CN107186344A - 一种新型激光冲击点焊装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型激光冲击点焊装置及其方法，包括激光发射系统、焊接系统和控制系统；所述焊接系统包括工件系统、加热装置、直流电场装置、工件推送装置和工作平台装置。本发明通过改变垫片的厚度可对飞板的飞行距离进行精确控制，飞板和基板置于直流电场之间对焊接产生的等离子体具有强化作用，可以提供更大的焊接力；本发明装置的自密性能良好可对基板和飞板实现同步加热，可以增强焊接强度减少焊接过程中回弹区的产生，获得质量更高的焊接接头。

Description

一种新型激光冲击点焊装置及其方法

技术领域

本发明涉及高速冲击焊接领域，尤其涉及一种新型激光冲击点焊装置及焊接方法。

背景技术

近年来，随着微电子、医疗器件、精密仪器等产业的高速发展，金属薄板连接在微器件的制造和组装中应用越来越广泛。与之相关的金属薄板的焊接工艺研究成为研究的热点，其中激光冲击焊接以其焊接之后很少存在热影响区和金属间化合物的特点，已经成为一种新颖高速冲击焊接技术，在金属薄板的连接上具有独特的技术优势，微器件的制造和组装中具有十分广阔的应用前景。

公开号为CN 106238912A的专利介绍了一种激光冲击点焊装置及其方法，可以实现厚度在微米级别的同种或者异种金属薄板的冲击焊接。然而，作为传统单一能场的激光高速冲击焊接也存在着一些不足。例如(1)由于激光功率的限制，冲击加载的焊接力存在着使用上限，不能够焊接更大厚度的金属板材；(2)高速冲击焊接过程十分短暂(几个到几百个纳秒就可以完成)，焊接界面不可避免的存在着一定范围的回弹区，大大影响了焊接质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明通过改变垫片的厚度可对飞板的飞行距离进行精确控制，飞板和基板置于直流电场之间对焊接产生的等离子体具有强化作用，可以提供更大的焊接力；本发明装置的自密性能良好可对基板和飞板实现同步加热，可以增强焊接强度减少焊接过程中回弹区的产生，获得质量更高的焊接接头。

一种新型激光冲击点焊装置，包括激光发射系统、焊接系统和控制系统；所述激光发射系统包括脉冲激光器、反光镜、凸透镜、凸透镜支架、凸透镜位置调节器和L型底座；所述凸透镜通过凸透镜支架与凸透镜位置调节器相连接，凸透镜位置调节器安装在L型底座的垂直侧板上；所述反光镜45°布置，反光镜位于凸透镜的正上方且与脉冲激光器的位置相对应，脉冲激光器产生的激光通过反光镜反射到凸透镜上；

所述焊接系统包括加热装置、直流电场装置和工件推送装置；所述加热装置包括垫片、保温腔、压盖和加热板；所述保温腔为带底的中空圆筒，且底部开设有孔，保温腔的开口端安装在工作台上，所述加热板设置在保温腔内，压盖为中空圆台，压盖一端置于保温腔底部外壁上，另一端穿过保温腔底部开设的孔，置于保温腔内，且压盖该端底部端面上设置有约束层；所述直流电场装置包括直流电源、上极板和下极板；所述直流电源正负极分别与上极板和下极板相连接；所述上极板置于约束层与压盖之间，上极板中心开设有圆通孔；所述下极板安放在工作台上；所述工件推送装置包括推杆、液压缸、工作台和三坐标移动平台；所述三坐标移动平台位于L型底座上；所述工作台固定安装在三坐标移动平台上表面；所述工作台内安装有液压缸，液压缸输出端与推杆一端相连接，推杆另一端与下极板的底部相连接；

所述控制系统包括脉冲激光控制器、计算机、直流电源控制器、加热控制器、液压缸控制器、三坐标移动平台控制器；所述脉冲激光控制器、直流电源控制器、加热控制器、液压缸控制器、三坐标移动平台控制器分别与计算机连接；所述脉冲激光控制器与脉冲激光器相连接，用于控制脉冲激光器的工作状态；所述直流电源控制器与直流电源连接，用于控制上极板和下极板间的电压；所述加热控制器分别与温度传感器和加热板连接，用于控制保温腔内的温度；所述液压缸控制器与液压缸(4)连接，用于控制液压缸的伸缩；所述三坐标移动平台控制器和三坐标移动平台连接，用于控制三坐标移动平台的运动。

