[发明专利]超薄板材脉冲激光微铆接方法及其专用装置

说明书

技术领域

本发明属于先进制造领域，具体是涉及一种超薄板材脉冲激光微铆接方法及实现该方法的专用装置。

背景技术

板材的连接方法很多，包括焊接与铆接等。通常的铆接方法是用铆钉进行的机械铆接，该方法连接牢固，但难以保证密封性。用点焊机将板材连接在一起的铆接方法常称为铆焊，该方法能够保证连接部位的密封性，但用于不同材料之间的连接时有其局限性，有时两种材料很难点焊在一起，同时，由于点焊时有热影响区，使该方法难以用于微制造和微电子封装等领域。

中国专利文件CN1385623公开了“无铆钉金属铆接方法”(申请号02132407.7)，在一块板上冲出板孔，另一块板上冲压出凸起，然后将凸起与板孔重合在一起，并在压力机上镦平，从而将两块板铆接在一起。该方法能够克服有铆钉铆接关于密封性的弱点，但由于将铆接过程分成了几个工序，所以效率较低；另外，如果用于超薄板材的微铆接，冲孔和冲凸起所用的微冲头的制造非常复杂，在压力机上也很难完成其工艺过程。中国专利文件CN101020276公开了“基于大光斑单次激光冲击的薄板半模精密成形方法”(申请号200610161353.5)，利用脉冲激光冲击工件表面的柔性贴膜，使其气化电离并形成冲击波而压向工件，该冲击波压力大于材料的塑性变形抗力，加上成形半模的作用，最终得到与半模形状一致的成形试样。该专利提供了一种塑性成形方法，但不能直接用于板材之间的连接过程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种无铆钉、无模具、简单、快捷、能够保证板材的密封性要求，并可用于常规难变形材料的超薄板材脉冲激光微铆接方法及实现该方法的装置。

本发明的超薄板材脉冲激光微铆接方法，是一种将激光作用于板材形成柔性凸模，将两层或多层板材铆接在一起的方法。优选的方案是，在约束层的作用下，将激光作用于板材表面覆盖的能量吸收层产生等离子爆轰波，等离子爆轰波作为柔性凸模进而作用于板材，将两层或多层板材铆接在一起的方法。

一种更为优选的方案是，将激光发生器2发出的激光束3作用于板材6表面覆盖的能量吸收层5产生等离子爆轰波，在约束层4的作用下，等离子爆轰波作为柔性凸模进而作用于板材6，在刚性垫板8的作用下，所述柔性凸模使板材6与板材7铆接在一起。

优选的是板材7上预先设有小孔。板材厚度小于0.1mm。能量吸收层为漆、石墨、金属涂层或金属镀膜等。所述约束层对任何波长的激光接近透明，优选为水或玻璃。

实现超薄板材脉冲激光微铆接方法的专用装置，由激光发生器系统、工装夹具系统、工作台系统构成。所述激光发生器系统包括激光发生器控制系统1和激光发生器2，所述工装夹具系统包括约束层4、能量吸收层5和刚性垫板8，所述工作台系统包括沿X和Y方向移动的工作台9和工作台控制装置10。

由前面的描述可以看出，该超薄板材脉冲激光微铆接方法的特征在于由激光发生器发出的激光束作用于板材表面覆盖的能量吸收层，吸收层电离气化并形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸导致的冲击波作用于板材，从而使板材产生塑性凸起。在该板材背面的另一块板材上，可预先冲制或用激光切上小孔。第一块板上因激光冲击而产生的凸起穿过第二块板上的小孔，撞击到第二块板材底部的垫板上，使该凸起进一步产生铆镦变形，从而将第一块板材与第二块板材铆接在一起。由于第一块板材仅仅产生塑起凸起，并未穿孔，所以具有很好的密封性。

该方法的重要技术特征在于，由激光发生器2发出的激光束3作用于板材6表面覆盖的能量吸收层5，能量吸收层电离气化并形成等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，在约束层4的作用下，爆炸导致的冲击波作用于板材6，板材6背面的板材7上有小孔，冲击波压力使板材6生成小鼓包，该鼓包穿过板材7上的小孔。在离板材7约2～3个板材6厚度的位置放置垫板8，鼓包在进一步变形过程中受到垫板8的阻碍作用成为铆钉形，从将板材6和板材7铆合在一起。

作为该铆接方法的一种扩展，第二块板也可不预先加工上小孔。这样，在激光冲击过程中，两层板一起产生塑性凸起，撞击垫板后一起产生铆镦变形。通常，该铆接方法的连接强度稍差。

通过改变激光能量、脉冲宽度、脉冲次数、光斑直径等参数，来调整冲击压力和成形半径的大小，便可方便地获得不同尺寸规格的铆接部位。

通过这种方法，可以加工钢、铝、铜等金属材料，也可加工硅、塑料等非金属材料。

其特别适合于微器件制造，如微开关的金属触点的铆接、形成接触区的微电子封装等领域。

本发明的技术优势在于：