CN105598566B - 板材连接方法及汽车车身或底盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种板材连接方法，包括如下步骤：第一步：选择与第一板材焊接的半空心铆钉；第二步：将铆钉铆入第二板材，在模具压力下变形形成接头，半空心铆钉的腿部伸出第二板材，在受力后压缩至杆部并与杆部挤压而分别向内、外侧延展形成为接头的不平整的第二表面，第二表面包括腿部向内延展的部分所形成的内凹的等弧度的弧面和腿部向外变形的部分所形成的从内向外逐渐变薄并紧贴第二板材的边缘部；第三步：将第一板材放在第一表面上；第四步：将放置好的第一板材与接头通过点焊焊在一起。优点在于，半空心铆钉需要的压力小，可采用现有的压机；等弧度的弧面，可与电焊头形成稳定的接触，提高点焊的质量，并可减少电焊头的磨损。

Description

板材连接方法及汽车车身或底盘

技术领域

本发明涉及一种板材连接方法及汽车车身或底盘，尤其涉及一种将相互不能焊接的板材进行连接的方法，通过使用独特结构的半空心铆钉形成焊接性能良好的接头，提高连接的剪切强度。

背景技术

许多现代汽车的车身和底盘(发动机和主变速箱除外)是通过钢与铝、镁、纤维复合材料等比较轻的材料制成的部件组装而成。

由于汽车轻量化以及制造成本降低的要求使得汽车由不同材料混合制造的趋势不断加强。合适的材料应该被使用在合适的位置上，从而在汽车重量和制造成本之间达到一个最好的平衡。

为了实现不同材料之间的连接，近些年来已经开发出许多种方法。这其中有粘接，自冲铆接，冲压连接(例如TOX连接和Clinch连接，其原理是圆柱形凸模将要连接的不同材料挤入凹模中并迫使材料在凹模侧内流动变形，从而形成连接)，以及由以上方法混合起来而实现的连接方法。

综上所述，为了实现多种不同材料之间的连接，往往在汽车组装过程中必须使用更多新的连接方法，因此，必须使用新的特殊设备，增加了新设备的投资，并增加的新工序，从而提高了制造成本。这个情况大大地阻碍了混合材料结构在汽车中的实现。

因为在传统的汽车装配生产过程中主要使用的设备是点焊机，使相互连接的材料之间通过电阻焊的方式形成焊点。一个白车身有大约2000到6000个焊点。除了点焊机之外，还有活性气体保护电弧焊(MIG)/惰性气体保护焊(MAG)和激光复合焊机。但是它们只能用于焊缝连接，并且只能从单侧焊接部件。这样，如果使用钢与铝或其它轻量化的材料制造车身，并使用以上所述的诸如粘接、自冲铆接、冲压连接等方法，则必须采用更多的设备使钢与铝或其它轻量化的材料进行连接，故必须对于汽车组装车间进行大量投资，从而使轻量化汽车的成本大大增加。

为了解决不同种材料之间使用现有点焊机进行连接问题，典型的如铝板材与钢板材之间的连接问题，工程技术人员进行了多种尝试。以下简单介绍发明人所了解的现有技术。

现有技术一：德国专利文献DE10015713A1公开了一种方法，一个全实心的工字形钢铆钉被加入一个铝板，此工字形铆钉夹在该铝板上，然后，这个铝板通过该钢铆钉与另一个钢板通过点焊连接起来，此工字形铆钉的两面都是平整的。但是，此文件没有说明如何将钢铆钉加入一个铝板并产生带两个平整表面的工字形，实际生产中，通过现有的铆钉铆接技术无法制作此种形状的铆钉。此形状的铆钉有可能通过对全实心的钢杆进行高压挤压，比如锻造成型才能制成。高压挤压需要极高的力并且在大多数情况下由于铆钉下端与凹模接触部分材料在变形中产生堆叠或者在向周围展开时形成裂痕从而无法形成如DE10015713A1所描述的极其平整的表面。汽车零部件之间一般需要通过几个到几十个焊点相连，也就需要在零件中加入相应几个到几十个铆钉。该文献所公开的技术方案在实现时存在如下困难：用于汽车钣金件加工的普通冲压机里无法得到锻造成型所需要的力。如果用此方法，需要极大地增加压机的压力。汽车公司必须额外购置提供极大压力的压机才行。此外，此方法对于铆钉的尺寸和几何要求没有任何设定，按照此文献所公开的方案，本发明的发明人和其它人的研究表明，在一般情况下，如果用普通的自冲铆钉，虽然可以产生一个类似的连接，但是，在此基础上进行的点焊结果表明，此种连接的强度小于自冲铆钉的连接强度(请参考RIVSET Stanzniettechnik für perfekte Verbindungen网址：http://www.boellhoff.de/en/de/site_services/downloadcenter.php；H.Rudolf,T.Broda,M.Bielenin，C.Kotschote und Y.Yang,von Al～Stahl～Blechverbindungen für den Karosseriebau，DVS，2012)。其原因是由于焊接时铝板易受热熔化，导致其连接质量极其不稳定，因此其连接的强度及稳定性较差。

综上所述，德国专利DE10015713A1中描述的方法虽然可以避免在焊接过程中必须使用更多新的连接方法和设备，但是却反过来要求在钣金件加工时使用更大吨位的冲压机来实现将铆钉墩粗，从而大大降低了经济可行性。因此，该专利自2000年申请以来，申请人也没有提出对发明进行实际审查的要求，一直没有得到实际应用。

