CN107695215A - 一种超声辅助的压印连接装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声辅助的压印连接装置及方法，属压印连接领域。本发明包括冲头、下铆模、曲形架、可伸缩杆、超声波发生装置；所述冲头上端与外部压印系统连接，曲形架一端与冲头的侧壁焊接，另一端焊接于可伸缩杆的末端；可伸缩杆的顶端焊接有两块肋板，两块肋板上均开有彼此对应的螺纹通孔；超声波发生装置安装在可伸缩杆的顶端。本发明解决了对难变形材料进行压印连接时存在的开裂、变形困难、存在缝隙以及无冶金结合问题，还解决了铝合金焊接方法中铝激光焊的光束反射和等离子体屏蔽效应强烈，易产生裂纹，气孔，接头软化等缺陷问题，通过施加超声振动减小了冲头下压所受阻力，实现了机械‑冶金的组合连接，改善了接头的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声辅助的压印连接装置及方法，属于压印连接技术领域。
背景技术
随着轻量化技术的不断发展，铝合金等轻型材料在汽车行业的运用也越来越广泛，目前，对铝合金等轻型材料连接的技术主要包括激光焊，自冲铆接，压印连接等技术。传统的自冲铆接，压印连接属于机械冷成型技术，可实现同种或异种多层板材的有效链接，然而，他们在连接镁合金、高强钢等塑性差而强度高的材料时，存在着板材开裂、变形困难等严重问题；此外，自冲铆接，压印连接技术连接的板料之间仅仅形成了单一的机械连接，没有任何冶金连接形成，这使得接头力学性能处在较低水平；铝合金焊接方法中铝激光焊的光束反射和等离子体屏蔽效应强烈，易产生裂纹，气孔，接头软化等缺陷的问题，大大的降低了接头的力学性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种超声辅助的压印连接装置及方法，用于解决传统自冲铆接，压印连接技术连接难变形材料时存在的开裂、变形困难和无冶金结合问题，以及解决激光焊中光束反射和等离子体屏蔽效应强烈，易产生裂纹，气孔，接头软化等缺陷的问题，本发明以压印连接技术为基础，向压印冲头下端上施加功率超声，从而达到减小冲头冲压阻力，软化难变形材料，形成机械-冶金复合连接的效果。
本发明技术方案是：一种超声辅助的压印连接装置，包括冲头1、下铆模4、曲形架5、可伸缩杆6、超声波发生装置12；所述冲头1上端与外部压印系统连接，曲形架5一端与冲头1的侧壁焊接，另一端焊接于可伸缩杆6的末端；可伸缩杆6的顶端焊接有两块肋板13；超声波发生装置12安装在可伸缩杆6的顶端的两块肋板13上。
进一步的，所述两块肋板13上均开有彼此对应的螺纹通孔，超声波发生装置12一端铰接于开槽凹端紧定螺钉14，通过调节超声波发生装置12的角度及可伸缩杆6的长度，可使冲头1侧壁与超声波发生装置12之间的夹角B在0°~180°的范围内可变。
进一步的，所述超声波发生装置12的超声波的功率为1～100kW，振幅为1～70μm。
进一步的，所述两块肋板13尺寸相同，且其上所开螺纹通孔位置对应，尺寸也相同，开槽凹端紧定螺钉14与两螺纹通孔配合使用。
进一步的，所述下铆模4为轴对称结构，下铆模4内的凹腔边缘由圆弧边A7、圆弧边B8、直线边9、圆弧边C10、圆弧边D11构成，圆弧边A7下端通过圆弧边D11与圆弧边B8过渡连接，圆弧边B8与直线边9通过圆弧边C10进行过渡连接。
进一步的，所述圆弧边C10的直径长度与下铆模4底部水平方向长度相等。
进一步的，所述圆弧边C10、圆弧边D11的半径均为2~3mm。
进一步的，所述直线边9水平方向的长度为下铆模4底部水平方向长度的0.55~0.7。
进一步的，所述圆弧边B8半径为直线边9的0.35~0.4。
