一種新型雷射衝擊點焊裝置及其方法與流程
2023-06-07 10:05:11 1
本發明涉及高速衝擊焊接領域，尤其涉及一種新型雷射衝擊點焊裝置及焊接方法。
背景技術：
近年來，隨著微電子、醫療器件、精密儀器等產業的高速發展，金屬薄板連接在微器件的製造和組裝中應用越來越廣泛。與之相關的金屬薄板的焊接工藝研究成為研究的熱點，其中雷射衝擊焊接以其焊接之後很少存在熱影響區和金屬間化合物的特點，已經成為一種新穎高速衝擊焊接技術，在金屬薄板的連接上具有獨特的技術優勢，微器件的製造和組裝中具有十分廣闊的應用前景。
公開號為cn106238912a的專利介紹了一種雷射衝擊點焊裝置及其方法，可以實現厚度在微米級別的同種或者異種金屬薄板的衝擊焊接。然而，作為傳統單一能場的雷射高速衝擊焊接也存在著一些不足。例如(1)由於雷射功率的限制，衝擊加載的焊接力存在著使用上限，不能夠焊接更大厚度的金屬板材；(2)高速衝擊焊接過程十分短暫(幾個到幾百個納秒就可以完成)，焊接界面不可避免的存在著一定範圍的回彈區，大大影響了焊接質量。
技術實現要素：
針對現有技術存在的問題，本發明通過改變墊片的厚度可對飛板的飛行距離進行精確控制，飛板和基板置於直流電場之間對焊接產生的等離子體具有強化作用，可以提供更大的焊接力；本發明裝置的自密性能良好可對基板和飛板實現同步加熱，可以增強焊接強度減少焊接過程中回彈區的產生，獲得質量更高的焊接接頭。
一種新型雷射衝擊點焊裝置，包括雷射發射系統、焊接系統和控制系統；所述雷射發射系統包括脈衝雷射器、反光鏡、凸透鏡、凸透鏡支架、凸透鏡位置調節器和l型底座；所述凸透鏡通過凸透鏡支架與凸透鏡位置調節器相連接，凸透鏡位置調節器安裝在l型底座的垂直側板上；所述反光鏡45°布置，反光鏡位於凸透鏡的正上方且與脈衝雷射器的位置相對應，脈衝雷射器產生的雷射通過反光鏡反射到凸透鏡上；
所述焊接系統包括加熱裝置、直流電場裝置和工件推送裝置；所述加熱裝置包括墊片、保溫腔、壓蓋和加熱板；所述保溫腔為帶底的中空圓筒，且底部開設有孔，保溫腔的開口端安裝在工作檯上，所述加熱板設置在保溫腔內，壓蓋為中空圓臺，壓蓋一端置於保溫腔底部外壁上，另一端穿過保溫腔底部開設的孔，置於保溫腔內，且壓蓋該端底部端面上設置有約束層；所述直流電場裝置包括直流電源、上極板和下極板；所述直流電源正負極分別與上極板和下極板相連接；所述上極板置於約束層與壓蓋之間，上極板中心開設有圓通孔；所述下極板安放在工作檯上；所述工件推送裝置包括推桿、液壓缸、工作檯和三坐標移動平臺；所述三坐標移動平臺位於l型底座上；所述工作檯固定安裝在三坐標移動平臺上表面；所述工作檯內安裝有液壓缸，液壓缸輸出端與推桿一端相連接，推桿另一端與下極板的底部相連接；
所述控制系統包括脈衝雷射控制器、計算機、直流電源控制器、加熱控制器、液壓缸控制器、三坐標移動平臺控制器；所述脈衝雷射控制器、直流電源控制器、加熱控制器、液壓缸控制器、三坐標移動平臺控制器分別與計算機連接；所述脈衝雷射控制器與脈衝雷射器相連接，用於控制脈衝雷射器的工作狀態；所述直流電源控制器與直流電源連接，用於控制上極板和下極板間的電壓；所述加熱控制器分別與溫度傳感器和加熱板連接，用於控制保溫腔內的溫度；所述液壓缸控制器與液壓缸(4)連接，用於控制液壓缸的伸縮；所述三坐標移動平臺控制器和三坐標移動平臺連接，用於控制三坐標移動平臺的運動。
優選的，所述壓蓋與保溫腔底部外壁之間設置有墊片，該墊片用於調整基板和飛板之間的飛行距離。
優選的，所述約束層為k9玻璃，厚度在3mm-10mm。
優選的，所述上極板和下極板厚度為2mm且表面塗有絕緣漆。
優選的，所述下極板上設置有基板，基板正上方設置有飛板，所述飛板與吸收層緊密貼合；所述吸收層均勻塗抹在約束層的下表面。
優選的，所述約束層與壓蓋依靠雙面膠密封連接。
優選的，所述吸收層為黑漆，厚度在0.1mm-0.5mm。
