CN104475950B - 异种金属铆焊连接装置、槽口铆钉及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异种金属铆焊连接装置，属于机械制造领域。包括自上而下设置的冲击电极、导向机构、弹簧压块机构和导流板；导向机构为中空结构，冲击电极连接电源正极，冲击电极设置在导向机构内并可沿导向机构上下滑动；弹簧压块机构安装在导向机构内孔的下方，用于支撑铆钉；导流板连接电源负极；冲击导杆、导向机构和弹簧压块机构的表面均涂覆绝缘层。本发明可有效降低槽口铆钉穿透材料的冲压力和接头变形，加大铆钉与异种金属间的铆焊接触边界，提高异种金属间铆焊稳定性，并防止铆接裂纹的产生，保证材料的力学性能，提高连接稳定性。本发明还公开了用于上述异种金属铆焊连接装置的槽口铆钉及铆焊控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种连接装置、铆钉及控制方法，具体讲是一种用于金属薄板与异种金属结构件无模具铆焊的连接装置、槽口铆钉及控制方法，属于机械制造领域。
背景技术
随着全球环境污染的加剧，为实现节能减排，有色轻质合金在飞机和汽车制造中得到日益广泛的应用。如飞机舱门和汽车的车身面板，其通常采用由异种金属材料薄板(铝、镁合金)和结构件(高强度刚、超高强度刚)连接形成薄板框架式结构，具有安全性好、重量轻、结构效率高等优点。对于该类异种金属的薄板框架式结构装配，传统的点焊、铆接和螺接工艺均存在较大的局限性。例如，对于铝合金薄板和高强度刚结构件的连接，传统白车身制造的点焊工艺不适用，这是由于两种材料的熔点和热膨胀率差异较大，且易生成不熔化的脆性金属间化合物，容易产生虚焊、气孔、夹渣、裂纹、烧穿等接头缺陷，降低接头的力学性能。飞机装配常用的铆接和螺接工艺，同样存在连接工艺复杂、效率低下等问题。如铆接前需进行制孔、去毛刺、涂胶等工序，螺接前需进行制孔、攻丝等工序。而传统的锤铆、压铆、自冲铆工艺均需采用双面压紧工艺，对于金属薄板与钢质型材结构件连接的情况，存在无法安装铆接砧板或冲模的问题，采用螺接工艺也存在螺母、垫圈难以固定安放的问题。对于薄板和厚度较大的金属结构件连接，铆接方法还存在难以保证接头强度的问题。
自冲铆接工艺(SPR，Self-Piercing Riveting)在2000年左右被引入汽车制造领域，英国捷豹公司在X350车型的车身面板中铝合金和钢板的连接中率先采用了自冲铆工艺，避免了异种金属材料熔化焊接中存在的各种问题。然而，该工艺必须采用具有模具的双面压紧工艺，在冲头和模具的压紧力作用下，半空心铆钉刺入待连接的金属板件，铆钉在板料内扩张，通过在铆钉和底层板料在连接区域的变形来实现机械互锁连接。该方法存在连接部位材料变形较大，对于脆性金属容易产生铆接裂纹。同时，对于高强度金属材料连接，还存在铆接力大，铆钉和材料难以产生具有良好互锁特性的接头等问题。2010年11月24日，中国发明专利申请CN101890564，公开了一种异种金属电阻铆焊装置，该装置针对低刚度的汽车白车身板件连接，在铆接过程中通过通电生热效应软化金属并利用铆钉和局部材料的熔化实现钎焊，降低了铆接力并提高了接头的连接强度。但是，上述方法均需采用双面压紧，需要模具(或模具电极)辅助铆钉刺入材料并变形，从而产生接头机械互锁，用于连接方钢、管状型材等具有封闭结构的结构件时存在无法安装模具电极的问题。另外，当金属结构件厚度较大或材料硬度和强度高时，半空心铆钉通常难以完全刺入结构件，并充分变形得到牢固可靠的接头。
