一种脉动式高速射流冲击板材连接方法及装置

摘要

本发明涉及一种脉动式高速射流冲击板材连接装置，属于薄板连接技术领域。所述装置包括控制系统、高压水泵、脉动加载装置、关节机器人、喷嘴、模具、工作台和成形腔；所述控制系统、高压水泵、关节机器人依次连接，所述脉动加载装置安装在关节机器人中，靠近工作端处，所述高压水泵与水源连通，同时，所述控制系统与关节机器人连接，所述关节机器人的工作端与喷嘴连通，所述控制系统通过控制关节机器人工作端来控制喷嘴的运动轨迹和角度；所述工作台上安装有成形模具。本发明提出的脉动式高速射流能够显著提高板材的成形能力，降低成形时产生的摩擦力，使得变形部分厚度分布更加均匀。

说明书

技术领域

本发明涉及薄板连接技术领域，尤其涉及一种基于脉动式高速射流冲击的板材连接方法及装置。

背景技术

材料连接技术是机械制造领域广泛应用的技术之一，按照连接实现的基本原理可以分为机械连接和物理化学连接。常见的机械连接方式有螺栓连接、螺钉连接、铆钉连接、键连接、销钉连接等，常见的物理化学连接方式有胶接、焊接、封接等，机械连接和物理化学连接的区别在于实现连接的主要过程中是否发生物理状态(如固液相转变)、化学特性的变化。这些连接技术都各有其优缺点和适用的具体领域。例如，薄板连接的现有技术中仍存在以下不足：

1.焊接方法热效应过于明显，容易引起板材烧穿、材料组织改变、热变形等缺陷。

2.螺栓连接或铆钉连接方法会破坏材料的完整性和密封性，易使连接部位受力不均，从而在连接位置引发破坏。

3.胶接法形成的连接区域通常不耐高温，连接强度低。

4.不论是焊接还是螺栓连接，焊缝或螺栓的材料特性通常与被连接物的材料特性存在差异，从而在连接部位易于产生电化学腐蚀。

目前，已经存在很多关于板材连接技术的研究，例如：中国专利CN 106041298B公开了一种渐进式激光冲击连续铆接方法及装置，利用激光器直接生成或者利用分光系统生成多束脉冲激光，在自动化设备的控制下，多束激光同时扫掠板材并在板材表面产生爆炸等离子体，在爆炸等离子体的冲击作用下，配合成形模具的约束，板材逐渐变形为槽形结构。多束激光束随即以不同入射角度按一定轨迹在槽内两侧同时扫掠板材，使槽形结构逐渐变形为互锁结构，最终将板材铆接在一起。

另外，中国专利CN 103191994B公开了一种金属板材变形连接成形方法，该连接方法是对所需连接板材端部的结构形式进行预先设计，按照设计对板材端部预加工出一定形状的凸叶片、孔洞或凹槽，将处理后两板材的连接端部进行匹配搭接，而后将制备好的试样放置于压力机工作台上，随着冲头的下移对连接部位加载使其发生塑性变形，随后保压一定时间后冲头返程，取出连结板件，完成连接。

然而，上述现有技术仍存在如下一些问题，例如，(1)虽然激光冲击铆接属于冷加工过程，但在多激光束多次扫掠时仍会产生一定的热，热量累积后会导致热变形，必须利用流动水幕进行冷却。此时，设备既有多激光束及其控制系统，又有冷却水幕系统，且飞溅的水幕易对镜片造成伤害，工艺过程较为复杂。(2)激光冲击铆接时产生的爆炸等离子体，是由板材表面或板材表面的能量吸收层烧蚀产生的，激光束多次重复扫掠时，为了保证板材的表面质量，通常需要专门的涂覆机构不断地重复涂覆能量吸收层。因此，渐进式激光冲击连续铆接装置较为复杂。(3)金属板材冷压变形连接方法工艺步骤多，对连接端的处理繁琐，并且属于点连接，难以实现连续的线连接。因此，有必要设计一种新的板材连接方法。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种脉动式高速射流冲击板材连接方法及装置。本发明利用高压水泵产生一束集中冲击力的高速射流，配合脉动加载装置，使高速射流产生一定频率和振幅的压力波动，而板材在脉动式高速射流的连续冲击下进行塑性成形，同时产生持续低频振动，进一步促进板材的成形，最终使板材连接在一起。本发明提出的这种脉动式高速射流能够显著提高板材的成形能力，降低成形时产生的摩擦力，使得变形部分厚度分布更加均匀。

