CN104684664A - 一种利用自穿孔铆钉形成接头的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用完全中空的自穿孔铆钉在至少两层轻金属合金的堆叠中形成的接头。沿所述铆钉的孔的至少一部分上镀有润滑剂，并且所述铆钉穿过其上表面，并且使得所述杆部向下变形，以与所述材料联锁而不穿透至所述材料的模具侧。所述铆钉的杆部的外直径为5.4mm或更少。所述模具具有小于所述铆钉有效实体体积的60％或70％的容积。

Description

一种利用自穿孔铆钉形成接头的方法

技术领域

本发明涉及一种利用自穿孔铆钉形成接头的方法，籍此，所述铆钉被插入板材而无需完全穿透，使得所述铆钉的变形端保持为被所述板材的镦环(upset annulus)封闭。

背景技术

自穿孔铆钉通常具有头部和部分中空的杆部。所述自穿孔铆钉被冲头驱动进入所述板材中，使得所述自穿孔铆钉穿透一个或多个顶部板材，并且所述自穿孔铆钉与底部板材形成机械联锁，同时所述头部通常(并不总是)与所述顶部板材的上表面齐平。由于通过被形成为进入模具中，所述底部板材并未被穿孔，在完成的接头中产生腐蚀的风险被降低。与传统的铆钉相比，在连接工艺中使用自穿刺铆钉减少了生产步骤的步数，其中，在所述传统的铆钉中，在将铆钉插入所述板材之前先要在板材中钻孔，随后镦打铆钉的凸出端。

通常与粘结剂结合使用的自穿孔铆钉已经在汽车工业中采用轻量材料(例如，铝)的场合取得巨大的商业成功，为了降低重量从而降低能源消耗的优点，车辆车身板件和其他部件采用所述轻量材料。困难的或不可行的是，点焊铝，特别是，将铝点焊至钢，这是由于铝具有高的热传导性、低熔点范围和易于形成表面氧化膜。

最近，在汽车行业内，已经有朝向使用高强钢金属的举动。我们的欧洲专利No.2024651描述了一种尤其适用于连接高强度、厚堆叠的钢的自穿孔铆钉。由于这种钢具有高的极限抗张强度，施加在铆钉上的插入力必然很高，因此其中存在很大的铆钉失效风险。必须对所述铆钉热处理，以赋予所述铆钉一个中等/高的硬度值(例如，450-580Hv)，以使得所述铆钉具有足够的强度。已经证实的是，这种铆钉并不是总适于与厚堆叠、高强度轻质合金(例如，镁和铝合金)，尤其是在金属组合可能为三层或多层的情况中一起使用。此外，其他传统的铆钉并不普通适用于这种材料的连接。

铝合金板材通常表现出优异的延展性，并且因此，趋向于使用具有相对较深模腔的模具。然而，当这种模具与较强金属(例如，高强铝合金或镁合金)一起使用时，接头经受在中间层板材插入工艺中被推动穿过最下层板材的趋势。这导致一种被弱化的接头，该接头易于被腐蚀，并且，不太可能在量产环境中重复地产生满意的接头。

