一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于高速冲击焊接领域的一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置及其方法，包括激光发生系统、焊接系统和控制系统；所述激光发生系统包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架和聚焦透镜位置调节装置；所述焊接系统包括约束层‑吸收层‑冲击板‑防护涂层组件、约束层支架、约束层位置调节装置、压块、板件、金属丝、金属丝夹持装置、工作台、三坐标移动平台和L型底座；所述控制系统包括计算机、脉冲激光器控制器、三坐标移动平台控制器、位移传感器和约束层位置控制器；本发明专利技术可以实现金属丝与板件的固态焊接，且焊接后不存在热影响区，没有金属间化合物的生成，焊接质量高，可以提高焊接接头的力学性能。

Welding device and method for metal wire and plate under laser shock loading

A laser shock loading the invention belongs to the field of high speed impact welding wire and plate welding device and method, including laser system, welding system and control system; the laser system includes pulse laser, mirror, a focusing lens and a focus lens bracket and a focusing lens position adjusting device; the welding the system includes the constrained layer absorption layer impact plate protective coating components, constrained layer bracket, constrained layer position adjusting device, a pressing block, plate, metal wire, metal wire clamping device, working platform, mobile platform and three coordinate L base; the control system includes a computer, laser controller, three the mobile platform coordinate controller, displacement sensor and constraint layer position controller; the invention can realize the solid state welding wire and plate, and after welding does not exist In the heat affected zone, there is no intermetallic compound formation and high welding quality, which can improve the mechanical properties of welded joints.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高速冲击焊接领域，特指一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置及其方法。
技术介绍
近年来，随着电子产品、精密仪器、传感器等产业的高速发展，微器件的需求日益增加。与之相关的微器件焊接在微器件的制造中的需求也越来越广泛。微器件焊接的主要对象通常是一些金属薄件、箔、丝等，对焊接精度和工艺参数要求非常高，因此焊接难度很大。此外，焊接质量不仅会直接影响微器件的稳定性和可靠性，也是微制造过程中的关键问题。现阶段，微器件焊接的主要方法包括熔焊、钎焊、超声波焊、压焊、激光焊等。其中，熔焊主要有电阻熔焊、电子束焊、等离子弧焊等。电阻熔焊需要在局部加热，常常会因为温度过高影响微器件的使用性能，甚至损坏微器件。电子束焊接需要在真空环境中进行，限制了其使用范围。等离子弧焊接的成本很高，同时对焊接控制的精度要求也很高。钎焊是在焊接体之间利用热源熔化一种熔点低的材料以实现工件和基体过渡焊接的方法。但是，该方法引入的低熔点材料与工件及基体的材料性质不同，对于电子元器件来说，通电时会由于微器件电阻不均匀而出现局部过热的现象。超声波焊接的振幅比较大，容易使工件变形，限制了其微型化应用。压焊分为冷压焊和热压焊两种，冷压焊要求工件与基体之间必须发生明显的形变，对微器件的形状精度影响很大。而热压焊容易造成微器件的热损伤。激光微焊接是一种比较先进的微焊接工艺，该方法主要是利用激光的热效应熔化材料以实现连接。但是，它对焊接熔点相差很大的异种金属材料组合有很大的局限性。为了解决传统微器件焊接技术存在的局限性，近年来，研究人员提出了激光高速冲击焊接技术。公开号为CN 103722291A的专利介绍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，可以实现同种或异种金属箔板固态连接。但是该装置无法实现金属丝和板的焊接。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述问题提供一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置及其方法，解决传统微器件焊接技术存在的局限性，实现金属丝和板的焊接。