合在一起。由此形成上層板3與下層板4的同步鉚合與焊合。
[0025]實(shí)施步驟包括:開(kāi)始一選擇板材一將能量吸收層涂覆在上層板上(可選)一第二塊板材預(yù)成形(可選)一將上層板與下層板緊密貼合在一起，保證相對(duì)位置，并放置在凹模上一保證下層板的預(yù)成形與凹模孔對(duì)中，并與激光束對(duì)中一在上層板或能量吸收層上覆蓋約束層(可選，可選用K9玻璃)一將一個(gè)或多個(gè)激光脈沖垂直輻照上層板一移去工件一清理工件一結(jié)束。
[0026]圖1為本發(fā)明進(jìn)行超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合裝置示意圖，包括脈沖激光束
1、脈沖激光束I作用于上層板3或上層板3表面涂覆的能量吸收層而產(chǎn)生的爆炸等離子體
2、與上層板重疊在一起的下層板4、支撐上層板3與下層板4的凹模5、位于凹模5孔中心的底模6。其中圖1(a)表示平板與平板的同步鉚合與焊合，圖1(b)表示平板與預(yù)成形板的同步鉚合與焊合，并采用了層疊式底模。
[0027]圖2是超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合過(guò)程中的某一瞬時(shí)示意圖。爆炸等離子體2沖擊上層板3，上層板3隨即沖擊下層板4，上層板3與下層板4，在凹模5的作用下，共同進(jìn)行塑性變形。由于上層板3與下層板4的變形量差異，或材料屈服應(yīng)力、彈性模量、泊松比等性能差異，上層板3與下層板4在接觸界面處必然產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)和塑性剪切變形，并導(dǎo)致局部溫升。由于爆炸等離子體所形成的沖擊波壓力，上層板3壓迫下層板產(chǎn)生塑性變形，上層板3與下層板4在接觸界面必然存在壓應(yīng)力。上層板3與下層板4逐漸具備壓應(yīng)力、剪應(yīng)變、局部溫度升高等冶金結(jié)合條件。
[0028]圖3是完成超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合過(guò)程示意圖。其中上層板3與下層板4在爆炸等離子體2的作用下，產(chǎn)生高應(yīng)變率塑性流動(dòng)耦合，共同成形為鉚扣形狀，形成機(jī)械互鎖，并且在壓應(yīng)力、劇烈塑性變形以及高速剪應(yīng)變所導(dǎo)致的溫升的共同作用下，在局部界面產(chǎn)生熔化和原子擴(kuò)散，導(dǎo)致冶金結(jié)合從而焊合在一起。
[0029]上層板3表面涂覆的能量吸收層可以是黑漆、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)一步吸收激光能量而爆炸，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。銅板和鋁板上，能量吸收層優(yōu)選黑色有機(jī)漆；對(duì)于非金屬材料，能量吸收層可以是鋁或銅的涂層或鍍膜，這些膜可以通過(guò)噴濺或化學(xué)氣相沉積法覆蓋在工件上。上層板3上覆蓋著能量吸收層的那一面朝向脈沖激光束
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[0030]上層板3和下層板4可以是鋼、鋁、銅等同種或異種金屬材料，也可以是塑料等非金屬材料，也可以將兩層以上的板材連接在一起。
[0031]在激光沖擊時(shí)，也可以在上層板3上覆蓋一層K9玻璃，作為等離體子爆炸時(shí)的約束層，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，從而達(dá)到更好的變形效果。
[0032]圖3中，上層板3與下層板4在底模6的約束下，共同變形為鉚扣形。鉚扣的形狀特征在于口小底大，即頸部直徑小于底部直徑，傳統(tǒng)沖壓技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)。其塑性成形的力學(xué)原理基于脈沖激光束I誘發(fā)的爆炸等離子體2的球形爆炸。在沖擊波的作用下，上層板3與下層板4首先產(chǎn)生局部脹形，然后高速撞擊底模6并產(chǎn)生屈曲，上層板3的上表面隨即演變?yōu)榍惑w的內(nèi)表面，而爆炸等離子體2形成的沖擊波壓力仍然作用于腔體內(nèi)表面的法向，并使腔體沿橫向持續(xù)變形，從而形成鉚扣形狀。
[0033]為了防止板材撞擊底模6后因?yàn)閺棌?fù)而造成脫層現(xiàn)象，底模6可設(shè)計(jì)為由多層板構(gòu)成的層疊式，以改變能量耗散模式。發(fā)生撞擊時(shí)，壓力波反射轉(zhuǎn)變?yōu)槔觳ǖ倪^(guò)程中，會(huì)遇到層疊式底模的多個(gè)界面，從而在反射過(guò)程中被多次削弱，從而解決因彈復(fù)造成板間脫開(kāi)的問(wèn)題。
[0034]為了能夠產(chǎn)生爆炸等離子體沖擊效應(yīng)，所述的脈沖激光束I的單脈沖能量密度應(yīng)不小于lGW/cm2。為了能夠使上下兩層板在脈沖激光的作用下共同塑性成形為鉚扣形狀，超薄板材厚度一般應(yīng)小于0.2mm，光斑直徑不小于各板材厚度之和。合適的工藝規(guī)律是，小能量、多脈沖的激光工藝參數(shù)組合，易于成形鉚扣；高能量激光，則利于形成焊合。
[0035]為了便于板材的脹形，底模6與凹模5的模孔要形成足量的空間。底模6與凹模5的?？组g的單邊間隙不小于下層板的厚度，底模上表面與凹模上表面的間距不小于板材厚度之和的2倍，這樣易于底模和凹模之間的材料流動(dòng)，使上板與下板局部塑性成形為鉚扣形，并產(chǎn)生機(jī)械互鎖效應(yīng)。
