CN108421948B - 一种高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，包括对高强度轻质合金进行快速加热、保温固溶处理、转运空冷、压边铆接成型、保压淬火及人工时效的处理步骤，通过将高强度轻质金属板材加热至一定温度，降低其强度及硬度，提高塑性韧性，从而改善铆接工艺性能。本发明还公开了该自冲铆接方法采用的装置。本发明目的是实现高强度轻质金属板材，如铝合金、镁合金及钛合金的同种或异种材料的新型自冲铆接方法，既保证上述合金板材自冲铆接质量，克服高强度轻质金属板材自冲铆接成型性能差的难题，又提高了生产效率，将促进高强度轻质金属板材温热自冲铆接技术在各工业生产领域的广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于金属材料变形热处理连接技术领域，尤其涉及一种高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法及装置，特别适用于具有复杂形状的高强度轻质薄板金属(7xxx系铝合金、镁合金及钛合金等)及与异质板材(高强度钢、碳纤维板)连接时的温热自冲铆接方法。
背景技术
近年来，节约能源和环境保护已经成为全世界关心的问题。以提升汽车燃油经济性和环保性为目标的车身轻量化成为汽车工业发展的大势所趋。高强度铝合金、镁合金、钛合金等有色合金板材的应用成为车身轻量化的重要手段。然而，上述有色合金材料导热性好、导电率高并容易形成氧化膜，与高强度钢等热膨胀系数差异巨大，传统电阻点焊方法难以形成有效接头。
自冲铆接技术是近年来快速发展的一种新的薄板材料连接技术，通过自冲铆钉与轻质合金板材共同进行塑性大变形，形成机械内锁，实现牢固的机械连接。特别适用于轻合金、复合材料等难焊接板材，其冲铆一体化的特点为快速生产和批量化流水线制造创造了有利条件，是传统点焊工艺最理想的替代技术。然而，这种连接工艺的接头成型性能及其综合力学性能主要取决于层板的延伸率和强度。由于高强度合金常温下强度较大，塑性较差，传统铆接成型后，铆钉易墩粗影响接头性能，板料容易产生裂纹等缺陷，导致接头连接质量不高。此外，还增加了对设备冲铆能力、铆枪C型框架刚度及铆钉强度的要求，增加了生产成本。上述问题使得传统的自冲铆接技术在工业生产领域的广泛应用受到了极大限制。
针对半空心铆钉自冲铆接面临的问题，公开号为CN 103084501B、CN 101879572A(昆明理工大学)、CN 103658416B(山东科技大学)、CN 101495253A(铸造CRC有限公司)分别公开了一种针对镁合金板、高强度钢进行激光局部加热自冲铆接方法及装置，上述专利均采用激光器实现局部板料加热，提高板材的塑性，同时降低变形抗力以改善材料铆接成型性能进而实现轻质板材自冲铆接成型。然而，上述方法由于感应加热装置的限制，使得材料局部性能发生变化，铆接成型后局部区域与未加热区域材料性能差别较大，不能完全保证成型后连接件的成型和连接性能。同时，相应加热设备非常昂贵，功耗大，长的循环时间，且必须在加热器与钢板间无阻碍，如果铆接双层板料，需要同时布置多个加热器。
公开号CN 104384422B(上海交通大学)及DE 19630488分别公开了一种面向超高强度钢与轻金属、镁合金板的感应加热辅助自冲铆接复合连接装置及方法，均采用感应加热方式对钢板及镁合金板形成自冲铆接成型接点位置进行快速、集中加热，并在双层板间涂敷低热导率结构胶以改善导热效果，进行快速半空心自冲铆接；公开号CN 104607557B(吉林大学)、CN 10360017B(宝山钢铁股份有限公司；上海宝钢国际经济贸易有限公司)公开了一种超强钢板与铝合金的自冲铆装置，该装置通过改变传统铆接装置的结构形式，对压边圈、冲头以及模具进行了创新设计，放置气焰加热及冷却装置对铆接件进行局部加热，使其软化进而铆接成型。
因此，针对改善自冲铆接质量的目的，上述技术分别采用感应加热、激光加热、喷火加热等一系列方法改变板料局部温度的方式，提高板材成型性能，改善高强度板材自冲铆接效果。但是上述方法仍存在一些共性问题，如装置加工难度大，不便于维修，成本较高，且局部加热虽然可以改善材料成型性，但没有进行保温固溶处理，材料微观组织转化来不及转化，容易产生局部内应力，且材料性能不一致，铆接区域材料性能较差。