美国专利号US7267736提出了一种异种材料铆焊工艺(Method of JoiningDissimilar Materials)。该技术采用单面压紧的无模具装夹方法，采用冲击电极将铁质半空心自冲铆钉压入铝合金薄板和铁质管状构件中，使之刺穿上层铝板并接触下层铁质管件。再对冲击电极和下层金属材料通交流电，熔化钉脚及接触区域的材料进行钎焊，形成铆焊复合接头。然而，实践中发现上述工艺众多局限：(1)、连接高强度和高硬度的金属材料时，缺乏模具的辅助变形作用，普通的半空心铆钉需很大的压紧力才能穿透金属薄板，同时存在连接件和槽口铆钉变形过大且不均匀，从而导致无法产生焊接所需的良好接触边界问题；(2)、冲击电极设计上需考虑电极直径与槽口铆钉帽大小的匹配，由于铆接压紧力大，难以在电极选材上兼顾强度和导电性能要求；(3)、该工艺在铆接完成后再通电焊接，不能软化材料以降低铆接力，也无法抑制脆性金属铆接裂纹的产生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种能加大异种金属间铆焊接触边界，有效提高异种金属间连接稳定性的铆焊连接装置、槽口铆钉及控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的异种金属铆焊连接装置，包括自上而下设置的冲击电极、导向机构、弹簧压块机构和导流板；所述导向机构为中空结构，所述冲击电极连接电源正极，冲击电极设置在导向机构内并可沿导向机构上下滑动；所述弹簧压块机构安装在导向机构内孔的下方，用于支撑铆钉；所述导流板连接电源负极；所述导向机构和弹簧压块机构的表面均涂覆绝缘层，所述冲击电极与导向机构和弹簧压块机构之间绝缘。
本发明中，所述导向机构包括导向件和压边圈，所述导向件、压边圈均为中空圆柱结构且同轴设置，所述压边圈与导向件下端面可拆卸式连接。
本发明中，所述弹簧压块机构包括多块弧形压块及与其数量对应的弹簧，所述多块弧形压块沿压边圈内孔周向设置，各弧形压块与压边圈的高度一致；所述压边圈的侧面设有多个与弧形压块数量对应的开孔，每个开孔内均安装弹簧，弹簧的一端与弧形压块接触，另一端固定。
本发明中，所述各弧形压块的内侧上缘均设有圆角，各弧形压块之间存在间隙。
本发明中，所述导向件与压边圈之间设有相互配合的周向定位部件。
本发明中，所述冲击电极包括冲击导杆、电极和绝缘螺帽，所述冲击导杆为中空结构且表面涂覆绝缘层，电极穿过冲击导杆内孔并通过绝缘螺帽固定；所述冲击导杆上设有与内孔相通的空腔。
本发明还提供了用于上述异种金属铆焊连接装置的槽口铆钉，包括钉帽、钉杆和钉脚，所述钉杆为中空圆柱体，钉杆的一端连接钉帽，钉杆的另一端为钉脚，所述钉脚呈楔形；所述钉脚端沿钉杆周向均匀分布多个钉槽。
本发明中，所述钉脚的内、外表面与水平方向的夹角分别为60度和45度。
本发明中，所述钉槽顶部为向内45度倒角的斜平面。
本发明还提供了上述异种金属铆焊连接装置的控制方法，包括以下步骤：
a)、将待连接板件和待连接结构件放置于压边圈下，导流板放置于待连接结构件下方；同时，将槽口铆钉安放到弹簧压块机构上，驱动异种金属铆焊连接装置将待连接板件压紧到待连接结构件上；
b)、启动冲击电极向下冲铆，当槽口铆钉压入待连接板件表层时停留；
