CN103191994B - 一种金属板材变形连接成形方法 - Google Patents

Abstract

一种金属板材变形连接成形方法，属于金属板材连接技术领域。本发明是为了解决现有金属板材连接成形时在厚度方向上承载能力较差且易产生脱落等各种瓶颈问题。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齿、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，并放入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。该连接方法不仅提高了连接部位的厚向承载能力及可靠性且能避免易脱落等连接失效缺陷的产生。

Description

一种金属板材变形连接成形方法

技术领域

本发明涉及相同或异质的两层或多层、等厚或不等厚板料的连接方法，属于板材连接技术领域。

背景技术

轻量化是目前汽车设计和制造的重要理念及发展方向，汽车轻量化是一个系统工程，包括轻量化材料的开发和应用，轻量化结构的设计和优化以及与之相匹配的先进成形技术的改进和发展。

板材连接是汽车制造等领域实现轻量化的有效途径之一。但因材质属性等方面存在明显差异，使工艺制定及应用存在困难。以钢和铝连接为例，二者熔点相差较大，利用传统焊接技术很难实现。可用方法包括激光焊、搅拌摩擦焊等。其中，激光焊具有高能量密度、深穿透、高精度、适应性强等优点，但成本相对较高且不易于进行多层板件的连接。

搅拌摩擦焊是一项高效、低耗、低成本、环保的固相连接新技术，且其接头力学性能优异，因而在许多工业领域获得了应用。但焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞，一般需要补焊或机械切除，增加后处理工序。同时搅拌头适应性差，不同厚度或材质的板材需要不同结构的搅拌头，同时搅拌头较易磨损，当板材较薄、熔点差异大时连接很困难。

点焊是汽车板连接时常采用的工艺之一，但因其成形温度高易破坏表面镀层并产生热变形而不能用于表面有涂层板材的连接，连接多层板则更加困难，对异质板材连接而言，点焊几乎无能为力。

除了焊接方法外，铆接、螺纹连接、冲压连接等机械方法也是实现异质板材连接的有效途径。其中，铆接能够连接多层铝、镀层薄钢板、强化塑料、复合材料，而不需要预钻孔且耐疲劳。但该技术相对复杂，设备也较昂贵。同时由于铆接过程需要较大压力，设备较笨重，该方法也存在增加连接件质量的弊端。

螺纹连接可用于异质板材的连接，可实现不同材质及多层板材的连接，具有结构简单、连接可靠、装拆方便且可连接多层板材甚至表面有涂层板材等优点。但可靠性较差，易产生松动且需外加连接元素增加了被连接件的质量。

与传统连接工艺相比，冲压连接可实现相同或异质的、等厚或不等厚板料的连接，由于其具有适用性广、可靠性高、经济性好、节能环保等优势，在航空航天、汽车、建筑等诸多领域得到了应用。但冲压连接是一个复杂的弹塑性变形过程，连接强度主要包括抗剪切强度和抗剥离强度，由两种不同板材间的镶嵌值来决定。而镶嵌值取决于连接过程中的工艺参数、模具设计及材料性能等，因此，工艺要求较高。同时该方法在厚度方向上的承载能力较差且易产生脱落。

随后日本学者提出了板材喷丸连接成形技术，即对预先设计并互配的两板材端部进行喷丸加载，直至连接部位产生塑性变形而实现连接。由于喷丸成形属于典型的局部加载方式，效率较低且不能用于板厚差别大及多层板材连接的情况。

发明内容

本发明是为了解决现有金属板材连接成形时存在的在厚度方向上的承载能力较差且易产生脱落等各种瓶颈问题，进而提出的一种适于相同或异质的两层或多层、等厚或不等厚金属板材冷压变形连接方法，不仅提高了连接部位的厚向承载能力及可靠性且能避免易脱落等连接失效缺陷的产生。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

技术方案一：一种金属板材变形连接成形方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、预制板材：制作第一板材和第二板材，将屈服强度较低的第一板材的搭接端制作成凸齿状(锯齿状)，并将每个凸齿向上进行弯曲变形；将第二板材的搭接端制作成孔洞(矩形和半圆等其它形状相配合的通孔)；