现有技术二：欧洲专利文献EP2127797A1(公开日2009年12月2日)描述了另外一种连接方法。首先，将一个T字形的钢铆钉加入一个铝板，其中，该T字形钢铆钉的铆钉杆上细下粗，铆钉的头顶部下端有一个凹槽；其次，通过压机和模具使用钢铆钉将铝板切孔，之后通过上下模具的挤压，使铝板与铆钉夹紧，铆钉被固定在铝板上；最后，将带铆钉的铝板与钢板通过点焊连接起来。此时，铆钉与钢板之间的连接点(焊点)在铆钉的下方(也就是铆钉杆的端部)，其中的T字形铆钉的两面都是平整的。其存在的主要缺陷有：要实现铆钉的两面都是平整的，需要较大的压机压力；而铆钉要对铝材进行较大的挤压变形，填充凹槽部分，以将原本空隙的部分变成实心部分，实现铝材与铆钉之间的连接，也需要较大的压力；此外，由于铆钉的头顶部下端设有一个凹槽，使得铆钉的头顶部分变得较厚，从而降低铆钉与钢板工件的焊接能力；同时要求铆钉杆的直径变大，以保证点焊时焊点的直径达到要求的尺寸，从而增加整个组装件的重量。另外，由于此方法的变形机理，铝板的下侧会局部变薄，使零件的力学性能减弱。根据实验测量，使用EP2127797A1所公开的方法所得到的连接件的十字拉伸测试失效力只有2kN。

现有技术三：德国专利文献DE4237361C2(公开日1996年9月19日)也提供了一种连接方法，在铝板中加入一个实心的铆钉，然后，通过铆钉与下面的一个钢板工件通过点焊连接起来。其特点是：铆钉的头部的边缘设有尖的凸起，以嵌入铝板并与之固定；铆钉的尾部设有凸焊点以便与钢板焊接连接。其缺陷是：其提供的几种方案中，铝板与铆钉之间无固定连接或者只有其突出的凸起与铝板依靠摩擦连接，这样加入铆钉的铝板在运输过程中，铆钉容易脱落；此外，此方法如果用于连接纤维复合材料，其铆钉的尖的凸起点会对材料中的纤维造成切断和表面损伤，使连接性能降低。

现有技术四：欧洲专利文献EP0967044A2(公开日1998年6月25日)中的方法与上述DE4237361C2中的方法类似，也是通过在铝板内加入铆钉，而后将铆钉与钢板焊接的方式，只是提供了不同形状的铆钉可供选择。这两种方法都不能有效保证在通过冲压制造钣金件时加入的铆钉在之后的运输过程中不会脱落。因此，为了防止铆钉在运输过程中脱落，其改进方案一般是在制造钣金件时将相应的孔打好，先不加入铆钉，在焊接时才加入铆钉。加入铆钉后通过点焊将铆钉与下面的钢板件焊接起来。由于铆钉是在焊接时加入到零件中的，焊接设备必须增设铆钉传输设备。而且在焊接过程中还需要加大焊钳的压力，使其与焊接时产生的高温结合而将铆钉杆部变形，从而填满铆钉杆与孔之间的缝隙。这个方法虽然可以使用点焊方法，但是却因为焊钳的压力的大大增高而要求高刚度、高强度的焊钳，因而可能会增加焊接机器人的承载力和费用。此外，如果工件用于连接的凸缘位置不是水平设置，而是竖直或其它角度设置，铆钉很容易脱落，从而使生产线停工。

现有技术五：德国专利文献DE102010053608A1(2012年6月14日)也公开了一种连接方法，使用实心铆钉铆入铝板(或者其他不能与其焊接的材料)中，铆钉铆入后在模具的作用下，其铆钉头的一端为平整的平面，另一端变形为不平整的平面，将其平整的一端与钢板(或能与其焊接的其他材料)通过点焊焊接。其缺陷是：第一，将铆钉铆入铝板并与其固定连接，需要较大压力使铆钉变形；第二，铆钉充当焊接材料在与钢板点焊时，在焊接压力作用下，其不平整的平面使与其接触的电极容易发生磨损。

现有技术六：采用半空心自冲铆钉来实现自冲铆接是一种常见的技术。典型的方案如万淑敏等在《半空心铆钉自冲铆接的工艺参数及铆接质量的判定》(载天津大学学报2007年4期)所描述的。半空心自冲铆钉有以下特征，它是半中空的，用于连接两种材料时，自冲铆钉在强压力下切入材料，穿过第一个材料后，在凹模和第二个材料的挤压下，其铆钉的腿部分开进入第二个材料，形成力和形状式的连接，从而将两个零件，比如铝板，或是钢板和铝板连接起来。当连接钢板和铝板时，由于它们间的电位不同，常常要在它们之间涂上粘胶，以免产生接触式腐蚀。当半空心自冲铆钉冲入一个材料时，它的一面是平整的，由于加入材料时产生的变形以及凹模作用，它的腿部会叉开。此种连接方法有三方面的缺陷：第一、自冲铆钉在自冲过程中会对工件造成破坏，尤其会对韧性较差的金属造成较大的破坏；第二、与点焊相比，由于冲压过程中不可避免地对工件有所破坏，使用自冲铆钉需要设置比点焊较为宽的凸缘，才能达到相同的连接强度，这样会造成工件横截面变小，削弱了使用铝材而实现轻量化的效果；第三，铆钉在铆入钢板等硬度较大的板材时需要较大的压力，需要增加设备的压力，增加生产成本。

现有技术七：国际专利申请WO002012041515A也公开一种采用实心铆钉作为焊接材料的方案。实心铆钉铆入铝板时，其腿部向外侧变形与铝板形成卡接，实心铆钉的头部与钢板焊接。并且，现有技术七中的铆钉只有一面包住铝板，而另一面没有，所以也存在铆钉容易脱落的问题，并且由于两个不同材料的板材直接接触，存在容易产生接触性腐蚀的问题。

现有技术八：德国专利文献DE102004025492A1也公开一种采用实心铆钉作为焊接材料的方案，其特点是：铆钉头设置有很多尖，通过焊接电极在铆钉和铝板上施加电流和力，然后通过电流加热软化铝板，最后通过尖锐的铆钉头穿透铝板。其缺点主要是：(1)需要使用全新的焊接设备；(2)需要较大夹紧力和高强度的焊钳；(3)由于铆钉在焊接之前未与板材连接，需要增设额外的铆钉输送设备，因此不能使用现有设备进行生产。