厚堆叠、轻质金属合金(诸如镁合金或更高强度的铝)呈现出相对低的延展性，并且因此在使用自穿孔铆钉和传统模具时有断裂趋势。有时通过铸造或挤压来生产包括厚堆叠接头的部件(例如，汽车减震支撑(shock tower)或撞击件(crash member))，从设计和/或制造方面讲，这更经济和/或更有效。在铆钉插入过程中，变形进入所述模具的材料“按钮(button)”撕裂或断裂。由于完成的接头被弱化并且易于被腐蚀，因此这是不乐见的。此外，已经发现，存在铆钉杆的端部将板材下拖穿过所述接头直至板材被推动穿出最下层板材的程度的趋势，导致接头易于腐蚀，并且可能导致美学外观明显不可接受。在被下拖的过程中，所述板材过量减薄，并且易于撕裂或断裂。这导致联锁损失，并且降低了所述接头的强度。此外，被下拖的板材可能包在所述铆钉的杆部的穿孔端而不是被穿透。这导致剥离强度降低。可以使用具有相对较小的模腔体积的模具(即，浅模具)，以避免撕裂或断裂。然而，模具深度的减小用于增加所述铆钉在插入时所承受的力，从而使所述接头、模具和铆钉工具承受更大的应力。对于铆钉而言这是不乐见的，这可能导致有褶皱或断裂，使得完成的接头在质量或强度上不一致或不可接受。由于通过铆接过程中材料在模具中的挤压，所述模具具有抓紧材料的趋势，所以，模具深度的减小或模具体积或形状的其他变化，尤其是结合相应增加的力，还可以导致下层堆叠材料在连接的部件从模具中移除时脱离并残留在模具中的更大趋势。如果在铆钉插入过程中初始形成了撕裂或断裂，这种趋势可能被加剧，但是，即使在撕裂或断裂没有初始形成时，也可能出现这种趋势的加剧。同时，诸如抛光或模具表面处理的对策可以解决残留材料的问题，由于较大的铆钉插入力产生的增加的应力可能降低所述模具、所述冲头和/或铆接工具的其他部件的寿命。

已经证实的是，其它现有的铆钉也通常不适于连接厚堆叠的高强度轻质合金。这种材料的较高强度和低延展性通常意味着所述铆钉在接合操作中承受较高的应力，并且这在使用浅模具时复合作用。传统的自穿孔铆钉不能够承受这些高应力，如此铆钉杆部的变形保持为仍然可控，以确保最终的接头质量满意。由于当铆钉杆部在插入过程中试图变形时，相应的延展性降低会导致所述铆钉杆部断裂，所以简单地利用高强度材料制造所述铆钉通常无法达到理想的结果。为了形成具有满意强度和抗腐蚀的合适接头，所述铆钉的杆部需要具有足够的柱强度(column strength)，以刺穿顶层板材而不起皱，但是在插入过程中，以可重复且可预料的方式朝外张开而不撕裂或断裂。

一种增强自穿孔铆钉的杆部强度的典型方法是增加铆钉杆部的厚度，但是增加厚度就增加了所述杆部在铆钉插入过程中断裂的趋势。另一种方法是增加头部下方的铆钉材料(被称作“腹板(web)”)的深度，从而减小杆部的无支撑中空部(孔)的长度，但反效果是，随着被所述铆钉移走的板材的量不容易容纳在所述孔中，导致了上述的不良效果。所述铆钉材料的相对低的延展性仅允许在其趋向于断裂之前产生有限的变形及材料移除，使得铆钉易于疲劳。有鉴于此，使用在厚堆叠、高强度、轻质合金应用中使用的自穿孔铆钉并不成功。另一种方法是增加铆钉材料的硬度，但是因为在连接过程中杆部朝外变形，这仅增加了铆钉断裂的趋势。

理想的是，在高强度材料中制造自穿孔铆接接头而确保铆钉完全插入锁需的镦力无需明显增加。镦力的增加需要更大的能源消耗，并且因此增加了成本，并且降低了铆接设备(例如，冲头和模具)的寿命。此外，商业可行的铆接工具受限于其镦力的能力。这种铆接工具设计为具有将多种不同类型的自穿孔铆钉插入不同类型的材料中的能力，并且更换非常昂贵。如果利用能够产生更大力(同时在其他方面提供可接受的性能)的设计替换上述工具，这种替换工具将非常有可能比较大并且比较重，需要使用具有处理增加的负载的能力的更换机器人。这种机器人将非常昂贵，因此迫使汽车制造者设计更贵且占据更大空间的生产线。因此，理想的是，利用镦力的等级处于现有铆接设备能力范围内(通常为50kN)生产接头。