[0036]按本發(fā)明方法實(shí)施后，鉚扣處產(chǎn)生的機(jī)械互鎖來(lái)自兩方面，一是上層板3和下層板4的厚向應(yīng)變產(chǎn)生的相互嵌入，二是上層板3和下層板4因橫向變形產(chǎn)生的相互嵌入。而橫向變形是常規(guī)的機(jī)械凸模難以實(shí)現(xiàn)的，這也是本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)之一。爆炸等離子體導(dǎo)致的高速撞擊，其應(yīng)變率可以達(dá)到10_7，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，這也是常規(guī)機(jī)械方法難以實(shí)現(xiàn)的。
[0037]本發(fā)明同步實(shí)現(xiàn)了上層板3與下層板4的鉚合和焊合，這種機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合復(fù)合作用的特點(diǎn)，使本發(fā)明所形成的接頭具有較高的連接強(qiáng)度和耐疲勞性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法，其特征是，將上下兩層板材疊放，置于帶模孔的凹模上，凹模內(nèi)設(shè)有底模，在上層板上表面涂覆或不涂能量吸收層，用脈沖激光束作用于上層板或上層板表面涂覆的能量吸收層，形成爆炸等離子體，上層板隨之撞擊下層板，上層板與下層板產(chǎn)生高應(yīng)變率塑性流動(dòng)耦合，在底模的約束下，上層板與下層板共同塑性成形為鉚扣形狀，由此產(chǎn)生機(jī)械互鎖而鉚合，在上層板和下層板塑性變形過(guò)程中，它們的接觸界面存在壓應(yīng)力，并產(chǎn)生高速滑動(dòng)和剪切變形，界面因此產(chǎn)生熔化和原子擴(kuò)散，在共同撞擊底模時(shí)，使上層板與下層板焊合在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法，其特征是，所述的下層板為預(yù)成形的非平板板材，使上下兩層板材疊放后中間形成一定間隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法，其特征是，所述的能量吸收層為黑漆、柔性貼膜、或金屬涂層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法，其特征是，所述的超薄板材厚度小于0.2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法，其特征是，所述的脈沖激光的單脈沖能量密度不小于lGW/cm2，光斑直徑不小于各板材厚度之和。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法，其特征是，所述的板材為同種或異種金屬材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法，其特征是，所述的上層板上面有約束層。
8.實(shí)現(xiàn)超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合的裝置，其特征是，包括帶模孔的凹模和置于凹模?？字械牡啄＃啄Ｅc凹?？组g存在足夠間隙，底模與凹模?？组g的單邊間隙不小于下層板的厚度，底模上表面與凹模上表面的間距不小于板材厚度之和的2倍，凹模?？字睆讲恍∮诎宀暮穸戎偷?倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的實(shí)現(xiàn)超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合的裝置，其特征是，所述的底模做成多層材料的層疊式。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超薄板材脈沖激光同步鉚合焊合方法及裝置，將上層板和下層板疊放，置于帶?？椎陌寄Ｉ希寄?nèi)設(shè)有底模，用脈沖激光束作用于上層板或上層板表面涂覆的能量吸收層，形成爆炸等離子體，上層板隨之撞擊下層板，上層板與下層板產(chǎn)生高應(yīng)變率塑性流動(dòng)耦合，在底模的約束下，上層板與下層板共同塑性成形為鉚扣形狀，由此產(chǎn)生機(jī)械互鎖而鉚合。在塑性變形過(guò)程中，上層板與下層板的接觸界面上存在壓應(yīng)力，并產(chǎn)生高速滑動(dòng)和剪切變形，界面因此產(chǎn)生熔化和原子擴(kuò)散，并在共同撞擊底模時(shí)，使上層板與下層板焊合在一起。本發(fā)明同步實(shí)現(xiàn)了上層板與下層板的鉚合和焊合，這種機(jī)械結(jié)合和冶金結(jié)合復(fù)合作用的特點(diǎn)，使本發(fā)明所形成的接頭具有較高的連接強(qiáng)度和耐疲勞性。
【IPC分類】B21D37-10, B21D39-02, B23K26-21
【公開(kāi)號(hào)】CN104816091
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510119083
【發(fā)明人】季忠, 劉韌, 鄭超, 郭峰, 朱云虎, 傅杰
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年3月18日