超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光同步鉚合焊合方法及裝置，具體涉及一種用脈沖激光將超薄板材進行同步鉚合和焊合的方法及實現(xiàn)該方法的專用裝置，屬于制造技術領域。
【背景技術】
[0002]鉚接和焊接是最常見的板材連接方法。鉚接通過塑性變形將材料連接在一起，屬于機械連接；焊接常常通過加熱、加壓，使材料間產(chǎn)生原子結合而連接在一起，屬于冶金連接。傳統(tǒng)的鉚接方法是用鉚釘進行的機械連接，該方法連接牢固，但需要在板材上預沖孔，因而難以保證密封性。自沖鉚接(SPR, Self-piercing riveting)是通過特制鉚釘刺穿上層板，并刺入下層板來實現(xiàn)鉚接的新技術。該方法雖然不需要預沖孔，但需要特制鉚釘和復雜的加工模具。沖壓鉚(Mechanical clinching)如TOX圓點鉚是另一種廣泛應用的板材鉚接技術，它通過沖頭將板料壓入凹模，使材料形成塑性鑲嵌，從而連接在一起。該方法不需要鉚釘，但連接強度低。另外，當板材非常薄時，常會因嵌入量不足而大大削弱剝離強度。電阻點焊屬于冶金連接技術，因其效率高、成本低、強度高、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而在眾多行業(yè)中普遍應用，但作為一種熔化焊接技術，在連接熔點不同、熱導率和電導率也不同的異種材料時(如鋁和鋼)時面臨嚴峻挑戰(zhàn)，因為熔化焊時界面極易生成脆性相，從而產(chǎn)生結合不牢等缺陷。另外，點焊接頭對微動損傷特別敏感，通?？蛊谀芰θ?。因此，發(fā)明一種兼具機械和冶金復合作用機制的新型連接技術，同步達到板材的鉚合和焊合，是非常具有科學意義和工程應用價值的。
[0003]中國專利文件ZL200810014018.1公開了 “超薄板材脈沖激光微鉚接方法及其專用裝置”，該方法在下板上沖出預置孔，上板接受激光照射，并形成鉚扣形狀，上板的鉚扣與下板的預置孔形成機械互鎖，從而將上板與下板連接在一起。該方法不需要鉚釘，并在一定程度解決了密封性的問題。但是，密封性問題解決的并不徹底，氣體仍可通過下板的預置孔進入上板和下板的間隙中。另外，預置孔的邊緣易于產(chǎn)生殘余拉應力，并因此導致應力腐蝕。該方法屬于單純的機械連接方式，連接強度有待進一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而提供一種超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法及裝置，具有高強度、無鉚釘、能夠保證板材的密封性要求等特點，可以用于同種或異種材料的連接，也可用于常規(guī)難變形材料的超薄板材。
[0005]本發(fā)明采取的技術方案為:
[0006]超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法:將上下兩層板材疊放，置于帶?？椎陌寄Ｉ?，凹模內(nèi)設有底模，在上層板上表面涂覆或不涂能量吸收層，用脈沖激光束作用于上層板或上層板表面涂覆的能量吸收層，形成爆炸等離子體，上層板隨之撞擊下層板，上層板與下層板產(chǎn)生高應變率塑性流動耦合，在底模的約束下，上層板與下層板共同塑性成形為鉚扣形狀，由此產(chǎn)生機械互鎖而鉚合，在上層板和下層板塑性變形過程中，它們的接觸界面存在壓應力，并產(chǎn)生高速滑動和剪切變形，界面因此產(chǎn)生熔化和原子擴散，在共同撞擊底模時，使上層板與下層板焊合在一起。
[0007]所述的下層板可為預成形的非平板板材，使上下兩層板材疊放后中間形成一定間隙。爆炸等離體首先沖擊上層板，上層板產(chǎn)生塑性變形，上層板隨即沖擊下層板，然后上層板與下層板一起撞擊底模，在界面處產(chǎn)生高速滑動剪切，壓力和溫升導致材料局部表面產(chǎn)生熔化和原子擴散。上層板與下層板共同塑性成形為鉚扣形狀，導致機械互鎖，并同時焊接在一起，從而實現(xiàn)同步鉚合與焊合。
[0008]所述的能量吸收層為黑漆、柔性貼膜、或金屬涂層。脈沖激光束作用于上層板表面涂覆的能量吸收層，并產(chǎn)生等離子體，等離子體進一步吸收激光能量而爆炸，爆炸等離子體作為沿徑向高速擴張的柔性凸模，進而作用于上層板。
[0009]為了能夠產(chǎn)生爆炸等離子體沖擊效應，所述的脈沖激光的單脈沖能量密度應不小于lGW/cm2，光斑直徑不小于各板材厚度之和。
[0010]為了能夠使上下兩層板在脈沖激光的作用下共同塑性成形為鉚扣形狀，超薄板材厚度小于0.2mm。
