本發(fā)明涉及高速?zèng)_擊焊接領(lǐng)域，特指一種激光沖擊加載下金屬絲和板的焊接裝置及其方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著電子產(chǎn)品、精密儀器、傳感器等產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，微器件的需求日益增加。與之相關(guān)的微器件焊接在微器件的制造中的需求也越來越廣泛。微器件焊接的主要對(duì)象通常是一些金屬薄件、箔、絲等，對(duì)焊接精度和工藝參數(shù)要求非常高，因此焊接難度很大。此外，焊接質(zhì)量不僅會(huì)直接影響微器件的穩(wěn)定性和可靠性，也是微制造過程中的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)階段，微器件焊接的主要方法包括熔焊、釬焊、超聲波焊、壓焊、激光焊等。其中，熔焊主要有電阻熔焊、電子束焊、等離子弧焊等。電阻熔焊需要在局部加熱，常常會(huì)因?yàn)闇囟冗^高影響微器件的使用性能，甚至損壞微器件。電子束焊接需要在真空環(huán)境中進(jìn)行，限制了其使用范圍。等離子弧焊接的成本很高，同時(shí)對(duì)焊接控制的精度要求也很高。釬焊是在焊接體之間利用熱源熔化一種熔點(diǎn)低的材料以實(shí)現(xiàn)工件和基體過渡焊接的方法。但是，該方法引入的低熔點(diǎn)材料與工件及基體的材料性質(zhì)不同，對(duì)于電子元器件來說，通電時(shí)會(huì)由于微器件電阻不均勻而出現(xiàn)局部過熱的現(xiàn)象。超聲波焊接的振幅比較大，容易使工件變形，限制了其微型化應(yīng)用。壓焊分為冷壓焊和熱壓焊兩種，冷壓焊要求工件與基體之間必須發(fā)生明顯的形變，對(duì)微器件的形狀精度影響很大。而熱壓焊容易造成微器件的熱損傷。激光微焊接是一種比較先進(jìn)的微焊接工藝，該方法主要是利用激光的熱效應(yīng)熔化材料以實(shí)現(xiàn)連接。但是，它對(duì)焊接熔點(diǎn)相差很大的異種金屬材料組合有很大的局限性。

為了解決傳統(tǒng)微器件焊接技術(shù)存在的局限性，近年來，研究人員提出了激光高速?zèng)_擊焊接技術(shù)。公開號(hào)為CN 103722291A的專利介紹了一種真空環(huán)境下沖擊角度連續(xù)可調(diào)的激光沖擊焊接裝置，可以實(shí)現(xiàn)同種或異種金屬箔板固態(tài)連接。但是該裝置無法實(shí)現(xiàn)金屬絲和板的焊接。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問題提供一種激光沖擊加載下金屬絲和板的焊接裝置及其方法，解決傳統(tǒng)微器件焊接技術(shù)存在的局限性，實(shí)現(xiàn)金屬絲和板的焊接。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種激光沖擊加載下金屬絲和板的焊接裝置，包括激光發(fā)生系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

所述激光發(fā)生系統(tǒng)包括脈沖激光器、反射鏡、聚焦透鏡、聚焦透鏡支架和聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)裝置；所述脈沖激光器控制器分別與計(jì)算機(jī)和脈沖激光器電連接，所述聚焦透鏡通過聚焦透鏡支架連接聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)裝置，聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)裝置安裝在L型底座1側(cè)板上；所述反射鏡位于聚焦透鏡的上方，所述脈沖激光器發(fā)出激光束經(jīng)過反射鏡和聚焦透鏡聚焦在吸收層上；

所述焊接系統(tǒng)包括約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件、約束層支架、約束層位置調(diào)節(jié)裝置、壓塊、板件、金屬絲、金屬絲夾持裝置、工作臺(tái)、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)和L型底座；所述約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件通過約束層支架與約束層位置調(diào)節(jié)裝置相連接，約束層位置調(diào)節(jié)裝置安裝在L型底座的側(cè)板上；所述三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)安裝在L型底座的底板上，所述工作臺(tái)固定在三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)上表面；所述板件安裝在工作臺(tái)上的凹槽內(nèi)、且通過壓塊壓緊；所述金屬絲由金屬絲夾持裝置固定，并與板件搭接；所述金屬絲夾持裝置安裝在工作臺(tái)上表面；