本专利技术的技术方案是：一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置，包括激光发生系统、焊接系统和控制系统；所述激光发生系统包括脉冲激光器、反射镜、聚焦透镜、聚焦透镜支架和聚焦透镜位置调节装置；所述脉冲激光器控制器分别与计算机和脉冲激光器电连接，所述聚焦透镜通过聚焦透镜支架连接聚焦透镜位置调节装置，聚焦透镜位置调节装置安装在L型底座1侧板上；所述反射镜位于聚焦透镜的上方，所述脉冲激光器发出激光束经过反射镜和聚焦透镜聚焦在吸收层上；所述焊接系统包括约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件、约束层支架、约束层位置调节装置、压块、板件、金属丝、金属丝夹持装置、工作台、三坐标移动平台和L型底座；所述约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件通过约束层支架与约束层位置调节装置相连接，约束层位置调节装置安装在L型底座的侧板上；所述三坐标移动平台安装在L型底座的底板上，所述工作台固定在三坐标移动平台上表面；所述板件安装在工作台上的凹槽内、且通过压块压紧；所述金属丝由金属丝夹持装置固定，并与板件搭接；所述金属丝夹持装置安装在工作台上表面；所述控制系统包括计算机、脉冲激光器控制器、三坐标移动平台控制器、位移传感器和约束层位置控制器；所述脉冲激光器控制器、三坐标移动平台控制器和约束层位置控制器分别与计算机电连接，所述位置传感器安装在约束层支架上并与约束层位置控制器电连接，所述位置传感器测量冲击板与板件间的距离并反馈给约束层位置控制器，计算机通过约束层位置控制器调节冲击板与板件间的距离，通过脉冲激光器控制器控制脉冲激光器发射激光，通过三坐标移动平台控制器调节调节三坐标移动平台的位置。上述方案中，所述约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件包括约束层、吸收层、冲击板和防护涂层；所述吸收层涂敷在约束层下表面，冲击板与吸收层贴合，防护涂层涂敷在冲击板下表面。上述方案中，所述金属丝夹持装置包括外壳、弹性夹头、弹簧、导向键、推杆、固定板和端盖；所述外壳的前端开口，所述弹性夹头的一端与推杆的一端连接、且安装在外壳内，推杆的另一端伸出外壳的后端；所述弹簧安装在弹性夹头和推杆之间；所述的外壳内部开有键槽；所述导向键安装在推杆上的键槽内，可沿着外壳上的键槽左右移动；在导向键的约束作用下，推杆和弹性夹头只能作轴向移动，无法作轴向转动。上述方案中，所述冲击板与板件之间的距离在0.3mm～0.9mm。上述方案中，所述金属丝的直径为0.1mm～1mm；所述金属丝待焊接部分的长度为1mm～4mm，且弯曲成倒V形，与待焊接的板件间形成的冲击焊接角度为β,β的范围在6°～25°。上述方案中，所述的约束层为2mm～4mm厚的透明亚力克板，所述吸收层为黑漆，厚度0.05mm～0.2mm；所述冲击板为金属板，厚度为0.2mm～0.5mm，直径为2mm～5mm；所述防护涂层为水玻璃，厚度为0.1mm～0.2mm。一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接方法，包括以下步骤：S1、用砂纸打磨去除金属丝和板件焊接区域的氧化层和杂质，用酒精洗净晾干；S2、将金属丝焊接区域弯曲成倒V形，且保证金属丝与待焊接板件间形成的冲击角度β在6°～25°范围内；S3、制备约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件，将吸收层黑漆涂敷在约束层下表面，厚度在0.05mm～0.2mm；将冲击板紧密黏贴在吸收层下表面，其厚度在0.2mm～0.5mm，直径为2mm～5mm；将防护涂层水玻璃涂敷在冲击板下表面，厚度在0.1mm～0.2mm；S4、将板件放置到工作台上的凹槽内，用压块压紧；将金属丝固定到金属丝夹持装置上；将制备好的约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件连接到约束层支架上；通过计算机控制约束层位置调节装置调节冲击板与板件间的距离；通过三坐标移动平台控制器调节三坐标移动平台的位置，使由脉冲激光器输出的激光束经过反射镜和聚焦透镜聚焦在吸收层上；通过聚焦透镜位置调装置调节聚焦透镜与吸收层的距离，来调节光斑直径；S5、计算机精确控制的单脉冲激光束作用吸收层，产生爆炸等离子体，等离子体驱动冲击板高速运动，飞行一段距离后带动金属丝与板件发生高速斜碰撞，在碰撞界面产生高温高压，实现金属丝与板件的单次冲击焊接；S6、重复步骤S4和S5，可以实现金属丝和板件的批量焊接。上述方案中，所述的脉冲激光器为短脉冲激光器，脉宽为8ns～10ns，激光能量为5J～20J，激光光斑直径控制为2mm～6mm。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术可以实现金属丝与板件的固态焊接，且焊接后不存在热影响区，没有金属间化合物的生成，焊接质量高，可以提高焊接接头的力学性能；2.本专利技术利用的激光冲击焊接是高速冲击焊接的一种具有速度快，效率高的优点。焊接装置简单，费用低。可以实现微器件制造过程中金属丝和板的低成本批量化焊接。附图说明图1是本专利技术一实施方式的激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置结构示意图；图2是本专利技术一实施方式的约束层、吸收层、冲击板、防护涂层组件结构示意图；图3是本专利技术一实施方式的金属丝夹持装置结构示意图；图4是本专利技术一实施方式的金属丝和板的搭接示意图。