本發(fā)明涉及高速沖擊焊接領(lǐng)域，尤其涉及到一種激光沖擊焊接裝置及其方法。

背景技術(shù)：

激光沖擊焊接是一種相對較新的高速沖擊焊接技術(shù)，其焊接結(jié)合基本原理與爆炸焊接和磁脈沖焊接相同，都是利用兩塊金屬板以適當(dāng)?shù)臎_擊角度高速碰撞，當(dāng)上層板和下層板的碰撞角度和沖擊速度超過臨界值時(shí)，在碰撞界面的強(qiáng)塑性剪切變形和高溫高壓的作用下會發(fā)生固態(tài)冶金結(jié)合。不同之處在于爆炸焊接一般應(yīng)用于尺寸較大的平板焊接，而且存在很大的聲污染和難于實(shí)現(xiàn)自動化的顯著缺陷，制約著爆炸焊接技術(shù)的廣泛應(yīng)用。電磁脈沖焊接能夠?qū)崿F(xiàn)直線型、圓周型的焊接，典型的焊接寬度在毫米到厘米級別,且不足之處是焊接材料必須要具有良好的導(dǎo)電性能，是限制這種焊接技術(shù)發(fā)展最為重要的原因。激光沖擊焊接一般應(yīng)用于尺寸在200微米以下同種或異種金屬箔板的連接，焊接區(qū)域的直徑一般為幾毫米。而且，焊接之后不存在熱影響區(qū)，因此，被焊接材料可以保持甚至高于母材的性能。

公開號為CN 101239418A的專利介紹了一種飛片驅(qū)動式激光微焊接方法及裝置，利用激光誘導(dǎo)沖擊波驅(qū)動飛片，工件在飛片的推動下一基體高速碰撞實(shí)現(xiàn)焊接，用于微器件的焊接。在這種工藝中，工件需要通過粘結(jié)介質(zhì)與面積相同的飛片緊密貼合，如果飛片與工件未緊密貼合，飛片與工件易發(fā)生焊接，從而降低了焊接的可靠性。此外，工件與基體必須保持一定距離，這將給激光沖擊焊接在微器件的焊接中帶來局限性。公開號為US 8084710(B2)的專利Low-temperature laser spot impact welding without contact中提出了一種高速沖擊焊接方法，然而，受制于光斑尺寸，上層板材料的寬度通常要小于等于光斑直徑，這樣便限制了激光沖擊焊接的應(yīng)用范圍。公開號為CN 103722291A的專利介紹了一種真空環(huán)境下沖擊角度連續(xù)可調(diào)的激光沖擊焊接裝置，雖然沖擊角度連續(xù)可調(diào)，但是通過夾具構(gòu)造沖擊角度，使上層板和下層板的裝夾變得繁瑣，極大地影響到焊接的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，可以實(shí)現(xiàn)厚度在微米級別的同種或異種金屬薄板的沖擊焊接，焊接裝置簡單，焊接效率高，接頭表面質(zhì)量高，適用于微器件的高效、可靠連接。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種激光沖擊焊接裝置，包括三坐標(biāo)移動平臺裝置、激光發(fā)生裝置、焊接裝置和控制裝置；

所述三坐標(biāo)移動平臺裝置包括三坐標(biāo)移動平臺和L型底座；所述三坐標(biāo)移動平臺位于L型底座的底板上；所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光聚焦在上層板中的倒梯形上方的黑漆層上；

所述激光發(fā)生裝置包括脈沖激光器、反射鏡、聚焦透鏡、聚焦透鏡固定桿；所述聚焦透鏡與聚焦透鏡固定桿連接，聚焦透鏡固定桿安裝在L型底座的豎直側(cè)板上；所述反射鏡鏡面與脈沖激光器發(fā)出的激光束的角度為45°；所述反射鏡置于聚焦透鏡的上方；

