[发明专利]超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光同步铆合焊合方法及装置，具体涉及一种用脉冲激光将超薄板材进行同步铆合和焊合的方法及实现该方法的专用装置，属于制造技术领域。

背景技术

铆接和焊接是最常见的板材连接方法。铆接通过塑性变形将材料连接在一起，属于机械连接；焊接常常通过加热、加压，使材料间产生原子结合而连接在一起，属于冶金连接。传统的铆接方法是用铆钉进行的机械连接，该方法连接牢固，但需要在板材上预冲孔，因而难以保证密封性。自冲铆接(SPR,Self-piercing riveting)是通过特制铆钉刺穿上层板，并刺入下层板来实现铆接的新技术。该方法虽然不需要预冲孔，但需要特制铆钉和复杂的加工模具。冲压铆(Mechanical clinching)如TOX圆点铆是另一种广泛应用的板材铆接技术，它通过冲头将板料压入凹模，使材料形成塑性镶嵌，从而连接在一起。该方法不需要铆钉，但连接强度低。另外，当板材非常薄时，常会因嵌入量不足而大大削弱剥离强度。电阻点焊属于冶金连接技术，因其效率高、成本低、强度高、易于实现自动化等优点而在众多行业中普遍应用，但作为一种熔化焊接技术，在连接熔点不同、热导率和电导率也不同的异种材料时(如铝和钢)时面临严峻挑战，因为熔化焊时界面极易生成脆性相，从而产生结合不牢等缺陷。另外，点焊接头对微动损伤特别敏感，通常抗疲劳能力弱。因此，发明一种兼具机械和冶金复合作用机制的新型连接技术，同步达到板材的铆合和焊合，是非常具有科学意义和工程应用价值的。

中国专利文件ZL200810014018.1公开了“超薄板材脉冲激光微铆接方法及其专用装置”，该方法在下板上冲出预置孔，上板接受激光照射，并形成铆扣形状，上板的铆扣与下板的预置孔形成机械互锁，从而将上板与下板连接在一起。该方法不需要铆钉，并在一定程度解决了密封性的问题。但是，密封性问题解决的并不彻底，气体仍可通过下板的预置孔进入上板和下板的间隙中。另外，预置孔的边缘易于产生残余拉应力，并因此导致应力腐蚀。该方法属于单纯的机械连接方式，连接强度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法及装置，具有高强度、无铆钉、能够保证板材的密封性要求等特点，可以用于同种或异种材料的连接，也可用于常规难变形材料的超薄板材。

本发明采取的技术方案为：

超薄板材脉冲激光同步铆合焊合方法：将上下两层板材叠放，置于带模孔的凹模上，凹模内设有底模，在上层板上表面涂覆或不涂能量吸收层，用脉冲激光束作用于上层板或上层板表面涂覆的能量吸收层，形成爆炸等离子体，上层板随之撞击下层板，上层板与下层板产生高应变率塑性流动耦合，在底模的约束下，上层板与下层板共同塑性成形为铆扣形状，由此产生机械互锁而铆合，在上层板和下层板塑性变形过程中，它们的接触界面存在压应力，并产生高速滑动和剪切变形，界面因此产生熔化和原子扩散，在共同撞击底模时，使上层板与下层板焊合在一起。

所述的下层板可为预成形的非平板板材，使上下两层板材叠放后中间形成一定间隙。爆炸等离体首先冲击上层板，上层板产生塑性变形，上层板随即冲击下层板，然后上层板与下层板一起撞击底模，在界面处产生高速滑动剪切，压力和温升导致材料局部表面产生熔化和原子扩散。上层板与下层板共同塑性成形为铆扣形状，导致机械互锁，并同时焊接在一起，从而实现同步铆合与焊合。

所述的能量吸收层为黑漆、柔性贴膜、或金属涂层。脉冲激光束作用于上层板表面涂覆的能量吸收层，并产生等离子体，等离子体进一步吸收激光能量而爆炸，爆炸等离子体作为沿径向高速扩张的柔性凸模，进而作用于上层板。

为了能够产生爆炸等离子体冲击效应，所述的脉冲激光的单脉冲能量密度应不小于1GW/cm²,光斑直径不小于各板材厚度之和。

为了能够使上下两层板在脉冲激光的作用下共同塑性成形为铆扣形状，超薄板材厚度小于0.2mm。

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。在激光冲击时，采用小能量、多脉冲的激光工艺参数组合，更易于成形口小底大的铆扣形状。