CN101829903A - 单边自冲摩擦螺柱铆焊装置及其连接方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车制造技术领域的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，包括：驱动套杆、定位导套、定位机构和半空心自冲螺柱铆钉，其中：定位导套内由上而下依次套接驱动套杆和半空心自冲螺柱铆钉，定位机构沿周向水平分布于定位导套内，半空心自冲螺柱铆钉正对驱动套杆，待连接工件通过远端夹持机构固定于半空心自冲螺柱铆钉下方。本发明使半空心自冲螺柱铆钉在轴向运动的同时沿周向做高速旋转运动，本发明利用自冲螺柱铆钉高速旋转所产生的摩擦热软化有色合金或高强钢等材料，提高被铆材料的塑性，大大降低铆接高强钢时的铆接力，通过螺柱铆钉切断上层工件并与下层工件形成机械自锁连接，通过铆钉高速旋转产生的摩擦热在铆钉和被铆材料之间形成固相连接。

Description

单边自冲摩擦螺柱铆焊装置及其连接方法

技术领域

本发明涉及的是一种汽车制造技术领域的装置及方法，具体是一种单边自冲摩擦螺柱铆焊装置及其连接方法。

背景技术

电弧螺柱焊是钢制汽车车身装配中常用的一种单边连接方式，其连接原理是螺柱一端与板件(或管件)表面接触，通电引弧，待接触面熔化后，给螺柱一定压力使其压入熔池最终完成焊接的方法。作为一种单边连接工艺，电弧螺柱焊具有极大的优势，可以在狭窄和较深的空间区域里实施焊接。随着汽车车身轻量化趋势的发展，有色合金与高强钢等轻质材料日益受到各大汽车厂商的青睐。然而，铝、镁等有色合金热导率较高，熔焊时能耗大，接头易产生氢脆，且热影响区金属软化严重，因此不宜采用螺柱焊工艺进行连接；而当连接对象为有色合金与高强钢等异质金属时，则由于两者热物理属性的巨大差异以及熔焊时易形成硬脆相——金属间化合物而难以形成有效连接。

针对上述问题，国外在半空心铆钉自冲铆接(Self-Piercing Riveting，简称SPR)的基础上演化出了一种特殊的铆接工艺，即自冲螺柱铆接。自冲螺柱铆接属于机械冷连接技术，可以有效避免有色合金螺柱焊时存在的一系列问题。然而，自冲螺柱铆接为一种双边连接方法，连接时板件需放置于自冲螺柱和模具之间，而白车身结构复杂，往往需要在一些具有复杂几何形貌和狭小空间的结构件上布置螺柱，作为双边连接方法的自冲螺柱铆接在这些工况下则无法实现正常连接；而且在双边连接高强钢材料时，铆枪臂在大的铆接力下不可避免会产生变形，使得铆接精度和接头质量难以保障，同时在铆接铸铝、镁等韧性较差的有色合金时，单纯依赖机械连接容易产生铆接裂纹甚至脆裂，致使接头失效。

经过对现有技术的检索发现，美国专利号7267736的“Method of Joining DissimilarMaterials”(连接相异材料的方法)提出了一种薄板与空心方形厚管的单边连接方法。该方法首先通过半空心铆钉以单边方式连接薄板和方管，然后通过电阻点焊方式使铆钉腿部与方管接触部位形成熔核以增强连接强度。但是该现有技术因为铆接力过大，为了防止下板或管件变形，只能用于薄板与厚板的连接。同时该方法需要用到自冲铆接和电阻点焊两种设备，工艺复杂且成本极高，无法规模应用于生产。

为了降低铆接力，文献“Modeling of Single-Sided Piercing Riveting Process”(单边穿刺铆钉成型工艺)(Transactions of the ASME，Journal of Manufacturing Science andEngineering，2010，Vol.132，No.4)通过“订书钉”形状的铆钉实现了薄板的单边连接，但是该方法接头强度低，而且因为铆钉必须刺穿下层板，导致接头的耐腐蚀性大大降低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种单边自冲摩擦螺柱铆焊装置及其连接方法，以自冲螺柱铆接工艺的机械连接为基础，使半空心自冲螺柱铆钉在轴向运动的同时沿周向做高速旋转运动，利用自冲螺柱铆钉高速旋转所产生的摩擦热软化有色合金或高强钢等材料，从而提高被铆材料的塑性，大大降低铆接高强钢时的铆接力，避免有色合金的铆接裂纹、脆裂以及铆钉的墩粗变形；同时通过螺柱铆钉切断上层工件并与下层工件形成机械自锁连接，通过铆钉高速旋转产生的摩擦热在铆钉和被铆材料之间形成固相连接，最终通过单边方式实现自冲螺柱的机械-固相双重连接。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，包括：驱动套杆、定位导套、定位机构和半空心自冲螺柱铆钉，其中：定位导套内由上而下依次套接驱动套杆和半空心自冲螺柱铆钉，定位机构沿周向水平分布于定位导套内，半空心自冲螺柱铆钉正对驱动套杆，待连接工件通过远端夹持机构固定于半空心自冲螺柱铆钉下方。