[0011]通過改變激光能量、脈沖寬度、脈沖次數(shù)、光斑直徑等參數(shù)，來調(diào)整沖擊壓力和成形半徑的大小，便可方便地獲得不同尺寸規(guī)格的鉚接部位。在激光沖擊時，采用小能量、多脈沖的激光工藝參數(shù)組合，更易于成形口小底大的鉚扣形狀。
[0012]實現(xiàn)超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合的裝置，包括帶模孔的凹模和置于凹模?？字械牡啄?，底模與凹?？组g存在足夠間隙。底模與凹模?？组g的單邊間隙不小于下層板的厚度，底模上表面與凹模上表面的間距不小于板材厚度之和的2倍，凹模?？字睆讲恍∮诎宀暮穸戎偷?倍，這樣易于底模和凹模之間的材料流動，易于局部塑性成形為鉚扣形狀，從而使上板與下板之間產(chǎn)生機械互鎖效應。
[0013]潔凈的板材表面和足夠的沖擊波壓力，是形成焊合的必要條件。底模上表面與凹模上表面保持足夠間距，一是通過足夠的運動距離產(chǎn)生足夠的速度來撞擊底模，等離子體與底模間產(chǎn)生夾擊力，上層板與下層板緊密接觸，克服原子斥力，形成原子鍵；二是讓板材產(chǎn)生足量的塑性變形，上層板與下層板因材料性能和變形量差異，在接觸界面產(chǎn)生高速滑動和高應變率的剪切變形，必然導致局部快速溫度升高，通過表面熔化和原子擴散，使材料產(chǎn)生焊合。
[0014]上層板與下層板一起撞擊底模時，必然產(chǎn)生彈復，并有可能造成上層板與下層板間焊接不牢或脫開，其原因在于撞擊時的壓力波在界面反射為拉伸波。為此，一種優(yōu)選的方案是，將底模做成多層材料的層疊式，壓力波在傳播過程中遇到多個界面，并在反射時被多次削弱，從而解決因彈復造成板間脫開的問題。
[0015]通過這種方法，可以將鋼、鋁、銅等同種或異種金屬材料同步鉚接與焊接在一起，也可加工塑料等非金屬材料，或者將兩層以上的板材連接在一起。
[0016]本發(fā)明的技術優(yōu)勢在于:
[0017](I)鉚合與焊合同時進行，機械與冶金復合作用，既有冶金連接的高強度，又有機械連接的抗疲勞和可靠性；(2)板材因局部塑性成形而連接，不受材料熔點和熱脹系數(shù)的限制，易于鉚接熱物理性能不同的異種材料；(3)因激光所致等離子體爆炸誘發(fā)的力效應而非熱效應來成形，板材高速碰撞和剪切變形產(chǎn)生的溫升只瞬間發(fā)生在鉚扣表層和局部，沒有宏觀熱影響，連接精度高；(4)是高應變率成形，加工速度快且效率高，由于慣性效應和材料率相關本構行為的變化，材料的成形極限較準靜態(tài)成形明顯提高，可以鉚接常溫常態(tài)下的難變形材料；(5)是無沖頭成形、無鉚釘鉚接，激光束一側沒有剛性接觸，對結構的開敞性要求低，連接密封性好，并具備環(huán)境友好性；(6)激光誘發(fā)的等離子體呈近似球形爆炸，板材互鎖嵌入深度不受材料厚度限制，能夠適應超薄板材和微尺度鉚接。
【附圖說明】
[0018]圖1是超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合裝置示意圖。其中圖1(a)是平板與平板的同步鉚合與焊合，圖1(b)是平板與預成形板的同步鉚合與焊合，并采用了層疊式底模。
[0019]圖2是超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合過程示意圖，其中上層板與下層板接觸并共同產(chǎn)生塑性變形。
[0020]圖3是完成超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合過程示意圖。其中上層板與下層板共同產(chǎn)生機械互鎖，并且焊合在一起。
[0021]其中:1.脈沖激光束；2.爆炸等離子體；3.上層板；4.下層板；5.凹模；6.底模。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明提出的技術方案的細節(jié)和工作情況。
[0023]實施例:
[0024]超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法:將上下兩層板材疊放，置于帶?？椎陌寄?上，凹模5內(nèi)設有底模6，在上層板3上表面涂覆或不涂能量吸收層，用脈沖激光束I作用于上層板3或上層板3表面涂覆的能量吸收層，形成爆炸等離子體2，上層板3隨之撞擊下層板4，上層板3與下層板4產(chǎn)生高應變率塑性流動耦合，在底模的約束下，上層板3與下層板4共同塑性成形為鉚扣形狀，由此產(chǎn)生機械互鎖而鉚合。在塑性變形過程中，上層板3與下層板4的接觸界面上存在壓應力，并產(chǎn)生高速滑動和剪切變形，界面因此產(chǎn)生熔化和原子擴散，在共同撞擊底模時，使上層板3與下層板4焊