步骤二、预连接：第二板材搭接在第一板材之上，将第一板材向上弯曲的凸齿插入第二板材的孔洞中进行预连接；

步骤三、将预连接好的第一板材、第二板材放置在压力机工作台上，并进行定位使其连接部位刚好在压力机工作台中心位置，使冲头刚好能作用在连接部位，并在第二板材的下表面与压力机工作台的上表面之间放入垫块；

步骤四、下移冲头对连接部位加载使其发生塑性变形并保压一定时间：冲头下行对第一板材和第二板材的连接部位进行法向加载，至下死点后停留一段时间保压；使插入孔洞的凸齿受压变形后在宽度方向上发生明显变形卡住另一板材，其中凸齿所在板材与孔洞相匹配处逐步填充到孔洞中，最终实现自锁；

步骤五、冲头返程(冲头上行)，取出连结板件，移除垫块，完成连接。

技术方案二、一种金属板材变形连接成形方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、预制板材：制作第一板材和第二板材，将屈服强度高的第二板材的搭接端制作成孔洞(圆形等其它形状的通孔)；

步骤二、预连接：将预制好孔洞的第二板材的预连接部位置于第一板材预连接部位的上方；

步骤三、将制备好的试样放置于压力机工作台上：将预连接好的第一板材、第二板材放置在压力机工作台上，并进行定位使其连接部位刚好在压力机工作台中心位置，使冲头刚好能作用在连接部位，并在第二板材的下表面与压力机工作台的上表面之间放入垫块；

步骤四、下移冲头对连接部位加载使其发生塑性变形并保压一定时间：冲头下行对第一板材，第二板材的连接部位进行法向加载，至下死点后停留一段时间保压；使第一板材的搭接端部嵌入第二板材的孔洞内；

步骤五、冲头返程(冲头上行)，取出连结板件，并移除垫块，完成连接。

技术方案三、一种金属板材变形连接成形方法，所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、预制板材：制作第一板材和第二板材，屈服强度较低的第一板材的厚度大于第二板材的厚度，

第一板材的搭接端制作成凸齿状(锯齿状)；将第二板材的搭接端也制作成凸齿状(锯齿状)；

步骤二、预连接：将预制出凸齿的第一板材的凸齿插入第二板材的两个凸齿之间的凹槽中，使两个搭接端相互插接(榫接)在一起进行预连接；

步骤三、将制备好的试样放置于压力机工作台上：将预连接好的第一板材、第二板材放置在压力机工作台上，并进行定位使其连接部位刚好在压力机工作台中心位置，使冲头刚好能作用在连接部位，并在第二板材的下表面与工作台上表面间放入垫块和附加垫块(其中垫块距离连接部位略近一些，附加垫块距离连接部位略远一些，以保持第二板材处于水平)；

步骤四、下移冲头对连接部位加载使其发生塑性变形并保压一定时间：冲头下行对第一板材，第二板材的连接部位进行法向加载，至下死点后停留一段时间保压；使第一板材与第二板材对接处发生了变形，第一板材包覆住第二板材；

步骤五、冲头返程(冲头上行)，取出连结板件，移除垫块和附加垫块，完成连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：一、采用本发明方法进行金属板材变形连接成形时可以通过预制凸齿插入预制孔洞中起到了在厚向上的约束及定位作用；通过一侧板材的变形流动填充另一侧板材的孔洞中或者通过较厚板材连接端部的变形流动包覆另一板材，来提高板材连接部位的法向承载能力；二、插入孔洞的凸齿受压变形后在宽度方向上发生明显变形卡住另一板材，其中凸齿所在板材与孔洞相匹配处逐步填充到孔洞中，最终实现自锁；屈服强度较低板材连接部位通过加压后逐步填满屈服强度较高板材的孔洞，最终实现良好的连接；较厚的板材在压力作用下逐步填满两板材连接处的缝隙并包覆另一板材，最终实现两板材的连接；该方法显著提高了连接部位的抗剪切能力且不易脱落；三、该方法不受板材厚度、材质、层数及表面要求等工艺条件限制，对有镀层的板材也可进行连接；四、该技术具有工艺要求低、无需专用设备、生产流程少、成本小及便于实施等优势。