现有技术九：德国专利文献DE102005006253A1公开了一种采用带头的螺栓作为焊接材料的技术方案，螺栓头从一侧与板材卡接，螺栓杆的另一端与另一个板材焊接，螺栓杆在焊接过程中被挤压变形。其缺陷与采用实心铆钉进行连接的情形类似：(1)必须在钣金件上打孔，增加工序；(2)螺栓不是在钣金件制造时加入，在焊接时才将螺栓加入，需要增设额外的传输设备；(3)在焊接时需要施加很大的力，与焊接时产生的热相结合，将螺栓锻造变形与钢板焊接。由于需要的力太大，从而必须使用特殊焊钳。

现有技术十：德国专利文献DE102007036416A1公开了一种技术方案，现有技术十与现有技术七类似。现有技术十同样需要在焊接时施加较大的力并且与电流产生的热相结合而将铆钉变形，从而卡住铝板，然后在铆钉的另一端与钢板焊接。同样存在着不能使用现有的设备生产，需要增加铆钉运输设备和焊接设备的缺点。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是：提供一种使用常规的焊接设备(例如点焊机)连接两种或两种以上不能相互焊接的板材(如钢和铝、镁或者合成材料)的连接方法，并提高其连接强度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种板材连接方法，所述板材至少包括第一板材和第二板材，包括如下步骤：

第一步：选择其材料能与其中的第一板材焊接的半空心铆钉，所述半空心铆钉包括实心的头部、杆部与设有空腔的腿部；

第二步：将所述半空心铆钉铆入第二板材，在模具压力下变形形成接头，所述半空心铆钉的头部的表面形成为所述接头的平整的第一表面，所述半空心铆钉的腿部伸出所述第二板材，在受力后被压缩至所述杆部并与所述杆部挤压而分别向内、外两侧延展形成为所述接头的不平整的第二表面，所述半空心铆钉的形状满足在所述模具的压力下使所述第二表面包括所述腿部向内延展的部分所形成的内凹的等弧度的弧面和所述腿部向外变形的部分所形成的从内向外逐渐变薄并紧贴所述第二板材的边缘部；

第三步：将可与接头焊接的第一板材放在所述第一表面上；

第四步：将放置好的第一板材与接头通过点焊焊在一起，点焊焊头电极的表面曲率、深度与所述接头的第二表面的曲率、深度相配合。

作为优选方案，所述半空心铆钉的杆部的厚度为所述第二板材的厚度的1.1～1.4倍；其空腔的深度为杆部直径的50％～65％，腿部的厚度为杆部直径的10～20％。

作为优选，所述半空心铆钉的杆部直径为5～6mm。

作为优选，所述接头呈不对称的“工”字形；所述第二表面的弧面的曲率半径在10～14mm之间，所述弧面中心凹下的深度小于0.8mm。

作为优选，所述第二步中，所述半空心铆钉的腿部发生变形时与杆部挤压使其杆部发生横向延展并挤压与杆部接触的第二板材，使第二板材与杆部接触部位的横截面形成椭圆状的角。

作为优选，所述接头的第二表面的横向尺寸为所述半空心铆钉的杆部直径的1.8～2.2倍，并且不小于10mm。

作为优选，所述第二步中，在植入铆钉之前，在第二板材中制铆钉孔，铆钉孔的直径比铆钉的杆部直径大5％～20％，铆钉可以容易地被加入。

作为优选，所述半空心铆钉在形成接头后，其杆部直径增加了10～30％。

作为优选，所述第二板材为两层或多层结构。

作为优选，所述半空心铆钉的头部具有0.5～1.5mm的厚度，使第一板材与第二板材之间形成缝隙，涂漆可以进入两个板材之间的缝隙，防止产生接触性腐蚀。

作为优选，所述第一工件的材料为钢或铝，所述第二工件的材料为不能与第一工件焊接的金属材料或非金属材料。所述非金属材料特别包括纤维复合材料。

本发明还提供了一种汽车车身或底盘，所述车身和底盘包括至少两种相互不能焊接的材料，所述相互不能焊接的材料之间通过如上所述的板材连接方法相互连接，从而可以使用生产单一材料的车身、底盘时所使用的点焊设备。

与采用实心铆钉作为焊接材料的方案相比，本发明的板材连接方法具有如下几个方面的有益效果：

(1)半空心铆钉更容易铆入轻量化的第二板材(第二板材往往是铝材或者非金属材料，例如纤维复合材料)，从而可以降低对生产线上的压力的要求，并采用现有生产线上所使用的压机。

(2)特殊结构的半空心铆钉在铆固于第二板材上时，其腿部变形所形成的较大的第二表面，可提高与第二板材之间的连接强度；接头的第二表面中的等弧度的弧面，可与电焊头形成稳定接触，提高点焊的质量，并可减少电焊头的磨损。

(3)由于半空心铆钉在铆固于第二板材时，发生横向延展，扩大了铆钉的直径，焊接时可用的铆钉材料在不增加初始的铆钉杆部直径的条件下变大，一方面可提供更多的空间，以形成较大的焊点，而不对周围材料通过热影响区产生破坏，另一方面通过挤压第二板材与其形成更为稳固的连接。

(4)可以使用同样的焊接生产线生产两类车身、底盘，比如，第一种为全钢的汽车车身、底盘，第二种为钢铝混合材料的汽车车身、底盘。在共线生产时，只需更换点焊的焊头，调整焊接的参数，其余设备条件一切不变。