所述的半空心自冲螺柱铆钉为以下两种结构中的任意一种：

a)所述的半空心自冲螺柱铆钉由螺柱杆、法兰和螺钉腿构成，其中：法兰的上端和下端分别与螺柱杆和螺钉腿固定连接。

b)所述的半空心自冲螺柱铆钉由法兰和螺钉腿构成，其中：法兰的上端与驱动套杆相接触，下端则与螺钉腿固定连接。

所述的法兰上表面边缘沿周向均布有方形半开口凹槽，所述的驱动套杆的底部端面设有对应法兰的方形半开口凹槽相啮合的凸台。

所述的法兰下表面与螺钉腿相连设有与螺钉腿外壁成小于等于90°的夹角，该法兰的直径大于等于螺钉腿的外径的2倍。

所述的铆钉腿下端是光滑过度的楔形，楔形角度为30～60度。

所述的半空心自冲螺柱铆钉为耐高温合金材料制成，如镍基合金、钴基合金或硼处理钢。

所述的半空心自冲螺柱铆钉的法兰和螺钉腿的表面设有一层以锌、锡、铜或铝为基体的合金镀层，一方面可以防止电化学腐蚀，另一方面可以作为钎焊时的钎料，该合金镀层的厚度不大于20um。

所述的驱动套杆的底部端面设有圆柱状沉孔，该沉孔的深度大于螺柱杆的高度，直径大于螺柱杆的公称直径。

所述的定位机构与定位导套具体为螺纹连接，该定位机构包括：内六角沉孔、弹簧和定位珠，其中：弹簧的两端分别与内六角沉孔和定位珠相连接，定位珠与驱动套杆相接触。

所述的定位珠子为一端成半球状的圆柱体。

本发明涉及上述单边自冲摩擦螺柱铆焊装置的连接方法，包括以下步骤：

第一步、将半空心自冲螺柱铆钉放置于定位导套内定位机构之上，同时驱动定位导套接触工件，导套与工件之间的接触力小于100N，以避免定位引起的工件变形；

第二步、启动驱动套杆进给，引导驱动套杆末端凸台与法兰半开口凹槽相互啮合，并进一步推动自冲螺柱旋转进给直至其螺钉腿接触工件上表面；

第三步、增加驱动套杆的旋转与进给速度使得工件在摩擦热的作用下与螺钉腿接触的局部材料升温并软化，同时在螺钉腿旋转切削的作用下刺穿上层工件；

第四步、当驱动套杆的轴向进给距离超过上层板厚度时(即铆钉刺穿上层工件时)降低自冲螺柱铆钉的旋转速度，以增加受热软化的螺钉腿在径向受周围材料的挤压力，使其向外扩张并最终与下层工件形成机械互锁连接；

第五步、轴向进给行程完成后，驱动套杆将继续驱动自冲螺柱在原位旋转于1000ms以下速度以生成更多的摩擦热，使半空心自冲螺柱的螺钉腿与工件各接触界面间形成固相连接；

第六步、驱动套杆停止旋转并与定位导套退回初始工位，接头冷却，最终形成自冲螺柱的机械-固相单边双重连接接头。

本发明相比现有技术具有以下有益效果：通过对半空心自冲螺柱铆钉引入旋转自由度，利用半空心螺钉腿高速旋转产生的摩擦热软化工件，降低了铆接力，实现了材料的单边连接，解决了具有复杂几何形貌和狭小空间的结构件的螺柱连接问题；通过摩擦热提高了材料韧性，实现塑韧性差的材料的可靠连接；同时利用摩擦热实现螺钉腿与工件各接触界面之间的钎焊连接，最终通过单边方式实现了工件的机械-固相双重连接，达到提高连接强度、连接效率以及工艺通用性的目的。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是自冲螺柱铆钉结构示意图；

其中：图2a为半空心自冲螺柱铆钉，图2b为半空心自冲螺柱铆钉的A-A面视图。

图3是驱动套杆结构示意图；

其中：图3a为驱动套杆，图3b为驱动套杆的B-B面视图。

图4是实施例方法示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：驱动套杆1、定位导套2、弹簧10珠子11定位机构3和半空心自冲螺柱铆钉4，其中：定位导套2内由上而下依次套接驱动套杆1和半空心自冲螺柱铆钉4，弹簧10珠子11定位机构3沿周向水平分布于定位导套2内，半空心自冲螺柱铆钉4正对驱动套杆1，待连接工件5通过远端夹持机构固定于半空心自冲螺柱铆钉4下方。