发明内容

本发明的一个目的是消除或缓解上述的缺陷。本发明的另一个目的是提供一种利用自穿孔铆钉形成接头的改进的或可选择的方法。

根据本发明的第一个方面，提供一种利用自穿孔铆钉在至少两层板材的堆叠中形成接头的方法，所述板材中的至少一层为轻金属合金，所述方法包括以下步骤：在模具上方定位所述板材；提供大致圆柱形的自穿孔铆钉，所述自穿孔铆钉为完全中空，以限定沿所述铆钉整个长度延伸的孔，至少在所述铆钉的孔的一部分上涂覆有润滑剂；将所述铆钉定位在所述板材上方的与所述模具相对的位置；利用冲头以镦入所述铆钉，并迫使所述铆钉进入所述板材，使得所述铆钉穿透所述板材的上表面，并且使得所述铆钉的杆部向下变形，以与所述板材联锁而不穿透至所述板材的模具侧；其中，所述铆钉具有外直径为5.4mm或更少的杆部；并且所述模具的容积为所述铆钉的有效实体体积的60％或更少。

本发明因此使得能够将低容积模具与具有相对较低延展性的轻金属合金一起使用。润滑剂的使用确保了当使用这种低容积模具时，即使在所述铆钉具有沉头部时，仍然可以使用传统的镦力级别制造所述接头。沉头部是设计为嵌入所述材料的上层板材中的部分，以使得所述铆钉的头部基本上与所述上层板材的上表面齐平。当镦入这种铆钉时，铆钉插入过程的末尾需要大部分的镦力，以确保沉头部如上文中描述的埋入所述上层板材中。

在一种实施方式中，所述铆钉杆部的外直径可以为5.4mm、5.3mm或5.2mm。所述孔的直径可以为至少3.1mm，并且可以为3.2mm或3.3mm。这为铆钉提供了较薄的杆壁，并且因此提供了相对低(但足够)的柱强度。

在另一种实施方式中，所述铆钉杆部的外直径可以为3.35(+/-0.1mm)，并且所述孔的直径可以为2.1mm(+/-0.1mm)。这种铆钉可以尤其适用于与大体上平的模具一起使用。

所述板材的极限抗张强度可以在50-600MPa的范围内，并且优选在180MPa-600MPa的范围内。例如，所述板材可以为极限抗张强度在330-600MPa范围内的高强度铝合金。可选地，所述板材可以为极限抗张强度在180-440MPa范围内的可锻镁合金。将理解的是，所述接头的板材可以由不同的材料制成，其中至少一层板材为轻金属合金，或者所述堆叠中的每个板材都为轻金属合金，但并不一定必须与所述堆叠中的其他板材相同。

可以利用传统的轧制、铸造或挤压工艺结合硬化或强化工艺(例如，热处理或时效硬化)形成所述板材。

所述模具可以具有最大深度在0.5mm至2.0mm范围内的模腔。

板材的堆叠的厚度可以为至少6.0mm，或者至少3.0mm，或者至少1.0mm。

所述铆钉可以沿该铆钉的孔的整个长度上镀有润滑剂。还可以在所述铆钉的杆部的外表面的至少一部分上镀有所述润滑剂。所述润滑剂可以为任何合适的物质，诸如，例如干膜。

所述润滑剂可以包括粘结剂用树脂和一种或多种合适的润滑材料，例如，石墨、二硫化钼、PTFE或磷酸盐。

所述润滑剂可以施加在限定所述孔的所述铆钉的内表面上，和/或，所述润滑剂可以施加在所述杆部的外表面上。可以利用任何方便的方法施加所述润滑剂。例如，可以以滴或喷涂的形式从一端插入所述空中。可以计量所述润滑剂的量，使得不必采用移除过量润滑剂的工艺。在一种可选的实施方式中，可以通过将整个铆钉或铆钉的一部分浸入润滑剂容积中来施加所述润滑剂。可以仅将所述铆钉的一端浸入。浸入过程可以用于涂覆所述铆钉的(限定所述孔的)内表面和外表面中的一者或两者。