(5)本发明的方法所形成的工件的连接力大于传统的自冲铆钉。

(6)使用此方法连接钢与纤维复合材料制成的工件，除了打孔时以外，此方法不会对纤维产生不良影响。

附图说明

图1为本发明的板材连接方法所使用的半空心铆钉的剖面示意图。

图2为图1所示的半空心铆钉的尺寸标注示意图。

图3为本发明的板材连接方法所使用的半空心铆钉开始铆入第二板材时的示意图。

图4为图3中的半空心铆钉的腿部变形过程的示意图(为清晰起见，部分模具未加剖面线)。

图5为半空心铆钉的腿部变形后形成的接头与第二板材铆固的结构示意图。

图6为在图4中的接头的平整的第一表面上放置第一板材的结构示意图。

图7为焊接过程示意图。

图8为焊接完成后形成的两个板材相连接的结构示意图。

图9为半空心铆钉的杆部的厚度过大时所形成的接头示意图(为清晰起见，图9、图10和图11中均省略剖面线)。

图10为半空心铆钉的腿部过长时形成的接头示意图。

图11为半空心铆钉的腿部过短时形成的接头示意图。

图12为当第二板材为两层结构时与半空心铆钉铆固时的示意图。

图13为铝材料的汽车底板与钢材料的汽车后纵梁采用本发明的连接方法的连接形成的组合件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

首先需要指出的是，本实施例中，欲连接的板材为两个，包括第一板材和第二板材。以第一板材为钢板，第二板材为铝板，半空心铆钉为钢材质为例进行说明。其中，第二板材还可以为其他轻金属板材或者非金属板材，半空心铆钉的材料只要满足能够与第一板材进行焊接的要求即可。本领域的技术人员可根据实际需要改变其材料，只是必须满足半空心铆钉与第一板材能够进行焊接。本发明主要是为了解决不能焊接的两个板材之间的连接问题，显然本发明的连接方法并不限于相互不能焊接的板材之间的连接，相互能够焊接的板材，也可以采用本发明的连接方法进行连接。根据与铆钉焊接的材料的不同而选择相应的铆钉材料。

以下结合图1～图8说明本实施例的板材连接方法，其中的板材包括相互不能焊接的第一板材3和第二板材2，所述板材连接方法包括如下步骤：

第一步：如图1～图8所示，选择其材料能与其中的第一板材3焊接的半空心铆钉10。当第一板材3为钢材时，选取钢质的半空心铆钉10。如图1所示，本实施例所使用的半空心铆钉10包括实心的头部11、杆部12与设有空腔15的腿部13，特别指出的是，由于用途不同，本发明所使用的半空心铆钉10的结构大大异于现有技术中用于铆接的半空心铆钉。

第二步：如图3、图4和图5所示，将半空心铆钉10铆入不能与其焊接的第二板材2，在模具的作用下，半空心铆钉10的腿部13受力后变形，形成接头1。其中，半空心铆钉10的头部11的表面形成为接头1的平整的第一表面18，半空心铆钉10的腿部13伸出第二板材2，所述半空心铆钉10的形状满足在所述模具的压力下使腿部13在受力后压缩至杆部12并与杆部12挤压而分别向内、外侧延展形成为接头1的不平整的第二表面19，第二表面19包括腿部13向内延展的部分所形成的内凹的等弧度的弧面和腿部13向外变形的部分所形成的从内向外逐渐变薄并紧贴第二板材2的边缘部191。

第三步：如图6所示，将可与接头1焊接的第一板材3放在接头1的第一表面上18。

第四步：如图7所示，将放置好的第一板材3与接头1通过点焊焊在一起，点焊的焊头电极7的表面曲率、深度与接头1的第二表面的弧面的曲率、深度相配合。如图8所示，经过焊接，接头1与第一板材3之间形成焊点，图8中示出了焊点的熔化区域4和热影响区域5。

本实施例要求半空心铆钉10的形状满足其铆固变形后所形成的接头1的第二表面19的中部形成内凹的等弧度的弧面的形状，其主要优点是，等弧度的弧面可与电焊头形成稳定的接触，提高点焊的质量，并可减少电焊头的磨损。为了达到此要求，显然，如图4所示，与半空心铆钉10的头部接触的上模具400应该是平整的，与半空心铆钉10的头部接触并施加压力，与半空心铆钉10的腿部13(图4中的腿部13处于变形过程中，仍以标记13标出)接触的下模具300具有特殊的面，其与半空心铆钉10相接触的面包括用于形成上述内凹的等弧度的弧面的等弧度凸面301和用于形成边缘部191的凹面302以及与最边缘的平面303，平面303在半空心铆钉10变形末了贴在第二板材2上。下模具300的等弧度的凸面301，以及凹面302和平面303大致以图4中的点划线为界。

在使用上述模具的情形下，为了满足半空心铆钉10的腿部被挤压变形后向内形成等弧度的弧面，向外延展形成对第二板材2形成固定的边缘部191，需要使半空心铆钉10的几何结构满足一定的条件。由于使用目的不同，本发明所使用的半空心铆钉10的结构大大异于常规的半空心铆钉，需要使用特殊结构的半空心铆钉。换句话说，本发明只是借用了现有技术中的“半空心铆钉”的名称，实际上本实施例使用的铆钉并不适合用于单纯的铆接，而适合兼做为铆接和焊接材料。为了达到此使用目的，半空心铆钉10需要满足两方面的条件：(1)半空心铆钉10的杆部12的厚度T与其要铆接的第二板材2的厚度δ之间存在一定的比例，也就是T/δ应在1.1～1.4之间。(2)空腔15的深度h为杆部直径d1的50％～65％，腿部13的厚度s为杆部直径d1的10～20％。

以下结合附图说明此两方面的参数对半空心铆钉结构和性能的影响。如果杆部12的厚度T不在此范围内，太大或太小，则会如图9所示，所形成的接头1’无法形成等弧度弧面，会在表面形成褶皱140，并且不能形成完整的边缘部191。当杆部12的厚度T过小时，虽然腿部13的外侧可能形成较为良好的边缘部191，但其内侧不能形成等弧度的曲面，因为腿部13变形向空腔底部堆积的部分不足以与空腔底部相挤压而形成等弧度曲面。腿部13变形部分与空腔底部的交界处还可能会因挤压形成褶皱。