所述控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、脈沖激光器控制器、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器、位移傳感器和約束層位置控制器；所述脈沖激光器控制器、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器和約束層位置控制器分別與計(jì)算機(jī)電連接，所述位置傳感器安裝在約束層支架上并與約束層位置控制器電連接，所述位置傳感器測量沖擊板與板件間的距離并反饋給約束層位置控制器，計(jì)算機(jī)通過約束層位置控制器調(diào)節(jié)沖擊板與板件間的距離，通過脈沖激光器控制器控制脈沖激光器發(fā)射激光，通過三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)的位置。

上述方案中，所述約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件包括約束層、吸收層、沖擊板和防護(hù)涂層；所述吸收層涂敷在約束層下表面，沖擊板與吸收層貼合，防護(hù)涂層涂敷在沖擊板下表面。

上述方案中，所述金屬絲夾持裝置包括外殼、彈性夾頭、彈簧、導(dǎo)向鍵、推桿、固定板和端蓋；所述外殼的前端開口，所述彈性夾頭的一端與推桿的一端連接、且安裝在外殼內(nèi)，推桿的另一端伸出外殼的后端；所述彈簧安裝在彈性夾頭和推桿之間；所述的外殼內(nèi)部開有鍵槽；所述導(dǎo)向鍵安裝在推桿上的鍵槽內(nèi)，可沿著外殼上的鍵槽左右移動(dòng)；在導(dǎo)向鍵的約束作用下，推桿和彈性夾頭只能作軸向移動(dòng)，無法作軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。

上述方案中，所述沖擊板與板件之間的距離在0.3mm～0.9mm。

上述方案中，所述金屬絲的直徑為0.1mm～1mm；所述金屬絲待焊接部分的長度為1mm～4mm，且彎曲成倒V形，與待焊接的板件間形成的沖擊焊接角度為β,β的范圍在6°～25°。

上述方案中，所述的約束層為2mm～4mm厚的透明亞力克板，所述吸收層為黑漆，厚度0.05mm～0.2mm；所述沖擊板為金屬板，厚度為0.2mm～0.5mm，直徑為2mm～5mm；所述防護(hù)涂層為水玻璃，厚度為0.1mm～0.2mm。

一種激光沖擊加載下金屬絲和板的焊接方法，包括以下步驟：

S1、用砂紙打磨去除金屬絲和板件焊接區(qū)域的氧化層和雜質(zhì)，用酒精洗凈晾干；

S2、將金屬絲焊接區(qū)域彎曲成倒V形，且保證金屬絲與待焊接板件間形成的沖擊角度β在6°～25°范圍內(nèi)；

S3、制備約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件，將吸收層黑漆涂敷在約束層下表面，厚度在0.05mm～0.2mm；將沖擊板緊密黏貼在吸收層下表面，其厚度在0.2mm～0.5mm，直徑為2mm～5mm；將防護(hù)涂層水玻璃涂敷在沖擊板下表面，厚度在0.1mm～0.2mm；

S4、將板件放置到工作臺(tái)上的凹槽內(nèi)，用壓塊壓緊；將金屬絲固定到金屬絲夾持裝置上；將制備好的約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件連接到約束層支架上；通過計(jì)算機(jī)控制約束層位置調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)沖擊板與板件間的距離；通過三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)的位置，使由脈沖激光器輸出的激光束經(jīng)過反射鏡和聚焦透鏡聚焦在吸收層上；通過聚焦透鏡位置調(diào)裝置調(diào)節(jié)聚焦透鏡與吸收層的距離，來調(diào)節(jié)光斑直徑；

S5、計(jì)算機(jī)精確控制的單脈沖激光束作用吸收層，產(chǎn)生爆炸等離子體，等離子體驅(qū)動(dòng)沖擊板高速運(yùn)動(dòng)，飛行一段距離后帶動(dòng)金屬絲與板件發(fā)生高速斜碰撞，在碰撞界面產(chǎn)生高溫高壓，實(shí)現(xiàn)金屬絲與板件的單次沖擊焊接；