優選的，所述工作檯、壓蓋和保溫腔為絕緣隔熱陶瓷材料，保溫腔透明用於觀察內部工況；所述雙面膠為pet透明雙面膠，可耐300℃高溫。
基於一種新型雷射衝擊點焊裝置的方法，包括以下步驟：
s1、將基板放在下極板上，限制層下表面塗抹吸收層，飛板與吸收層緊密貼合，壓蓋直接蓋在保溫腔上，完成工件放置；
s2、液壓缸控制器控制液壓缸帶動推桿推動下極板和基板，直到基板與飛板接觸時停止推動，完成飛行距離「校零」，然後在壓蓋肩兩側分別放置相同厚度的墊片以便控制基板與飛板之間的飛行距離；
s3、調節三坐標移動平臺的位置，調節光路，使得脈衝雷射器發射的雷射聚焦在吸收層的中間位置；調節凸透鏡與吸收層的距離，調節光斑直徑；
s4、計算機控制加熱裝置進行加熱，到達設定加熱溫度後，直流電場裝置施加指定電壓形成穩定直流電場，然後計算機控制脈衝雷射控制器對焊接系統單次發射，完成兩個板件之間的衝擊焊接；
s5、關閉加熱裝置，待冷卻到室溫後取下壓蓋，去除約束層便可以得到焊接件。
優選的，所述脈衝雷射器為短脈衝雷射器，脈寬為8ns-20ns，雷射能量在5j-50j，雷射光斑控制在1.5mm-3mm；所述加熱裝置溫度控制在50℃-250℃；所述直流電源控制器調節直流電源輸出電壓為5v-100v。
本發明的有益效果是；
本發明通過改變墊片的厚度可對飛板的飛行距離進行精確控制，飛板和基板置於直流電場之間對焊接產生的等離子體具有強化作用，可以提供更大的焊接力；
本發明裝置的自密性能良好且處於溫度可控的環境之中，可對飛板和基板實現同步加熱，可以減少焊接過程中回彈區的產生，獲得質量更高的焊接接頭。
附圖說明
圖1是本發明實施方式的一種新型雷射衝擊點焊裝置的結構示意圖；
圖2是本發明實施方式的一種新型雷射衝擊點焊方法的原理圖；
附圖標記如下：
1、l型底座；2、三坐標移動平臺；3、工作檯；4、液壓缸；5、推桿；6、下極板；7、基板；8、飛板；9、吸收層；10、加熱板；11、約束層；12、雙面膠；13、上極板；14、壓蓋；15、保溫腔；16、墊片；17、凸透鏡位置調節器；18、凸透鏡支架；19、凸透鏡；20、反光鏡；21、脈衝雷射器；22、溫度傳感器；23、脈衝雷射控制器；24、計算機；25、直流電源控制器；26、加熱控制器；27、液壓缸控制器；28、三坐標移動平臺控制器；29、等離子體；30、直流電場。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護範圍並不限於此。
結合附圖1所示為本發明所述一種新型雷射衝擊點焊裝置的一種實施方式，所述一種新型雷射衝擊點焊裝置包括雷射發射系統、焊接系統和控制系統。
所述雷射發射系統包括脈衝雷射器21、反光鏡20、凸透鏡19、凸透鏡支架18、凸透鏡位置調節器17和l型底座1；所述凸透鏡19通過凸透鏡支架18連接凸透鏡位置調節器17，凸透鏡位置調節器17安裝在l型底座1側板上；所述反光鏡20位於凸透鏡19的上部、且與脈衝雷射器21的位置相對應，脈衝雷射器21產生的雷射通過反光鏡20反射到凸透鏡19上。
所述焊接系統包括加熱裝置和工作平臺裝置；所述焊接裝置包括雙面膠12、約束層11、吸收層9和飛板8、基板7；所述加熱裝置包括墊片16、保溫腔15、壓蓋14和加熱板10；所述直流電場裝置包括上極板13和下極板6；所述工件推送裝置包括推桿5和液壓缸4；所述工作平臺裝置包括工作檯3和三坐標移動平臺2；所述三坐標移動平臺2位於l型底座1上；所述工作檯3固定安裝在三坐標移動平臺2上表面；所述液壓缸4置於在工作檯3內部；所述推桿5的一端與液壓缸4相連接，另一端與下極板6的底部相連接；所述下極板6安放在工作檯3上；所述基板7放置在下極板6上表面，基板7上方一段距離放有飛板8；所述飛板8與吸收層9緊密貼合；所述吸收層9均勻塗抹在約束層11的下表面，雷射發射裝置發射的雷射聚焦在吸收層9的中間位置；所述約束層11與壓蓋14依靠雙面膠12密封連接；，約束層11上放有上極板13；所述壓蓋14肩兩側放有墊片16，下端與保溫腔15緊密接觸；所述保溫腔15緊密貼合放置在工作檯3上。