此外，当杆部12的厚度T过大时，腿部13的内侧与空腔底部挤压完毕时，其外侧尚未充分延展至与第二板材2充分接触，所形成的边缘部191与第二板材2之间留有空隙，其横向尺寸也较小，降低了与第二板材2之间的连接强度。

本发明对半空心铆钉10的腿部尺寸的上述要求，也即是腿部长度(空腔长度)和厚度相对于杆部直径的比例的要求，是为了满足腿部被挤压变形时向内、外侧延展时，能够有恰好多的材料正好能形成图5所示的形状。既不会因为腿部的材料过多而形成褶皱，也不会因为腿部材料过少，而不足以形成与第二板材紧贴的边缘部以及等弧度的弧面。

以下结合图10和图11说明半空心铆钉10的腿部尺寸对其形成的接头形状的影响。图10为腿部过长时所形成的接头1’的形状，首先，如图10(a)所示，其腿部初步变形后，内侧与空腔底部挤压形成褶皱140，空腔底部变形较小，不能形成等弧度的弧面，继续挤压，如图10(b)所示，部分过多的褶皱被继续挤压而形成的“裂纹”141。图11为腿部过短时所形成的接头1＂形状，腿部13(由于未形成完整的边缘部，故图11中仍以13标记)过短，则其外侧不能形成完整的边缘部，其边缘部与第二板材2之间形成空隙8，大大降低了与第二板材2之间的连接强度，并且中部也不能形成等弧度的凹面。腿部过厚与过长时的情形类似，腿部过薄时与过短时的情形类似。所谓的过长、过短、过厚、过薄都是相对于本实施例所要求的上述条件而言的。

此外，与现有技术使用实心铆钉作为焊接材料的方案相比，本实施例采取的半空心铆钉更容易铆入轻量化的第二板材中(第二板材往往是铝材或者非金属材料)。根据实验测量，植入半空心铆钉接头所需的力一般不超过60kN，因而可以在钣金件加工时继续使用普通的压机，钣金工序所使用的压机的压力大约增加10％到30％之间。本实施例可以降低对生产线上的压力的要求，可采用现有生产线上所使用的压机。采用本发明的连接方法制造的采用混合材料的车型可与纯钢材的车型共线生产，大大降低了生产成本。

请参考图5并对照图3所示，本实施例的特殊结构的半空心铆钉10在铆固于第二板材2上形成接头1时，其腿部变形所形成的较大的第二表面19，在其腿部发生延展变形后，第二表面19的直径d4大于半空心铆钉10的杆部12的直径d1，同时也大于其头部11的直径d2，较大的第二表面19可提高与第二板材2之间的连接强度。如图3、图5所示，半空心铆钉10在铆固于第二板材2形成接头1时，其杆部也发生了一定程度的横向延展，接头1的杆部(位于第二板材2内的部分)的直径d3大于半空心铆钉10的杆部12的直径d1，相当于扩大了铆钉的直径。一方面如图8所示，可提供更多的横向空间，以形成较大的焊点，提高焊接强度；另一方面通过挤压第二板材2与其形成更为稳固的连接。由于半空心铆钉10的杆部的横向延展，如图8所示，提供了更大的横向尺寸的焊接材料，从而可便于将热影响区域5控制在接头1的内部，而不影响第二板材2，防止焊接热使第二板材发生软化或者熔化，保证焊接的连接强度。

综上所述，实际操作中，可根据要连接的第二板材2的厚度δ选择半空心铆钉的尺寸，如图3所示，半空心铆钉10的杆部12的厚度T为第二板材的厚度δ的1.1～1.4倍；同时，深度h(也大致为腿部的长度)必须在杆部直径的50％～65％之间以保证半空心铆钉10的腿部13变形后能从第二板材2的下侧充分包住第二板材2，确保其与第二板材之间的铆固强度。

经过计算和试验验证，满足此两个条件的半空心铆钉10能够在变形后形成如图5所示的中心为等弧度的弧面，而边缘为从内向外依次变薄的形状，并能挤压至与第二板材上。在实际选择时，首先根据第二板材2的材质和厚度确定半空心铆钉10的杆部12的直径d1这一基本参数，然后根据d1这一基本参数，确定半空心铆钉10的腿部13的厚度s与空腔15的深度h。从而确保半空心铆钉10的腿部13在发生变形时，向外延展形成边缘部191，向内与底部形成连续的曲面，形成如图5所示的等弧度的弧面。

作为优选方案，如图3所示，半空心铆钉10的杆部12的直径d1为5到6mm，以在满足轻量化的要求的同时并能满足连接强度。尺寸较小的铆钉可减小工件供连接的凸缘的尺寸，达到轻量化的设计目标。图5中的等弧度的弧面的曲率半径r在10～14mm之间，等弧度的弧面的中心凹下的深度H小于0.8mm。

如图5所示，半空心铆钉10经过变形后形成的接头1呈不对称的“工”字形，其中第二表面19的横向尺寸(直径d4)为所述半空心铆钉的杆部直径d1的1.8～2.2倍，并且不小于10mm。第二表面19较大的尺寸能提高与第二板材2之间的连接强度。

如图3和图4所示，在本实施例中，作为优选，在植入铆钉之前，在第二板材2中开设有铆钉孔，铆钉孔的直径D比半空心铆钉10的杆部12的直径d1大5％～20％，这样，铆钉可以容易地被加入。铆钉孔可在正常的冲压工序中进行，只需要将铆钉插入铆钉孔即可进行下一步工序。

如图3和5所示，半空心铆钉10在形成接头1后，其杆部受压变形，发生横向延展，其直径增加了10～30％。也就是说接头1的杆部直径d3与半空心铆钉10的杆部直径d1相比，增加了10～30％。对照图8可以看出，由于其杆部的延展，相当于增大了铆钉的横向尺寸，从而提供了更多空间以形成更大的焊点(并避免焊点处的高温影响第二板材)，进而提高焊接的连接强度。

