CN103240564A - 机械-固相复合连接装置及其连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机械-固相复合连接装置，压边圈和凹模由上而下设置，板件设置在压边圈和凹模之间，压边圈内套接驱动针，若干个弹簧圆片定位机构径向水平分布于压边圈内，半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧圆片定位机构相接触，驱动针、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置。本发明还公开了其连接方法，用若干个弹簧圆片定位机构实现半空心铆钉的精确定位和稳定驱动，提高工艺稳定性和可靠性;用半空心铆钉代替实心搅拌针，降低铆接力，提高连接效率，消除搅拌摩擦点焊的工艺凹孔同时，实现机械-固相双重连接，提高接头的静动态力学性能。该方法不仅可以应用于铝、镁等轻合金的连接，还可以应用于复合材料、塑料等非金属材料的连接。

Description

机械-固相复合连接装置及其连接方法
技术领域
本发明涉及一种轻量化材料单点连接技术领域的方法，具体是一种机械-固相复合连接装置及其连接方法。
背景技术
汽车工业中使用最广泛的车身板件装配工艺是电阻点焊，这种连接工艺具有生产效率高、操作简便、不需填充材料、易于实现自动化等优点。然而，铝、镁等轻合金因其具有极强的氧化能力、较小的电阻率、较大的导热系数和比热容、较大的线膨胀系数以及易形成气孔等特性，使其难以用传统电阻点焊工艺进行连接。而复合材料和塑料因为不导电，根本无法采用焊接方法实现连接。
针对上述轻量化材料的连接问题，国内外提出了无铆钉铆接(Clinching)、半空心铆钉自冲铆接(Self-Piercing Riveting，简称SPR)以及搅拌摩擦点焊(Friction StirSpot Welding，简称FSSW)等自动化程度较高的方法。其中clinching与SPR是车身制造中应用最广泛的机械冷连接技术，可以有效避免异质材料熔化焊时的一系列问题，可实现冲孔和铆接工艺的一体化。但是clinching接头的静动态强度较低，只能应用于对强度要求不高的发动机罩和后行李箱盖等非承载构件的连接，适用范围小。SPR方法在连接韧性材料时可以获得静动态力学性能良好的接头，然而在铆接铸铝、镁、复合材料等韧性差的轻合金材料时容易产生裂纹甚至脆裂，致使接头失效。FSSW是通过搅拌头的搅拌运动和摩擦生热导致连接板件之间分子扩散和再结晶而实现固相连接的一种焊接工艺，由于接头形成温度低，可以有效控制金属间化合物的厚度。然而，该工艺完成后残留的工艺孔会削弱接头强度，同时相较于电阻点焊，其工艺耗时长，降低了车身板件批量化生产的效率，从而影响了该工艺在汽车工业中的规模应用。
经过对现有技术的检索发现，中国发明专利，公开号：CN101468421，名称：一种搅拌摩擦铆接装置和铆接方法，该方法通过实心刚性铆钉替代搅拌摩擦点焊的搅拌针，从而消除搅拌摩擦点焊的工艺孔；通过钉颈小于钉盖和钉底使得软化的金属可以流入钉颈部分实现铆钉与工件的机械连接。然而，作为一种实心铆钉，为了软化和排开金属，需要更大的铆接力和更长的铆接时间，对设备提出了较高的要求，增加了设备成本，并导致连接效率显著降低，从而限制了该工艺的规模应用。欧洲发明专利，公开号：EP2329905A1，名称：Method for joining metal and plastic workpieces，由德国GKSS研究中心的Sergio Amancio教授提出，该方法采用一个实心的金属棒旋转插入拟连接的材料，通过高温摩擦热使棒料在铆入过程中产生墩粗大变形，从而在材料中形成自锁。