c)、冲击电极到达设定的预压位置，将异种金属铆焊连接装置接通直流电源，通过电阻生热效应，将待连接板件与槽口铆钉接触区域材料受热软化；
d)、冲击电极继续向下冲铆，并同时增大电流；
e)、当铆接力达到设定数值，冲击电极停止下压并保持压力；同时，增大电流值，槽口铆钉与待连接板件和待连接结构件的材料接触部分形成铆焊接头；
f)、焊接完成后冲击电极的保压定型，然后将压边圈与冲击电极同时卸压，完成铆焊。
本发明的有益效果在于：(1)、本发明适用于待连接零件的结构难以采用模具(模具电极)的单向压紧连接场合，其结合了自冲铆的机械连接工艺和电阻点焊的固相连接工艺，同时采用通电生热方法来软化待连接件，有效降低槽口铆钉穿透材料的冲压力和接头变形，加大槽口铆钉与异种金属间的铆焊接触边界，提高异种金属间铆焊稳定性，并防止铆接裂纹的产生，保证材料的力学性能；(2)、通过弹簧压块机构上的各压块之间的配合可以对一定尺寸范围内的槽口铆钉进行径向的夹持，使槽口铆钉在冲击电极推动下运动过程中得到持续的柔性夹持，防止槽口铆钉偏离设定运行轨迹，确保夹持可靠；多块弧形压块的内侧上缘设有圆角，可便于槽口铆钉的铆压；(3)、通过导向件与压边圈之间设置的定位部件，可快速实现导向件与压边圈的周向定位；(4)、在冲击导杆内设置与冲击导杆内孔相通的空腔，可以通过向空腔内注入冷却液对冲击导杆的电极进行冷却，提高装置铆焊工作效率；(5)、本发明槽口铆钉在铆压时，钉杆的侧壁受力产生向外张开的趋势，增大钉脚与待连接件的接触面积，改善了槽口铆钉与待连接件的焊接界面条件，并最终采用电阻热实现槽口铆钉与待连接件的钎焊连接，形成具有优异力学性能的铆焊复合连接接头；通过钉脚的多个钉槽，可以加大铆接过程中不同材料间的流动，提高槽口铆钉对结构件的穿透能力，降低铆接力和接头变形；(6)、钉槽顶部呈向内45度倒角的斜平面设置时，可进一步改善铆接过程中不同材料间的流动；(7)、本发明结构简单，控制操作方便，可应用不局限于轻质合金板件和高强度(超高强度)钢质结构件的连接，通过合理选择铆钉材料，还可应用于其它类别的高强度异种金属零件连接。
附图说明
图1为本发明异种金属铆焊连接装置结构示意图；
图2为本发明异种金属铆焊连接装置结构剖视图；其中：图2(a)为图1的俯视图，图2(b)为图2(a)的A-A面剖视图；
图3为冲击电极的结构示意图；
图4为槽口铆钉的结构示意图；
图5为导向件的结构示意图；其中：图5(a)为导向件的俯视图，图5(b)为导向件的B-B面剖视图；
图6为压边圈和弹簧压块机构的结构示意图；其中：图6(a)为压边圈的俯视图，图6(b)为压边圈的C向视图；
图7为本发明异种金属铆焊连接装置控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明异种金属铆焊连接装置包括冲击电极、导向件6、弹簧压块机构、压边圈10、槽口铆钉、导流板13，其中冲击电极、导向件6、压边圈10、待连接板件11、待连接结构件12、导流板13采用自上而下的设置。冲击电极、导向件6和压边圈10采用同轴布置，导向件6为中空柱状结构，冲击电极与导向件6内孔配合，槽口铆钉由压边圈10中的弹簧压块机构进行定位，冲击电极通过导线与电源的正极相连，冲击电极可在导向件6和压边圈10内滑动，推动槽口铆钉挤压刺穿待连接零件的材料；导流板13的形状与结构件12的底面形状一致，导流板13材质为导电性好的纯铜，其通过导线与电源的负极相连，冲击电极、槽口铆钉、板件11、结构件12和导流板13构成工艺所需的电流回路。