本发明的目的之一是提供一种脉动式高速射流冲击板材连接装置。

本发明的目的之二是提供一种脉动式高速射流冲击板材连接方法。

本发明的目的之三是提供上述脉动式高速射流冲击板材连接方法及装置的应用。

为实现上述目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开一种脉动式高速射流冲击板材连接装置，包括控制系统、高压水泵、脉动加载装置、关节机器人、喷嘴、模具、工作台和成形腔。

所述控制系统、高压水泵、脉动加载装置依次连接，所述脉动加载装置安装在关节机器人内部，靠近工作端，水流经过高压水泵后快速喷向叶轮，控制系统控制叶轮的转动，对水流进行周期性扰动，形成具有设定频率和振幅波动的脉动式高速射流。

所述高压水泵与水源连通，同时，所述控制系统与关节机器人连接，所述关节机器人的工作端与喷嘴连通，所述控制系统通过控制关节机器人工作端来控制喷嘴的运动轨迹和角度。

所述工作台上安装有成形模具，所述成形模具包括底座和两个倒置的L型支撑架，所述两个倒置的L型支撑架相向设置但不相互接触，从而使两个倒置的L型支撑架与所述底座之间形成非闭合成形腔，所述成形腔能使数量不少于两块的至少部分搭接在一起的板材形成互锁结构，从而完成板材之间的连接。

所述控制系统可通过高压水泵、脉动加载装置、关节机器人控制高速射流的压力、频率、波形、移动速度、移动方向和位置。所述高压水泵可以输出压力不同的水流，经脉动加载装置扰动后，压力产生一定频率和振幅的波动，从而使水流形成脉动式高速射流，并经喷嘴喷出。所述关节机器人用于控制喷嘴的运动轨迹和出射角度，从而对板材表面进行冲击扫掠。在冲击扫掠过程中，脉动式高速射流同时给板材施加了连续的低频振动，低频振动有利于增强板材的塑性变形能力，有助于降低板材变形过程中的摩擦力，并提高板材的成形极限，增大板材的变形量。

进一步地，所述脉动加载装置包括叶轮、喷水管，所述喷水管对准叶轮的叶片设置，水流经过高压水泵后快速喷向叶轮，控制系统控制叶轮的转动，在叶轮转动过程中，连续喷射的水流会不断受到叶片的阻碍；这样，高压泵输出的水流经过各叶片的周期性扰动，水流压力将产生一定频率和振幅的波动，形成脉动式高速射流。脉动式高速射流能够给板材施加连续的低频振动，而低频振动有利于增强板材的塑性变形能力，有助于降低板材变形过程中的摩擦力，并提高板材的成形极限，增大板材的变形量。

再次，本发明公开一种脉动式高速射流冲击板材连接方法，利用脉动加载装置对高压水泵输出的水流进行周期性扰动，从而形成具有设定频率和振幅波动的脉动式高速射流，该脉动式高速射流在控制系统的作用下沿预定轨迹对叠放在一起的板材进行冲击扫掠，脉动式高速射流作用于数量不少于两块的至少部分搭接在一起的板材表面时产生巨大冲击力，板材随即产生塑性变形，在成形模具的约束下，变形部分的板材逐渐变形为互锁的铆接结构，最终将板材沿着一条预定的轨迹连接在一起。