然而，这种方法难以实现对棒料变形的引导和控制。另有美国专利，公开号：US2011073634-A1，由美国杨百瀚大学的M.P.Miles教授提出的Friction bit joining工艺，该方法通过一个带有轴肩的实心钉子插入上层板，钉子与下层板之间形成固相连接，然后通过把上层板卡在轴肩之下形成机械连接。其存在的主要问题是实心铆钉在排开上层金属时，需要较大的铆接力和较长的时间。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种机械-固相复合连接装置及其连接方法，该机械-固相复合连接装置及其连接方法，以自冲铆接工艺的机械连接为基础，引入搅拌摩擦点焊工艺的固相连接机制，通过铆钉高速旋转产生摩擦热，降低铆接力的同时大大提高材料延伸率，解决了脆性金属铆接裂纹的问题；通过半空心铆钉替代实心搅拌针，降低进给阻力，加速工艺过程，解决了摩擦点焊效率低和残留工艺孔问题，并最终实现接头的机械-固相双重连接。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种机械-固相复合连接装置，包括驱动针、压边圈、若干个弹簧圆片定位机构、半空心铆钉和凹模，所述压边圈和凹模由上而下设置，板件设置在压边圈和凹模之间，所述压边圈内套接驱动针，所述若干个弹簧圆片定位机构径向水平分布于压边圈内，所述半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧圆片定位机构相接触，所述驱动针、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置；
所述弹簧圆片定位机构包括：定位圆片、弹簧和筒体，其中筒体设置于压边圈内，弹簧的一端与简体的内底相连，弹簧的另一端与定位圆片相接触，所述定位圆片与压边圈铰接，所述定位圆片上半部分设有内滑槽；
所述半空心铆钉包括：铆钉头和铆钉腿，其中：铆钉头的中心设有螺纹凹槽，驱动针末端的螺柱凸台和铆钉头的螺纹凹槽相啮合；铆钉头下端设有铆钉腿，铆钉头的直径大于铆钉腿外径，铆钉腿的末端是具有圆弧倒角的楔形；
所述铆钉头的外侧设有与定位圆片上半部分的内滑槽相啮合的外滑槽。
所述压边圈设有环形凹槽，所述弹簧圆片定位机构为3～5个，所述3～5个弹簧圆片定位机构沿圆周等间距分布于环形凹槽内。
所述定位圆片上端通过铰链与压边圈相连。
所述筒体底部设有标准内六角沉孔，方便弹簧圆片定位机构的安装；所述简体外部以及所述压边圈内部设有相互适配的螺纹。
所述铆钉头的下端面与铆钉腿的外壁之间的夹角大于等于90°。
所述凹模设有凸起，所述凸起为光滑过度的圆锥形或圆柱形。
所述驱动针、压边圈以及凹模采用高温合金材料，并采用渗碳渗氮热处理工艺提高表面耐磨性。
所述半空心铆钉为镍基合金、钴基合金或硼处理中碳钢等材料。
所述半空心铆钉的表面设有0~20μ m的锌、锡、铜或铝基合金镀层。
一种机械-固相复合连接方法，利用上述机械-固相复合连接装置，包括如下步骤：
步骤l，将半空心铆钉竖直置于压边圈内，使得铆钉头的外滑槽与定位圆片的内滑槽相互啮合接触，同时将板件放置于压边圈和凹模之间，驱动压边圈将板件压紧；
步骤2，启动驱动针旋转进给，引导驱动针的螺柱凸台与铆钉头的螺纹凹槽相互啮合，并继续推动铆钉旋转进给直至铆钉接触板件上表面；
步骤3，根据工艺需求增加驱动针转速并降低进给速度，板件在摩擦热的作用下局部升温并适当软化，使得半空心铆钉顺利压入板件并刺穿上层板，同时保持机械连接所需的初始扩张；
步骤4，在凹模的作用下，不断旋转下降的半空心铆钉腿部向外扩张并推动板件压入凹模的空腔且逐渐与板件形成机械互锁连接；
步骤5，半空心铆钉轴向进给行程完成后，驱动针驱动半空心铆钉在原位旋转一定时间，然后瞬间急停，使半空心铆钉与板件各接触界面间形成静态接触，以形成固相连接；