如图3和图6所示，半空心铆钉10的头部11具有0.5～1.5mm的厚度t，形成接头1后，第一板材3与第二板材2之间形成厚度为t2的缝隙，涂漆可以进入两个板材之间的缝隙，防止产生接触性腐蚀。

从以上描述可以看出，为实现本发明的目的，对半空心铆钉10的腿部向内和向外的变形都有特别要求，实际上就是对半空心铆钉10的杆部厚度以及腿部尺寸具有特别的要求。

为了使半空心铆钉在变形时向内延展形成等弧度的弧面，不能采用普通的半空心铆钉，需要专门制定特殊结构的铆钉。普通的半空心铆钉之所以不能适用于本发明，是因为本发明使用铆钉与现有技术所使用的半空心铆钉的目的不同。通常情况下，使用半空心铆钉是为了连接两个材料，铆钉的杆部占其总长度的比例较大，并且铆钉的腿部插入其中需要连接的材料之中，会使腿部叉开以与材料形成力的连接。在铆钉铆入的过程中，铆钉的杆部的变形较小，腿部一般发生分叉变形，腿部在纵向上变形很少(通常使用的铆钉在实现铆接时，腿部不会发生本发明所示的变形)。本发明将半空心铆钉穿过其中的一个板材与其固定连接后还要形成一个便于焊接的表面，故对半空心铆钉的尺寸具有特殊要求：首先，要求杆部的厚度在第二板材的厚度的1.1～1.4倍之间，也就是半空心铆钉10插入第二板材2时，其空腔的底部稍微高出第二板材2的表面，为腿部向内侧和外侧变形留出合适的空间。此外，要求腿部的长度(也就是空腔的深度)和厚度在向内延展变形后能形成的等弧度的弧面，并且向外侧变形形成与第二板材紧贴的边缘部。

如图12所示，与半空心铆钉形成的接头1形成铆接结构的第二板材可以为两层结构，包括第一层31和第二层32，当然第二板材还可以包括更多层的结构。其中的第一层31和第二层32可以同时为轻量化的铝、镁等金属合金材料，也可以为碳纤维等非金属材料，其使用本发明的方法进行连接的原理类似，不再赘述。只是要求接头1的材料必须能够与图中未示出的第一板材之间能够相互焊接连接。

当使用本发明的连接方法用于汽车生产时，本发明还提供了一种汽车车身或底盘，车身和底盘包括至少两种相互不能焊接的材料，相互不能焊接的材料之间通过本发明的连接方法相互连接，从而可继续使用生产单一材料的车身、底盘时所使用的点焊设备，在实现轻量化的同时降低生产成本。生产时只需要改变点焊焊头的几何形状和相应地改变焊接时所需的焊接参数。在汽车这种批量生产的行业，本发明所带来的有益效果尤为突出。为满足轻量化的要求而采用两种或多种材料的车型可与使用单一材料的车型共线生产，不需对现有的生产线做改造，大大降低了汽车厂的投资，这也是本发明相对于现有技术最具有实用性的优点。

图13示出了铝材料的汽车底板与钢材料的汽车后纵梁使用钢制的半空心铆钉通过本发明的连接方法连接后的示意图。其中的汽车底板200为板状件，不必设置凸缘，后纵梁300分别设置连接用的凸缘，使用半空心铆钉穿过汽车底板200，然后将半空心铆钉的腿部墩粗至与汽车底板200铆接，并形成如图6所示的形状，然后将后纵梁300贴在接头1的平整的表面上与之焊接，即形成如图13所示的组装件。本发明的连接方法应用于连接其他的相互不能焊接的材料时的情形与图13类似。

以下将本发明分别与现有技术进行对比来说明本发明的优点。需要重点指出的是，与现有技术所采用的实心铆钉相比，本发明所采用的半空心铆钉，铆入板材所需要的压力小，不必更换压机，大大降低成本。本发明所使用的独特设计的半空心铆钉，所形成的等弧度的弧面可与焊头形成良好接触而有利于形成质量较高的焊点，其边缘部与第二板材形成牢固的连接。经过对比试验，采用本发明的方法所形成的板材连接结构的剪切强度大于采用自冲铆钉连接的强度。

现有技术一的方案中采用的是工字形的实心铆钉作为连接两个板材的过渡材料。其中，实心铆钉的两面均保持平面，实际上使用普通的冲压设备是做不到将实心铆钉的两面均形成平面的。只有使用专门的锻压设备才能实现。使用两面平整的实心铆钉的方案，使用现有设备不可能实现，因而不具有实用性。即使通过使用专门的设备来实现，也大大增加了制造成本。尤其需要指出的是，工字型的接头实际上很难通过实心铆钉来制作成功，即使采用锻压的手段，也会增加制作成本，需要增添新的设备，改变现有的工艺。

本发明与现有技术一的主要区别特征及优点：(1)本发明采用半空心铆钉，其腿部容易发生变形，能够容易形成接头，独特结构的半空心铆钉所形成的第二表面上形成的等弧度的弧面，能够保证焊点质量。半空心铆钉容易冲入第二板材并与其固定，第二表面的边缘部与第二板材形成牢固的连接。(2)由于对冲压的力要求不高，能够利用现有的冲压设备，形成的等弧度的弧面能够利用现有的焊接电极，可以使用现有的焊接设备。

现有技术二的存在的问题，实心铆钉是冲入板材内的，并且通过挤压板材使板材的一部分进入铆钉的凹槽内，缺陷是：(1)平整的实心铆钉需较大的压力才能进入板材；(2)铆钉的头顶部下端设有一个凹槽，使得铆钉的头顶部分变得较厚，而降低铆钉与工件的焊接能力，同时需要使铆钉杆的直径变大，以保证点焊时焊点的直径达到要求的尺寸，从而增加整个组装件的重量，达不到轻量化的设计目标(之所以采用不同的材料，是为了降低组装件的总重量)；(3)铝板的下侧受到挤压会局部变薄，使零件的力学性能减弱。