具体的，所述脉动式高速射流冲击板材连接方法包括如下步骤：

(1)将模具固定于工作台上，把要连接的至少两块板材至少部分搭接得放置在模具的L型支架上；

(2)设置关节机器人的运动轨迹及工作端处关节的夹持角度，使得高速射流喷嘴能按照设定角度和轨迹对板材产生相对运动。

(3)通过控制系统根据板材的材料性能及厚度设定高压泵产生的初始水流的压力，板材厚度越大需要的初始水流压力越大，控制系统控制脉动加载装置中叶轮的转速，从而使高压水泵输出的水流压力根据设定的频率和振幅波动，使水流形成具有设定频率和振幅波动的脉动式高速射流，该脉动式高速射流输送到高速射流喷嘴；

(4)控制系统控制喷嘴按照设定角度和轨迹对板材的连接部位进行冲击扫掠，板材逐渐在成形腔内发生塑性变形，并形成互锁的铆接结构，从而使板材沿预定轨迹连接在一起。

进一步地，步骤(3)中，所述压力为100MPa～200MPa。

进一步地，步骤(3)中，所述压力的频率和振幅分别为1～10Hz，10～20MPa。

进一步地，步骤(4)中，所述轨迹可以是直线或曲线，也可以部分为直线、部分为曲线，具体轨迹形状可根据实际需求设定。

进一步地优选地，步骤(4)中，所述高速射流位于板材受水流冲击而变形部位表面的法向上，从而易于保证成形的效率和精度。

最后，本发明公开了上述脉动式高速射流冲击板材连接方法及装置在薄板连接技术领域中的应用。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

(1)本发明利用高压水泵产生的一束集中冲击力的高速射流，配合脉动加载装置，使高速射流产生一定频率和振幅的压力波动，而板材在在脉动式高速射流的连续冲击下进行塑性成形，同时产生持续低频振动，进一步促进板材的成形，最终使板材连接在一起。本发明提出的这种脉动式高速射流能够显著提高板材的成形能力，降低成形时板材与模具间的摩擦力。

(2)本发明的成形方法使板材能够形成均匀、连续、互锁的线状铆接，这种结构形成的连接强度高，连接稳定，还不会对板材造成损害；同时，本发明的方法形成的是无铆钉连接，这种结构能够很好地保证材料的完整性及密封性。

(3)本发明的成形方法是冷加工方法，不会带来热效应，这对于实现异种材料的连接具有非常好的技术优势。

(4)本发明提出的脉动式射流诱发低频振动的塑性成形连接，通过脉动射流产生的低频振动能够提高板材的塑性成形能力，促进板材更好地形成所需要的形状；而且脉动式加载能够降低板材变形过程中的摩擦力，最终降低加工载荷；同时，在脉动式冲击过程中，板材将产生微小皱纹，并且皱纹反复产生和消失，使得变形部分厚度分布更加均匀，从而提高板材的成形极限，最终形成更加牢固的铆接结构。

(5)本发明的成形方法是一种渐进式的增量成形连接，连接线是由局部变形逐渐累积而成的，而且所需要的加工载荷小，设备简单，连接成本低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明脉动式高速射流冲击板材连接装置的结构示意图。

图2为本发明脉动式高速射流冲击板材连接装置中成形腔的结构示意图。

图3为本发明脉动加载装置的结构示意图。

附图中标记分别代表：1-控制系统、2-高压水泵、3-关节机器人、4-脉动加载装置、6-喷嘴、7-模具、8-工作台、9-成形腔、10-叶轮、11-喷水管、31-工作端、51-上板、52-下板、71-底座、72-L型支撑架。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的薄板连接技术仍存在一些问题，如激光冲击铆接会产生一定的热，在多激光束多次扫掠时，热量可能产生累积，并导致热变形；激光冲击铆接时产生的爆炸等离子体，通常需要专门的涂覆机构不断地重复涂覆能量吸收层；金属板材冷压变形连接方法工艺步骤多，对连接端的处理繁琐，并且属于点连接，难以实现连续的线连接等。因此，本发明提出一种脉动式高速射流冲击板材连接方法及装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1-3所示，一种脉动式高速射流冲击板材连接装置，包括控制系统1、高压水泵2、关节机器人3、脉动加载装置4、喷嘴6、模具7、工作台8和成形腔9。