步骤6，驱动针反向旋转退出半空心铆钉的螺纹凹槽，与压边圈同时退回初始工位，接头冷却，机械-固相复合连接接头形成。
所述步骤4中，进一步增加驱动针转速以增加全工艺过程中摩擦热的累积，为后续固相连接的形成提供热扩散条件。
所述步骤5中，半空心铆钉在原位旋转一定时间为大于等于0s小于等于5s。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明通过引入半空心铆钉的旋转自由度，利用铆钉高速旋转产生的摩擦热软化材料，提升材料的延伸率，避免了脆性金属铆接时的铆接裂纹；通过用半空心铆钉代替实心搅拌针，进一步降低了铆接力，提高了连接效率，而且消除了搅拌摩擦点焊的工艺凹孔，有效提高了接头强度，实现了机械-固相双重连接，大大提高了接头的静动态力学性能，通过设计若干个弹簧圆片定位机构，实现了半空心铆钉的稳定驱动和精确定位，大大提高了工艺的稳定性和可靠性。该工艺不仅可以应用于铝、镁等轻合金的连接，还可以应用于复合材料、塑料等非金属材料的连接。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图l是本发明提供的机械-固相复合连接装置结构示意图；
图2是本发明提供的机械-固相复合连接装置的弹簧圆片定位机构示意图；
图3是本发明提供的机械-固相复合连接装置的半空心铆钉结构示意图；
图4是本发明提供的机械-固相复合连接方法工作步骤原理图。
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。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例l
如图l所示，本实施例提供了一种机械-固相复合连接装置，包括：驱动针l、压边圈2、若干弹簧圆片定位机构3、半空心铆钉4以及凹模5，其中：压边圈2和凹模5由上而下设置，板件6设置在压边圈2和凹模5之间。压边圈2内套接驱动针l，若干个弹簧圆片定位机构3径向水平分布于压边圈2内，半空心铆钉4竖直置于压边圈2内并与弹簧圆片定位机构3相接触，驱动针l、压边圈2、半空心铆钉4和凹模5同轴设置。
所述压边圈2内径为10.4mm，外径为22.4mm，其内部设有距底端3.5mm，宽度为7.1mm，深度为1.8mm的环形凹槽。所述弹簧圆片定位机构3为3～5个，所述3～5个弹簧圆片定位机构3沿圆周等间距分布于环形凹槽内。在本实施例中，弹簧圆片定位机构3优选为4个，所述4个弹簧圆片定位机构3分别沿径向以90°等分均布设置于压边圈2的环形凹槽内。
如图2所示，弹簧圆片定位机构3包括：定位圆片7、弹簧8和简体9，其中简体9设置于压边圈2内，弹簧8的一端与筒体9的内底相连，另一端与定位圆片7相接触。
所述定位圆片7的内径为10.4mm，外径为13.6mm，宽度为4mm，长度为6mm，其上端通过铰链10与压边圈2相连。
所述定位圆片7上半部分设有宽为3mm，项圆半径为5.2mm，高为0.2mm，槽距为2.08mm的内滑槽。
所述简体9底部设有边距为1.5mm，深度为lmm的标准内六角沉孔ll，方便弹簧圆片定位机构3的安装。
所述简体9外部以及所述的压边圈2内部设有相互适配的螺纹。
如图3所示，半空心铆钉4包括：铆钉头12和铆钉腿13，其中：铆钉头12的中心设有圆柱形的螺纹凹槽14，铆钉头12下端设有铆钉腿13，铆钉头12的直径大于铆钉腿13的外径。
所述铆钉头12为盘头式，其高为1.6mm，直径为lOmm，铆钉头12下端面与铆钉腿13的外壁成95°的夹角；其表面中心的螺纹凹槽14深度为2.4mm，直径为4.2mm。
