1.本发明属于激光先进制造技术领域，具体涉及一种脉冲激光冲击的平孔连接方法及其装置与应用。
背景技术：
2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.板材间的静连接方式主要有焊接、铆接、螺纹连接等。
4.以熔焊为代表的传统焊接是将材料通过高温热源作用至熔化状态形成的冶金结合，因而具有较高的连接强度，并可获得较高的导电性。但熔焊区域会形成热影响区，易引起热变形、不均匀夹杂物的形成以及气孔、裂纹等缺陷的产生，使得熔焊接头的抗疲劳性能较低。激光冲击焊接是一种新兴的固态冶金结合技术，它避免了熔焊方法的不利热效应，但接头的抗疲劳性能仍然不能显著改善。
5.板材间的铆接包括有铆钉铆接和无铆钉铆接，二者通常是在常温下进行的，因而属于冷加工。其中，无铆钉铆接仅依靠材料自身塑性变形进行连接，因其不需要铆钉，所以加工速度快，且容易获得平整的接头，近年来获得越来越广泛的应用。与焊接所形成的冶金结合相比，铆接属于机械结合，接头抗疲劳性能好，但剪切强度和剥离强度低，导电性能弱。当无铆钉铆接异种材料时，变形后异种材料的不同回弹量可能导致接头松动，进一步削弱其导电性。
6.铆焊复合连接技术具有铆接的机械结合和焊接的冶金结合优势，在一定程度上解决了纯铆接接头强度低及导电性弱、纯焊接接头抗疲劳性能差等问题，因此在导电板等金属板材连接领域具有较好的应用前景。先焊后铆，焊接过程产生的材料性能变化增加了铆接的困难；先铆后焊，铆接过程占据的空间限制了焊接的位置和角度，从而增加了焊接的困难。因此，采取同步铆焊工艺来获得铆焊复合接头，一直是工业界努力的方向。申请号为201510119083.0的中国专利文件公开了一种超薄板材激光同步铆合焊合方法及装置。该方法将上层板和下层板叠放，并一起置于凹模上，凹模内设有底模，用脉冲激光束作用于上层板或上层板表面涂覆的能量吸收层，形成爆炸等离子体，上层板随之撞击下层板，上层板与下层板产生高应变率塑性流动耦合，在底模的约束下，上层板与下层板共同塑性成形为铆扣形状，由此产生机械互锁而铆合。在塑性变形过程中，上层板与下层板的接触界面上存在压应力，界面因此产生熔化和原子扩散，并在共同撞击底模时，使上层板与下层板焊合在一起。然而，该方法实现的超薄板材铆焊接头主要依靠双层板材的共同塑性变形，因此仅适用于连接很薄的，及厚度差距不大的板材。
7.铆合所需的互锁结构的创建，需要确保两层板材的定向流动配合良好，同时需要两层板材均产生很大的变形量。对于较厚的板材来说，其具有较高的刚度，因此材料的流动性能和填充性能较差，这导致材料定向流动的难度增加，难以产生大的变形量，一般需要采
取额外措施，如增加温度以促进材料流动。同时，如果两层板材厚度差距较大时，较大的厚度差会导致两层板材之间的流动配合较差，容易产生破裂，且连接质量不佳。在变形过程中，连接界面的压应力占主导地位，较大的厚度差还会导致连接时的压力分布不均匀，造成局部应力集中、连接质量下降，增加了连接的脆弱性和失效的风险。
技术实现要素：
8.为了克服上述问题，本发明提供了一种脉冲激光冲击的平孔连接方法及其装置与应用。对于厚度较大，或厚度差别较大的板材，也能够同时实现焊合与铆合，具有接头平整，无凸起、互锁量大、接头强度高、抗疲劳和导电性能好等特点。
9.本发明的第一方面，提供一种脉冲激光冲击的平孔连接方法，所述方法包括：
10.从下至上依次叠层放置：底模、带有沙漏状通孔的下层板材、上层板材、吸收层和约束层，利用工件夹持系统将各叠层夹紧并固定在工作台上；将沙漏状通孔区域置于脉冲激光光斑中心处，在脉冲激光冲击波的压力下，上层板材向下发生高应变率塑性变形，撞击下层板材沙漏状通孔的上斜面，发生高速剪切变形，从而产生冶金焊合效应；随着上层板材的继续变形，当上层板材流入下层板材的沙漏状通孔的空腔中时，与下层板材沙漏状通孔下斜面形成上小底大的互锁结构，从而产生机械铆合效应；完成平孔状、上焊下铆的铆焊复合连接。
11.本发明的第二方面，提供实现上述方法的装置，所述装置包括：从下至上依次叠层放置的底模、带有沙漏状通孔的下层板材、上层板材、吸收层和约束层，并利用工件夹持系统将各叠层夹紧并固定在工作台上；
12.所述装置还包括用于产生脉冲激光的激光器。