可理解的是，所述铆钉可以为紧固件级别的钢，例如，BS EN 10263：2001批准的碳-锰-硼钢，钢号36MnB4。所述铆钉可以具有250-600Hv的硬度。在优选实施方式中，所述铆钉的硬度在280-560Hv的范围内。

所述铆钉可以具有直径大于杆部直径的头部。所述头部可以被设计为最终与材料堆叠中的最上层板材的上表面齐平(例如，埋头铆钉)，或者可以设计为凸出于上述表面(例如，圆头铆钉)。

所述方法还包括允许材料的最上层板材的舌状材料随着到达所述孔的上部时变形，所述材料变形为被朝向限定所述孔的表面的上部向下引导。所述表面的上部可以呈现有槽或者其他合适的凹部或具有与所述舌状材料接合的特征，从而防止所述舌状材料越过所述铆钉的顶部。所述冲头的端部可以具有凸起，以对所述舌状材料进行进一步变形。所述槽或凹部可以为环形或部分环形。

根据本发明的第二个方面，提供一种用于制造部件或产品(例如，汽车车身板)的方法，该方法包括利用上述形成接头的方法形成接头。

根据本发明的第三各方面，提供一种用于在至少两层板材的堆叠中形成接头的方法，所述板材中的至少一层为轻金属合金，所述方法包括以下步骤：在模具上方定位所述板材；提供大致圆柱形的自穿孔铆钉，所述自穿孔铆钉为完全中空，以限定沿所述铆钉整个长度延伸的孔，至少在所述铆钉的孔的一部分上涂覆有润滑剂；将所述铆钉定位在所述板材上方的与所述模具相对的位置；利用冲头以镦入所述铆钉，并迫使所述铆钉进入所述板材，使得所述铆钉穿透所述板材的上表面，并且使得所述铆钉的杆部向下变形，以与所述板材联锁而不穿透至所述板材的模具侧；其中，所述模具的容积为所述铆钉的有效实体体积的70％或更少。

所述模具的容积可以为所述铆钉的有效实体体积的60％或更少。

本发明的这个方面可以与以上提及的任意一个特征结合。

至少一层所述板材可以由聚合物或塑料材料制成。

根据本发明的第四个方面，提供一种用于制造部件或产品(例如，汽车车身板)的方法，该方法包括利用根据本发明第三方面的方法形成接头。

附图说明

现在将参照附图，仅以示例的方式描述本发明的具体实施方式。

图1是根据本发明的方法制造的利用自穿孔铆钉的铆接接头的剖视图；

图2a至图2e展示了利用局部中空自穿孔铆钉的现有技术接头的剖视图和平面视图，以与图1中所示的接头进行对比；

图3a和图3b展示了出于对比的目的而准备的两个铆接接头的剖视图：一个使用根据现有技术的自穿孔铆接技术，而另一个使用根据本发明第二种实施方式的自穿孔铆接方法；

图4a至图4d展示了出于对比的目的而准备的两个铆接接头的剖视图：图4a和图4b展示了根据现有技术的自穿孔铆接方法，并且图4c和图4d利用了根据本发明第三种实施方式的自穿孔铆接方法；和

图5a是根据本发明的接头的剖视图，展示了设计为防止或阻止铆钉孔内的舌状材料移出的铆钉的上部；

图5b为图5a的接头的上部的放大试图；和

图5c是展示用于制造图5a和图5b中接头的方法的实施方式的示意图。

具体实施方式

现在参照附图中的图1，展示了通过自穿孔铆钉形成在三层高强度铝合金(6111-T4)板材堆叠中的接头。

在此特定的实施例中，利用美国专利No.6,951,052中描述的那种电动铆钉镦入件和使用US 6,742,235中描述的夹持方法(clamping regime)将所述铆钉插入。利用最大深度为1.8mm、直径为10mm的模具形成所述接头。镦入速度为350mm/s。

