本发明专利技术提供了一种基于激光冲击变形的金属薄板连接装置及其方法，该装置由激光发射系统、控制系统和变形连接系统组成；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；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、单杆双作用液压缸、三维移动平台组成。本发明专利技术采用脉冲激光作为能量源，通过组合凹模实现了两层或多层、同种或异种金属薄板的变形连接，增大了金属薄板之间的卡结量，提高了连接强度；本发明专利技术中自动开关模装置实现了凹模的自动打开和闭合，提高了工作效率，在凹模闭合时，该装置有自锁功能，保证了变形连接的精度。
【技术实现步骤摘要】
基于激光冲击变形的金属薄板连接装置及其方法
本专利技术属于激光加工制造及金属薄板材料变形连接
，尤其是一种基于激光冲击变形的金属薄板连接装置及其方法。
技术介绍
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。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压印连接的瓣合式模具，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。
技术实现思路
针对现有技术中金属薄板连接存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于激光冲击变形的金属薄板连接装置及其方法，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。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。基于激光冲击变形的金属薄板连接装置，包括激光发射系统、控制系统和变形连接系统；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；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、单杆双作用液压缸组成，三维移动平台置于底座上方；所述的组合凹模由凹模端盖、导杆、凹模基座组成；凹模基座通过螺钉紧固在三维移动平台上，在凹模基座的中央设有前后相通的矩形槽作为下凹模腔，凹模基座上表面开有两条对称的燕尾形凹槽，凹模端盖底部设有两条对称的燕尾形导轨，燕尾形导轨装在燕尾形凹槽内；凹模端盖的中心处开有通孔，作为上凹模腔，凹模端盖的一侧设有两个对称的导杆，凹模端盖分为对称的两块端盖组件、且两个对称的导杆分别位于两块端盖组件上；所述自动开关模装置由右拨块、左拨块、滚轮、基板、操作杆以及挡销组成；所述右拨块、左拨块均有相垂直的竖直部和水平部，所述水平部与竖直部的交叉处为啮合部，所述竖直部上设有竖直方向的长通孔，所述水平部连接有滚轮，啮合部上设有销钉孔，所述右拨块、左拨块的啮合部为形状相符的台阶状，所述左拨块的啮合部与竖直部、水平部之间的连接处均为斜边，所述右拨块的啮合部下方具有顶端超过水平部底边的突出部，所述突出部靠近左拨块的一边为斜边；所述操作杆上表面设有两个形状相同的滑槽，所述滑槽具有一滑行斜面和一限位斜面；所述三维移动平台的上表面设有轨道，所述操作杆置于三维移动平台上的移动轨道内；操作杆的一端与单杆双作用液压缸的活塞杆通过螺纹连接，单杆双作用液压缸固定于三维移动平台；基板固定安装在三维移动平台上、并位于所述操作杆的一侧，所述凹模端盖的两个导杆分别穿入所述右拨块、左拨块竖直部上的长通孔内，右拨块、左拨块放置在操作杆上、使两个滚轮分别位于两个滑槽内，滚轮可沿着滑行斜面滚动、并由限位斜面限制滚轮的极限位置；右拨块、左拨块分别由圆销及啮合部上的销钉孔固定在基板上，且右拨块、左拨块均可绕圆销进行旋转；挡销安装在操作杆的侧面、并贴近右拨块突出部的右侧；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。优选地，所述的组合凹模尺寸为5mm×3mm×2mm。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2mm×0.3mm，上凹模腔、下凹模腔相结合构成整体凹模腔，整体凹模腔的腔体呈“凸”字形状。优选地，所述导杆上设有一限位槽，所述长通孔位于所述限位槽内。