專利名稱：超薄板材脈沖激光微鉚接方法及其專用裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，具體是涉及一種超薄板材脈沖激光微鉚接方法及實(shí)現(xiàn)該方 法的專用裝置。
背景技術(shù)：
板材的連接方法很多，包括焊接與鉚接等。通常的鉚接方法是用鉚釘進(jìn)行的機(jī)械鉚接， 該方法連接牢固，但難以保證密封性。用點(diǎn)焊機(jī)將板材連接在一起的鉚接方法常稱為鉚焊， 該方法能夠保證連接部位的密封性，但用于不同材料之間的連接時(shí)有其局限性，有時(shí)兩種 材料很難點(diǎn)焊在一起，同時(shí)，由于點(diǎn)焊時(shí)有熱影響區(qū)，使該方法難以用于微制造和微電子 封裝等領(lǐng)域。中國專利文件CN1385623公開了 "無鉚釘金屬鉚接方法"(申請?zhí)?2132407. 7)，在一 塊板上沖出板孔，另一塊板上沖壓出凸起，然后將凸起與板孔重合在一起，并在壓力機(jī)上 鐓平，從而將兩塊板鉚接在一起。該方法能夠克服有鉚釘鉚接關(guān)于密封性的弱點(diǎn)，但由于 將鉚接過程分成了幾個(gè)工序，所以效率較低；另外，如果用于超薄板材的微鉚接，沖孔和 沖凸起所用的微沖頭的制造非常復(fù)雜，在壓力機(jī)上也很難完成其工藝過程。中國專利文件 CN101020276公開了 "基于大光斑單次激光沖擊的薄板半模精密成形方法"(申請?zhí)?200610161353.5)，利用脈沖激光沖擊工件表面的柔性貼膜，使其氣化電離并形成沖擊波 而壓向工件，該沖擊波壓力大于材料的塑性變形抗力，加上成形半模的作用，最終得到與 半模形狀一致的成形試樣。該專利提供了一種塑性成形方法，但不能直接用于板材之間的 連接過程。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種無鉚釘、無模具、簡單、快捷、能夠保證板材 的密封性要求，并可用于常規(guī)難變形材料的超薄板材脈沖激光微鉚接方法及實(shí)現(xiàn)該方法的 裝置。本發(fā)明的超薄板材脈沖激光微鉚接方法，是一種將激光作用于板材形成柔性凸模，將 兩層或多層板材鉚接在一起的方法。優(yōu)選的方案是，在約束層的作用下，將激光作用于板 材表面覆蓋的能量吸收層產(chǎn)生等離子爆轟波，等離子爆轟波作為柔性凸模進(jìn)而作用于板 材，將兩層或多層板材鉚接在一起的方法。一種更為優(yōu)選的方案是，將激光發(fā)生器2發(fā)出的激光束3作用于板材6表面覆蓋的能量吸收層5產(chǎn)生等離子爆轟波，在約束層4的作用下，等離子爆轟波作為柔性凸模進(jìn)而作 用于板材6，在剛性墊板8的作用下，所述柔性凸模使板材6與板材7鉚接在一起。優(yōu)選的是板材7上預(yù)先設(shè)有小孔。板材厚度小于0. lmm。能量吸收層為漆、石墨、金 屬涂層或金屬鍍膜等。所述約束層對任何波長的激光接近透明，優(yōu)選為水或玻璃。實(shí)現(xiàn)超薄板材脈沖激光微鉚接方法的專用裝置，由激光發(fā)生器系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、 工作臺系統(tǒng)構(gòu)成。所述激光發(fā)生器系統(tǒng)包括激光發(fā)生器控制系統(tǒng)1和激光發(fā)生器2，所述 工裝夾具系統(tǒng)包括約束層4、能量吸收層5和剛性墊板8，所述工作臺系統(tǒng)包括沿X和Y 方向移動(dòng)的工作臺9和工作臺控制裝置10。