所述铆钉大致为圆柱形并且完全中空，即，所述铆钉具有两端均开口的中心孔和5.3mm(+/-0.1mm)的外直径以及3.2mm(+/-0.1mm)的内直径。在所述铆钉的上段，所述铆钉具有在其外边缘处的由环形凸起限定的沉头部，以提供增加的7.75mm的直径，从而为铆接工具的驱动冲头的接触提供足够的面积。所述孔的内部在头部端机械镀层至大约0.5至1mm的短距离。所述孔也被沿其整个长度被镀层，且具有润滑剂干膜，通过将所述铆钉蘸入液体形式的润滑油中，然后所述铆钉在离心机等中旋转以除去多余的液体，并允许所述润滑剂干燥成膜以形成所述润滑剂干膜。一种可商业应用的润滑剂的示例为能够从德国凯撒斯劳腾的福斯润滑科技集团获得的Gleitmo 625。

通过简单的肉眼观察图1中的图像，可以看出，已经产生了满意的接头。特别地，所述铆钉展示了足够的柱强度，并未表现出不对称或局部塌陷。所述铆钉已经穿过上层板材和中层板材，但并未穿过最下层板材，藉此，所述铆钉联锁充分，从而产生牢固的接头。图1中所示的测量尺寸0.44mm表示了联锁的程度。没有证据表明第二层板材穿透最下层板材。所述接头中的最下层板材的厚度显示为0.71mm，该尺寸被认为是满意的深度。可以看出，铝材料已经流动至所述孔的顶部。润滑剂用于减少所述铆钉在镦入操作的过程中由摩擦力引致的应力，从而允许板材流动至所述孔的顶部。在所述铆钉的插入过程中，形成为进入所述模具内的材料“按钮”并未被撕裂或断裂。结果不仅是所述接头外观可被接受，并且确保了所述孔在头部一端的暴露部分被限定在镀层所提供的防腐深度。没有润滑剂时，已经发现同一铆钉将承受更大的应力，并且将趋于被压缩，从而导致在最终的接头中形成不对称的形状。此外，所述板材仅从所述铆钉孔内向上流动一部分，从而使得所述接头易于腐蚀。

利用这种类型的完全中空的铆钉提供了相对较大的孔容积，该较大的孔容积能够容纳较大比例的被移除板材。这允许使用相对较浅的模具，降低了中间层板材被下拖并穿过最下层板材的趋势。此外，这种板材环绕包覆所述铆钉的穿刺端的趋势被降低。在图1中所示的特定的实施例中，完全中空的铆钉能够比传统的自穿孔铆钉多容纳81％的移除材料。

图1中的具有5.3mm的外直径和3.2mm的内直径的杆部的跨过直径的厚度为2.1mm，即，杆壁的径向厚度为1.05mm。这种没有封闭所述孔的材料腹板的铆钉柱强度明显降低，这被认为不足以与厚度堆叠的高强度铝或其他高强度轻质合金结合小容积模具一起使用。然而，已经证实的是，通过这种几何形状的铆钉、小容积的模具和润滑油的结合，可以利用惊人小的镦力能够产生具有满意质量的接头。较低的力还意味着下层板材的材料可以嵌入且保留在所述模具中的可能性被降低。

可理解的是，所述模具的深度和直径可以根据所述铆钉的尺寸而改变。特别地，所述模具可以具有最大深度在0.5mm至2.0mm之间的模腔。已经证实的是，所述模具的容积可以为所述铆钉的有效固体体积的60％或者甚至70％或更少。

出于与图1中的接头对比的目的，图2a至图2f展示了在与传统的、局部中空的铆钉具有相同类型和厚度的板材中生产出的接头，在所述铆钉中，铆钉孔仅在所述铆钉的杆部中延伸一部分，从而在铆钉头部的下方留出材料腹板。