基于激光冲击变形的金属薄板连接方法，具体包括如下步骤：S1、将组合凹模固定安装在三维移动平台上；将自动开关模装置中的基板固定于三维移动平台，操作杆置于三维移动平台上移动轨道内，右拨块、左拨块分别安装滚轮，所述凹模端盖的两个导杆分别穿入所述右拨块、左拨块竖直部上的长通孔内，右拨块、左拨块放置于操作杆上，并通过圆销与基板相连；单杆双作用液压缸通过螺纹与操作杆相连接固定于三维移动平台；将所述激光控制器、液压控制系统及三维移动平台控制器与计算机连接；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；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；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，从而完成基于激光冲击变形的金属薄板连接过程；S4、完成一次基于激光冲击变形的金属薄板连接之后，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与操作杆一起向左运动，即控制自动开关模装置自动打开组合凹模的凹模端本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于激光冲击变形的金属薄板连接装置，包括激光发射系统、控制系统和变形连接系统；所述激光发射系统由底座(1)、透镜支架(7)、脉冲激光器(10)、反射镜(9)、可调聚焦透镜(8)组成；透镜支架(7)固定在底座(1)上，可调聚焦透镜(8)安装在透镜支架(7)上并位于经反射镜(9)反射后的激光光路上；所述变形连接系统由三维移动平台(2)、自动开关模装置(3)、组合凹模(4)、工件系统(5)、压边装置(6)、单杆双作用液压缸(15)组成，三维移动平台(2)置于底座(1)上方；所述的组合凹模(4)由凹模端盖(20)、导杆(21)、凹模基座(22)组成；凹模基座(22)通过螺钉紧固在三维移动平台(2)上，在凹模基座(22)的中央设有前后相通的矩形槽作为下凹模腔，凹模基座(22)上表面开有两条对称的燕尾形凹槽，凹模端盖(20)底部设有两条对称的燕尾形导轨，燕尾形导轨装在燕尾形凹槽内；凹模端盖(20)的中心处开有通孔，作为上凹模腔，凹模端盖(20)的一侧设有两个对称的导杆(21)，凹模端盖(20)分为对称的两块端盖组件、且两个对称的导杆(21)分别位于一块端盖组件上；所述自动开关模装置(3)由右拨块(23)、左拨块(24)、滚轮(25)、基板(26)、操作杆(27)以及挡销(28)组成；所述右拨块(23)、左拨块(24)均有相垂直的竖直部和水平部，所述水平部与竖直部的交叉处为啮合部，所述竖直部上设有竖直方向的长通孔，所述水平部连接有滚轮，啮合部上设有销钉孔，所述右拨块(23)、左拨块(24)的啮合部为形状相符的台阶状，所述左拨块(24)的啮合部与竖直部、水平部之间的连接处均为斜边，所述右拨块(23)的啮合部下方具有顶端超过水平部底边的突出部，所述突出部靠近左拨块(24)的一边为斜边；所述操作杆(27)上表面设有两个形状相同的滑槽，所述滑槽具有一滑行斜面和一限位斜面；所述三维移动平台(2)的上表面设有轨道，所述操作杆(27)置于三维移动平台(2)上的移动轨道内；操作杆(27)的一端与单杆双作用液压缸(15)的活塞杆通过螺纹连接，单杆双作用液压缸(15)固定于三维移动平台(2)；基板(26)固定安装在三维移动平台(2)上、并位于所述操作杆(27)的一侧，所述凹模端盖(20)的两个导杆(21)分别穿入所述右拨块(23)、左拨块(24)竖直部上的长通孔内，右拨块(23)、左拨块(24)放置在操作杆(27)上、使两个滚轮(25)分别位于两个滑槽内，滚轮(25)可沿着滑行斜面滚动、并由限位斜面限制滚轮(25)的极限位置；右拨块(23)、左拨块(24)分别由圆销及啮合部上的销钉孔固定在基板(26)上，且右拨块(23)、左拨块(24)均可绕圆销进行旋转；挡销(28)安装在操作杆(27)的侧面、并贴近右拨块突出部的右侧；所述工件系统(5)由从上到下依次排列的约束层(16)、吸收层(17)、第一金属薄板(18)以及第二金属薄板(19)组成；所述工件系统(5)放置在组合凹模(4)上、并通过压边装置(6)固定；所述控制系统由激光控制器(11)、计算机(12)、液压控制系统(13)、三维移动平台控制器(14)组成；所述激光控制器(11)、液压控制系统(13)及三维移动平台控制器(14)均与计算机(12)相连接；所述激光控制器(11)与脉冲激光器(10)相连接，用于控制脉冲激光器(10)的工作状态；三维移动平台控制器(14)与三维移动平台(2)相连，用于控制三维移动平台(2)的移动；所述液压控制系统(13)与单杆双作用液压缸(15)相连，用于控制单杆双作用液压缸(15)的伸缩。...