本发明方法可完成相同或异质的两层或多层、等厚或不等厚板料的连接方法。解决了传统异质板材连接方法中的瓶颈问题，该连接方法不仅提高了连接部位的厚向承载能力及可靠性且能避免易脱落等连接失效的产生。

附图说明

图1是方案一两板材端部形状示意图，图2是方案一两板材预连接示意图，图3是方案一连接过程示意图，图4是方案一连接后示意图，图5是方案二两板材端部形状示意图，图6是方案二两板材预连接示意图，图7是方案二连接过程示意图，图8是方案三两板材端部俯视图，图9是方案三两板材端部剖视图，图10是方案三两板材预连接俯视图，图11是方案三两板材预连接剖视图，图12是方案三连接过程示意图，图13是方案三两板材连接后俯视图，图14是方案三两板材连接后剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～图4所示，一种金属板材冷压变形连接成形方法的步骤是：步骤一、预制板材：根据强度分别确定第一板材1，第二板材2的端部形状，将屈服强度较低的第一板材1制成凸齿，屈服强度较高的第二板材2制成孔洞，并确定板材的凸齿或孔洞形状，预制板材端部形状如图1所示(目的是使凸齿插入孔洞加载变形后能达到最好的自锁效果)；对所需连接板材端部的结构形式进行预先设计，按照设计将第一板材1的插入端制出矩形凸齿(锯齿状)，并将矩形凸齿向上进行弯曲变形，使每个变形后凸齿的下表面与第一板材1的上板面之间的距离等于第二板材2的厚度；第二板材2的端部制出矩形和半圆等其它形状相配合的孔洞；步骤二、预连接：将处理后的第一板材1向上弯曲的矩形凸齿插入第二板材2的孔洞中，预连接后的两板材如图2所示；步骤三、将制备好的试样放置于压力机工作台上：将预连接好的第一板材1、第二板材2放置在压力机工作台4上，并进行定位使其连接部位刚好在压力机工作台4中心位置，使冲头3刚好能作用在连接部位，并在第二板材2的下表面与压力机工作台4的上表面间放入垫块5；步骤四、下移冲头对连接部位加载使其发生塑性变形并保压一定时间：冲头3下行对第一板材1，第二板材2的连接部位进行法向加载，至下死点后停留一段时间保压；步骤五、冲头返程(冲头3上行)，取出连结板件，移除垫块5，完成连接。连接板件如图4所示，插入孔洞的凸齿受压变形后在宽度方向上发生明显变形卡住另一板材，其中凸齿所在板材与孔洞相匹配处逐步填充到孔洞中，最终实现自锁。

具体实施方式二：如图5～图7所示，一种金属板材冷压变形连接成形方法的步骤是：步骤一、预制板材：根据第一板材1及第二板材2的屈服强度确定在屈服强度较高的第二板材2上预制孔洞并确定孔洞的形状，预制板材接头形状如图5所示(目的是使其加载变形后能达到最好的连接效果)；步骤二、预连接：将预制好孔洞的第二板材2的预连接部位置于第一板材1预连接部位的上方，预连接后的两板材如图6所示；步骤三、将制备好的试样放置于压力机工作台上：将预连接好的第一板材1、第二板材2放置在压力机工作台4上，并进行定位使其连接部位刚好在压力机工作台4中心位置，使冲头3刚好能作用在连接部位，并在第二板材2的下表面与压力机工作台4的上表面间放入垫块5；步骤四、下移冲头对连接部位加载使其发生塑性变形并保压一定时间：冲头3下行对第一板材1、第二板材2的连接部位进行法向加载，至下死点后停留一段时间保压；步骤五、冲头返程(冲头3上行)，取出连结板件，并移除垫块5，完成连接。