13.本发明的第三方面，提供上述方法或者实现上述方法的装置用于同步铆合焊合厚度较大的板材，或厚度差别较大的板材。当上层板材较厚时，在激光冲击力的作用下，上层板材会被挤入下层板材的通孔中，其效果类似于金属成形领域的挤压成形。当下层板材较厚时，可以采取不同大小的通孔，使上层板材顺利流入通孔。当下层板材较薄时，可以采用较小的通孔，否则，则采用较大的通孔。
14.本发明的有益效果为：
15.(1)在下层板材上开设沙漏状通孔，该通孔具有一个上锥度和一个下锥度，使下层板材沙漏状通孔内具有上斜面和下斜面；在激光冲击之前，上层板与上斜面具有一定间隙，该间隙为上层板的激光冲击区域提供了一定的飞行距离，激光冲击时，上层板能够高速撞击下层板的上斜面，并发生高速剪切变形，从而产生冶金焊合效应，随着上层板材的继续变形，材料将进一步流入下层板材的沙漏状通孔的下部，并与下层板材沙漏状通孔的下斜面形成上小底大的互锁结构，从而产生机械铆合效应，从而完成平孔状、上焊下铆的铆焊复合连接。
16.(2)本发明中上层板材在激光冲击下发生塑性变形，变形后的上层板材流入下层板材的沙漏状通孔中，因此材料定向流动良好。同时只有上层板材在激光冲击下发生塑性的形变，不需要考虑两层板材之间的流动配合的问题，所以本技术适用于同步铆合焊合厚度较大的板材，或厚度差别较大的板材。
17.(3)本发明所提供的方法连接区域小，并可用于较厚或厚度差别较大的板材；同
时，铆合焊合接头为平孔状，不存在几何凸起，解决了对连接空间有要求的板材铆焊连接问题。
18.(4)本发明所提供的方法能够实现机械结合和冶金结合，兼具高强度、抗疲劳性能和导电性；本发明中互锁量取决于下层板材的宏观形状而非厚向变形差，因此互锁量较大，保证了接头的高强度。
19.(5)上层板在激光冲击波的力效应而非热效应下发生高应变率塑性成形，而且，上层板与下层板通孔的上斜面产生高速撞击和剪切形成的焊合也只发生在瞬时和板材表层，因此无热影响区问题。
20.(6)本发明所提供的方法能够实现在激光脉冲作用下，同步完成板材铆合焊合的复合连接，工艺简单、加工效率高。
附图说明
21.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
22.图1为本发明中脉冲激光冲击的平孔连接装置示意图；
23.图2为本发明中下层板材沙漏状通孔的示意图；
24.图3为本发明中脉冲激光冲击平孔连接的中间过程示意图；
25.图4为本发明中脉冲激光冲击平孔连接的最终完成示意图；
26.图5为本发明中脉冲激光冲击平孔连接的最终连接件的示意图，a为厚度差别较大的板材最终连接件的示意图，b为厚度较大的板材最终连接件的示意图；
27.其中，1为激光器，2为工件夹持系统，3为约束层，4为吸收层，5为上层板材，6为带有沙漏状通孔下层板材，7为底模，8为工作台。
28.本发明的第一种典型的实施方式，提供一种脉冲激光冲击的平孔连接方法，所述方法包括：
29.从下至上依次叠层放置：底模、带有沙漏状通孔的下层板材、上层板材、吸收层和约束层，利用工件夹持系统将各叠层夹紧并固定在工作台上；将沙漏状通孔区域置于脉冲激光光斑中心处，在脉冲激光冲击波的压力下，上层板材向下发生高应变率塑性变形，撞击下层板材沙漏状通孔的上斜面，发生高速剪切变形，从而产生冶金焊合效应；随着上层板材的继续变形，当上层板材流入下层板材的沙漏状通孔的空腔中时，与下层板材沙漏状通孔下斜面形成上小底大的互锁结构，从而产生机械铆合效应；完成平孔状、上焊下铆的铆焊复合连接。
30.在一种或多种实施方式中，所述底模用于限制上层板材的变形，形成平孔状铆合焊合接头。
31.在一种或多种实施方式中，所述的上层板材为平板板材。
32.在一种或多种实施方式中，所述下层板材沙漏状通孔的上斜面为焊接斜面；所述下层板材沙漏状通孔的下斜面为铆接斜面。
33.在一种或多种实施方式中，所述沙漏状通孔的上斜面与下层板材上表面(水平面)的夹角(锐角)α取值范围为20～60
°
；沙漏状通孔的下斜面与下层板材下表面(水平面)的夹角(锐角)β取值范围为20～60
°
；夹角α的角度≥夹角β的角度。
34.在一种或多种实施方式中，所述下层板材沙漏状通孔的上斜面和下层板材沙漏状通孔的下斜面的水平长度分别为x
α
和x
β