在图2a中，所述铆钉长度和硬度与图1中相同。利用与图1中相同的方法、相同的模具和镦入速度制成所述接头。可以看出的是，由于所述铆钉在所述接头中不对称地变形，所以所述铆钉不具有足够的柱强度。已经证实的是，这是因为所述孔在所述铆钉插入过程中过早被填满，使得所述铆钉变形和压缩。这导致显著降低联锁，尤其是本实施例中的左手侧显著降低。如箭头A所示，中层的板材被推动穿过最下层的板材，从而提供了湿气入口的通道，并且提供了铆钉腐蚀的可能性。与图1中所示的接头不同，所述头部没有完全与所述上层板材的顶表面平齐，需要更大的镦入力。然而，镦入力的增加将不会解决柱强度不够的问题。本领域技术人员能够理解的是，增加镦入力通常是不理想的或者不实际的。特别地，如说明书的开始部分所描述的，这种增加涉及更大的能量消耗，使用潜在的更大的力能量的铆接工具需要大机器人和更高的费用。此外，简单增加所述镦入力将仅用于增加铆钉塌陷或不对称变形的趋势。

在图2b中，与图2a中的接头相比改变的参数仅为模具深度增加至2.5mm，以致力于容纳更多的移除的板材。可以看出的是，所述铆钉再次具有足够的柱强度，以承受被推入所述孔中的材料的量，尽管铆钉开始不对称地变形。模具深度的增加导致了制作纽扣(见箭头B)，并且未降低中间层板材被推动穿过下层板材的趋势(见箭头C)。这两种缺陷均提供了潜在的腐蚀源。发明人已经意识到的是，当使用具有较低延展性的板材(诸如，较高强度铝合金)时增加所述模具的深度不会改进所述接头。

在图2c中，与图2a中的接头相比，改变的参数仅为所述铆钉的硬度水平增加。可以看出的是，所述铆钉表现出增加的柱强度，但是某些不对称仍然明显。中间板材再次被推动穿过最下层板材。所述铆钉在最下层板材中提供最小的联锁，并且所述头部高出于最上层板材的上表面，这表明必须需要更大的镦入力(如上所述，对于本领域技术人员明显的是，这是不希望的)。在很多应用中，这种接头仍然不被认为是满意的。

现在参照图2d和图2e，与图2a中的接头相比，改变的参数仅为所述铆钉由于较厚的腿而表现出的增加的柱强度。图2d为和前面一样的剖视图，但是图2e为最下层板材(在所述接头被完全剖切以产生图2d中的剖视图之后)的平面图。中间层板材被下拖，使得中间层板材环绕包覆穿刺端但并未被穿透(见箭头D)。这导致联锁不充分。铆钉头部仍然保持为在上层板材之外，再次表明了需要更大的镦入力以将所述铆钉镦平。从图2e中的箭头E可知，所述孔减小的容积还导致了中层板材被推动穿过最下层板材。

本发明也应用于铝合金薄板堆叠的场合。图3a展示了两层铝合金NG5754中产生的接头，每层板材的厚度为1.5mm。在此堆叠中，大部分被移除的板材能够被容纳在所述铆钉的孔中，并且因此利用大致平整的模具形成所述接头，导致在所述材料的模具侧不会出现扭扣。所述铆钉是完全中空的，并且杆部的外直径为3.35mm(+/-0.1mm)，以及孔直径为2.1mm(+/-0.1mm)。可见，所述接头实际上在上表面和下表面都是平齐的，这对于某些接头(例如，那些在精加工件中尤其突出的接头，或者最下层板材的平面外变形和/或整个接头不能被容纳或者将不再视觉可接受的接头)是尤其理想。最下层板材的最小厚度为0.37mm，在大部分应用场合，这被认为处于理想的接头的边界之内。

为了对比，图3b展示了在汽车工业中使用的用于这种材料的标准接头，并且该标准接头利用可比较的传统的部分中空铆钉形成。将看到的是，所述接头的模具侧具有明显的纽扣变形。