S6、重復(fù)步驟S4和S5，可以實(shí)現(xiàn)金屬絲和板件的批量焊接。

上述方案中，所述的脈沖激光器為短脈沖激光器，脈寬為8ns～10ns，激光能量為5J～20J，激光光斑直徑控制為2mm～6mm。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)金屬絲與板件的固態(tài)焊接，且焊接后不存在熱影響區(qū)，沒有金屬間化合物的生成，焊接質(zhì)量高，可以提高焊接接頭的力學(xué)性能；

2.本發(fā)明利用的激光沖擊焊接是高速?zèng)_擊焊接的一種具有速度快，效率高的優(yōu)點(diǎn)。焊接裝置簡單，費(fèi)用低?？梢詫?shí)現(xiàn)微器件制造過程中金屬絲和板的低成本批量化焊接。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式的激光沖擊加載下金屬絲和板的焊接裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施方式的約束層、吸收層、沖擊板、防護(hù)涂層組件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施方式的金屬絲夾持裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一實(shí)施方式的金屬絲和板的搭接示意圖。

圖中，1、L型底座；2、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)；3、工作臺(tái)；4、金屬絲夾持裝置；5、約束層位置調(diào)節(jié)裝置；6、約束層支架；7、位移傳感器；8、約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件；9、聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)裝置；10、聚焦透鏡支架；11、聚焦透鏡；12、反射鏡；13、激光束；14、脈沖激光器；15脈沖激光器控制器；16、計(jì)算機(jī)；17、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器；18、約束層位置控制器；19、壓塊；20、板件；21、金屬絲；22、外殼；23彈性夾頭；24、彈簧；25、導(dǎo)向鍵；26推桿；27、固定板；28、端蓋；29、約束層；30、吸收層；31、沖擊板；32、防護(hù)涂層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

圖1所示為本發(fā)明所述激光沖擊加載下金屬絲和板的焊接裝置的一種實(shí)施方式，所述激光發(fā)生系統(tǒng)包括脈沖激光器14、反射鏡12、聚焦透鏡11、聚焦透鏡支架10和聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)裝置9；所述焊接系統(tǒng)包括約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件8、約束層支架6、約束層位置調(diào)節(jié)裝置5、壓塊19、板件20、金屬絲21、金屬絲夾持裝置4、工作臺(tái)3、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)2和L型底座1；所述控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)16、脈沖激光器控制器15、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器17、位移傳感器7和約束層位置控制器18。

所述脈沖激光器控制器15分別與計(jì)算機(jī)16和脈沖激光器14電連接，所述聚焦透鏡11通過聚焦透鏡支架10連接聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)裝置9，聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)裝置9安裝在L型底座1的側(cè)板上；所述反射鏡12位于聚焦透鏡11的上方，所述脈沖激光器14發(fā)出激光束13經(jīng)過反射鏡12和聚焦透鏡11聚焦在吸收層30上。

所述約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件8通過約束層支架6與約束層位置調(diào)節(jié)裝置5相連接，約束層位置調(diào)節(jié)裝置5安裝在L型底座1的側(cè)板上；所述三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)2安裝在L型1底座上，所述工作臺(tái)3固定在三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)2的上表面；所述板件20安裝在工作臺(tái)3上的凹槽內(nèi)，且通過壓塊19壓緊；所述金屬絲21由金屬絲夾持裝置4固定，并與板件20搭接；所述金屬絲夾持裝置4安裝在工作臺(tái)3的上表面。

所述脈沖激光器控制器15、三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器17和約束層位置控制器18分別與計(jì)算機(jī)16電連接，位置傳感器7安裝在約束層支架6上并與約束層位置控制器18電連接，用于測量所述約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件8的位移。

圖2所示為所述約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件8結(jié)構(gòu)示意圖，包括約束層29、吸收層30、沖擊板31和防護(hù)涂層32；吸收層30涂敷在約束層29下表面，沖擊板31與吸收層30貼合，防護(hù)涂層32涂敷在沖擊板31下表面；所述的約束層29為2mm～4mm厚的透明亞力克板，所述吸收層30為黑漆，厚度0.05mm～0.2mm，以提高激光能量的吸收率；所述的沖擊板31為金屬板，其厚度在0.2mm～0.5mm，直徑為2mm～5mm；所述的防護(hù)涂層32為水玻璃，厚度在0.1mm～0.2mm，避免沖擊板31與板件20發(fā)生碰撞焊接。