由前面的描述可以看出，該超薄板材脈沖激光微鉚接方法的特征在于由激光發(fā)生器發(fā) 出的激光束作用于板材表面覆蓋的能量吸收層，吸收層電離氣化并形成等離子體，等離子 體進(jìn)一步吸收激光能量而爆炸，爆炸導(dǎo)致的沖擊波作用于板材，從而使板材產(chǎn)生塑性凸起。 在該板材背面的另一塊板材上，可預(yù)先沖制或用激光切上小孔。第一塊板上因激光沖擊而 產(chǎn)生的凸起穿過第二塊板上的小孔，撞擊到第二塊板材底部的墊板上，使該凸起進(jìn)一步產(chǎn) 生鉚鐓變形，從而將第一塊板材與第二塊板材鉚接在一起。由于第一塊板材僅僅產(chǎn)生塑起 凸起，并未穿孔，所以具有很好的密封性。該方法的重要技術(shù)特征在于，由激光發(fā)生器2發(fā)出的激光束3作用于板材6表面覆蓋 的能量吸收層5，能量吸收層電離氣化并形成等離子體，等離子體進(jìn)一步吸收激光能量而 爆炸，在約束層4的作用下，爆炸導(dǎo)致的沖擊波作用于板材6，板材6背面的板材7上有 小孔，沖擊波壓力使板材6生成小鼓包，該鼓包穿過板材7上的小孔。在離板材7約2 3 個(gè)板材6厚度的位置放置墊板8，鼓包在進(jìn)一步變形過程中受到墊板8的阻礙作用成為鉚 釘形，從將板材6和板材7鉚合在一起。作為該鉚接方法的一種擴(kuò)展，第二塊板也可不預(yù)先加工上小孔。這樣，在激光沖擊過 程中，兩層板一起產(chǎn)生塑性凸起，撞擊墊板后一起產(chǎn)生鉚鐓變形。通常，該鉚接方法的連 接強(qiáng)度稍差。通過改變激光能量、脈沖寬度、脈沖次數(shù)、光斑直徑等參數(shù)，來調(diào)整沖擊壓力和成形 半徑的大小，便可方便地獲得不同尺寸規(guī)格的鉚接部位。通過這種方法，可以加工鋼、鋁、銅等金屬材料，也可加工硅、塑料等非金屬材料。 其特別適合于微器件制造，如微開關(guān)的金屬觸點(diǎn)的鉚接、形成接觸區(qū)的微電子封裝等領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于(1) 不用鉚釘，能夠保證板材的密封性能，外形美觀；(2) 由于激光束誘發(fā)的等離體作為柔性沖頭，所以調(diào)整激光參數(shù)，便可適用于不同 材料、不同尺寸的板材之間的鉚接，加工柔性大；(3) 鉚接過程是高應(yīng)變率變形過程，可以用于常規(guī)方法難變形材料之間的鉚接；(4) 可用于同種材料之間的鉚接，也可用于不同材料間的鉚接；(5) 工裝夾具系統(tǒng)特別簡單，鉚接速度快，成本低、效率高。


圖1是超薄板材脈沖激光微鉚接裝置示意圖。圖2是板材鉚接過程中工裝夾具部分的剖面示意圖。圖3是板材鉚接完成后工裝夾具部分的剖面示意圖。其中1.激光發(fā)生器控制系統(tǒng)；2.激光發(fā)生器；3.激光束；4.約束層；5.能量吸收 層；6.板材；7.板材；8.剛性墊板；9.工作臺；10.工作臺控制裝置。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明提出的技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和工作情況。圖1為本發(fā)明進(jìn)行超薄板材脈沖激光微鉚接裝置示意圖，包括依次相連的激光發(fā)生器控制系統(tǒng)l、激光發(fā)生器2、由激光發(fā)生器2發(fā)出的激光束3;工裝夾具系統(tǒng)包括約束層4、 能量吸收層5、板材6、板材7、剛性墊板8;工作臺系統(tǒng)包括沿X和Y方向移動(dòng)的工作臺 9，以及工作臺控制裝置IO。