一种利用所述的装置进行压印连接的方法，所述方法的具体步骤为：
Step1、将需要进行压印连接的上板2和下板3充分靠近或者接触，通过相关模具的定位作用将组合的上下板放置在下铆模4上方；
Step2、设定超声波发生装置12与冲头1之间的夹角B，0°≤B≤180°；
Step3、打开超声波发生装置12的电源，使该超声波发生装置12开始输出超声波；
Step4、冲头1向下运动冲压板料，使上下板发生塑性变形，直至下铆模4的凹模被填充满，保持超声振动2～6秒；
Step5、板料塑性变形完成，上下板之间形成机械内锁后，冲头1上行运动到指定位置，压印连接过程完成。
本发明的工作原理是：将需要进行压印连接的上板2和下板3充分靠近或者接触，通过相关模具的定位作用将组合的上下板放置在下铆模4上方；调节超声波发生装置12的角度及可伸缩杆6的长度，设定冲头1侧壁与超声波发生装置12之间的夹角B（0°≤B≤180°）；打开所述超声波发生装置12的电源，使其开始输出超声波；超声波振动从超声波发生装置12传递到冲头1，当压印连接开始，冲头1下行开始冲压上板2时，在超声波驱动下两者发生高频摩擦，与此同时，上板2在超声振动带动下与下层3也发生高频摩擦；随着冲压过程进一步发展，下板3与下铆模4之间也发生高频摩擦。超声作用下的压印连接过程中冲头1，上板2，下板3，下铆模4引起的一系列高频摩擦一方面软化了板材，使之易变形，避免了开裂，减小冲头下压的阻力；另一方面上、下层板材之间的高频摩擦使得它们之间生成冶金结合，进而提高接头的性能。
夹角B越接近90°，横向分振动越强，越有利于上下板材之间形成高频摩擦，有利于两者之间形成冶金结合；夹角B越接近0°，纵向分振动越强，越有利于减小冲头下行所受的压力。所述的超声振动的保持时间可以根据被焊材料的特点选择，一般保持时间越长，被焊材料之间冶金反应程度越高。所述冲头向下运动冲压板料，使上下板发生塑性变形，直至所述凹模被填充满，保持超声振动2～6秒，然后关闭电源；板料塑性变形完成，上下板之间形成机械内锁后，冲头1上行运动到指定位置，压印连接过程完成。
本发明的有益效果是：
（1）本发明在超声辅助下，冲头与上层板材之间的高频摩擦软化上层板材，减小了下压阻力；
（2）本发明在超声辅助下，上板与下板之间的高频摩擦软化下层板材，使之变形容易，避免了开裂，减小了板料塑性变形的阻力；同时，上下板界面上发生冶金结合，实现了机械-冶金复合连接，提高了接头的力学性能；此外，下板与下铆模之间的高频摩擦，软化了下层板材，使之受冲压时更容易填充下铆模，减小了压印连接产生间隙的概率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的压印连接示意图；
图3为本发明的下铆模的结构示意图；
图4为本发明的超声波发生装置与可伸缩杆连接处A的局部视图。
图中，1-冲头，2-上板，3-下板，4-下铆模，5-曲形架，6-可伸缩杆，7-圆弧边A，8-圆弧边B，9-直线边，10-圆弧边C，11-圆弧边D，12-超声波发生装置，13-肋板，14-开槽凹端紧定螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-4所示，一种超声辅助的压印连接装置，包括冲头1、下铆模4、曲形架5、可伸缩杆6、超声波发生装置12；所述冲头1上端与外部压印系统连接，曲形架5一端与冲头1的侧壁焊接，另一端焊接于可伸缩杆6的末端；可伸缩杆6的顶端焊接有两块肋板13；超声波发生装置12安装在可伸缩杆6的顶端的两块肋板13上。
进一步的，所述两块肋板13上均开有彼此对应的螺纹通孔，超声波发生装置12一端铰接于开槽凹端紧定螺钉14，通过调节超声波发生装置12的角度及可伸缩杆6的长度，可使冲头1侧壁与超声波发生装置12之间的夹角B在0°~180°的范围内可变。
