裝置包括模具支撐板3、模具4、基板5、復(fù)板6、吸收層7、約束層8、約束層支架9和約束層位置調(diào)節(jié)器10;所述三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)裝置包括三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)2和L型底座1;所述控制裝置包括計(jì)算機(jī)17、脈沖激光器控制器16和三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器18。
[0035]所述三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)2位于L型底座1的底板上;所述聚焦透鏡13通過(guò)聚焦透鏡支架12與聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器11相連接，聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)器11安裝在L型底座1的側(cè)板上；所述脈沖激光器15發(fā)出激光束經(jīng)過(guò)反射鏡14和聚焦透鏡13聚焦在吸收層7上。
[0036]所述模具支撐板3固定在三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)2上表面;所述模具支撐板3上表面固定模具4;所述模具4的固定槽上部放置基板5;如圖2所示，所述模具4尺寸為50mm x 50mm x3mm ；固定槽的深度為0.03mm-0.10mm，固定槽位于模具4上方中心處；模具形腔的深度為
0.3mm-1mm ；模具形腔下方開直徑為0.排氣孔。
[0037]所述約束層8通過(guò)約束層支架9連接約束層位置調(diào)節(jié)器10，所述約束層位置調(diào)節(jié)器10固定在L型底座1的側(cè)板上;所述約束層8下表面涂有吸收層7;所述吸收層7下表面緊貼有復(fù)板6。所述脈沖激光器控制器16和三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器18分別與計(jì)算機(jī)17相連接。
[0038]—種激光沖擊金屬箔板同步焊接和成形方法，包括下列步驟:
[0039]S1:用粗砂紙打磨方法除去基板5和復(fù)板6表面存在的氧化層，然后再用細(xì)砂紙打磨拋光，最后用酒精或丙酮清洗表面，得到清潔光滑的表面，Ra<0.025ym;所述復(fù)板6厚度為 20um-100um，基板 5 厚度為 50um-200um。
[0040]S2:用厚度為3mm的K9玻璃作為約束層8，在約束層8上涂一層黑漆作為吸收層7，所述吸收層7的厚度為0.lmm-0.5_，待自然干燥后用A380做粘合劑將復(fù)板6緊密貼在吸收層7上;將基板5放置于模具4上方固定槽處，將約束層8通過(guò)約束層支架9連接約束層位置調(diào)節(jié)器10;通過(guò)約束層位置調(diào)節(jié)器10調(diào)節(jié)復(fù)板6和基板5之間的距離為0.3mm-0.9mm。
[0041]S3:通過(guò)三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制