激光發(fā)生器2產(chǎn)生脈沖激光束3，激光束3的能量、激光模式、光斑大小、脈沖個(gè)數(shù)、 脈沖寬度由激光發(fā)生器的控制系統(tǒng)1調(diào)節(jié)和控制。圖2是鉚接過程中工裝夾具系統(tǒng)的示意圖，圖中板材6由于受到脈沖激光的沖擊作用， 已在表面形成塑性凸起，并穿過板材7的小孔。板材6的約束層4可以是水或玻璃，其目 的是限制等離子體的發(fā)散并使其產(chǎn)生的沖擊波朝向工件。約束層的組成和厚度取決于激光 的種類、板材的厚度、預(yù)計(jì)使工件變形的能量和壓力、預(yù)計(jì)變形的尺寸。如用玻璃作約束 層時(shí)，沖擊應(yīng)力可達(dá)到16 26GPa，而用水時(shí)，相同激光脈沖所產(chǎn)生的應(yīng)力只達(dá)到1.7 3.5GPa。約束層對于所應(yīng)用的激光是透明的，激光束透過時(shí)無明顯能量損失。能量吸收層5可以是漆、柔性貼膜、也可以是金屬涂層。能量吸收層在激光照射時(shí)會(huì) 電離氣化形成等離子體，等離子體進(jìn)一步吸收激光能量從而轉(zhuǎn)變?yōu)槭构ぜ冃蔚牡入x子體 沖擊波。能量吸收層的組成和厚度取決于激光的種類、板材的厚度、使工件變形的能量和 壓力、預(yù)計(jì)變形的尺寸。例如在銅板上，能量吸收層可能是黑色有機(jī)漆；對于硅基材料， 能量吸收層可以是鋁或銅的涂層或鍍膜，這些膜可以通過噴濺或化學(xué)氣相沉積法覆蓋在工 件上。在中尺度或通常的宏觀變形情況下，黑漆或石墨也可作為能量吸收層。能量吸收層 的成分和厚度影響其氣化形成的等離子體的能量和壓力。例如，20微米厚的銅板變形需要 20-40微米厚的石墨吸收層，但用金屬涂層或金屬鍍膜作吸收層時(shí)，吸收層的厚度只需要 15微米。板材6上覆蓋著能量吸收層5的那一面朝向激光束3，而板材7安全固定在工件另一面。兩層板材緊密貼近，中間沒有間隙。剛性墊板8可采用淬火的鋼板加工而成。墊板8 上的受撞擊面與板材7的間隙，約為2 3個(gè)板材6的厚度。板材6可以是鋁、銅、鋼等金屬材料，也可以是塑料、硅、陶瓷等非金屬材料?？梢?是塑性好的材料，也可是脆性、難成形的材料。工裝夾具系統(tǒng)固定在工作臺9上，工作臺可以在X、 Y方向移動(dòng)，用于調(diào)整模具與激 光束3的相對位置。工作臺9的移動(dòng)由控制裝置10來控制。圖3是鉚接完成后工裝夾具系統(tǒng)的示意圖，圖中板材6的塑性凸起由于受到墊板8的 約束與阻礙，己成為鉚釘形。這種鉚鐓作用使板材6與板材7緊密地連接在一起。激光束 3通過一個(gè)或多個(gè)脈沖作用于板材6,雖然板材6下方并沒有型腔模具，但由于圓形光斑 作用于吸收層時(shí)所產(chǎn)生的等離子體爆轟波是呈軸對稱形狀并向各個(gè)方向擴(kuò)散的，所以，在 板材6上所生成的塑性凸起以及鉚鐓后的形狀都呈軸對稱狀。超薄板材脈沖激光微鉚接方法的步驟包括開始一選擇板材一將能量吸收層覆蓋在第 一塊板材上一第二塊板材切孔(可選)一將第一塊板材與第二塊板材緊密貼合在一起，保 證相對位置，并固定在墊板上一在能量吸收層上覆蓋約束層一將一個(gè)或多個(gè)激光脈沖作用 于第一塊板材一移去工件一清理工件一結(jié)束。
權(quán)利要求
