激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺研究

摘要

随着生物医疗器械和微机电系统的迅猛发展，产品的精密化和微型化成为了工业制造发展的一个重要趋势，而在精密微器械的制造过程中离不开异种轻质材料的耦合使用，因此微制造业迫切需要可以连接异种箔板材料的高效微连接技术。本文结合激光冲击成形技术和无铆钉铆接技术提出了一种激光间接冲击金属箔板剪切微铆接新工艺，旨在实现微尺度下同种或异种金属箔板的连接，以扩大基于材料塑性变形的连接技术的应用范围。本工艺采用脉冲激光代替传统微冲头，利用软膜作为冲击压力的传递媒介，结合微细电火花加工的微凹模完成微尺度下金属箔板的铆接过程。本文从基础理论、可行性分析、工艺参数三个方面对激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺进行了研究：
　　首先，研究了激光与物质之间相互作用产生等离子体的机理，确立了冲击波峰值压力的数学模型；讨论了软膜和工件之间的阻抗匹配；探讨了高应变率下材料的塑性变形屈服条件；研究了传统剪切铆接技术中连接点的形成过程和连接机理。
　　其次，进行了激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺的可行性实验研究。实验结果表明：单次脉冲下无法形成较大内锁，需要使用多次脉冲激光并结合适中的激光能量才能解决该问题；材料组合总厚度与模具深度之间存在匹配关系，随着总厚度的增加，能够使其形成较大内锁的模具深度也相应增大；本工艺更适合连接上板厚于下板的材料组合；在可形成内锁的激光能量区间内，随着激光能量的增大，两层金属箔板之间的内锁尺寸逐渐增大，而上层箔板的最小厚度逐渐减小；相同的板厚条件下，Al/SS材料组合的拉伸强度最高，约为Al/Cu与Cu/Cu材料组合的三倍；另外，Cu/Cu、Al/Cu、Al/SS三种材料组合经过拉伸剪切实验后的失效形式各不相同，分别为：下板部分剪切、完全脱扣以及上板部分剪切。
　　最后，采用脉冲激光能量更大的激光器验证了该工艺在连接较厚箔板时的适用性，改进了激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺的实验系统，研究了新系统中工艺参数对金属箔板连接效果的影响，通过拉伸剪切实验探讨了内锁尺寸和上板颈部厚度对拉伸强度及其失效模型的影响，通过纳米压痕实验测试了连接点处上下层金属箔板纳米硬度的变化。实验结果表明：吸收层厚度对箔板的材料流动和内锁的形成有很大影响，实验中可根据所使用激光能量的大小来选取最优的吸收层厚度；相比其余厚度的软膜，厚度为100μm的软膜更适合激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺；在单层板厚小于200μm的范围内，本工艺的最优模具深度可由近似80%的上板厚度与下板厚度相加得到；连接点的拉伸强度及其失效模型都取决于内锁尺寸和上板颈部厚度，连接点只有同时具备较大的内锁尺寸和较大的上板颈部厚度才能具有较高的连接强度；经过激光冲击后连接点处的材料纳米硬度都有所提高，且材料塑性变形程度越大的区域其相应的纳米硬度越高。
　　本文研究为微尺度下金属箔板的连接提供了新途径并为进一步应用奠定了理论基础。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 无铆钉铆接技术国内外研究现状

1.3 微尺度变形连接技术研究现状

1.4 本课题的提出及其主要研究内容与意义

1.5 课题来源

第二章 激光间接冲击金属箔板剪切微铆接的理论研究

2.1 激光与物质的相互作用及其力学模型

2.2 激光冲击波加载软膜与冲击压力传递

2.3 高应变率下材料的动态响应

2.4 剪切铆接技术连接机理

2.5 本章小结

第三章 激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺可行性研究

3.1 激光器与检测设备

3.2 实验准备与设计

3.3 工艺参数的确定

3.4 剪切微铆接的工艺过程

3.5 激光能量对铆接效果的影响

3.6 拉伸剪切强度

3.7 本章小结

第四章 激光间接冲击金属箔板剪切微铆接工艺参数研究

4.1 激光器与实验设计

4.2 纳米压痕测量方法及设备

4.3 吸收层厚度的影响

4.4 软膜厚度的影响

4.5 Al/Cu的连接范围

4.6 模具深度的影响

4.7激光能量的影响

4.8拉伸剪切实验

4.9 纳米压痕

4.10 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文与专利

致谢