具体实施方式三：如图8～图14所示，一种金属板材冷压变形连接成形方法的步骤是：步骤一、预制板材：对所需连接板材端部凸齿、凹槽形式进行预先设计，按照设计及两板材的屈服强度关系分别确定在第一板材1和第二板材2上加工出凸齿和凹槽，两板材端部俯视图如图8，两板材端部剖视图如图9(目的是使其加载变形后能达到最好的连接效果)；步骤二、预连接：将预制出凸齿的第一板材1的凸齿插入预制出凹槽的第二板材2的凹槽中，预连接后俯视图如图10，预连接后剖视图如图11，；步骤三、将制备好的试样放置于压力机工作台上：将预连接好的第一板材1、第二板材2放置在压力机工作台4上，并进行定位使其连接部位刚好在压力机工作台4中心位置，使冲头3刚好能作用在连接部位，并在第二板材2的下表面与工作台上表面间放入垫块5和垫块6，其中垫块5距离连接部位略近一些，垫块6距离连接部位略远一些，以保持第二板材处于水平状态；步骤四、下移冲头对连接部位加载使其发生塑性变形并保压一定时间：冲头3下行对第一板材1、第二板材2的连接部位进行法向加载，至下死点后停留一段时间保压；步骤五、冲头返程(冲头3上行)，取出连结板件，移除垫块5，6，完成连接。本实施方式中，第一板材1的屈服强度比第二板材2的屈服强度低。连接件如图13～图14，其中图13是方案三两板材连接后俯视图，图14是方案三两板材连接后剖视图，第一板材1与第二板材2接触处发生了一定变形，包覆了第二板材2。

Claims (2)

1.一种金属板材变形连接成形方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、预制板材：制作第一板材(1)和第二板材(2)，将屈服强度较低的第一板材(1)的搭接端制作成凸齿状或锯齿状，并将每个凸齿或锯齿向上进行弯曲变形；将第二板材(2)的搭接端制作成孔洞；

步骤二、预连接：第二板材(2)搭接在第一板材(1)之上，将第一板材(1)向上弯曲的凸齿或锯齿插入第二板材(2)的孔洞中进行预连接；

步骤三、将预连接好的第一板材(1)、第二板材(2)放置在压力机工作台(4)上，并进行定位使其连接部位刚好在压力机工作台(4)中心位置，使冲头(3)刚好能作用在连接部位，并在第二板材(2)的下表面与压力机工作台(4)的上表面之间放入垫块(5)；

步骤四、下移冲头对连接部位加载使其发生塑性变形并保压一定时间：冲头(3)下行对第一板材(1)和第二板材(2)的连接部位进行法向加载，至下死点后停留一段时间保压；使插入孔洞的凸齿或锯齿受压变形后在宽度方向上发生明显变形卡住另一板材，其中凸齿或锯齿所在板材与孔洞相匹配处逐步填充到孔洞中，最终实现自锁；

步骤五、冲头返程，冲头(3)上行，取出连结板件，移除垫块(5)，完成连接。

2.一种金属板材变形连接成形方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、预制板材：制作第一板材(1)和第二板材(2)，将屈服强度高的第二板材(2)的搭接端制作成孔洞；

步骤二、预连接：将预制好孔洞的第二板材(2)的预连接部位置于第一板材(1)预连接部位的上方；

步骤三、将制备好的试样放置于压力机工作台(4)上：将预连接好的第一板材(1)、第二板材(2)放置在压力机工作台(4)上，并进行定位使其连接部位刚好在压力机工作台(4)中心位置，使冲头(3)刚好能作用在连接部位，并在第二板材(2)的下表面与压力机工作台(4)的上表面之间放入垫块(5)；

步骤四、下移冲头对连接部位加载使其发生塑性变形并保压一定时间：冲头(3)下行对第一板材(1)，第二板材(2)的连接部位进行法向加载，至下死点后停留一段时间保压；使第一板材(1)的搭接端部嵌入第二板材(2)的孔洞内；

步骤五、冲头返程，冲头(3)上行，取出连结板件，并移除垫块(5)，完成连接。