本发明与现有技术二的主要区别特征及优点：(1)半空心铆钉的腿部更容易进入第二板材内；(2)铆钉的腿部变形与第二板材形成卡接，不易脱落，并且对铝板破坏小，对其强度影响较小，可使用现有的设备。

现有技术三的存在的问题：(1)加入铆钉与铝板之间只是单侧连接，在运输过程中，铆钉容易掉下来；(2)铆钉头需要设置较大的直径，以设置用于卡持的尖头，此外头部也需要较厚的尺寸，以便与铝板卡持。

本发明相对于现有技术三的主要优点：(1)半空心铆钉的腿部更容易进入铝板内；(2)铆钉的腿部变形后与铝板的一侧卡接，而头部从铝板的另一侧卡接，形成从两侧卡持铝板(第二板材一般为铝板)的结构而不易脱落，并且对铝板破坏小，对其强度影响较小。如果是连接钢和纤维复合材料，本发明不使用现有技术三中的用于卡持的尖头，对纤维复合材料(即第二板材)没有任何损坏；(3)本发明的铆钉的头部可比现有技术三的厚度和直径都可更小，实现轻量化的要求。而现有技术三由于要设置尖头，需要较大的厚度和直径；(4)此外，现有技术三的铆钉与板之间的焊点只能在凸起处形成，在满足焊点尺寸(因为足够大的焊点才能满足连接强度的要求)的情况下，铆钉的直径就会变得很大。换句话说，在满足同样强度要求的前提下，本发明可以将铆钉的直径设置的较小，满足轻量化的要求。

现有技术四的存在的主要问题：(1)其采用的是实心铆钉，与现有技术一类似，需要的冲压压力较大；(2)铆钉与板之间没有连接，不能将板上冲压铆钉后再运输，只能在焊接时安装铆钉，而且当板材位于竖直或者倾斜位置时，铆钉容易脱落。

本发明与现有技术四相比，在其基础上进行两方面的改进：(1)铆钉的腿部变形后与铝板形成两面夹持铝板的连接结构，可与铝板固定后一起运输，不必在焊装时另外设置传输铆钉的设备；(2)钢板是与铆钉头的一侧连接的，二个板材之间有空隙，可防止接触性腐蚀；(3)本发明的接头是通过将半空心铆钉的腿部进行变形的过程形成的，与电极接触的面为等弧度的弧面，可保证焊接质量。此外，本发明的边缘部可与板材形成较为牢固的连接。

本发明与现有技术五相比，其主要区别是(1)使用半空心铆钉代替实心铆钉；(2)尤为重要的是，本发明使用的半空心铆钉具有独特的几何特征。只有满足要求的半空心铆钉，才能在变形后使第二表面形成等弧度的弧面，一方面可与电极形成良好接触，保证焊接质量，此外可减少对电极的继续磨损，由于是半空心铆钉，其腿部变形后形成的边缘部是从内向外依次变薄的形状，可减少铆钉的质量(重量)。半空心铆钉铆入板材以及墩粗变形过程中，主要是腿部发生变形，与实心铆钉相比，需要的压力较小，可使用现有的冲压设备，降低生产成本，对于汽车生产这样投资大的产品来说，能够采用现有设备共线生产，其意义重大。

与现有技术六所采用的半空心铆钉自冲铆接的方案相比，本发明具有如下优点：(1)自冲铆接的半空心铆钉的杆部位于第一板材中，铆钉的腿部进入第二板材中与其形成力的连接，与本发明使用铆钉的方式有根本不同，本发明是将铆钉穿过第一板材后，其腿部露出板材，变形后卡住板材，而变形后的铆钉形成接头，作为焊接材料与另一个板材焊接。(2)由于自冲铆钉在自冲过程中会对工件造成破坏，尤其会对韧性较差的金属造成较大的破坏，影响其连接强度；(3)使用自冲铆钉需要比点焊较为宽的凸缘，才能达到相同的连接强度，这样会造成工件横截面变小，削弱了使用铝材而实现轻量化的效果，而本发明可以在空间有限的条件下，提高工件的横截面面积。当一个1.5mm的普通钢板与一个1.15mm的铝板使用本发明的方法连接时，它的剪切强度达到至少4kN，大大高于采用自冲铆钉进行连接的连接强度。

与现有技术七相比，(1)本发明采用半空心铆钉，能够从两侧面与板材固定，防止运输过程中铆钉脱落，而现有技术七中，铆钉只从一面包住铝板。(2)显然，在同等情况下，本发明的半空心铆钉的腿部受压墩粗变形形成的边缘部比现有技术七中的铆钉腿部分叉所形成的边缘更大，连接更为牢固。在受到剪切力时，现有技术七中的连接结构中，首先可能是铆钉先于焊点失效，其抗剪切能力不如本发明。此外，在铆钉尺寸相同的情形下，由于本发明的焊点是形成于铆钉的头部，而现有技术七的焊点形成于铆钉的腿部，本发明的焊点尺寸大于现有技术七，从而提高了焊接强度。

与现有技术八相比，本发明采用的半空心铆钉在钣金件制造工序中加入铝板内。而现有技术八中的铆钉需要在焊接时先进入铝板，再进入钢板，需要焊钳的压力较大，因而需要高强度的焊钳，高强度的焊钳体积和重量都大，因而可能会需要使用新的大号的焊接机器人，此外，现有技术八需要在焊接生产线上增加额外的铆钉输送设备。这些都是本发明所能避免增加的成本。

与现有技术九相比，本发明具有如下优点：(1)所采用的半空心铆钉更容易进入铝板内；(2)铆钉从两侧直接与铝板相连，运输过程不会掉落，可采用现有的点焊设备，并且不需要改变已有的焊接设备，降低生产成本；(3)使半空心铆钉的腿部变形的所需要的力较小，可使用现有生产线的压机。此外，本发明的连接结构中两个板材被半空心铆钉的头部所隔开，留有缝隙，可避免接触性腐蚀，而现有技术九中两个板材直接接触，容易发生接触性腐蚀。