发明内容
根据上述提出的高强度轻质金属合金板材在常温下自冲铆连接成型性差的技术问题，而提供一种高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法及装置。本发明主要通过对板材进行快速加热-固溶处理-转运空冷-铆接成型-保压淬火-人工时效的一系列处理，从而起到保证铆接完成后，板材基体材料性能基本维持不变，具有工艺方法简单、操作方便、生产周期短等优点。
本发明采用的技术手段如下：
一种高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、快速加热：首先将两层待铆接的高强度轻质金属板材上下堆叠，固定夹持后，放入加热炉中均匀加热，使其温度快速达到预设的固溶温度，在到达固溶温度后开始计时，时间误差不超过10s；
S2、保温固溶：保温使溶质原子充分溶解到基体中以获得饱和固溶体；
S3、转运空冷：将固溶后的两层板材快速转运至自冲铆接机的常温模具上准备进行自冲铆接，通过红外热像仪监测温度反馈至控制系统，其中，监测温度是指监测板材空冷至预设的成形温度；使用红外热像仪监测板材温度变化，其中铆接预设的成形温度、冲头压力及保压时间等工艺参数，需根据成型后得到的所需力学性能进行预先设定。
S4、铆接成型：待温度快速冷却至预设的成形温度后，红外热像仪监测并驱动自冲铆接机的动力系统使得压边圈固定夹紧板材，冲头下行推动自冲铆钉刺穿上层板材并刺入下层板材，完成铆接过程；
S5、保压淬火：铆接部件冷却期间将所述部件保持在闭合模具中，对双层板材继续保压，完成模具内淬火过程，并克服连接位置处材料热应力释放造成的回弹变形；
S6、人工时效：对铆接样件进行人工时效处理，强化成型淬火后的基体材料性能，降低内应力，以回复高强度轻质合金铆接接头的原始力学性能，得到高强度轻质金属板材自冲铆连接件。
进一步地，所述步骤S1中，对板材固溶温度进行实时监测，预设的固溶温度范围为100-1200℃；保温时间为0.5h-24h，升温速率≥10℃/s，以使材料基体实现充分固溶。
进一步地，所述步骤S3中，转运时间不超过5s，铆接成型前板材空冷的冷却速度不低于20℃/s，所述铆接成型过程少于0.3s；所述步骤S4中，使用红外热像仪监测板材温度变化，铆接成形温度范围在100-950℃，其中，铝合金成形温度为300-400℃，钛合金成形温度为800-900℃。
进一步地，所述步骤S5中，保压淬火时间为5-15s，确保保压过程结束后板材温度快速冷却至100℃以下，保压液压压强为5-10Mpa，所述模具淬火速率不低于50℃/s，模具温度控制在100℃以内，所述模具内可增设水冷管道以实现模具快速冷却，便于连续批量铆接。
进一步地，所述步骤S6中，所述人工时效是将所述部件加热到人工硬化温度并将部件保持在这个温度直到发生沉淀硬化，保温温度为100-600℃，其中，铝镁合金为120-250℃，钛合金人工时效温度达500-600℃，保温时间为0.5h-40h。时效时间根据不同类型轻质合金板材可以不同，取决于合金的特性，对于汽车部件而言，时效时间可以缩短为20分钟。
进一步地，所述预设的固溶温度、预设的成形温度及所述人工时效时的保温温度误差控制正负不超过10℃，以保证铆接成型质量。
进一步地，所述步骤S4中采用的铆钉长度6-8mm，铆钉外径所述压边圈内径所述压边圈外径所述冲头直径所述冲头直径长度50-70mm。
进一步地，所述高强度轻质金属板材为可热处理的2xxx，6xxx，7xxx系列及锂铝合金等高强度铝合金，特殊地包括AA6061、AA7075、8090等，适用于不可热处理铝合金包括5xxx系，如AA5054，此外，也包括镁合金和钛合金，如AZ31、TC4等，所述工艺对固溶强化合金来说增加板材的耐腐蚀性方面可以起到更好的作用。所述自冲铆接方法也可实现上述材料与异质板材的连接，所述异质板材为高强度钢或碳纤维板。
进一步地，所述人工时效处理指T6、T76、T74、T73或T77时效处理。
本发明还公开了一种上述高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法中采用的自冲铆接装置，其特征在于：所述自冲铆接装置包括用于快速加热的电阻式加热炉、用于转移板材的转运机构、自冲铆接机、红外热像仪和液压控制柜；其中，将所述红外热像仪和所述自冲铆接机集成用以监测实时温度，以实时温度作为所述自冲铆接机铆接开始的控制变量，并持续监测板材温度变化，待板材空冷至预设的成形温度时，控制冲头下行进行自冲铆铆接成型，冷却至保压淬火温度后，控制自冲铆接机冲头上行，完成铆接过程。