所述控制系统1、高压水泵2、关节机器人3依次连接，所述脉动加载装置4安装在关节机器人3中，并靠近工作端31，所述高压水泵2与水源连通，同时，所述控制系统1与关节机器人3连接，所述关节机器人3的工作端31与喷嘴6连通，所述控制系统1通过控制关节机器人工作端来控制喷嘴的运动轨迹和角度。

所述脉动加载装置包括叶轮10、喷水管11，所述喷水管11对准叶轮10的叶片设置，水流经过高压水泵2后快速喷向叶轮10，控制系统控制叶轮10的转动，在叶轮10转动过程中，连续喷射的水流会不断受到叶片的阻碍；这样，高压泵输出的水流经过各叶片的周期性扰动，水流压力将产生一定频率和振幅的波动，形成脉动式高速射流。

所述工作台8上安装有成形模具7，所述成形模具7包括底座71和两个倒置的L型支撑架72，所述两个倒置的L型支撑架72相向设置但不相互接触，从而使两个倒置的L型支撑架与所述底座71之间形成的非闭合成形腔9，所述成形腔能使数量不少于两块的至少部分搭接在一起的板材形成互锁结构，从而完成板材之间的连接。

实施例2

利用实施例1所述的脉动式高速射流冲击板材连接装置进行板材连接的方法，包括如下步骤：

(1)将模具7固定于工作台8上，把要连接的上板51和下板52，其中上板、下板的材质为厚度0.15mm的SS304不锈钢，叠加在一起后放置在模具7的两个L型支架上；

(2)设置关节机器人3的工作端31处关节的夹持角度及运动轨迹，使得高速射流喷嘴6能按照设定角度和轨迹对上板51和下板52进行相对运动。

(3)通过控制系统1设定高压泵2产生的初始水流的压力，板材厚度越大需要的初始水流压力越大，然后通过利用脉动加载装置4使高压水泵中的压力根据设定的频率和振幅波动，使水流成为按设定频率和振幅波动的脉动式高速射流，该脉动式高速射流通过关节机器人3输送到高速射流喷嘴6；

(4)控制系统1控制喷嘴6按照设定角度和轨迹对板材的连接部位扫掠，板材在高速射流的冲击下逐渐在成形腔9内发生塑性变形，并形成互锁的铆接结构，从而实现上板51和下板52的连接。

步骤(3)中，所述高速射流的压力为100MPa；所述压力的频率和振幅分别为：10Hz，10MPa。

步骤(4)中，所述轨迹为曲线(如图1所示)；所述高速射流与板材之间的角度为90°。

实施例3

利用实施例1所述的脉动式高速射流冲击板材连接装置进行板材连接的方法，包括如下步骤：

(1)将模具7固定于工作台8上，把要连接的上板51和下板52，其中上板、下板的材质为厚度0.2mm的SS304不锈钢，叠加在一起后放置在模具7的两个L型支架上；

(2)设置关节机器人3的工作端31处关节的夹持角度及运动轨迹，使得高速射流喷嘴6能按照设定角度和轨迹对上板51和下板52进行相对运动。

(3)通过控制系统1设定高压泵2产生的初始水流的压力，板材厚度越大需要的初始水流压力越大，然后通过利用脉动加载装置4使高压水泵中的压力根据设定的频率和振幅波动，使水流成为按设定频率和振幅波动的脉动式高速射流，该脉动式高速射流通过关节机器人3输送到高速射流喷嘴6；

(4)控制系统1控制喷嘴6按照设定角度和轨迹对板材的连接部位扫掠，板材在高速射流的冲击下逐渐在成形腔9内发生塑性变形，并形成互锁的铆接结构，从而实现上板51和下板52的连接。

步骤(3)中，所述高速射流的压力为200MPa；所述压力的频率和振幅分别为：1Hz，20MPa。

步骤(4)中，所述轨迹为曲线(如图1所示)；所述高速射流与板材之间的角度为90°。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。