进一步的，所述超声波发生装置12的超声波的功率为1～100kW，振幅为1～70μm。
进一步的，所述两块肋板13尺寸相同，且其上所开螺纹通孔位置对应，尺寸也相同，开槽凹端紧定螺钉14与两螺纹通孔配合使用。
进一步的，所述下铆模4为轴对称结构，下铆模4内的凹腔边缘由圆弧边A7、圆弧边B8、直线边9、圆弧边C10、圆弧边D11构成，圆弧边A7下端通过圆弧边D11与圆弧边B8过渡连接，圆弧边B8与直线边9通过圆弧边C10进行过渡连接。
进一步的，所述圆弧边C10的直径长度与下铆模4底部水平方向长度相等。
进一步的，所述圆弧边C10、圆弧边D11的半径均为2~3mm。
进一步的，所述直线边9水平方向的长度为下铆模4底部水平方向长度的0.55~0.7。
进一步的，所述圆弧边B8半径为直线边9的0.35~0.4。
一种利用所述的装置进行压印连接的方法，所述方法的具体步骤为：
Step1、将需要进行压印连接的上板2和下板3充分靠近或者接触，通过相关模具的定位作用将组合的上下板（上下板均可以采用AA5052铝合金）放置在下铆模4上方；
Step2、设定超声波发生装置12与冲头1之间的夹角B，0°≤B≤180°；
Step3、打开超声波发生装置12的电源，使该超声波发生装置12开始输出超声波；
Step4、冲头1向下运动冲压板料，使上下板发生塑性变形，直至下铆模4的凹模被填充满，保持超声振动2～6秒；
Step5、板料塑性变形完成，上下板之间形成机械内锁后，冲头1上行运动到指定位置，压印连接过程完成。
实施例2：如图1-4所示，一种超声辅助的压印连接装置及方法，本实施例与实施例1相同，其中：
进一步的，所述超声波发生装置12的超声波的功率为1kW，振幅为1μm。
进一步的，所述圆弧边C10、圆弧边D11的半径均为2mm。
进一步的，所述直线边9水平方向的长度为下铆模4底部水平方向长度的0.55。
进一步的，所述圆弧边B8半径为直线边9的0.35。
所述步骤Step2中，设定超声波发生装置12与冲头1之间的夹角B为0°；
所述步骤Step4中，冲头1向下运动冲压板料，使上下板发生塑性变形，直至下铆模4的凹模被填充满，保持超声振动2秒。
实施例3：如图1-4所示，一种超声辅助的压印连接装置及方法，本实施例与实施例1相同，其中：
进一步的，所述超声波发生装置12的超声波的功率为100kW，振幅为70μm。
进一步的，所述圆弧边C10、圆弧边D11的半径均为3mm。
进一步的，所述直线边9水平方向的长度为下铆模4底部水平方向长度的0.7。
进一步的，所述圆弧边B8半径为直线边9的0.4。
所述步骤Step2中，设定超声波发生装置12与冲头1之间的夹角B为180°；
所述步骤Step4中，冲头1向下运动冲压板料，使上下板发生塑性变形，直至下铆模4的凹模被填充满，保持超声振动6秒。
实施例4：如图1-4所示，一种超声辅助的压印连接装置及方法，本实施例与实施例1相同，其中：
进一步的，所述超声波发生装置12的超声波的功率为50kW，振幅为30μm。
进一步的，所述圆弧边C10、圆弧边D11的半径均为2.5mm。
进一步的，所述直线边9水平方向的长度为下铆模4底部水平方向长度的0.6。
进一步的，所述圆弧边B8半径为直线边9的0.38。
所述步骤Step2中，设定超声波发生装置12与冲头1之间的夹角B为60°；
所述步骤Step4中，冲头1向下运动冲压板料，使上下板发生塑性变形，直至下铆模4的凹模被填充满，保持超声振动3秒。
实施例5：如图1-4所示，一种超声辅助的压印连接装置及方法，本实施例与实施例1相同，其中：
进一步的，所述超声波发生装置12的超声波的功率为40kW，振幅为25μm。
