CN103722291A - 一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置，包括计算机控制***、激光发生***、真空***和夹具，所述夹具位于真空室内、固定在真空室底面上，夹具包括上下位置可调的水平工作台和倾斜角度可调的倾斜工作台，所述激光发生***通过光路与真空室连接，所述激光发生***、真空***和均与计算机控制***控制。本发明实现了激光冲击焊接的过程中冲击角度的连续可调，消除了大气压对高速冲击条件下超薄复板材料的阻力，有效地提高了焊接性能。

Description

一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置

技术领域

本发明属于焊接领域，尤其是一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置。

背景技术

激光冲击焊机是一种新兴的高速冲击条件下的材料焊接技术，可以实现同种和异种材料之间的点焊，其优点在于焊接之后不存在热影响区，因此，被焊接材料可以保持甚至高于母材的性能，它不会像熔化焊在焊接结合处的强度减弱或焊接区域由于存在的残余应力而导致裂纹、锈蚀等问题。这种新兴的公告号为US8084710(B2)的专利Low-temperature laser spotimpact welding without contact中被首次提出了高速冲击焊接方法，其原理是激光照射到不透明的涂层变成高温高压的等离子体，产生冲击波驱动复板材料高速撞击基板实现点焊。在该焊接方法中，冲击角度和冲击速度对焊接的质量起到重要的影响作用，因此，通常是选定特定的冲击角度，例如“Application of high velocity impact welding at varied different length scales”中选定的冲击角度为15°。目前，未曾有过研究不同冲击角度对焊接质量影响的装置。

冲击速度通常由激光能量驱动控制，根据公开号为US8084710(B2)的专利Low-temperature laser spot impact welding without contact中提出冲击速度必须大于100m/s才能够实现复板材料和基板的点焊。对于厚度100微米甚至更薄的材料，高速冲击下大气压会对复板会产生很大的阻力，影响焊接质量。而现有的激光冲击焊接方法并未考虑这个因素，因此存在缺陷。

激光冲击焊接技术同***焊接、电磁脉冲焊接的焊接原理相同，都是利用两块金属板以一个合适的角度高速碰撞，在冲击点位置，冲击产生的应力大大超过金属的屈服应力，变形的金属结合面会产生射流。喷射沿着结合表面逐渐传播，清理了表面的氧化层，留下两个清洁后的结合面，结合面的原子在极大的接触压力的作用下发生了化学键和金属键的结合，从而达到很高的连接强度。激光冲击焊接一般用于尺寸在200微米或者更薄的材料中，焊接区域直径一般为几毫米。公开号为CN1792545A的专利提供了一种激光冲击焊接制备梯度材料的方法和装置，用于大面积大厚度材料的焊接。公开号为CN1757480A的专利介绍了一种激光冲击***焊接的方法和装置，利用激光诱导冲击波和***波驱动复板撞击基板实现焊接，用于大能量和较厚板件的焊接，该申请中也未涉及冲击角度和冲击速度的改变。

发明内容

针对现有技术中存在不足，为了实现激光冲击焊接的过程中冲击角度的连续精确可调，便于方便地检验不同冲击角度对焊接质量的影响，并且消除了大气压对高速冲击条件下超薄复板材料的阻力，有效地提高了焊接性能；本发明提供了一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置，包括计算机控制***、激光发生***、调焦镜筒、真空***和夹具，所述真空***包括真空泵控制器、真空泵、真空室，所述真空泵控制器与真空泵电联接，所述真空泵与真空室的抽气口相连，真空室的上壁上设置有通光孔；所述夹具设置在真空室内、固定在真空室的底面上，所述夹具包括竖直设置的立柱、水平设置的底座、对光片、水平工作台、倾斜工作台、滑套，所述水平工作台的一端可上下移动的装配在立柱上，另一端与所述倾斜工作台的一端通过铰链结构相连，所述倾斜工作台的另一端通过铰链结构与滑套相连，所述滑套在水平方向能够移动的装配在底座上，所述倾斜工作台上设置有压紧片，所述水平工作台上方设有压紧块，对光片可上下移动的装在立柱上、并位于水平工作台上方；所述激光发生***包括激光控制器、激光发射器，所述激光发射器通过光纤与调焦镜筒连接，所述调焦镜筒设置在真空室通光孔的上方、并与真空室的顶面相连，所述激光控制器、真空泵控制器均与计算机控制***电联接。

