[發明專利]一種利用激光沖擊波焊接金屬的裝置及方法

有效

• 申請號: 202110284876.3
• 申請日: 2021-03-17
• 公開（公告）號: CN112935547B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 王吉;張文武
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: B23K26/21
• 分類號: B23K26/21;B23K26/0622;B23K26/02;B23K26/146;B23K26/046
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 張瑩

本發明公開了一種利用激光沖擊波焊接金屬的裝置及方法，屬于激光沖擊焊接技術領域，能夠解決現有冷焊接技術中可焊接材料種類較少、形狀單一、可控性差，只能焊接薄形或微型材料的問題。所述裝置包括：激光輸出單元、沖擊焊接頭和焊接槽；沖擊焊接頭設置在激光輸出單元的輸出光路上；焊接槽設置在沖擊焊接頭的正下方，其內設置有定位結構，定位結構用于限定兩個待焊接工件的位置；焊接槽的外側壁上連接有噴頭，噴頭用于向待焊接工件噴射水流，以使水流覆蓋待焊接工件上的沖擊焊接材料；沖擊焊接頭用于將脈沖激光束會聚后形成會聚光斑，并利用會聚光斑照射待焊接工件上的沖擊焊接材料，以使兩個待焊接工件焊接。本發明用于工件冷焊接。

技術領域

本發明涉及一種利用激光沖擊波焊接金屬的裝置及方法，屬于激光沖擊焊接技術領域。

背景技術

常見的焊接技術可分為熱焊接和冷焊接。傳統焊接皆為熱焊接，存在加熱熔融焊接材料過程，會脆弱金屬特性。與傳統焊接不同，冷焊接不存在加熱過程，大致有電磁沖擊焊接(Magnetic pulse welding-MPW)、爆炸沖擊焊接(Explosive welding-EW)、超聲波焊接(Ultrasonic welding-UW)。電磁沖擊和爆炸沖擊的焊接機理相似，分別是利用強大的洛侖磁力和爆炸沖擊力，發生過程為幾十微秒，使工件A獲得超高速度、極大的動能撞擊工件B，兩個待焊金屬材料的接觸表面間會產生界面波和射流的綜合作用，表層在很高的壓力波作用下可看做瞬間液體，原子在原子距離內相遇，從而在界面上形成冶金結合。超聲波焊接通過超聲波發生器把低頻電流轉換成高頻電流，再轉換為同頻的機械振動，焊接頭把高頻振動動能施加到兩個需焊接的物體表面，使兩個物體表面相互摩擦產生塑性變形，使焊接物體分子相互擴散再結晶，實現焊接。

以上三種是目前主要的冷焊接技術，然而它們均存在各自的技術缺陷。第一，電磁沖擊不能用于無導電性或者導電性很弱的材料的焊接；第二，電磁沖擊所需能量大，不得小于幾十千焦耳，對于脈沖儲能電容器和線圈的要求極高，產業化應用還有待研究；第三，明顯的爆炸沖擊焊接技術在對于爆炸的方向、力度可控性上較差，焊接應力變形得不到有效地控制；第四，超聲波焊接技術屬于接觸式的一種，只能焊接薄的金屬件。

發明內容

本發明提供了一種利用激光沖擊波焊接金屬的裝置及方法，能夠解決現有冷焊接技術中可焊接材料種類較少、形狀單一、可控性差，只能焊接薄形或微型材料的問題。

一方面，本發明提供了一種利用激光沖擊波焊接金屬的裝置，所述裝置包括：激光輸出單元、沖擊焊接頭和焊接槽；所述激光輸出單元用于輸出脈沖激光束；所述沖擊焊接頭設置在所述激光輸出單元的輸出光路上；所述焊接槽設置在所述沖擊焊接頭的正下方，其內設置有定位結構，所述定位結構用于限定兩個待焊接工件的位置；所述焊接槽的外側壁上連接有噴頭，所述噴頭用于向所述待焊接工件噴射水流，以使所述水流覆蓋所述待焊接工件上的沖擊焊接材料；所述沖擊焊接頭用于將所述脈沖激光束會聚后形成會聚光斑，并利用所述會聚光斑照射所述待焊接工件上的沖擊焊接材料，以使兩個所述待焊接工件焊接。

可選的，所述裝置還包括三維運動臺，所述焊接槽設置在所述三維運動臺上，所述三維運動臺用于帶動所述焊接槽在三維空間上運動。

可選的，當兩個所述待焊接工件進行上下堆疊焊時，兩個所述待焊接工件分別記為基板和覆板；所述覆板上涂覆有所述沖擊焊接材料；所述定位結構包括基臺、設置在所述基臺上的兩個固定夾板；兩個所述固定夾板用于將所述基板固定在所述基臺上；所述定位結構還包括兩個定位板，所述覆板位于兩個所述定位板之間，兩個所述定位板遠離所述覆板的一側均設置有電動伸縮桿；所述電動伸縮桿用于帶動兩個所述定位板向相互靠近或遠離的方向運動；所述定位板用于夾持所述覆板，以使所述覆板平行于所述基板、并與所述基板之間存在預設距離。

可選的，所述定位結構還包括設置在所述定位板和所述電動伸縮桿之間的連桿；所述連桿的一端與所述定位板固定，另一端與所述電動伸縮桿固定；所述電動伸縮桿用于通過所述連桿帶動所述定位板移動。