所述脈沖激光器發(fā)出激光束經(jīng)過反射鏡和聚焦透鏡輻照在上層板上的倒梯形臺階上方的黑漆層上；

所述焊接裝置包括工作臺、下層板、上層板、墊板、防護(hù)層、黑漆層、透光板和壓塊；所述三坐標(biāo)移動平臺置于L型底座的水平面上；所述三坐標(biāo)移動平臺上設(shè)置有工作臺；所述工作臺上表面兩端設(shè)置有中心開孔的墊板；所述工作臺上且置于墊板之間放置有下層板；所述下層板上放置有上層板；所述上層板為倒臺階形；所述上層板上設(shè)置有倒臺階形的防護(hù)層；所述防護(hù)層上涂覆黑漆層；所述墊板上端面上放置有透光板；所述透光板上放置有壓塊；

所述控制裝置包括計(jì)算機(jī)、脈沖激光器控制器和三坐標(biāo)移動平臺控制器；所述脈沖激光器控制器一端與脈沖激光器相連接，另一端與計(jì)算機(jī)相連接；所述三坐標(biāo)移動平臺控制器一端與計(jì)算機(jī)連接；另一端與三坐標(biāo)移動平臺相連接。

基于激光沖擊焊接裝置的方法，包括以下步驟：

S1：用砂紙打磨上層板和下層板焊接區(qū)域表面以去除雜質(zhì)和氧化層，用酒精作為清洗劑用超聲波清洗機(jī)將上層板和下層板洗凈，自然晾干，以獲得清潔的表面；

S2：在上層板上加工倒梯形臺階，以便于形成沖擊焊接所需的沖擊角度和沖擊速度；

S3：將防護(hù)層涂覆在步驟S2處理后的上層板中的倒梯形臺階上表面，將黑漆層涂覆在防護(hù)層表面；

S4：依次將下層板、步驟S2和步驟S3中處理后的上層板、墊板、透光板和壓塊安裝到工作臺上；

S5：通過三坐標(biāo)移動平臺控制器調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動平臺位置，使由脈沖激光器輸出的激光經(jīng)過反射鏡和聚焦透鏡輻照在上層板中的倒梯形臺階上方的黑漆層上；通過三坐標(biāo)移動平臺控制器調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動平臺位置，調(diào)節(jié)聚焦透鏡與上層板中的倒梯形臺階上表面的距離，調(diào)節(jié)光斑直徑；控制激光器對上層板中的倒梯形臺階單次沖擊，實(shí)現(xiàn)上層板和下層板的沖擊焊接；

S6：去除黑漆層和防護(hù)層，即可得到焊接件。

進(jìn)一步的，步驟S1中所述的上層板和下層板為厚度在微米級的同種或者異種金屬箔板。

進(jìn)一步的，步驟S2中所述的倒梯形臺階的尺寸和個(gè)數(shù)依據(jù)上層板的尺寸確定，可以滿足不同規(guī)格尺寸的金屬箔板的焊接。

進(jìn)一步的，經(jīng)步驟S4安裝后，除上層板中的倒梯形臺階區(qū)域外，上層板與下層板相互接觸，可以保證沖擊焊接所需的沖擊角度和沖擊速度。

進(jìn)一步的，步驟S3中所述的防護(hù)層為水玻璃，厚度為0.02mm～0.03mm；所述黑漆層的厚度為0.01mm～0.02mm。

進(jìn)一步的，步驟S4中所述的透光板為2mm～4mm厚的透明的亞力克板。

進(jìn)一步的，步驟S5中所述脈沖激光器為能量呈高斯分布的短脈沖激光器，脈寬為8ns～10ns，激光能量控制在2J～10J，光斑直徑控制在3mm～5mm。

本發(fā)明的有益效果：

其一，激光束透過透光板輻照在上層板中的倒梯形臺階上方的黑漆層上，形成高溫高壓等離子體誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波，在透光板約束作用下沖擊波使上層板中的倒梯形臺階局部發(fā)生彎曲變形，并與下層板高速碰撞，在碰撞界面的強(qiáng)塑性剪切變形和高溫高壓的作用發(fā)生固態(tài)冶金結(jié)合，從而形成沖擊焊接所需的沖擊角度和沖擊速度，克服了傳統(tǒng)激光沖擊焊接方法中上層板與下層板之間必須給定一定飛行距離的局限性，解決了上層板尺寸受激光光斑尺寸限制的問題。