如图3所示，冲击电极由铜电极2、冲击导杆1和绝缘螺帽4构成。冲击导杆1为中空结构的钢制阶梯轴，外表面涂有绝缘涂层以隔绝电流，本实施例中其上段轴径为φ15mm，长度为25mm；下段的轴径为φ8.8mm，长度为18mm；下段轴的外圆面制深度3mm的M8外螺纹。冲击导杆1内部制阶梯状通孔，与外圆面同轴；其上段孔径为φ7mm，长度为20mm；下段孔径为φ2.2mm，长度为23mm。铜电极2置于冲击导杆1的内孔，为实心阶梯轴形状；其上段轴径为φ2mm，通过导线与电源正极相连；中段轴径为φ7mm，高度为1.5mm，其轴肩与冲击导杆1下端面接触，起定位作用；下段轴径为φ6mm，高度为1.5mm，其下端面为圆台端头与槽口铆钉接触，提供工艺所需的电流密度。绝缘螺帽4为圆环状的钢质材料，外表面和底端涂有绝缘涂层；其外径为φ8.5mm，高度为5.7mm；内径为φ7mm，制深度为3mm的M8内螺纹；绝缘螺帽4将铜电极2固定在冲击导杆1的下端部。该装置工作时，冲击导杆1的空腔通入循环水冷却铜电极2，以延长铜电极2的使用寿命，提高装置铆焊工作效率。铜电极2材质采用锆铜或镍硅铜合金，冲击导杆1为表面淬火处理并涂绝缘涂层的高强钢，绝缘螺帽4由表面涂绝缘材料的钢制成。
如图4所示，所述槽口铆钉5为沉头半空心结构，包括钉帽14、钉杆5和钉脚16，本实施例中其顶部直径为φ7.7mm，铆钉长度为5mm。钉帽14为圆台形状；钉杆15为具有中空圆柱体，外径为φ5.35mm，内径为φ3.35mm；钉帽14连接钉杆5一端，钉杆5另一端为钉脚1，钉脚16为锲形，其内、外表面与水平方向的夹角分别为60度和45度，这样使铆压时钉杆15的侧壁受力产生向外张开的趋势，以形成良好的机械互锁结构，并为铆钉与零件的焊接创造良好的材料接触界面；钉脚16端沿钉杆5周向均匀分布4个钉槽15，其宽度为0.4mm，高度为2.5mm，钉槽15顶部为向内45度倒角的斜平面，使铆接中零件材料能更好地在铆钉内外流动，提高铆钉对材料的穿透能力，降低铆接力和接头变形。槽口铆钉5材质为硼处理的高强钢，表面涂覆10μm铜合金镀层以增强导电性能。
如图5所示，导向件6为中空圆柱结构。导向件6的外径为φ30mm，高度为28mm；导向件6内为圆柱轴线制台阶状导向孔17，导向孔17上段孔的内径为φ15mm，高度为23mm，下段孔的内径为φ8mm，高度为5mm，导向孔17与冲击导杆1相配合；导向件6的上端面沿周向均匀开三个沉头孔18，其中沉头直径为φ6.5mm，沉头高度为8mm，孔直径为φ4.5mm，孔高为20mm，导向件6与压边圈10通过沉头孔18、平头内六角螺钉3与压边圈10的螺纹孔20连接；其中所述平头内六角螺钉3尺寸规格为M4×25mm；导向件6的下端面开两个对称的卡槽19，长、宽、高分别为5.3mm×9mm×2.5mm，与压边圈10上的凸缘21配合起周向定位的作用。导向件6的材料采用经淬火热处理后的45号钢加工制造，其外表面涂有绝缘涂层。