【技术特征摘要】
1.基于激光冲击变形的金属薄板连接装置，包括激光发射系统、控制系统和变形连接系统；所述激光发射系统由底座(1)、透镜支架(7)、脉冲激光器(10)、反射镜(9)、可调聚焦透镜(8)组成；透镜支架(7)固定在底座(1)上，可调聚焦透镜(8)安装在透镜支架(7)上并位于经反射镜(9)反射后的激光光路上；所述变形连接系统由三维移动平台(2)、自动开关模装置(3)、组合凹模(4)、工件系统(5)、压边装置(6)、单杆双作用液压缸(15)组成，三维移动平台(2)置于底座(1)上方；所述的组合凹模(4)由凹模端盖(20)、导杆(21)、凹模基座(22)组成；凹模基座(22)通过螺钉紧固在三维移动平台(2)上，在凹模基座(22)的中央设有前后相通的矩形槽作为下凹模腔，凹模基座(22)上表面开有两条对称的燕尾形凹槽，凹模端盖(20)底部设有两条对称的燕尾形导轨，燕尾形导轨装在燕尾形凹槽内；凹模端盖(20)的中心处开有通孔，作为上凹模腔，凹模端盖(20)的一侧设有两个对称的导杆(21)，凹模端盖(20)分为对称的两块端盖组件、且两个对称的导杆(21)分别位于两块端盖组件上；所述自动开关模装置(3)由右拨块(23)、左拨块(24)、滚轮(25)、基板(26)、操作杆(27)以及挡销(28)组成；所述右拨块(23)、左拨块(24)均有相垂直的竖直部和水平部，所述水平部与竖直部的交叉处为啮合部，所述竖直部上设有竖直方向的长通孔，所述水平部连接有滚轮，啮合部上设有销钉孔，所述右拨块(23)、左拨块(24)的啮合部为形状相符的台阶状，所述左拨块(24)的啮合部与竖直部、水平部之间的连接处均为斜边，所述右拨块(23)的啮合部下方具有顶端超过水平部底边的突出部，所述突出部靠近左拨块(24)的一边为斜边；所述操作杆(27)上表面设有两个形状相同的滑槽，所述滑槽具有一滑行斜面和一限位斜面；所述三维移动平台(2)的上表面设有轨道，所述操作杆(27)置于三维移动平台(2)上的移动轨道内；操作杆(27)的一端与单杆双作用液压缸(15)的活塞杆通过螺纹连接，单杆双作用液压缸(15)固定于三维移动平台(2)；基板(26)固定安装在三维移动平台(2)上、并位于所述操作杆(27)的一侧，所述凹模端盖(20)的两个导杆(21)分别穿入所述右拨块(23)、左拨块(24)竖直部上的长通孔内，右拨块(23)、左拨块(24)放置在操作杆(27)上、使两个滚轮(25)分别位于两个滑槽内，滚轮(25)可沿着滑行斜面滚动、并由限位斜面限制滚轮(25)的极限位置；右拨块(23)、左拨块(24)分别由圆销及啮合部上的销钉孔固定在基板(26)上，且右拨块(23)、左拨块(24)均可绕圆销进行旋转；挡销(28)安装在操作杆(27)的侧面、并贴近右拨块突出部的右侧；所述工件系统(5)由从上到下依次排列的约束层(16)、吸收层(17)、第一金属薄板(18)以及第二金属薄板(19)组成；所述工件系统(5)放置在组合凹模(4)上、并通过压边装置(6)固定；所述控制系统由激光控制器(11)、计算机(12)、液压控制系统(13)、三维移动平台控制器(14)组成；所述激光控制...
【专利技术属性】
技术研发人员：王霄，李聪，刘会霞，沈宗宝，马友娟，高帅，孙先庆，沙朝飞，李立银，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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