，上开孔直径为d，下层板材的厚度为h，下斜面的垂直高度为h，其中x
α
≥x
β
；上斜面与下斜面过渡处的孔径d＝d-2
×
x
α
，且d≥2
×
x
β
；较大的下层板材沙漏状通孔的上斜面处的空间保证了焊接效果，并有利于材料流动。下层板材沙漏状通孔的不同参数组合能获得具有不同性能和适用场景的复合接头。
35.在一种或多种实施方式中，所述带有沙漏状通孔下层板材中的沙漏状通孔可以通过钻头在板材的两侧钻削，也可通过激光打孔实现，激光打孔具有自然的锥度，且可以在硬脆的材料上打孔。
36.在一种或多种实施方式中，为保证同步焊合铆合效果，所述下层板材的厚度h不低于0.1mm。
37.在一种或多种实施方式中，所述的上层板材和下层板材可以为铜、铝、钢、钛等同质板材或异质板材。
38.在一种或多种实施方式中，所述的吸收层为黑漆、石墨或金属箔；激光辐照到吸收层上，在极短的时间内产生高温、高压的等离子体，继续吸收能量形成激光冲击波，从而作为驱动力推动板材发生高应变率塑性变形；除此之外，吸收层还有保护材料表面免于激光灼伤的作用。
39.在一种或多种实施方式中，所述的约束层为玻璃或水，其目的是限制等离子体的膨胀，从而提高冲击波的峰值压力，并延长作用时间；同时，约束层使冲击波向板材方向传播。
40.在一种或多种实施方式中，所述的脉冲激光的功率密度应大于1gw/cm2，具体数值取决于激光能量、激光光斑大小和激光器的脉冲宽度。
41.进一步的，为了能够使上、下板材在一次激光作用下完成铆合与焊合，激光器的脉冲宽度应不大于20ns。
42.进一步的，为获得近似平顶分布的激光能量，激光光斑大小应不小于下层板沙漏状通孔最大开孔直径d的1.5倍。
43.进一步的，通过调整激光能量、激光光斑大小和激光器的脉冲宽度来实现不同材质组合、厚度组合和尺寸规格的铆合焊合接头。
44.本发明的第二个典型的实施方式，提供实现上述方法的装置，所述装置包括：从下至上依次叠层放置的底模、带有沙漏状通孔的下层板材、上层板材、吸收层和约束层，并利用工件夹持系统将各叠层夹紧并固定在工作台上；
45.所述装置还包括用于产生脉冲激光的激光器。
46.在一种或多种实施方式中，所述工作台，用于调整冲击位置。
47.本发明的第三种典型的实施方式，提供上述方法或者实现上述方法的装置用于同步铆合焊合厚度较大的板材，或厚度差别较大的板材。
48.为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。
49.实施例1上层板材与下层板材的厚度差别较大
50.如图5中(a)所示，上层板材为0.05mm厚的纯铜板，下层板材为0.15mm厚的铝合金
板，设计沙漏状通孔的尺寸为：d＝0.35mm，α＝β＝45
°
，h＝0.075mm，h＝0.15mm，x
α
＝x
β
＝0.075mm，d＝0.2mm。激光器的脉冲宽度12ns、激光光斑直径2mm、激光能量5j。将沙漏状通孔区域置于脉冲激光光斑中心处，在脉冲激光冲击波的压力下，上层板材向下发生高应变率塑性变形，撞击下层板材沙漏状通孔的上斜面，发生高速剪切变形，从而产生冶金焊合效应；随着上层板材的继续变形，当上层板材流入下层板材的沙漏状通孔的空腔中时，与下层板材沙漏状通孔下斜面形成上小底大的互锁结构，从而产生机械铆合效应；完成平孔状、上焊下铆的铆焊复合连接。
51.实施例2
52.如图5中(b)所示，上层板材为0.20mm厚的纯铜板，下层板材为0.20mm厚的铝合金板，设计沙漏状通孔的尺寸为：d＝0.7mm，α＝β＝45
°
，h＝0.10mm，h＝0.20mm，x
α
＝x
β
＝0.10mm，d＝0.5mm。激光器的脉冲宽度12ns、激光光斑直径2mm、激光能量10j。将沙漏状通孔区域置于脉冲激光光斑中心处，在脉冲激光冲击波的压力下，上层板材向下发生高应变率塑性变形，撞击下层板材沙漏状通孔的上斜面，发生高速剪切变形，从而产生冶金焊合效应；随着上层板材的继续变形，当上层板材流入下层板材的沙漏状通孔的空腔中时，与下层板材沙漏状通孔下斜面形成上小底大的互锁结构，从而产生机械铆合效应；完成平孔状、上焊下铆的铆焊复合连接。
53.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。