现有技术中，是通过对板材进行局部短暂加热实现自冲铆接成型，材料微观组织来不及转化，成型后材料组织不均匀，从而导致接头强度及其他性能的降低；而本发明是通过固溶处理改善高强金属板件自冲铆成型性能，并通过人工时效处理的方法，强化淬火后的材料组织。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、高强度轻质金属在常温下自冲铆成型会产生严重的裂纹缺陷，甚至无法成型，本发明通过固溶处理改善材料成型性能，从而实现高强轻质金属自冲铆连接；
2、避免了局部加热所带来的装置成本的增加，同时通过实验表明，本发明保证成型后材料组织均匀，极大降低内应力，且连接性能好于常温下成型的性能。
本发明方法简单、操作方便、生产周期短，通过对高强度轻质合金进行快速加热-保温固溶处理-转运空冷-压边铆接成型-保压淬火-人工时效的处理，不仅能改善有色金属合金材料自冲铆接成型性能，还可在简单操作下获得细晶组织，大大提高了高强度轻质合金板材的韧塑性，并显著改善强度和塑性各向异性，大大提高其成型性能，且能在铆接成型后，保持材料各部分性能与原始材料性能相差无几。
基于上述理由本发明可在金属材料变形热处理连接领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法的流程示意图。
图2为本发明高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法中采用的装置示意图。
图3为本发明高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法的温度流程原理图。
图4为采用本发明的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法自冲铆接高温板材的示意图。
图5为7075铝合金常温自冲铆成型与温热自冲铆成型性能对比图。
图中：1、电阻式加热炉；2、转运机构；3、自冲铆接机；4、红外热像仪；5、液压控制柜；A为加热过程；B为保温固溶过程；C为出炉空冷过程；D为铆接成型过程；E为保压淬火过程；F为人工时效过程。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图3所示，一种高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，包括如下步骤：
S1、快速加热：首先将两层待铆接的高强度轻质金属板材上下堆叠，固定夹持后，放入加热炉中加热，使其温度快速达到预设的固溶温度；对板材固溶温度进行实时监测，预设的固溶温度范围为100-1200℃；保温时间为0.5h-24h，升温速率≥10℃/s，以使材料基体实现充分固溶。
S2、保温固溶：保温使溶质原子充分溶解到基体中以获得饱和固溶体；
S3、转运空冷：将固溶后的两层板材快速转运至自冲铆接机的常温模具上准备进行自冲铆接，通过红外热像仪监测温度反馈至控制系统，其中，监测温度是指监测板材空冷至预设的成形温度；转运时间不超过5s，铆接成型前板材空冷的冷却速度不低于20℃/s，所述铆接成型过程少于0.3s。
S4、铆接成型：待温度快速冷却至预设的成形温度后，红外热像仪监测并驱动自冲铆接机的动力系统使得压边圈固定夹紧板材，冲头下行推动自冲铆钉刺穿上层板材并刺入下层板材，完成铆接过程；使用红外热像仪监测板材温度变化，铆接成形温度范围在100-950℃，其中，铝合金成形温度为300-400℃，钛合金成形温度为800-900℃。采用的铆钉长度6-8mm，铆钉外径所述压边圈内径所述压边圈外径所述冲头直径所述冲头直径长度50-70mm。
S5、保压淬火：铆接部件冷却期间将所述部件保持在闭合模具中，对双层板材继续保压，完成模具内淬火过程；淬火时间为5-15s，确保保压过程结束后板材温度快速冷却至100℃以下，保压液压压强为5-10Mpa，所述模具淬火速率不低于50℃/s，模具温度控制在100℃以内，所述模具内可增设水冷管道以实现模具快速冷却，便于连续批量铆接。