所述铆钉头12的外侧设有宽为O.9mm，顶圆半径为5mm，高为0.2mm，槽距为1.92mm的外滑槽，其与定位圆片7上半部分的内滑槽相互啮合接触。
所述铆钉腿13的末端是光滑过度的楔形，楔角为35°，过度区半径为0.2mm。
所述驱动针l的直径为lOmm，其末端设有长度为3mm，直径为4.2mm的螺柱凸台15和铆钉头12的螺纹凹槽14相啮合，可实现圆周方向扭矩的传递。
本实施例的板件6为：铝合金AA606l-T6+镁合金AZ31，即铝合金在上，镁合金在下；板件厚度匹配：1.6mm+2mm。
所述半空心铆钉4采用材质为经退火处理的中碳钢加工，铆钉腿13的厚度、外径及长度分别为0.95mm、5mm和7mm。
所述半空心铆钉4的表面镀有12μ m厚的锌锡合金镀层，以实现半空心铆钉4和板件6各接触面的固相连接。
所述凹模5的中心设有光滑过渡的圆锥形或圆柱形凸起16，凸起16的中心线和半空心铆钉4的中心线一致，凸起16的两边设有空腔17，空腔17的容积和半空心铆钉4进入板件6的有效体积一致。凹模5的底部直径为8.6mm，高度为1.8mm，中心的凸起16为顶部光滑过度的圆锥形，锥角为96°，过度区半径为1.8mm。
如图4所示，利用本实施例提供的机械-固相复合连接装置，其连接方法包括以下步骤：
步骤l，将半空心铆钉4竖直置于压边圈2内，使得铆钉头12的外滑槽与定位圆片7的内滑槽相互啮合接触，同时将板件6分别放置于压边圈2和凹模5之间，驱动压边圈2将板件6压紧；
步骤2，啮合阶段，启动驱动针l旋转进给，引导驱动针l的螺柱凸台15与铆钉头12的螺纹凹槽14相互啮合，并继续推动铆钉旋转进给直至接触板件6的上表面；
步骤3，穿刺阶段，根据工艺需求增加驱动针l转速并降低进给速度，板件6在摩擦热的作用下局部升温并适当软化，使得半空心铆钉4顺利压入板件6并刺穿上层板，同时保持机械连接所需的初始扩张；
步骤4，互锁成形阶段，在凹模5的作用下，不断旋转下降的半空心铆钉4腿部向外扩张并推动板件6压入凹模5的空腔17且逐渐与板件6形成机械互锁连接；
在该阶段，可进一步增加驱动针l转速以增加全工艺过程中摩擦热的累积，为后续固相连接的形成提供热扩散条件；
步骤5，半空心铆钉轴向进给行程完成后，驱动针驱动半空心铆钉在原位旋转一定时间，然后瞬间急停，使半空心铆钉与板件各接触界面间形成静态接触，以形成固相连接；
在步骤5中，半空心铆钉在原位旋转一定时间为大于等于0s小于等于5s；
步骤6，驱动针l反向旋转退出与半空心铆钉4的啮合状态，同时与压边圈2退回初始王位，接头冷却，机械-固相复合连接接头形成。
本实施例的工艺参数：啮合阶段，驱动针l旋转速度为60r／min，进给速度为l0mm／s；穿刺阶段，驱动针1旋转速度为800r／min，进给速度为2mm／s；互锁成形阶段，驱动针l旋转速度为1500r／min，进给速度为5mm／s；原位搅拌阶段，旋转速度维持1500r／min，并保持80ms。
实施例2
本实施例的板件6为：镁合金AZ3l+镁合金AZ3l；板材厚度匹配：2mm+2mm；
本实施例的工艺参数：啮合阶段，驱动针1旋转速度为60r／min，进给速度为l0mm／s；穿刺阶段，驱动针l旋转速度为1000r／min，进给速度为2am／s；互锁成形阶段，驱动针l旋转速度为1600r／min，进给速度为5mm／s；原位搅拌阶段，旋转速度维持1600r／min，并保持60ms。
本实施例的其他实施方式和实施例1相同。
实施例3
本实施例的板件6为：铝合金AA606l-T6+碳纤维复合材料；板材厚度匹配：2mm+2mm；
本实施例的工艺参数：啮合阶段，驱动针l旋转速度为60r／min，进给速度为l0mm／s；穿刺阶段，驱动针l旋转速度为800r／min，进给速度为2mm／s；互锁成形阶段，驱动针l旋转速度为1200r／min，进给速度为5am／s；无原位搅拌阶段。