优选地，所述水平工作台与立柱之间通过紧固套连接，所述水平工作台固定连接在紧固套上，所述紧固套套在立柱上，所述紧固套通过紧定螺钉实现与立柱的锁紧与分离。

优选地，所述滑套套在底座上。

优选地，所述滑套与底座通过滑轨连接。

优选地，还包括装配在滑套上的定位螺杆，所述定位螺杆的一端与立柱连接，另一端设置有第二锁紧螺母。

优选地，所述倾斜工作台侧面设有角度指示片，所述角度指示片的底边的延长线穿过连接滑套与倾斜工作台的铰链的中心，在连接滑套与倾斜工作台的铰链上设置角度刻度盘。

优选地，所述真空室由密封盖、两端开口的筒状结构的真空腔体、密封底座围成，真空腔体通过螺钉、密封圈与密封底座密封连接，所述密封盖与真空腔体之间通过螺钉、密封圈密封连接；所述夹具固定在密封底座上，通光孔设置在密封盖上。

优选地，所述激光冲击焊接装置还包括紧固支架、三坐标移动平台、三坐标移动平台控制器，所述密封底座固定在三坐标移动平台上，三坐标移动平台由三坐标移动平台控制器控制，所述三坐标移动平台控制器与计算机控制***电联接；所述紧固支架包括支架、支撑螺套、圆环状托盖、圆环状压紧盖板，所述支架固定在工作台上，支撑螺套固定在支架上，托盖装在支架上、由支撑螺套支撑，所述真空腔体顶部向外突出的边沿放置在托盖上，所述压紧盖板置于密封盖上、并装配在支架上，压紧盖板上部的支架上装有第一锁紧螺母。

优选地，所述支撑螺套与支架之间通过螺纹连接。

本发明的有益效果在于：

第一、夹具能够方便地实现冲击角度的连续精确调整，便于验证不同冲击角度对激光冲击焊接质量的影响，有效的减少不同冲击角度夹具的制造，节约生产成本和装夹时间。

第二、消除高速冲击条件下大气压对超薄复板材料的阻力，大大提高了焊接性能，也能够用于研究大于100m/s的高速冲击下大气压对复板材焊接性能的影响。

第三、通过对冲击角度和大气压对焊接性能影响简单有效的检验，为激光冲击焊接技术应用于微机电***（MEMS）零件加工和微型复合材料的制备提供有效的工艺参数的指导。

附图说明

图1为本发明所述真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置一实施例的结构图。

图2为所述夹具的主视图。

图3为所述夹具的左侧轴测图。

图4为所述夹具的右侧轴测图。

图5为所述复板的侧视图。

图6为所述复板的正面视图。

图7为所述夹具的局部放大图。

图8为所述紧固支架的***图。

附图标记说明如下：

1-计算机控制***，2-激光控制器，3-激光发射器，4-光纤，5-端盖，6-调焦镜筒，7-密封盖，8-紧固支架，801-支架，802-螺钉，803-支撑螺套，804-托盖，805-压紧盖板，806-第一锁紧螺母，9-真空腔体，10-夹具，11-密封底座，12-三坐标移动平台，13-工作台，14-真空泵控制器，15-三坐标移动平台控制器，16-真空泵，17-立柱，18-对光片，19-压紧块，20-紧定螺钉，21-紧固套，22-水平工作台，23-压紧盖板，24-倾斜工作台，25-底座，26-滑套，27-第二锁紧螺母，28-定位螺杆，29-复板，30-黑漆层，31-K9玻璃，32-基板，33-角度指示片。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述的真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置的一个实施例。所述真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置，包括计算机控制***1、激光发生***、调焦镜筒6、真空***和夹具10。