如图6所示，压边圈10为中空圆柱结构，采用经调质和淬火处理的45号钢加工制造，其外表面涂60μm的绝缘涂层；本实施例中，压边圈10的外径为φ30mm，内径为φ14mm，其上端面距离轴线11.25mm的圆周上均匀分布三个规格为φ4mm，高度为5mm的螺纹孔20，通过平头内六角螺钉3与导向件6连接。上端面制成两个长、宽、高分别为5.3mm×9mm×2.5mm的凸缘21，与导向件6的卡槽19配合，对压边圈10和导向件6进行周向定位；压边圈10的外圆柱面均匀分布三个沉头螺纹孔22，其沉头直径为φ7mm，高度为1.1mm，孔径为φ3mm，孔高为6.5mm。作为本领域技术人员应知道，导向件6上的沉头孔18、压边圈10的螺纹孔20数量可根据实际应用进行对应增减。
如图1和图6所示，弹簧压块机构由螺钉7、弹簧9和弧形压块8组成；螺钉7为一字型螺钉，置于沉头螺纹孔22的外侧，其规格为M3×4mm；弹簧9为圆柱螺旋压缩弹簧，置于沉头螺纹孔22的内侧，中径为φ2.86mm，丝径为φ0.35mm，自由高度为8mm，两端分别与外侧的螺钉7和置于压边圈10内孔中的弧形压块8接触；三个弧形压块8均匀置于压边圈内孔中，弧形压块8与内孔高度一致，弧形压块8的内侧上缘均设有φ2mm的圆角，自然状态下弧形压块8之间有间隙量0.24mm，由弹簧9压紧后贴合可对一定尺寸范围内的槽口铆钉进行径向的夹持，该种夹持设计可使铆钉5在冲击电极推动下运动中得到持续的柔性夹持，防止槽口铆钉偏离设定的运行轨迹，确保夹持可靠；所述的弧形压块8的材质为涂覆绝缘材料的45号钢。作为本领域技术人员应知道，弹簧压块机构中弧形压块8的数量可以根据实际使用情况进行增减，同样螺钉7、弹簧9及压边圈10侧面上的螺纹孔22应与弧形压块8保持对应。
本实施例中待连接板件11材质为铝合金AA6111，厚度为1.85mm，待连接结构件12的材质为超高强度刚DP590。其铆焊连接的工艺操作流程如图7(a)～(f)，其工艺过程和工艺参数说明如下：
a)、首先，将待连接板件11和结构件12放置于压边圈10之下，结构件12下表面相对冲击电极1处放置导流板13；同时将槽口铆钉安放到弹簧压块机构中弧形压块8的上缘处固定，驱动装置通过压边圈10将板件11压紧到结构件12上；
b)、不通电流，启动冲击电极1以速度30mm/s向下冲铆，直到槽口铆钉5的钉脚压入待连接板件11表层1mm时停留，使槽口铆钉5与待连接板件11充分接触；
c)、冲击电极1到达预压位置的同时对铜电极2、槽口铆钉5、待连接板件11、结构件12和导流板13的形成的回路接通0.5kA的直流电源，通过电阻生热效应，待连接板件11与槽口铆钉5接触区域材料受热软化，变形抗力下降；冲击电极1在预压位置的停留时间为10ms；
d)、冲击电极1以5mm/s的速度继续向下冲铆，并同时增大回路电流大小为1kA，通过降低冲铆速度和增大电流的措施可以保证槽口铆钉5所接触区域的材料充分软化以减小压紧力和接头变形，同时有利于钉脚的均匀变形与待连接结构件12的表面材料形成良好的机械互锁连接和焊接物理界面；
e)铆接过程采用铆接力来控制，当铆接力达到10kN，冲击电极1停止下压并保持压力，同时增大回路中的电流值为4kA，通电时间为200ms，槽口铆钉5与待连接板件11和待连接结构件12的材料接触部分形成铆焊接头；