综上所述，本发明的板材连接方法具有如下几个方面的优点：(1)半空心铆钉更容易铆入轻量化的第二板材中(第二板材往往是铝材或者非金属材料，包括纤维复合材料)，可以降低对生产线上的压力的要求，可采用现有生产线上所使用的压机；(2)特殊结构的半空心铆钉在铆固于第二板材上时，其腿部的变形所形成的较大的第二表面，可提高与第二板材之间的连接强度，接头的第二表面的等弧度的弧面，可与电焊头形成稳定的接触，提高点焊的质量，并可减少电焊头的磨损；(3)由于半空心铆钉在铆固于第二板材时，横向延展，扩大了铆钉的直径，焊接时可用的铆钉材料在不增加初始铆钉杆直径的条件下变大，一方面可提供更多的空间，以形成较大的焊点，而不对周围材料通过热影响区产生破坏，另一方面通过挤压第二板材与其形成更为稳固的连接；(4)可以使用同样的焊接生产线生产两类车身、底盘，比如，第一种为全钢的汽车车身，底盘，第二种为钢铝混合材料的汽车车身，底盘。在共线生产时，只需更换点焊的焊头，调整焊接的参数，其余设备条件一切不变；(5)本发明的方法所形成的工件的连接力大于传统的自冲铆钉；(6)使用此方法连接钢件与纤维复合材料制成的工件，除了打孔时以外，此方法不会对纤维产生不良影响。

上述有益效果的获得主要是因为本发明的板材连接方法使用半空心铆钉作为焊接材料，并且所使用的半空心铆钉具有独特的几何结构。本发明所采用的半空心铆钉具有独特的形状，包括其头部的厚度、腿部的长度与其直径的比例、以及腿部的厚度与与其直径的比例等参数均异于现有技术中仅仅作为铆接使用的半空心铆钉。现有技术中的铆钉的作用也异于本发明中的半空心铆钉的作用。本发明是发明人从降低生产成本的角度，按照轻量化的目标并同时保证连接强度的要求而进行的全新的创造。

当然，以上所述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和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种板材连接方法，所述板材至少包括第一板材和第二板材，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：选择其材料能与其中的第一板材焊接的半空心铆钉，所述半空心铆钉包括实心的头部、杆部与设有空腔的腿部；

第二步：将所述半空心铆钉铆入第二板材，在模具压力下变形形成接头，所述半空心铆钉的头部的表面形成为所述接头的平整的第一表面，所述半空心铆钉的腿部伸出所述第二板材，在受力后被压缩至所述杆部并与所述杆部挤压而分别向内、外两侧延展形成为所述接头的不平整的第二表面，所述半空心铆钉的形状满足在所述模具的压力下使所述第二表面包括所述腿部向内延展的部分所形成的内凹的等弧度的弧面和所述腿部向外变形的部分所形成的从内向外逐渐变薄并紧贴所述第二板材的边缘部；

第三步：将可与接头焊接的第一板材放在所述第一表面上；

第四步：将放置好的第一板材与接头通过点焊焊在一起，点焊焊头电极的表面曲率、深度与所述接头的第二表面的曲率、深度相配合。

2.根据权利要求1所述的板材连接方法，其特征在于，所述半空心铆钉的杆部的厚度为所述第二板材的厚度的1.1～1.4倍；其空腔的深度为杆部直径的50％～65％，腿部的厚度为杆部直径的10～20％。

3.据权利要求2所述的板材连接方法，其特征在于，所述半空心铆钉的杆部直径为5～6mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的板材连接方法，其特征在于，所述接头呈不对称的“工”字形；所述第二表面的弧面的曲率半径在10～14mm之间，所述弧面中心凹下的深度小于0.8mm。

5.根据权利要求1、2或3所述的板材连接方法，其特征在于，所述第二步中，所述半空心铆钉的腿部发生变形时与杆部挤压使其杆部发生横向延展并挤压与杆部接触的第二板材，使第二板材与杆部相接触部位的横截面形成椭圆状的角。

6.根据权利要求1、2或3所述的板材连接方法，其特征在于，所述接头的第二表面的横向尺寸为所述半空心铆钉的杆部直径的1.8～2.2倍，并且不小于10mm。

7.根据权利要求1、2或3所述的板材连接方法，其特征在于，所述第二步中，在植入铆钉之前，在第二板材中制铆钉孔，铆钉孔的直径比铆钉的杆部直径大5％～20％。

8.根据权利要求5所述的板材连接方法，其特征在于，所述半空心铆钉在形成接头后，其杆部直径增加了10～30％。

9.根据权利要求1、2或3所述的板材连接方法，其特征在于，所述第二板材为两层或多层结构。

10.根据权利要求1、2或3所述的板材连接方法，其特征在于，所述半空心铆钉的头部具有0.5～1.5mm的厚度，使第一板材与第二板材之间形成缝隙，涂漆可以进入两个板材之间的缝隙，防止产生接触性腐蚀。

11.根据权利要求1、2或3所述的板材连接方法，其特征在于，所述第一板材的材料为钢或铝，所述第二板材的材料为不能与第一板材焊接的金属材料或非金属材料。

12.根据权利要求11所述的板材连接方法，其特征在于，所述非金属材料为纤维复合材料。

13.汽车车身，所述车身包括至少两种相互不能焊接的材料，其特征在于，所述相互不能焊接的材料之间通过如权利要求1～11任一项所述的板材连接方法相互连接，从而可使用生产单一材料的车身时所使用的点焊设备。

14.汽车底盘，所述底盘包括至少两种相互不能焊接的材料，其特征在于，所述相互不能焊接的材料之间通过如权利要求1～11任一项所述的板材连接方法相互连接，从而可使用生产单一材料的底盘时所使用的点焊设备。