所述真空***为所述激光冲击焊接装置提供真空环境，消除高速冲击条件下大气压对超薄复板材料的阻力，提高焊接性能。所述真空***包括真空泵控制器14、真空泵16、真空室，所述真空泵控制器14与真空泵16电联接，所述真空泵16与真空室的抽气口相连。所述真空泵控制器14用于控制真空泵16进行抽气和放气，以及真空室内的气压。真空室的上壁上设置有通光孔，为激光提供光路。所述激光发生***包括激光控制器2、激光发射器3，激光发射器3产生能量在2J—10J的激光，激光控制器2用于控制激光发射器3对激光参数进行调整。所述激光发射器3通过光纤与调焦镜筒6连接。具体的，所述光纤4与调焦镜筒6之间设置有端盖5，所述光纤4与端盖5连接，所述端盖5固定在调焦镜筒6上，所述端盖5与调焦镜筒6的位置由圆柱销定位。所述调焦镜筒6设置在真空室通光孔的上方、并与真空室的顶面相连，并用螺钉锁紧。激光控制器2控制激光发射器3发出激光，经光纤4耦合通过调焦镜筒6、通光孔发射到真空室内。计算机控制***1作为人机交互装置，所述激光控制器2、真空泵控制器14均与计算机控制***1电联接。计算机控制***1用于控制激光控制器2、真空泵控制器14，并将参数保存。

如图2、图3、图4所示，所述夹具10设置在真空室内、固定在真空室的底面上，用于固定焊接件。由于激光光路被收纳于真空装置内，有效的提高了安全性，对光性也依赖于真空室上的通光孔的位置精度以及夹具的制造精度，大大降低了人为因素对对光造成的误差。所述夹具10包括竖直设置的立柱17、水平设置的底座25、对光片18、水平工作台22、倾斜工作台24、滑套26。立柱17于底座25之间用螺钉固定，底座25通过螺钉固连在真空室的底面上，实现夹具的精确定位。所述水平工作台22用于安装复板，所述倾斜工作台24用于安装基板。为了达到使激光冲击角度可调的目的，所述水平工作台22的一端可上下移动的装配在立柱17上，另一端与所述倾斜工作台24的一端通过铰链结构相连，所述倾斜工作台24的另一端通过铰链结构与滑套26相连，滑套26在水平方向能够移动的装配在底座25上。其中倾斜工作台24与水平工作台22、滑套26分别以铰链结构相连，能够保证倾斜工作台24绕铰链结构实现0～90°转动；水平工作台22、滑套26分别与立柱17、底座25能移动的连接，能够保证所述倾斜工作台24的倾斜角度可调。所述水平工作台22与立柱17之间通过紧固套21连接，所述水平工作台22固定连接在紧固套21上，所述紧固套21套在立柱17上，所述紧固套21通过紧定螺钉20实现与立柱17的锁紧与分离。通过紧固套21在立柱17上的滑动以带动水平工作台22在竖直方向的移动。所述滑套26套在底座25上，在滑套26上装配有定位螺杆28，所述定位螺杆28的一端与立柱连接，另一端设置有第二锁紧螺母27；滑套26在底座25上滑动实现倾斜工作台24水平位置的变换。当倾斜工作台24的位置确定后，用第二锁紧螺母27锁紧。作为一种变型，所述滑套26与底座25也可以通过滑轨连接。为了方便确定倾斜工作台24的倾斜角度，如图7所示，在倾斜工作台24的侧面固定角度指示片33，使所述角度指示片33的底边的延长线穿过连接滑套26与倾斜工作台24的铰链的中心，在该铰链上设置角度刻度盘。所述倾斜工作台24上设置有压紧片24，所述水平工作台22上方设有压紧块19，对光片18可上下移动的装在立柱17上、并位于水平工作台22上方。

如图5、图6所示，黑漆层30涂在复板29的未打磨区域，用水做粘合剂将复板29和K9玻璃31紧密粘合，然后装夹在水平工作台22上，并保证复板29的前端正对着固定在倾斜工作台上的基板32，如图4所示。

如图1所示，本实施例中，所述真空室由密封盖7、两端开口的筒状结构的真空腔体9、密封底座11围成。真空腔体9通过螺钉、密封圈与密封底座11密封连接，所述密封盖7与真空腔体9之间通过螺钉、密封圈密封连接；所述夹具10固定在密封底座11上，通光孔设置在密封盖7上。密封盖7、真空腔体9由紧固支架8支撑，密封底座11固定在三坐标移动平台12上，三坐标移动平台12由三坐标移动平台控制器15控制，所述三坐标移动平台控制器15与计算机控制***1电联接。如图8所示，所述紧固支架8包括支架801、支撑螺套803、圆环状托盖804、圆环状压紧盖板805，所述支架801固定在工作台上，支撑螺套803通过螺纹连接装配在支架801上，托盖804装在支架801上、由支撑螺套803支撑，所述真空腔体9顶部向外突出的边沿放置在托盖804上，所述压紧盖板805置于密封盖7上、并装配在支架801上，压紧盖板805上部的支架801上装有第一锁紧螺母806。通过控制三坐标移动平台12的动作，实现密封底座11和真空腔体9的分离与合紧。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但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 (9)