其二，可以實(shí)現(xiàn)厚度在微米級別的同種或異種金屬薄板的沖擊焊接，焊接裝置簡單，焊接效率高，接頭表面質(zhì)量高，適用于微器件的高效、可靠連接。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種激光沖擊焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是加工后的上層板的截面示意圖；

圖3是本發(fā)明的工作原理圖。

附圖標(biāo)記說明如下：

1-L型底座，2-三坐標(biāo)移動平臺，3-工作臺，4-下層板，5-上層板，6-墊板，7-防護(hù)層，8-黑漆層，9-透光板，10-壓塊，11-聚焦透鏡固定桿，12-聚焦透鏡，13-反射鏡，14-脈沖激光器，15-脈沖激光器控制器，16-三坐標(biāo)移動平臺控制器，17-計(jì)算機(jī)，18-等離子體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。如圖1所示，一種激光沖擊焊接裝置，包括三坐標(biāo)移動平臺裝置、激光發(fā)生裝置、焊接裝置和控制裝置；

所述三坐標(biāo)移動平臺2位于L型底座1的底板上，所述聚焦透鏡12與聚焦透鏡固定桿11連接，聚焦透鏡固定桿11安裝在L型底座1的側(cè)板上；所述脈沖激光器14發(fā)出激光束經(jīng)過反射鏡13和聚焦透鏡12輻照在上層板5中的倒梯形臺階上方的黑漆層8上。

所述激光發(fā)生裝置包括脈沖激光器14、反射鏡13、聚焦透鏡12、聚焦透鏡固定桿11；所述焊接裝置包括工作臺3、下層板4、上層板5、墊板6、防護(hù)層7、黑漆層8、透光板9和壓塊10；所述三坐標(biāo)移動平臺裝置包括三坐標(biāo)移動平臺2和L型底座1；所述控制裝置包括計(jì)算機(jī)17、脈沖激光器控制器15和三坐標(biāo)移動平臺控制器16。

所述工作臺3固定在三坐標(biāo)移動平臺上表面2；所述下層板4放置在工作臺上表面；所述上層板5放置在下層板4上；所述防護(hù)層7涂覆在上層板5中的倒梯形臺階上表面，黑漆層8涂覆在防護(hù)層7上；所述墊板6放置在工作臺3上表面，墊板6支撐透光板9，透光板9與黑漆層8緊密接觸；所述激光發(fā)生裝置發(fā)出的激光輻照在上層板5中的倒梯形臺階上方的黑漆層8上；所述脈沖激光器控制器15和三坐標(biāo)移動平臺控制器16分別與計(jì)算機(jī)17連接。

一種激光沖擊焊接方法，包括下列步驟：

1)用砂紙打磨上層板5和下層板4焊接區(qū)域表面以去除雜質(zhì)和氧化層，用酒精作為清洗劑用超聲波清洗機(jī)將上層板5和下層板4洗凈，自然晾干，以獲得清潔的表面；

2)在上層板5上加工倒梯形臺階，其截面如圖2所示；

3)將防護(hù)層7涂覆在步驟2處理后的上層板5中的倒梯形臺階上表面，將黑漆層8涂覆在防護(hù)層7表面，所述的防護(hù)層為水玻璃，厚度為0.02mm～0.03mm，所述黑漆層8的厚度為0.01mm～0.02mm；

4)依次將下層板4、步驟2和步驟3中處理后的上層板5、墊板6、透光板9和壓塊10安裝到工作臺上；

5)通過三坐標(biāo)移動平臺控制器16調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動平臺2位置，使由脈沖激光器14輸出的激光經(jīng)過反射鏡13和聚焦透鏡12輻照在上層板5中的倒梯形臺階上方的黑漆層8上；通過三坐標(biāo)移動平臺控制器16調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動平臺2位置，調(diào)節(jié)聚焦透鏡12與上層板5中的倒梯形臺階上表面的距離，調(diào)節(jié)光斑直徑；