S6、人工时效：对铆接样件进行人工时效处理，强化成型淬火后的基体材料性能，降低内应力，以回复高强度轻质合金铆接接头的原始力学性能，得到高强度轻质金属板材自冲铆连接件。所述人工时效处理指T6、T76、T74、T73或T77时效处理。所述人工时效是将所述部件加热到人工硬化温度并将部件保持在这个温度直到发生沉淀硬化，保温温度为100-600℃，其中，铝镁合金为120-250℃，钛合金人工时效温度达500-600℃，保温时间为0.5h-40h。时效时间根据不同类型轻质合金板材可以不同，取决于合金的特性，对于汽车部件而言，时效时间可以缩短为20分钟。
所述预设的固溶温度、预设的成形温度及所述人工时效时的保温温度误差控制正负不超过10℃，以保证铆接成型质量。
所述高强度轻质金属板材为可热处理的2xxx，6xxx，7xxx系列及锂铝合金等高强度铝合金，特殊地包括AA6061、AA7075、8090等，适用于不可热处理铝合金包括5xxx系，如AA5054，此外，也包括镁合金和钛合金，如AZ31、TC4等，所述工艺对固溶强化合金来说增加板材的耐腐蚀性方面可以起到更好的作用。所述自冲铆接方法也可实现上述材料与异质板材的连接，所述异质板材为高强度钢或碳纤维板。
如图2所示，一种上述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法中采用的自冲铆接装置，所述自冲铆接装置包括用于快速加热的电阻式加热炉1、用于转移板材的转运机构2、自冲铆接机3、红外热像仪4和液压控制柜5；其中，将所述红外热像仪4和所述自冲铆接机3集成用以监测实时温度，以实时温度作为所述自冲铆接机3铆接开始的控制变量，并持续监测板材温度变化，待板材空冷至预设的成形温度时，控制冲头下行进行自冲铆铆接成型，冷却至保压淬火温度后，控制自冲铆接机冲头上行，完成铆接过程。
实施例1
如图4所示，上层板材和下层板材皆为2mm厚的7075高强铝合金，为便于后续性能测试，将7075高强铝合金板材加工成100mm×20mm的矩形样件，其中铆接区域为20mm×20mm的正方形，将待铆接样件放入电阻加热炉1中，待7075高强铝合金板材升温至固溶温度475℃时开始计时，保温30min，提高结晶相固溶度，使第二相MgZn2、Al2Mg3Zn3、Al2CuMg等粒子充分溶解到铝基体中。
固溶完成后由转运机构2转运至自冲铆接机3的模具上，并由红外热像仪4实时监测板材温度变化，其中转运过程不超过3s。
红外热像仪4监测板材表面温度，为便于后续进行温热自冲铆接头的强度和硬度测试比对，使板材温度分别达到200℃、250℃、300℃、350℃及400℃时，温度信号控制液压控制柜5驱动自冲铆接机3，使得冲头推动铆钉向下运动刺穿板材，实现不同温度下的温热铆接过程。
冲头运动至极限位置后保压5～15s，红外热像仪4监测板材表面温度降温至100℃以下，温度信号再次控制液压控制柜5驱动自冲铆接机3，使得冲头上行完成保压淬火过程。
冷却至常温的样件由转运机构2转运至温度为120℃的电阻加热炉1中，保温10h，进行人工时效。
本实施例与传统自冲铆工艺进行了性能测试对比，如图5所示。本发明实现的自冲铆接头强度可以达到10655N，比在常温下成型的自冲铆接头强度提升了40.8％，并且经过温热自冲铆工艺后的板材，可以到达与原始材料几乎相同的硬度水平，从直观来看，由本发明所形成的自冲铆接接头，均没有裂纹产生，降低了内应力，对成型性的改善十分明显。
实施例2
本实施例中，上层板材采用2mm厚的高强钢板材，下层板材采用2mm厚的6061铝合金，其中，在高强钢铆接区域中心预先打孔，保证铆钉顺次穿过上层板材并进入下层板材。
将待铆接样件放入电阻加热炉1中，充分保温固溶，其中保温温度为535℃，保温时间为30min，使溶质原子充分固溶到基体中以获得饱和固溶体。
固溶完成后由转运机构2转运至自冲铆接机3的模具上，并由红外热像仪4实时监测板材温度变化，其中转运过程不超过3s。
红外热像仪4监测板材表面温度直至达到指定成形温度，温度信号控制液压控制柜5驱动自冲铆接机3，使得冲头推动铆钉向下运动刺穿板材，实现铆接过程。
冲头运动至极限位置后保压5～15s，红外热像仪4监测板材表面温度降温至100℃以下，温度信号再次控制液压控制柜5驱动自冲铆接机3，使得冲头上行完成保压淬火过程.