优选的，所述压盖与保温腔底部外壁之间设置有垫片，该垫片用于调整基板和飞板之间的飞行距离。

优选的，所述约束层为K9玻璃，厚度在3mm-10mm。

优选的，所述上极板和下极板厚度为2mm且表面涂有绝缘漆。

优选的，所述下极板上设置有基板，基板正上方设置有飞板，所述飞板与吸收层紧密贴合；所述吸收层均匀涂抹在约束层的下表面。

优选的，所述约束层与压盖依靠双面胶密封连接。

优选的，所述吸收层为黑漆，厚度在0.1mm-0.5mm。

优选的，所述工作台、压盖和保温腔为绝缘隔热陶瓷材料，保温腔透明用于观察内部工况；所述双面胶为PET透明双面胶，可耐300℃高温。

基于一种新型激光冲击点焊装置的方法，包括以下步骤：

S1、将基板放在下极板上，限制层下表面涂抹吸收层，飞板与吸收层紧密贴合，压盖直接盖在保温腔上，完成工件放置；

S2、液压缸控制器控制液压缸带动推杆推动下极板和基板，直到基板与飞板接触时停止推动，完成飞行距离“校零”，然后在压盖肩两侧分别放置相同厚度的垫片以便控制基板与飞板之间的飞行距离；

S3、调节三坐标移动平台的位置，调节光路，使得脉冲激光器发射的激光聚焦在吸收层的中间位置；调节凸透镜与吸收层的距离，调节光斑直径；

S4、计算机控制加热装置进行加热，到达设定加热温度后，直流电场装置施加指定电压形成稳定直流电场，然后计算机控制脉冲激光控制器对焊接系统单次发射，完成两个板件之间的冲击焊接；

S5、关闭加热装置，待冷却到室温后取下压盖，去除约束层便可以得到焊接件。

优选的，所述脉冲激光器为短脉冲激光器，脉宽为8ns-20ns，激光能量在5J-50J，激光光斑控制在1.5mm-3mm；所述加热装置温度控制在50℃-250℃；所述直流电源控制器调节直流电源输出电压为5V-100V。

本发明的有益效果是；

本发明通过改变垫片的厚度可对飞板的飞行距离进行精确控制，飞板和基板置于直流电场之间对焊接产生的等离子体具有强化作用，可以提供更大的焊接力；

本发明装置的自密性能良好且处于温度可控的环境之中，可对飞板和基板实现同步加热，可以减少焊接过程中回弹区的产生，获得质量更高的焊接接头。

附图说明

图1是本发明实施方式的一种新型激光冲击点焊装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式的一种新型激光冲击点焊方法的原理图；

附图标记如下：

1、L型底座；2、三坐标移动平台；3、工作台；4、液压缸；5、推杆；6、下极板；7、基板；8、飞板；9、吸收层；10、加热板；11、约束层；12、双面胶；13、上极板；14、压盖；15、保温腔；16、垫片；17、凸透镜位置调节器；18、凸透镜支架；19、凸透镜；20、反光镜；21、脉冲激光器；22、温度传感器；23、脉冲激光控制器；24、计算机；25、直流电源控制器；26、加热控制器；27、液压缸控制器；28、三坐标移动平台控制器；29、等离子体；30、直流电场。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

结合附图1所示为本发明所述一种新型激光冲击点焊装置的一种实施方式，所述一种新型激光冲击点焊装置包括激光发射系统、焊接系统和控制系统。

所述激光发射系统包括脉冲激光器21、反光镜20、凸透镜19、凸透镜支架18、凸透镜位置调节器17和L型底座1；所述凸透镜19通过凸透镜支架18连接凸透镜位置调节器17，凸透镜位置调节器17安装在L型底座1侧板上；所述反光镜20位于凸透镜19的上部、且与脉冲激光器21的位置相对应，脉冲激光器21产生的激光通过反光镜20反射到凸透镜19上。

所述焊接系统包括加热装置和工作平台装置；所述焊接装置包括双面胶12、约束层11、吸收层9和飞板8、基板7；所述加热装置包括垫片16、保温腔15、压盖14和加热板10；所述直流电场装置包括上极板13和下极板6；所述工件推送装置包括推杆5和液压缸4；所述工作平台装置包括工作台3和三坐标移动平台2；所述三坐标移动平台2位于L型底座1上；所述工作台3固定安装在三坐标移动平台2上表面；所述液压缸4置于在工作台3内部；所述推杆5的一端与液压缸4相连接，另一端与下极板6的底部相连接；所述下极板6安放在工作台3上；所述基板7放置在下极板6上表面，基板7上方一段距离放有飞板8；所述飞板8与吸收层9紧密贴合；所述吸收层9均匀涂抹在约束层11的下表面，激光发射装置发射的激光聚焦在吸收层9的中间位置；所述约束层11与压盖14依靠双面胶12密封连接；，约束层11上放有上极板13；所述压盖14肩两侧放有垫片16，下端与保温腔15紧密接触；所述保温腔15紧密贴合放置在工作台3上。