所述的定位导套2内径为12mm，外径为24mm，距定位导套2下端面6mm处沿周向均匀分布有4个φ2.4mm的螺纹孔，所述的定位机构3与定位导套2具体为螺纹连接。

所述的半空心自冲螺柱铆钉4包括：螺柱杆6、法兰7和螺钉腿8，其中：法兰7的上端和下端分别与螺柱杆6和螺钉腿8固定连接，

如图2a所示，所述的法兰7上表面边缘沿周向均布有4个方形半开口凹槽12，法兰7下表面与螺钉腿8外壁成88°的夹角，该法兰7的直径大于等于螺钉腿8外径的2倍；方形半开口凹槽12深度为1.1mm，宽度为3mm，凹槽12闭口边距离自冲螺柱铆钉4中心线2.2mm。

所述的螺钉腿8的末端设有圆角过渡的楔形，楔角为35°，过度区倒圆半径为0.2mm；

所述的半空心自冲螺柱铆钉4为硼化高强钢，螺柱杆6的公称直径为4mm，长度为12mm，法兰7直径为11.6mm，螺钉腿8的厚度、外径及长度分别为0.95mm、5mm和5mm，其表面镀有13μm厚的锌锡合金镀层，以实现螺钉腿8与待连接工件5各接触界面间的固相连接。

所述的驱动套杆1的底部端面设有与法兰7的方形半开口凹槽12相啮合的凸台14，凸台14高度为2mm，宽度为2.8mm，厚度为2.7mm，即为驱动套杆1半空心部分壁厚，在凸台14顶端平行边处加工有宽度为0.25mm的45°倒角。

所述的定位机构3包括：内六角水平沉孔9、弹簧10和定位珠11，其中：弹簧10的两端分别与内六角水平沉孔9和定位珠11相连接，定位珠11与驱动套杆1相接触。

所述的定位珠11为一端成半球状的圆柱体，球体直径为1.6mm，圆柱体平行段长度为1.2mm。

所述的内六角水平沉孔9的边距为1.5mm，深度为1mm。

所述的驱动套杆1的底部端面设有圆柱状的竖直沉孔13，该竖直沉孔13的深度为18mm，直径为6mm，竖直沉孔底部边缘倒圆半径为0.5mm。

本实施例通过以下方式实现工件连接：

如图4所示，首先，将半空心自冲螺柱铆钉4放置于定位导套2内定位机构3之上，同时驱动定位导套2快速小力接触工件5；

启动驱动套杆1慢速旋转进给，引导驱动套杆1末端凸台14与法兰7半开口凹槽12相互啮合，并进一步推动自冲螺柱铆钉4旋转进给直至其螺钉腿8接触工件5上表面；

根据工艺需求增加驱动套杆1的旋转与进给速度使得工件5在摩擦热的作用下与螺钉腿8接触的局部材料升温并软化，同时在螺钉腿8旋转切削的作用下将逐步刺穿上层工件；

此时，降低半空心自冲螺柱铆钉4的旋转速度增加受热软化的螺钉腿8受到材料的径向挤压力，使其向外扩张并且逐渐与下层工件形成机械互锁连接；

轴向进给行程完成后，驱动套杆1将继续驱动自冲螺柱铆钉4在原位旋转一定时间以生成更多的摩擦热，使半空心自冲螺柱铆钉4的螺钉腿8与工件5各接触界面间形成固相连接；

驱动套杆1停止旋转并与定位导套2退回初始工位，接头冷却，最终形成半空心自冲螺柱铆钉4的机械-固相单边双重连接接头。

本实施例所用工件5为：铝合金AA6061-T6，工件厚度匹配：2mm+2mm。

工艺参数：驱动套杆1和半空心自冲螺柱铆钉4啮合阶段驱动套杆1的旋转速度为60rpm，进给速度为10mm/min；旋铆过程中，进给速度为100mm/min，进给行程为0-2mm时驱动套杆1旋转速度为25000rpm，进给行程为2-5mm时驱动套杆1旋转速度降为15000rpm；进给行程结束后保持80ms。

与现有技术相比，本方法连接后的铝-铝单边自冲摩擦螺柱铆焊接头平均拉剪强度为6.115kN，与双边连接的自冲铆接接头平均拉剪强度6.617kN相比减小了7.6％，然而最大铆接力则由自冲铆接时的48.5kN降低到了4.2kN，相比降低了91.3％，同时连接后板件的整体变形较小，可以实现工件的单边连接。