图4a至图4d展示了可锻镁合金AZ31B-0中产生的接头。这种材料延展性特别低，并且因此难以利用自穿孔铆接方法连接。图4a(平面视图)和图4b(剖视图)中展示的第一种接头利用部分中空铆钉和深度为1.6mm的模具形成。所述铆钉的内孔已经通过与图1中的接头所使用的铆钉相同的方式进行了润滑。通过箭头F和箭头G可以看出，纽扣表现出断裂和撕裂，使得所述接头易于腐蚀。此外，在所述接头中缺少联锁，使得所述接头相对较弱。已经发现的是，简单地减小模具容积以试图减小所述纽扣的尺寸导致了铆钉塌陷或者导致了在接头中铆钉并未与上层板材的上表面平齐。相比之下，如图4c和图4d所示，利用完全中空的铆钉和最大深度为0.75mm的小容积模具形成了成功的接头。所述纽扣中没有明显的断裂或撕裂，并且所述铆钉的穿刺端也穿过了上层板材，同时变形充分以提供下层板材中较好的联锁。

在本发明的方法中，使用完全中空的铆钉允许使用与现有技术中所使用的自穿孔铆接法相比容积明显小的模具，而不用担心铆钉塌陷或不对称变形。当利用传统的铆钉连接相同的板材时，这种低容积模具将被视为太小。在本发明的方法中使用的模具的容积可在任何处都比传统的自穿孔铆接工艺中使用的模具容积低30％至100％之间。

模具任何处的体积都可以为相等的铆钉实体体积的0％至60％或者甚至70％之间(即，所述铆钉具有与形成本发明的接头锁使用的完全中空铆钉相同的尺寸，但是并不完全是实心)。与(利用部分中空铆钉的)传统的自穿孔铆接工艺相比，这通常为超过等同实心铆钉体积的60％。

例如，在一种实施方式中，所述模具可以具有最大深度2mm，并且直径为10mm。

可以使用任何合适的润滑剂，例如润滑剂干(固体)膜。可以沿所述铆钉孔的整个长度或者仅在铆钉孔的一部分上施加润滑剂。在一些应用场合中，还可以在所述铆钉杆部的外表面施加润滑剂。

采用杆部外直径为5.3mm的完全中空铆钉的优点在于，可以使用标准的铆钉镦入件、模具、铆钉供给件以及其他的用于形成自穿孔铆接接头的工具。这意味着可以使用相同的设备插入传统的部分中空的铆钉和完全中空的铆钉。

可以利用明显比传统铆钉低的镦入力形成根据本发明的接头。此外，在最终的组装产品中，所述铆钉提供了减小的重量，并且通过形成减小的扭曲允许在受限的区域(例如，窄凸缘)内形成接头。

本发明的方法中使用的铆钉的杆部外直径可以小于5.3mm(+/-0.1mm)。此外，可以用于连接厚度为3mm或更小(包括厚度为1mm)的堆叠。

在所述铆钉上使用润滑剂意味着当使用较低容积的模具时，甚至当所述铆钉具有沉头部时，都可以利用标准的或传统的小于50kN的镦入力形成所述接头。当镦入这种铆钉时，镦入力的大部分被用于将所述头部埋入上层板材，从而确保头部大致与上层板材的上表面平齐(参见图1)。

在工业中可识别术语“轻金属合金”，并且在此处使用表示镁、钛、铍或高强度铝合金，上述轻金属合金均具有较低的密度和高的强度重量比。

可锻镁合金的极限抗张强度(UTS)通常在180-440MPa的范围内，而高强度铝合金通常在330-600MPa的范围内。

图5a至图5c展示了上层板材的舌状材料(slug)11如何保留在铆钉的孔中。图5b为图5a的上部的放大图，并且展示了铆钉的内表面在上端限定有环形槽12。所述舌状材料向下变形，以占据所述槽，从而防止该舌状材料被从所述孔的上端移除。在所示的实施方式中，所述槽为环形，但将理解的是，所述槽也可以是部分环形，或者采用其他任何合适的形状。

在这个示例性的实施方式中，利用堆叠四层高强铝合金AC600-T4材料形成接头，上层板材相对较薄(0.9mm)。接下来的一层厚度为2mm，并且其他两层板材的厚度为3mm。如前，利用美国专利No.6,951,052中描述的电子铆钉镦入件和US 6,742,235中描述的夹持方法将所述铆钉插入。利用最大深度为1.8mm且直径为10mm的模具形成所述接头。镦入速度为350mm/s。