图中，1、L型底座；2、三坐标移动平台；3、工作台；4、金属丝夹持装置；5、约束层位置调节装置；6、约束层支架；7、位移传感器；8、约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件；9、聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置，其特征在于，包括激光发生系统、焊接系统和控制系统；所述激光发生系统包括脉冲激光器(14)、反射镜(12)、聚焦透镜(11)、聚焦透镜支架(10)和聚焦透镜位置调节装置(9)；所述脉冲激光器控制器(15)分别与计算机(16)和脉冲激光器(14)电连接，所述聚焦透镜(11)通过聚焦透镜支架(10)连接聚焦透镜位置调节装置(9)，聚焦透镜位置调节装置(9)安装在L型底座(1)侧板上；所述反射镜(12)位于聚焦透镜(11)的上方，所述脉冲激光器(14)发出激光束(13)经过反射镜(12)和聚焦透镜(11)聚焦在吸收层(30)上；所述焊接系统包括约束层‑吸收层‑冲击板‑防护涂层组件(8)、约束层支架(6)、约束层位置调节装置(5)、压块(19)、板件(20)、金属丝(21)、金属丝夹持装置(4)、工作台(3)、三坐标移动平台(2)和L型底座(1)；所述约束层‑吸收层‑冲击板‑防护涂层组件(8)通过约束层支架(6)与约束层位置调节装置(5)相连接，约束层位置调节装置(5)安装在L型底座(1)的侧板上；所述三坐标移动平台(2)安装在L型底座(1)的底板上，所述工作台(3)固定在三坐标移动平台(2)上表面；所述板件(20)安装在工作台(3)上的凹槽内、且通过压块(19)压紧；所述金属丝(21)由金属丝夹持装置(4)固定，并与板件(20)搭接；所述金属丝夹持装置(4)安装在工作台(3)上表面；所述控制系统包括计算机(16)、脉冲激光器控制器(15)、三坐标移动平台控制器(17)、位移传感器(7)和约束层位置控制器(18)；所述脉冲激光器控制器(15)、三坐标移动平台控制器(17)和约束层位置控制器(18)分别与计算机(16)电连接，所述位置传感器(7)安装在约束层支架(6)上并与约束层位置控制器(18)电连接，所述位置传感器(7)测量冲击板(31)与板件(20)间的距离并反馈给约束层位置控制器(18)，计算机(16)通过约束层位置控制器(18)调节冲击板(31)与板件(20)间的距离，通过脉冲激光器控制器(15)控制脉冲激光器(14)发射激光，通过三坐标移动平台控制器(17)调节调节三坐标移动平台(2)的位置。...

【技术特征摘要】
1.一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置，其特征在于，包括激光发生系统、焊接系统和控制系统；所述激光发生系统包括脉冲激光器(14)、反射镜(12)、聚焦透镜(11)、聚焦透镜支架(10)和聚焦透镜位置调节装置(9)；所述脉冲激光器控制器(15)分别与计算机(16)和脉冲激光器(14)电连接，所述聚焦透镜(11)通过聚焦透镜支架(10)连接聚焦透镜位置调节装置(9)，聚焦透镜位置调节装置(9)安装在L型底座(1)侧板上；所述反射镜(12)位于聚焦透镜(11)的上方，所述脉冲激光器(14)发出激光束(13)经过反射镜(12)和聚焦透镜(11)聚焦在吸收层(30)上；所述焊接系统包括约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件(8)、约束层支架(6)、约束层位置调节装置(5)、压块(19)、板件(20)、金属丝(21)、金属丝夹持装置(4)、工作台(3)、三坐标移动平台(2)和L型底座(1)；所述约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件(8)通过约束层支架(6)与约束层位置调节装置(5)相连接，约束层位置调节装置(5)安装在L型底座(1)的侧板上；所述三坐标移动平台(2)安装在L型底座(1)的底板上，所述工作台(3)固定在三坐标移动平台(2)上表面；所述板件(20)安装在工作台(3)上的凹槽内、且通过压块(19)压紧；所述金属丝(21)由金属丝夹持装置(4)固定，并与板件(20)搭接；所述金属丝夹持装置(4)安装在工作台(3)上表面；所述控制系统包括计算机(16)、脉冲激光器控制器(15)、三坐标移动平台控制器(17)、位移传感器(7)和约束层位置控制器(18)；所述脉冲激光器控制器(15)、三坐标移动平台控制器(17)和约束层位置控制器(18)分别与计算机(16)电连接，所述位置传感器(7)安装在约束层支架(6)上并与约束层位置控制器(18)电连接，所述位置传感器(7)测量冲击板(31)与板件(20)间的距离并反馈给约束层位置控制器(18)，计算机(16)通过约束层位置控制器(18)调节冲击板(31)与板件(20)间的距离，通过脉冲激光器控制器(15)控制脉冲激光器(14)发射激光，通过三坐标移动平台控制器(17)调节调节三坐标移动平台(2)的位置。2.根据权利要求1所述的一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置，其特征在于，所述约束层-吸收层-冲击板-防护涂层组件(8)包括约束层(29)、吸收层(30)、冲击板(31)和防护涂层(32)；所述吸收层(30)涂敷在约束层(29)下表面，冲击板(31)与吸收层(30)贴合，防护涂层(32)涂敷在冲击板(31)下表面。3.根据权利要求1所述的一种激光冲击加载下金属丝和板的焊接装置，其特征在于，所述金属丝夹持装置(4)包括外壳(22)、弹性夹头(23)、弹簧(24)、导向键(25)、推杆(26)、固定板(27)和端盖(28)；所述外壳(22)的前端开口，所述弹性夹头(23)的一端与推杆(26)的一端连接、且安装在外壳(22)内，推杆(26)的另一端伸出外壳(22)的后端；所述弹簧(24)安装在弹性夹头(23)和推杆(26)之间；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘会霞，高帅，马友娟，王霄，李聪，李立银，孙先庆，沙朝飞，沈宗宝，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32