控制激光器14對上層板5中的倒梯形臺階單次沖擊，實(shí)現(xiàn)上層板5和下層板4沖擊焊接；所述脈沖激光器14所述脈沖激光器為能量呈高斯分布的短脈沖激光器，脈寬為8ns-10ns，激光能量控制在2J～10J，光斑直徑控制在2mm～5mm。工作原理如圖3所示，激光束透過透光板9輻照在上層板5中的倒梯形臺階上方的黑漆層8上，形成高溫高壓等離子體18誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波，在透光板9約束作用下沖擊波使上層板5中的倒梯形臺階局部發(fā)生彎曲變形，并與下層板4高速碰撞，在碰撞界面的強(qiáng)塑性剪切變形和高溫高壓的作用發(fā)生固態(tài)冶金結(jié)合；上層板5與下層板4焊接結(jié)合區(qū)域?yàn)榄h(huán)形，焊接結(jié)合界面呈周期波紋狀，連接強(qiáng)度高。

6)：焊接完成后，用酒精清洗去除黑漆層8，用溫水去除防護(hù)層7即可得到焊接件。

目前，由銅和鋁組合制作的微器件廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品，醫(yī)療器械，精密儀器等產(chǎn)業(yè)，且需求量日益增加，與之相關(guān)的銅箔和鋁箔焊接工藝的研究也越發(fā)顯得重要。本發(fā)明方法及裝置實(shí)施于T2紫銅箔板和純鋁箔板的激光沖擊焊接，其包括以下步驟：

1)上層板5選擇厚度為50μm的純鋁箔，下層板4選擇厚度為100μm的T2紫銅箔。將上層板5切成20mm x 3mm的樣，將下層板4切成20mm x 10mm的樣，然后依次用粒度為#400、#800、#1500、#2000和#2500的砂紙對上層板5和下層板4的表面進(jìn)行打磨，去除可能存在的氧化層，接著用超聲波清洗機(jī)將上層板5和下層板4的表面洗凈，自然晾干。

2)在上層板5上加工一個(gè)上底長度為2mm，下底長度為4mm，高為0.3mm的倒梯形臺階；

3)用水玻璃作為防護(hù)層7，將其涂覆在步驟2中加工出的倒梯形臺階上表面，厚度為0.02mm-0.03mm，將黑漆層8涂覆在防護(hù)層7表面，厚度為0.01mm-0.02mm；

4)用厚度為3mm的透明亞力克板作為透光板9，用厚度為0.30mm的鋁板作為墊板6，用重力為12N的環(huán)形鐵塊作為壓塊10。依次將下層板4、步驟S2和步驟S3中處理后的上層板5、墊板6、透光板9、壓塊10安裝到工作臺3上；

5)通過三坐標(biāo)移動平臺控制器16調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動平臺2的位置，使由脈沖激光器14輸出的激光經(jīng)過反射鏡13和聚焦透鏡12輻照在上層板5中的倒梯形臺階上方的黑漆層8上；通過三坐標(biāo)移動平臺控制器16調(diào)節(jié)三坐標(biāo)移動平臺2位置，調(diào)節(jié)聚焦透鏡12與上層板5中的倒梯形臺階上表面的距離，調(diào)節(jié)光斑直徑；控制脈沖激光器14對上層板5單次沖擊，激光束透過透光板9輻照在上層板5中的倒梯形臺階上方的黑漆層8上，形成高溫高壓等離子體18誘導(dǎo)產(chǎn)生沖擊波，在透光板9約束作用下沖擊波使上層板5中的倒梯形臺階局部發(fā)生彎曲變形，并與下層板4高速碰撞，在碰撞界面的強(qiáng)塑性剪切變形和高溫高壓的作用發(fā)生固態(tài)冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)上層板5和下層板4沖擊焊接；所述脈沖激光器14所述脈沖激光器為能量呈高斯分布的短脈沖激光器，脈寬為8ns-10ns，激光能量控制在3J-5J，光斑直徑控制在4-5mm。

6)焊接完成后，用酒精清洗去除黑漆層8，用溫水去除防護(hù)層7即可得到鋁-銅焊接件。

本發(fā)明提供一種激光沖擊焊接方法及裝置，克服了傳統(tǒng)激光沖擊焊接方法中上層板與下層板之間必須給定一定飛行距離的局限性，解決了上層板尺寸受激光光斑尺寸限制的問題。此外，焊接裝置簡單，焊接效率高，接頭表面質(zhì)量高，適用于微器件的高效、可靠連接。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。