圖3所示為所述的金屬絲夾持裝置4的結(jié)構(gòu)示意圖，包括外殼22、彈性夾頭23、彈簧24、導(dǎo)向鍵25、推桿26、固定板27和端蓋28；所述外殼22的前端開口，所述彈性夾頭23的一端與推桿26的一端連接、且安裝在外殼22內(nèi)，推桿26的另一端伸出外殼22的后端；所述彈簧24安裝在彈性夾頭23和推桿26之間；所述的外殼22內(nèi)部開有鍵槽，所述導(dǎo)向鍵25安裝在推桿26的鍵槽內(nèi)，可沿著外殼22上的鍵槽左右移動(dòng)；在導(dǎo)向鍵25的約束作用下，推桿26和彈性夾頭23只能作軸向移動(dòng)，無法作軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)推桿26施加向左的推力時(shí)，彈性夾頭23在推桿26的帶動(dòng)下伸出外殼22的開口，并向兩邊張開，此時(shí)裝入金屬絲21；當(dāng)外力撤掉時(shí)，在彈簧24力的作用下，彈性夾頭23向外殼22內(nèi)收縮并完成對(duì)金屬絲21的夾緊。

圖4所示為所述的金屬絲21和板件20的搭接示意圖，金屬絲21的直徑為0.1mm～1mm，待焊接部分的長度為1mm～4mm，彎曲成倒V形，與待焊接的板件20間形成的沖擊焊接角度為β,β的范圍在6°～25°，以滿足沖擊焊接所需的沖擊角度。

本發(fā)明還提供一種激光沖擊加載下金屬絲和板的焊接方法，包括以下步驟：

S1、用砂紙打磨去除金屬絲21和板件20待焊接區(qū)域的氧化層和雜質(zhì)，用酒精洗凈晾干；

S2、將金屬絲21焊接區(qū)域彎曲成倒V形，且保證金屬絲21與待焊接板件20間形成的沖擊角度β在6°～25°范圍內(nèi)；

S3、制備約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件8，將吸收層30黑漆涂敷在約束層29亞力克板的下表面,其厚度在0.05mm～0.2mm；將沖擊板32緊密黏貼在吸收層30下表面，其厚度在0.2mm～0.5mm，直徑為2mm～5mm；將防護(hù)涂層32水玻璃涂敷在沖擊板下表面，其厚度在0.1mm～0.2mm；

S4、將板件20放置到工作臺(tái)3上的凹槽內(nèi)，用壓塊19壓緊；將金屬絲21固定到金屬絲夾持裝置4上；將制備好的約束層-吸收層-沖擊板-防護(hù)涂層組件8連接到約束層支架上6；通過計(jì)算機(jī)16控制約束層位置調(diào)節(jié)裝置5調(diào)節(jié)沖擊板31與板件20間的距離；通過三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)控制器17調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動(dòng)平臺(tái)2的位置，使由脈沖激光器14輸出的激光束13經(jīng)過反射鏡12和聚焦透鏡11聚焦在吸收層30上；通過調(diào)節(jié)聚焦透鏡位置調(diào)節(jié)裝置9調(diào)節(jié)聚焦透鏡11與吸收層30的距離，來調(diào)節(jié)光斑直徑；

S5、計(jì)算機(jī)16精確控制的單脈沖激光束13作用吸收層30，產(chǎn)生爆炸等離子體，等離子體驅(qū)動(dòng)沖擊板31高速運(yùn)動(dòng)，飛行一段距離后帶動(dòng)金屬絲21與板件20發(fā)生高速斜碰撞，在碰撞界面產(chǎn)生高溫高壓，實(shí)現(xiàn)金屬絲21與板件20的單次沖擊焊接。

S6、重復(fù)步驟S4和S5，可以實(shí)現(xiàn)金屬絲21和板件20的批量焊接。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個(gè)實(shí)施例描述的，但并非每個(gè)實(shí)施例僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。