实施例2

本实施例所用工件5为：铝合金AA6061-T6+高强钢DP590，即铝合金在上，低碳钢在下，工件厚度匹配：2mm+1.2mm。

半空心自冲螺柱铆钉4材质为硼化高强钢，螺柱杆6的公称直径为4mm，长度为12mm，法兰7直径为11.6mm，螺钉腿8的厚度、外径及长度分别为0.95mm、5mm和4.5mm。

半空心自冲螺柱铆钉4表面镀有13μm厚的锌锡合金镀层，以实现螺钉腿8与工件5各接触界面间的固相连接。

工艺参数：驱动套杆1和半空心自冲螺柱4啮合阶段驱动套杆1的旋转速度为60rpm，进给速度为10mm/min；旋铆过程中，进给速度为60mm/min，进给行程为0-2mm时驱动套杆1旋转速度为28000rpm，进给行程为2-4.5mm时驱动套杆1旋转速度降为12000rpm；进给行程结束后保持80ms。

本实施例的其他实施方式和实施例1相同。

与现有技术相比，本方法连接后的铝-钢单边自冲摩擦螺柱铆焊接头平均拉剪强度为5.644kN，与双边连接的自冲铆接接头平均拉剪强度6.257kN相比减小了9.8％，然而最大铆接力则由双边自冲铆接时的52.7kN降低到单边自冲摩擦铆焊时的6.1kN，相比降低了88.4％，同时连接后板件的整体变形较小，可以实现工件的单边连接。

Claims (9)

1.一种单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，包括：驱动套杆、定位导套、定位机构和半空心自冲螺柱铆钉，其特征在于：定位导套内由上而下依次竖直套接驱动套杆和半空心自冲螺柱铆钉，定位机构沿周向水平分布于定位导套内并与驱动套杆相接触，半空心自冲螺柱铆钉正对驱动套杆，待连接工件通过远端夹持机构固定于半空心自冲螺柱铆钉下方。

2.根据权利要求1所述的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，其特征是，所述的半空心自冲螺柱铆钉为以下两种结构中的任意一种：

a)所述的半空心自冲螺柱铆钉由螺柱杆、法兰和螺钉腿构成，其中：法兰的上端和下端分别与螺柱杆和螺钉腿固定连接；

b)所述的半空心自冲螺柱铆钉由法兰和螺钉腿构成，其中：法兰的上端与驱动套杆相接触，下端则与螺钉腿固定连接。

3.根据权利要求2所述的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，其特征是，所述的法兰上表面边缘沿周向均布有方形半开口凹槽，所述的驱动套杆的底部端面设有对应法兰的方形半开口凹槽相啮合的凸台。

4.根据权利要求2或3所述的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，其特征是，所述的法兰下表面与螺钉腿相连设有与螺钉腿外壁成小于等于90°的夹角。

5.根据权利要求2或3所述的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，其特征是，所述的铆钉腿下端是光滑过度的楔形，楔形角度为30～60度。

6.根据权利要求2或3所述的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，其特征是，所述的半空心自冲螺柱铆钉的法兰和螺钉腿的表面设有一层以锌、锡、铜或铝为基体的合金镀层。

7.根据权利要求1所述的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，其特征是，所述的驱动套杆的底部端面设有圆柱状沉孔，该沉孔的深度大于螺柱杆的高度，直径大于螺柱杆的公称直径。

8.根据权利要求1所述的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，其特征是，所述的定位机构包括：内六角沉孔、弹簧和定位珠，其中：弹簧的两端分别与内六角沉孔和定位珠相连接。

9.一种根据权利要求1所述的单边自冲摩擦螺柱铆焊装置的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将半空心自冲螺柱铆钉放置于定位导套内定位机构之上，同时驱动定位导套接触工件，导套与工件之间的接触力小于100N；

第二步、启动驱动套杆旋转进给，引导驱动套杆末端凸台与法兰半开口凹槽相互啮合，并进一步推动自冲螺柱旋转进给直至其螺钉腿接触工件上表面；

第三步、增加驱动套杆的旋转与进给速度使得工件在摩擦热的作用下与螺钉腿接触的局部材料升温并软化，同时在螺钉腿旋转切削的作用下刺穿上层工件；

第四步、降低自冲螺柱铆钉的旋转速度，增加受热软化的螺钉腿受周围材料的径向挤压力，使其向外扩张并最终与下层工件形成机械互锁连接；

第五步、轴向进给行程完成后，驱动套杆将继续驱动自冲螺柱在原位旋转于1000ms以下速度，使半空心自冲螺柱的螺钉腿与工件各接触界面间形成固相连接；

第六步、驱动套杆停止旋转并与定位导套退回初始工位，接头冷却，最终形成自冲螺柱的机械-固相单边双重连接接头。

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