进一步的，所述圆弧边C10、圆弧边D11的半径均为2.5mm。
进一步的，所述直线边9水平方向的长度为下铆模4底部水平方向长度的0.6。
进一步的，所述圆弧边B8半径为直线边9的0.38。
所述步骤Step2中，设定超声波发生装置12与冲头1之间的夹角B为30°；
所述步骤Step4中，冲头1向下运动冲压板料，使上下板发生塑性变形，直至下铆模4的凹模被填充满，保持超声振动3秒。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种超声辅助的压印连接装置，其特征在于：包括冲头（1）、下铆模（4）、曲形架（5）、可伸缩杆（6）、超声波发生装置（12）；所述冲头（1）上端与外部压印系统连接，曲形架（5）一端与冲头（1）的侧壁焊接，另一端焊接于可伸缩杆（6）的末端；可伸缩杆（6）的顶端焊接有两块肋板（13）；超声波发生装置（12）安装在可伸缩杆（6）的顶端的两块肋板（13）上。
2.根据权利要求1所述的超声辅助的压印连接装置，其特征在于：所述两块肋板（13）上均开有彼此对应的螺纹通孔，超声波发生装置（12）一端铰接于开槽凹端紧定螺钉（14），通过调节超声波发生装置（12）的角度及可伸缩杆（6）的长度，可使冲头（1）侧壁与超声波发生装置（12）之间的夹角B在0°~180°的范围内可变。
3.根据权利要求1所述的超声辅助的压印连接装置，其特征在于：所述超声波发生装置（12）的超声波的功率为1～100kW，振幅为1～70μm。
4.根据权利要求2所述的超声辅助的压印连接装置及方法，其特征在于：所述两块肋板（13）尺寸相同，且其上所开螺纹通孔位置对应，尺寸也相同，开槽凹端紧定螺钉（14）与两螺纹通孔配合使用。
5.根据权利要求1所述的超声辅助的压印连接装置，其特征在于：所述下铆模（4）为轴对称结构，下铆模（4）内的凹腔边缘由圆弧边A（7）、圆弧边B（8）、直线边（9）、圆弧边C（10）、圆弧边D（11）构成，圆弧边A（7）下端通过圆弧边D（11）与圆弧边B（8）过渡连接，圆弧边B（8）与直线边（9）通过圆弧边C（10）进行过渡连接。
6.根据权利要求5所述的超声辅助的压印连接装置，其特征在于：所述圆弧边C（10）的直径长度与下铆模（4）底部水平方向长度相等。
7.根据权利要求5所述的超声辅助的压印连接装置，其特征在于：所述圆弧边C（10）、圆弧边D（11）的半径均为2~3mm。
8.根据权利要求5所述的超声辅助的压印连接装置，其特征在于：所述直线边（9）水平方向的长度为下铆模（4）底部水平方向长度的0.55~0.7。
9.根据权利要求5所述的超声辅助的压印连接装置，其特征在于：所述圆弧边B（8）半径为直线边（9）的0.35~0.4。
10.利用权利要求1-9任一项所述的装置进行压印连接的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤为：
Step1、将需要进行压印连接的上板（2）和下板（3）充分靠近或者接触，通过相关模具的定位作用将组合的上下板放置在下铆模（4）上方；
Step2、设定超声波发生装置（12）与冲头（1）之间的夹角B，0°≤B≤180°；
Step3、打开超声波发生装置（12）的电源，使该超声波发生装置（12）开始输出超声波；
Step4、冲头（1）向下运动冲压板料，使上下板发生塑性变形，直至下铆模（4）的凹模被填充满，保持超声振动2～6秒；
Step5、板料塑性变形完成，上下板之间形成机械内锁后，冲头（1）上行运动到指定位置，压印连接过程完成。
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