所述控制系統包括計算機24、脈衝雷射控制器23、直流電源控制器25、加熱控制器26、液壓缸控制器27、三坐標移動平臺控制器28；所述脈衝雷射控制器23、直流電源控制器25、加熱控制器26、液壓缸控制器27、三坐標移動平臺控制器28分別與計算機24連接；所述脈衝雷射控制器23與脈衝雷射器21相連接，用於控制脈衝雷射器21的工作狀態；所述直流電源控制器25與上電極板13和下電極板6連接，用於控制兩極板間的電壓；所述加熱控制器26分別與溫度傳感器23和加熱板10連接，用於控制保溫腔15內的溫度；所述液壓缸控制器27與液壓缸4連接，用於控制液壓缸4的伸縮；所述三坐標移動平臺控制器28和三坐標移動平臺2連接，用於控制三坐標移動平臺2的運動。
所述約束層11為k9玻璃，厚度在3mm-10mm；所述吸收層9為黑漆，厚度在0.1mm-0.5mm。
所述保溫腔15和壓蓋14過盈配合；所述上極板13和下極板6厚度為2mm且表面塗有絕緣漆，上極板13開有直徑為5mm的小孔以便雷射束透過。
所述工作檯3、壓蓋14和保溫腔15為絕緣隔熱陶瓷材料，保溫腔15透明用於觀察內部工況；所述雙面膠12為pet透明雙面膠，可耐300℃高溫。
本發明還提供一種新型雷射衝擊點焊方法，所述方法的原理圖如圖2所示，計算機24控制加熱控制器26對待焊接的飛板8和基板7進行加熱軟化，到達設定加熱溫度後，直流電源控制器25調節直流電源29施加指定電壓形成穩定直流電場31，計算機24控制脈衝雷射控制器23發出強脈衝雷射氣化、電離吸收層9產生等離子體30，等離子體30受直流電場31作用得到強化並在約束層11和飛板8的作用下形成衝擊波，在衝擊波的作用下，飛板8和基板7高速碰撞產生固態連接，完成兩個板件之間的衝擊焊接。
所述一種新型雷射衝擊點焊方法，包括以下步驟：
s1、將基板7放在下極板6上，飛板8與吸收層9緊密貼合，壓蓋14直接蓋在保溫腔15上，完成工件放置；
s2、液壓缸控制器27控制液壓缸4帶動推桿5推動下極板6和基板7，直到基板7與飛板8接觸時停止推動，完成飛行距離「校零」，然後在壓蓋14的肩兩側分別放置相同厚度的墊片16以便控制基板7與飛板8之間的飛行距離；
s3、調節三坐標移動平臺2的位置，調節光路，使得脈衝雷射器21發射的雷射聚焦在吸收層9的中間位置，調節凸透鏡19與吸收層9的距離，調節光斑直徑；
計算機24控制加熱裝置進行加熱，到達設定加熱溫度後，直流電場裝置施加指定電壓形成穩定電場，然後計算機24控制脈衝雷射控制器23對焊接系統單次發射，完成兩個板件之間的衝擊焊接；
s5、依次關閉直流電場裝置、加熱裝置，待冷卻到室溫後取下壓蓋14，去除約束層11便可以得到焊接件。
本發明便於實現板件之間的衝擊點焊，輔助加熱裝置可以實現板件的軟化，輔助電場裝置可以對等離子體產生強化。本發明提出了一種新型雷射衝擊點焊裝置及其方法，通過改變墊片的厚度對飛板的飛行距離進行精確控制，裝置的自密性能良好焊接裝置處於溫度可控的環境之下，可以減少回彈區的產生獲得質量更高的焊接接頭，飛板和基板置於直流電場之間對焊接產生的等離子體具有強化作用，可以提供更大的焊接力。
應當理解，雖然本發明說明書是按照各個實施例描述的，但並非每個實施例僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
所述實施例為本發明的優選的實施方式，但本發明並不限於上述實施方式，在不背離本發明的實質內容的情況下，本領域技術人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬於本發明的保護範圍。