所述控制系统包括计算机24、脉冲激光控制器23、直流电源控制器25、加热控制器26、液压缸控制器27、三坐标移动平台控制器28；所述脉冲激光控制器23、直流电源控制器25、加热控制器26、液压缸控制器27、三坐标移动平台控制器28分别与计算机24连接；所述脉冲激光控制器23与脉冲激光器21相连接，用于控制脉冲激光器21的工作状态；所述直流电源控制器25与上电极板13和下电极板6连接，用于控制两极板间的电压；所述加热控制器26分别与温度传感器23和加热板10连接，用于控制保温腔15内的温度；所述液压缸控制器27与液压缸4连接，用于控制液压缸4的伸缩；所述三坐标移动平台控制器28和三坐标移动平台2连接，用于控制三坐标移动平台2的运动。

所述约束层11为K9玻璃，厚度在3mm-10mm；所述吸收层9为黑漆，厚度在0.1mm-0.5mm。

所述保温腔15和压盖14过盈配合；所述上极板13和下极板6厚度为2mm且表面涂有绝缘漆，上极板13开有直径为5mm的小孔以便激光束透过。

所述工作台3、压盖14和保温腔15为绝缘隔热陶瓷材料，保温腔15透明用于观察内部工况；所述双面胶12为PET透明双面胶，可耐300℃高温。

本发明还提供一种新型激光冲击点焊方法，所述方法的原理图如图2所示，计算机24控制加热控制器26对待焊接的飞板8和基板7进行加热软化，到达设定加热温度后，直流电源控制器25调节直流电源29施加指定电压形成稳定直流电场31，计算机24控制脉冲激光控制器23发出强脉冲激光气化、电离吸收层9产生等离子体30，等离子体30受直流电场31作用得到强化并在约束层11和飞板8的作用下形成冲击波，在冲击波的作用下，飞板8和基板7高速碰撞产生固态连接，完成两个板件之间的冲击焊接。

所述一种新型激光冲击点焊方法，包括以下步骤：

S1、将基板7放在下极板6上，飞板8与吸收层9紧密贴合，压盖14直接盖在保温腔15上，完成工件放置；

S2、液压缸控制器27控制液压缸4带动推杆5推动下极板6和基板7，直到基板7与飞板8接触时停止推动，完成飞行距离“校零”，然后在压盖14的肩两侧分别放置相同厚度的垫片16以便控制基板7与飞板8之间的飞行距离；

S3、调节三坐标移动平台2的位置，调节光路，使得脉冲激光器21发射的激光聚焦在吸收层9的中间位置，调节凸透镜19与吸收层9的距离，调节光斑直径；

计算机24控制加热装置进行加热，到达设定加热温度后，直流电场装置施加指定电压形成稳定电场，然后计算机24控制脉冲激光控制器23对焊接系统单次发射，完成两个板件之间的冲击焊接；

S5、依次关闭直流电场装置、加热装置，待冷却到室温后取下压盖14，去除约束层11便可以得到焊接件。

本发明便于实现板件之间的冲击点焊，辅助加热装置可以实现板件的软化，辅助电场装置可以对等离子体产生强化。本发明提出了一种新型激光冲击点焊装置及其方法，通过改变垫片的厚度对飞板的飞行距离进行精确控制，装置的自密性能良好焊接装置处于温度可控的环境之下，可以减少回弹区的产生获得质量更高的焊接接头，飞板和基板置于直流电场之间对焊接产生的等离子体具有强化作用，可以提供更大的焊接力。

应当理解，虽然本发明说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新型激光冲击点焊装置，其特征在于，包括激光发射系统、焊接系统和控制系统；所述激光发射系统包括脉冲激光器(21)、反光镜(20)、凸透镜(19)、凸透镜支架(18)、凸透镜位置调节器(17)和L型底座(1)；所述凸透镜(19)通过凸透镜支架(18)与凸透镜位置调节器(17)相连接，凸透镜位置调节器(17)安装在L型底座(1)的垂直侧板上；所述反光镜(20)45°布置，反光镜(20)位于凸透镜(19)的正上方且与脉冲激光器(21)的位置相对应，脉冲激光器(21)产生的激光通过反光镜(20)反射到凸透镜(19)上；