f)焊接完成后保持冲击电极1的压力30ms，然后压边圈10与冲击电极11同时卸压，回退到其初始工位，冲击导杆1的空腔通入循环水以冷却铜电极2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种异种金属铆焊连接装置，其特征在于：包括自上而下设置的冲击电极、导向机构、弹簧压块机构和导流板(13)；所述导向机构为中空结构，所述冲击电极连接电源正极，冲击电极设置在导向机构内并可沿导向机构上下滑动；所述弹簧压块机构安装在导向机构内孔的下方，用于支撑铆钉；所述导流板(13)连接电源负极；所述导向机构和弹簧压块机构的表面均涂覆绝缘层，所述冲击电极与导向机构和弹簧压块机构之间绝缘；所述弹簧压块机构包括多块弧形压块(8)及与其数量对应的弹簧(9)，所述多块弧形压块(8)沿压边圈(10)内孔周向设置，各弧形压块(8)与压边圈(10)的高度一致；所述压边圈(10)的侧面设有多个与弧形压块数量对应的开孔(22)，每个开孔(22)内均安装弹簧，弹簧的一端与弧形压块(8)接触，另一端固定。
2.根据权利要求1所述的金属铆焊连接装置，其特征在于：所述导向机构包括导向件(6)和压边圈(10)，所述导向件(6)、压边圈(10)均为中空圆柱结构且同轴设置，所述压边圈(10)与导向件(6)下端面可拆卸式连接。
3.根据权利要求2所述的金属铆焊连接装置，其特征在于：所述各弧形压块(8)的内侧上缘均设有圆角，各弧形压块(8)之间存在间隙。
4.根据权利要求2所述的金属铆焊连接装置，其特征在于：所述导向件(6)与压边圈(10)之间设有相互配合的周向定位部件。
5.根据权利要求1至4任一项所述的金属铆焊连接装置，其特征在于：所述冲击电极包括冲击导杆(1)、电极(2)和绝缘螺帽(4)，所述冲击导杆(1)为中空结构且表面涂覆绝缘层，电极(2)穿过冲击导杆(1) 内孔并通过绝缘螺帽(4)固定；所述冲击导杆(1)上设有与内孔相通的空腔。
6.用于权利要求1所述异种金属铆焊连接装置的槽口铆钉，其特征在于：包括钉帽(14)、钉杆(5)和钉脚(16)，所述钉杆(5)为中空圆柱体，钉杆(5)的一端连接钉帽(14)，钉杆的另一端为钉脚(16)，所述钉脚(16)呈楔形；所述钉脚端沿钉杆 (5)周向均匀分布多个钉槽(15)。
7.根据权利要求6所述的异种金属铆焊连接装置的槽口铆钉，其特征在于：所述钉脚(16)的内、外表面与水平方向的夹角分别为60度和45度。
8.根据权利要求6或7所述的异种金属铆焊连接装置的槽口铆钉，其特征在于：所述钉槽(15)顶部为向内45度倒角的斜平面。
9.权利要求1所述异种金属铆焊连接装置的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
a）、将待连接板件(11)和待连接结构件(12)放置于压边圈(10)下，导流板(13)放置于待连接结构件(12)下方；同时，将槽口铆钉安放到弹簧压块机构上，驱动异种金属铆焊连接装置将待连接板件(11)压紧到待连接结构件(12)上；
b）、启动冲击电极向下冲铆，当槽口铆钉压入待连接板件(11)表层时停留；
c）、冲击电极到达设定的预压位置，将异种金属铆焊连接装置接通直流电源，通过电阻生热效应，将待连接板件(11)与槽口铆钉接触区域材料受热软化；
d）、冲击电极继续向下冲铆，并同时增大电流；
e）、当铆接力达到设定数值，冲击电极停止下压并保持压力；同时，增大电流值，槽口铆钉与待连接板件(11)和待连接结构件(12)的材料接触部分形成铆焊接头；
f）、焊接完成后冲击电极的保压定型，然后将压边圈(10)与冲击电极同时卸压，完成铆焊。
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