1.一种真空环境下冲击角度连续可调的激光冲击焊接装置，其特征在于，包括计算机控制***（1）、激光发生***、调焦镜筒（6）、真空***和夹具（10），所述真空***包括真空泵控制器（14）、真空泵（16）、真空室，所述真空泵控制器（14）与真空泵（16）电联接，所述真空泵（16）与真空室的抽气口相连，真空室的上壁上设置有通光孔；所述夹具（10）设置在真空室内、固定在真空室的底面上，所述夹具（10）包括竖直设置的立柱（17）、水平设置的底座（25）、对光片（18）、水平工作台（22）、倾斜工作台（24）、滑套（26），所述水平工作台（22）的一端可上下移动的装配在立柱（17）上，另一端与所述倾斜工作台（24）的一端通过铰链结构相连，所述倾斜工作台（24）的另一端通过铰链结构与滑套（26）相连，所述滑套（26）在水平方向能够移动的装配在底座（25）上，所述倾斜工作台（24）上设置有压紧片（24），所述水平工作台（22）上方设有压紧块（19），对光片（18）可上下移动的装在立柱（17）上、并位于水平工作台（22）上方；所述激光发生***包括激光控制器（2）、激光发射器（3），所述激光发射器（3）通过光纤与调焦镜筒（6）连接，所述调焦镜筒（6）设置在真空室通光孔的上方、并与真空室的顶面相连，所述激光控制器（2）、真空泵控制器（14）均与计算机控制***（1）电联接。

2.根据权利要求1所述的激光冲击焊接装置，其特征在于，所述水平工作台（22）与立柱（17）之间通过紧固套（21）连接，所述水平工作台（22）固定连接在紧固套（21）上，所述紧固套（21）套在立柱（17）上，所述紧固套（21）通过紧定螺钉（20）实现与立柱（17）的锁紧与分离。

3.根据权利要求1所述的激光冲击焊接装置，其特征在于，所述滑套（26）套在底座（25）上。

4.根据权利要求1所述的激光冲击焊接装置，其特征在于，所述滑套（26）与底座（25）通过滑轨连接。

5.根据权利要求1所述的激光冲击焊接装置，其特征在于，还包括装配在滑套（26）上的定位螺杆（28），所述定位螺杆（28）的一端与立柱连接，另一端设置有第二锁紧螺母（27）。

6.根据权利要求1所述的激光冲击焊接装置，其特征在于，所述倾斜工作台（24）侧面设有角度指示片（33），所述角度指示片（33）的底边的延长线穿过连接滑套（26）与倾斜工作台（24）的铰链的中心，在连接滑套（26）与倾斜工作台（24）的铰链上设置角度刻度盘。

7.根据权利要求1所述的激光冲击焊接装置，其特征在于，所述真空室由密封盖（7）、两端开口的筒状结构的真空腔体（9）、密封底座（11）围成，真空腔体（9）通过螺钉、密封圈与密封底座（11）密封连接，所述密封盖（7）与真空腔体（9）之间通过螺钉、密封圈密封连接；所述夹具（10）固定在密封底座（11）上，通光孔设置在密封盖（7）上。

8.根据权利要求1所述的激光冲击焊接装置，其特征在于，还包括紧固支架（8）、三坐标移动平台（12）、三坐标移动平台控制器（15），所述密封底座（11）固定在三坐标移动平台（12）上，三坐标移动平台（12）由三坐标移动平台控制器（15）控制，所述三坐标移动平台控制器（15）与计算机控制***（1）电联接；所述紧固支架（8）包括支架（801）、支撑螺套（803）、圆环状托盖（804）、圆环状压紧盖板（805），所述支架（801）固定在工作台上，支撑螺套（803）固定在支架（801）上，托盖（804）装在支架（801）上、由支撑螺套（803）支撑，所述真空腔体（9）顶部向外突出的边沿放置在托盖（804）上，所述压紧盖板（805）置于密封盖（7）上、并装配在支架（801）上，压紧盖板（805）上部的支架（801）上装有第一锁紧螺母（806）。

9.根据权利要求8所述的激光冲击焊接装置，其特征在于，所述支撑螺套（803）与支架（801）之间通过螺纹连接。

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