冷却至常温的样件由转运机构2转运至温度为180℃的电阻加热炉1中，进行人工时效，使得铆接接头获得较高的力学性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、快速加热：首先将两层待铆接的高强度轻质金属板材上下堆叠，固定夹持后，放入加热炉中加热，使其温度快速达到预设的固溶温度；
S2、保温固溶：保温使溶质原子充分溶解到基体中以获得饱和固溶体；
S3、转运空冷：将固溶后的两层板材快速转运至自冲铆接机的常温模具上准备进行自冲铆接，通过红外热像仪监测温度反馈至控制系统，其中，监测温度是指监测板材空冷至预设的成形温度；
S4、铆接成型：待温度快速冷却至预设的成形温度后，红外热像仪监测并驱动自冲铆接机的动力系统使得压边圈固定夹紧板材，冲头下行推动自冲铆钉刺穿上层板材并刺入下层板材，完成铆接过程；
S5、保压淬火：铆接部件冷却期间将所述部件保持在闭合模具中，对双层板材继续保压，完成模具内淬火过程；
S6、人工时效：对铆接样件进行人工时效处理，强化成型淬火后的基体材料性能，降低内应力，以回复高强度轻质合金铆接接头的原始力学性能，得到高强度轻质金属板材自冲铆连接件。
2.根据权利要求1所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，所述步骤S1中，对板材固溶温度进行实时监测，预设的固溶温度范围为475-1200℃；保温时间为0.5h-24h，升温速率≥10℃/s，以使材料基体实现充分固溶。
3.根据权利要求1所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，所述步骤S3中，转运时间不超过5s，铆接成型前板材空冷的冷却速度不低于20℃/s，所述铆接成型过程少于0.3s；所述步骤S4中，使用红外热像仪监测板材温度变化，铆接成形温度范围在100-950℃。
4.根据权利要求1所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，所述步骤S5中，淬火时间为5-15s，确保保压过程结束后板材温度快速冷却至100℃以下，保压压强为5-10Mpa，所述模具淬火速率不低于50℃/s，模具温度控制在100℃以内，所述模具内可增设水冷管道以实现模具快速冷却，便于连续批量铆接。
5.根据权利要求1所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述人工时效是将所述部件加热到人工硬化温度并将部件保持在这个温度直到发生沉淀硬化，保温温度为100-600℃，保温时间为0.5h-40h。
6.根据权利要求2-5任意一项权利要求所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，所述预设的固溶温度、预设的成形温度及所述人工时效时的保温温度误差控制正负不超过10℃，以保证铆接成型质量。
7.根据权利要求1所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，所述步骤S4中采用的铆钉长度6-8mm，铆钉外径所述压边圈内径所述压边圈外径所述冲头直径所述冲头直径长度50-70mm。
8.根据权利要求1所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，所述高强度轻质金属板材为2xxx，6xxx，5xxx，7xxx系列的高强度铝合金，镁合金或钛合金，所述自冲铆接方法中的两层待铆接的高强度轻质金属板材可替换为高强度轻质金属板材与异质板材的连接，所述异质板材为碳纤维板。
9.根据权利要求1所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法，其特征在于，所述人工时效处理指T6、T76、T74、T73或T77时效处理。
10.一种如权利要求1所述的高强度轻质金属板材温热自冲铆接方法中采用的自冲铆接装置，其特征在于：所述自冲铆接装置包括用于快速加热的电阻式加热炉、用于转移板材的转运机构、自冲铆接机、红外热像仪和液压控制柜；其中，将所述红外热像仪和所述自冲铆接机集成用以监测实时温度，以实时温度作为所述自冲铆接机铆接开始的控制变量，并持续监测板材温度变化，待板材空冷至预设的成形温度时，控制冲头下行进行自冲铆铆接成型，冷却至保压淬火温度后，控制自冲铆接机冲头上行，完成铆接过程。
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