图5c展示了利用具有凸起14的冲头13(将铆钉插入)使用相同的铆钉形成的接头，以促使舌状材料进入槽12中。

在一些应用场合中，所述模具的容积可以为铆钉的有效实体体积的60-70％。

Claims (22)

1.一种利用自穿孔铆钉在至少两层板材的堆叠中形成接头的方法，所述板材中的至少一层为轻金属合金，所述方法包括以下步骤：在模具上方定位所述板材；提供大致圆柱形的自穿孔铆钉，所述自穿孔铆钉为完全中空，以限定沿所述铆钉的整个长度延伸的孔，至少在所述铆钉的孔的一部分上涂覆有润滑剂；将所述铆钉定位在所述板材上方的与所述模具相对的位置；利用冲头以镦入所述铆钉并迫使所述铆钉进入所述板材，使得所述铆钉穿透所述板材的上表面，并且使得所述铆钉的杆部向下变形，以与所述板材联锁而不穿透至所述板材的模具侧；其中，所述铆钉具有外直径为5.4mm或更少的杆部；并且所述模具的容积为所述铆钉的有效实体体积的60％或更少。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述板材的极限抗张强度在50-600MPa的范围内。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述板材的极限抗张强度在180MPa-600MPa的范围内。

4.根据权利要求1，2或3所述的方法，其中，所述模具具有最大深度在0.5mm至2.0mm范围内的模腔。

5.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，板材的所述堆叠的厚度为至少6.0mm。

6.根据权利了要求1至5中任意一项权利要求所述的方法，其中，板材的所述堆叠的厚度为至少1.0mm。

7.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述铆钉沿该铆钉的孔的整个长度上涂覆有润滑剂。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述铆钉在该铆钉的杆部的外表面的至少一部分上还镀有润滑剂。

9.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述润滑剂为干膜。

10.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述板材为极限抗张强度在330-600MPa范围内的高强度铝合金。

11.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述板材为极限抗张强度在180-440MPa范围内的可锻镁合金。

12.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述铆钉的所述孔的直径为至少3.1mm。

13.根据权利要求1至11中任意一项所述的方法，其中，所述杆部的外直径为3.36mm或更少。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述铆钉的所述孔的内直径为至少2.0mm。

15.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述铆钉具有沉头部。

16.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述铆钉在所述孔的上部具有至少一个成型结构，所述方法包括允许所述板材变形，使得来自上层板材的舌状材料以及所述孔的内侧与所述成型结构接合。

17.根据上述任意一项权利要求所述的方法，其中，所述成型结构包括槽或凹部。

18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括利用冲头将所述铆钉插入所述板材中，所述冲头具有与所述舌状材料接触的凸起，以将所述舌状材料朝外变形。

19.一种用于制造部件或产品的方法，该方法包括利用权利要求1至18中任意一项所述的方法形成接头。

20.一种利用自穿孔铆钉在至少两层板材的堆叠中形成接头的方法，所述板材中的至少一层为轻金属合金，所述方法包括以下步骤：在模具上方定位所述板材；提供大致圆柱形的自穿孔铆钉，所述自穿孔铆钉为完全中空，以限定沿所述铆钉的整个长度延伸的孔，至少在所述铆钉的孔的一部分上涂覆有润滑剂；将所述铆钉定位在所述板材上方的与所述模具相对的位置；利用冲头以镦入所述铆钉并迫使所述铆钉进入所述板材，使得所述铆钉穿透所述板材的上表面，并且使得所述铆钉的杆部向下变形，以与所述板材联锁而不穿透至所述板材的模具侧；其中，所述模具的容积为所述铆钉的有效实体体积的70％或更少。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述模具的容积为所述铆钉的有效实体体积的60％或更少。

22.一种用于制造部件或产品的方法，该方法包括利用权利要求20或21所述的方法形成接头。