所述焊接系统包括加热装置、直流电场装置和工件推送装置；所述加热装置包括垫片(16)、保温腔(15)、压盖(14)和加热板(10)；所述保温腔(15)为带底的中空圆筒，且底部开设有孔，保温腔(15)的开口端安装在工作台(3)上，所述加热板(10)设置在保温腔(15)内，压盖(14)为中空圆台，压盖(14)一端置于保温腔(15)底部外壁上，另一端穿过保温腔(15)底部开设的孔，置于保温腔(15)内，且压盖(14)该端底部端面上设置有约束层(11)；所述直流电场装置包括直流电源(29)、上极板(13)和下极板(6)；所述直流电源(29)正负极分别与上极板(13)和下极板(6)相连接；所述上极板(13)置于约束层(11)与压盖(14)之间，上极板(13)中心开设有圆通孔；所述下极板(6)安放在工作台(3)上；所述工件推送装置包括推杆(5)、液压缸(4)、工作台(3)和三坐标移动平台(2)；所述三坐标移动平台(2)位于L型底座(1)上；所述工作台(3)固定安装在三坐标移动平台(2)上表面；所述工作台(3)内安装有液压缸(4)，液压缸(4)输出端与推杆(5)一端相连接，推杆(5)另一端与下极板(6)的底部相连接；

所述控制系统包括脉冲激光控制器(23)、计算机(24)、直流电源控制器(25)、加热控制器(26)、液压缸控制器(27)、三坐标移动平台控制器(28)；所述脉冲激光控制器(23)、直流电源控制器(25)、加热控制器(26)、液压缸控制器(27)、三坐标移动平台控制器(28)分别与计算机(24)连接；所述脉冲激光控制器(23)与脉冲激光器(21)相连接，用于控制脉冲激光器(21)的工作状态；所述直流电源控制器(25)与直流电源(29)连接，用于控制上极板(13)和下极板(6)间的电压；所述加热控制器(26)分别与温度传感器(22)和加热板(10)连接，用于控制保温腔(15)内的温度；所述液压缸控制器(27)与液压缸(4)连接，用于控制液压缸(4)的伸缩；所述三坐标移动平台控制器(28)和三坐标移动平台(2)连接，用于控制三坐标移动平台(2)的运动。

2.根据权利要求1所述的一种新型激光冲击点焊装置，其特征在于，所述压盖(14)与保温腔(15)底部外壁之间设置有垫片(16)，该垫片(16)用于调整基板(7)和飞板(8)之间的飞行距离。

3.根据权利要求1所述的一种新型激光冲击点焊装置，其特征在于，所述约束层(11)为K9玻璃，厚度在3mm-10mm。

4.根据权利要求1所述的一种新型激光冲击点焊装置，其特征在于，.所述上极板(13)和下极板(6)厚度为2mm且表面涂有绝缘漆。

5.根据权利要求1所述的一种新型激光冲击点焊装置，其特征在于，所述下极板(6)上设置有基板(7)，基板(7)正上方设置有飞板(8)，所述飞板(8)与吸收层(9)紧密贴合；所述吸收层(9)均匀涂抹在约束层(11)的下表面。

6.根据权利要求1所述的一种新型激光冲击点焊装置，其特征在于，所述约束层(11)与压盖(14)依靠双面胶(12)密封连接。

7.根据权利要求5所述的一种新型激光冲击点焊装置，其特征在于，所述吸收层(9)为黑漆，厚度在0.1mm-0.5mm。

8.根据权利要求6所述的一种新型激光冲击点焊装置，其特征在于，所述工作台(3)、压盖(14)和保温腔(15)为绝缘隔热陶瓷材料，保温腔(15)透明用于观察内部工况；所述双面胶(12)为PET透明双面胶，可耐300℃高温。

9.根据权利要求1至8任一项所述的基于一种新型激光冲击点焊装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将基板(7)放在下极板(6)上，限制层(11)下表面涂抹吸收层(9)，飞板(8)与吸收层(9)紧密贴合，压盖(14)直接盖在保温腔(15)上，完成工件放置；

S2、液压缸控制器(27)控制液压缸(4)带动推杆(5)推动下极板(6)和基板(7)，直到基板(7)与飞板(8)接触时停止推动，完成飞行距离“校零”，然后在压盖(14)肩两侧分别放置相同厚度的垫片(16)以便控制基板(7)与飞板(8)之间的飞行距离；

S3、调节三坐标移动平台(2)的位置，调节光路，使得脉冲激光器(21)发射的激光聚焦在吸收层(9)的中间位置；调节凸透镜(19)与吸收层(9)的距离，调节光斑直径；

S4、计算机(24)控制加热装置进行加热，到达设定加热温度后，直流电场装置施加指定电压形成稳定直流电场(31)，然后计算机(24)控制脉冲激光控制器(23)对焊接系统单次发射，完成两个板件之间的冲击焊接；

S5、关闭加热装置，待冷却到室温后取下压盖(14)，去除约束层(11)便可以得到焊接件。

10.根据权利要求9所述的一种新型激光冲击点焊方法，其特征在于，所述脉冲激光器(21)为短脉冲激光器，脉宽为8ns-20ns，激光能量在5J-50J，激光光斑控制在1.5mm-3mm；所述加热装置温度控制在50℃-250℃；所述直流电源控制器(25)调节直流电源(29)输出电压为5V-100V。