1、超薄板材脈沖激光微鉚接方法，其特征在于，它是一種將激光作用于板材形成柔性凸模，將兩層或多層板材鉚接在一起的方法。
2、 權(quán)利要求1所述超薄板材脈沖激光微鉚接方法，其特征在于，它是一種在約束層 的作用下，將激光作用于板材表面覆蓋的能量吸收層產(chǎn)生等離子爆轟波，等離子爆轟波作 為柔性凸模進(jìn)而作用于板材，將兩層或多層板材鉚接在一起的方法。
3、 權(quán)利要求1所述超薄板材脈沖激光微鉚接方法，其特征在于，它是一種將激光發(fā) 生器(2)發(fā)出的激光束(3)作用于板材(6)表面覆蓋的能量吸收層(5)產(chǎn)生等離子爆 轟波，在約束層(4)的作用下，等離子爆轟波作為柔性凸模進(jìn)而作用于板材(6)，在剛 性墊板(8)的作用下，所述柔性凸模使板材(6)與板材(7)鉚接在一起的方法。
4、 權(quán)利要求3所述超薄板材脈沖激光微鉚接方法，其特征在于，所述板材(7)上有 小孔。
5、 權(quán)利要求1-4任一所述超薄板材脈沖激光微鉚接方法，其特征在于，所述板材厚 度小于0. lmm。
6、 權(quán)利要求2或3所述超薄板材脈沖激光微鉚接方法，其特征在于，所述能量吸收 層為漆、石墨、金屬涂層或金屬鍍膜。
7、 權(quán)利要求2或3所述超薄板材脈沖激光微鉚接方法，其特征在于，所述約束層對 任何波長的激光接近透明。
8、 權(quán)利要求2或3所述超薄板材脈沖激光微鉚接方法，其特征在于，所述約束層為 水或玻璃。
9、 實(shí)現(xiàn)超薄板材脈沖激光微鉚接方法的專用裝置，其特征在于，該裝置由激光發(fā)生 器系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)構(gòu)成。
10、 權(quán)利要求9所述實(shí)現(xiàn)超薄板材脈沖激光微鉚接方法的專用裝置，其特征在于，所 述激光發(fā)生器系統(tǒng)包括激光發(fā)生器控制系統(tǒng)(1)和激光發(fā)生器(2)，所述工裝夾具系統(tǒng) 包括約束層(4)、能量吸收層(5)和剛性墊板(8)，所述工作臺系統(tǒng)包括沿X和Y方向 移動(dòng)的工作臺(9)和工作臺控制裝置(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超薄板材脈沖激光微鉚接方法及實(shí)現(xiàn)該方法的專用裝置。該方法是一種將激光作用于板材形成柔性凸模，將兩層或多層板材鉚接在一起的方法。優(yōu)選的方案是，在約束層的作用下，將激光作用于板材表面覆蓋的能量吸收層產(chǎn)生等離子爆轟波，等離子爆轟波作為柔性凸模進(jìn)而作用于板材，將兩層或多層板材鉚接在一起的方法。實(shí)現(xiàn)超薄板材脈沖激光微鉚接方法的專用裝置，由激光發(fā)生器系統(tǒng)、工裝夾具系統(tǒng)、工作臺系統(tǒng)構(gòu)成。通過這種方法，可以加工鋼、鋁、銅等金屬材料，也可加工硅、塑料等非金屬材料。其特別適合于微器件制造，如微開關(guān)的金屬觸點(diǎn)的鉚接、形成接觸區(qū)的微電子封裝等領(lǐng)域。
文檔編號B23K26/18GK101214580SQ200810014018
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月21日
發(fā)明者韌 劉, 忠 季, 宿慶財(cái), 張明浩, 王佃剛 申請人:山東大學(xué)