本实施例的其他实施方式和实施例l相同。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种机械-固相复合连接装置，其特征在于，包括驱动针、压边圈、若干个弹簧圆片定位机构、半空心铆钉和凹模，所述压边圈和凹模由上而下设置，板件设置在压边圈和凹模之间，所述压边圈内套接驱动针，所述若干个弹簧圆片定位机构径向水平分布于压边圈内，所述半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧圆片定位机构相接触，所述驱动针、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置;
所述弹簧圆片定位机构包括:定位圆片、弹簧和筒体，其中筒体设置于压边圈内，弹簧的一端与筒体的内底相连，弹簧的另一端与定位圆片相接触，所述定位圆片与压边圈铰接，所述定位圆片上半部分设有内滑糟;
所述半空心铆钉包括:铆钉头和铆钉腿，其中:铆钉头的中心设有螺纹凹糟，驱动针末端的螺柱凸台和铆钉头的螺纹凹糟相啮合;铆钉头下端设有铆钉腿，铆钉头的直径大于铆钉腿外径，铆钉腿的末端是具有圆弧倒角的楔形;
所述铆钉头的外侧设有与定位圆片上半部分的内滑糟相啮合的外滑槽。
2.根据权利要求1所述的机械-固相复合连接装置，其特征在于，所述压边圈设有环形凹槽，所述弹簧圆片定位机构为3~5个，所述3~5个弹簧圆片定位机构沿圆周等间距分布于环形凹糟内。
3.恨拥权利要求1所述的机械-固相复合连接装置，其特征在于，所述筒体底部设有标准内六角沉孔;所述筒体外部以及所述压边圈内部设有相互适配的螺纹。
4.根据权利要求1所述的机械-同相复合连接装置，其特征在于，所述铆钉头的下端面与铆钉腿的外壁之间的夹角大于等于90°。
5.根据权利要求1所述的机械-固相复合连接装置，其特征在于，所述凹模设有凸起，所述凸起为光滑过度的圆锥形或圆柱形。
6.根据权利要求1所述的机械-固相复合连接装置，其特征在于，所述驱动针、压边圈以及凹模采用高温合金材料，并采用渗碳渗氮热处理工艺提高表面耐磨性。
7.一种机械-固相复合连接方法，利用权利要求1至6中任一项所述的机械-固相复合连接装置，其特征在于，包括如下步骤:
步骤1，将半空心铆钉竖直置于压边圈内，使得铆钉头的外滑糟与定位圆片的内滑槽相互啮合接触，同时将板件放置于压边圈和凹模之间，驱动压边圈将板件压紧;
步骤2，启动驱动针旋转进给，引导驱动针的螺柱凸台与铆钉头的螺纹凹糟相互啮合，并继续推动铆钉旋转进给直至铆钉接触板件上表面;
步骤3，根据工艺需求增加驱动针转速并降低进给速度，板件在摩擦热的作用下局部升温并适当软化，使得半空心铆钉顺利压入板件并刺穿上层板，同时保持机械连接所需的初始扩张;
步骤4，在凹模的作用下，不断旋转下降的半空心铆钉腿部向外扩张并推动板件压入凹模的空腔且逐渐与板件形成机械互锁连接;
步骤5，半空心铆钉轴向进给行程完成后，驱动针驱动半空心铆钉在原位旋转一定时间，然后瞬间急停，使半空心铆钉与板件各接触界面间形成静态接触，以形成固相连接;
步骤6，驱动针反问旋转退出半空心铆钉的螺纹凹糟，与压边圈同时退回初始工位，接头冷却，机械-固相复合连接接头形成。
8.根据权利要求7所述的机械-固相复合连接方法，其特征在于，所述步骤4中，进一步增加驱动针转速以增加全工艺过程中摩擦热的累积，为后续固相连接的形成提供热扩散条件。
9.根据权利要求7所述的机械-固相复合连接方法，其特征在于，所述步骤5中，半空心铆钉在原位旋转一定时间为大于等于0s小于等于5s。
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