CN110394993A - 纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法及连接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法及连接装置，其包括加热棒、铆接冲头和铆接凹模，铆接凹模固定于超声波振动装置中，在铆接过程中，铆接冲头、热熔胶深坑铆钉和铆接凹模的轴线重合，铆接冲头将热熔胶深坑铆钉刺入铺放于铆接凹模之上的复合材料中，在冲压过程中，碳纤维增强树脂基复合材料和金属板在热熔胶深坑铆钉的挤压下形成的凸起，压入W型凹槽中，融化的热溶胶流入热熔胶深坑铆钉压入时产生的缝隙内，铆接冲头回程时，热熔胶深坑铆钉留在复合材料层合板中，熔融的热熔胶在板材中固化。本发明解决了无铆连接过程中的材料损伤，以及胶接中材料层间粘接不牢固和溢胶问题，连接可靠，操作简单。

Description

纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法及连接装置
技术领域
本发明涉及异种复合材料连接技术领域，具体涉及一种纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法及连接装置。
背景技术
随着汽车行业的飞速发展，汽车轻量化技术的应用大势所趋，轻量化作为实现节能减排的重要措施之一，已成为新能源汽车发展的技术瓶颈。铝合金已在车身上大量应用，而纤维复合材料等新材料与铝合金的连接也在不断研究中。传统的金属碳纤维增强复合塑料材料的连接技术有胶接、自冲铆铆接(SPR)以及流钻螺接(FDS)等工艺。但是，在纯胶接工艺中，由于所使用的结构胶往往需要经过高温作用，在较高的温度下保温一段时间以确保其固化，而金属碳纤维增强复合塑料等异种材料热膨胀系数差异较大，固化过程会导致胶接接头产生严重变形甚至脱胶，影响接头强度和密封效果。对于自冲铆铆接工艺(SPR)和流钻螺接工艺(FDS)，两种连接技术都会在碳纤维增强复合塑料板上钻孔，易造成碳纤维增强复合塑料板的分层与撕裂，影响金属碳纤维增强复合塑料层合板的连接强度。
现在的无铆连接技术是利用冲压设备上的上凸模和环状槽的凹模，通过高压力将被连接板件挤压进环状槽的凹模内，在进一步的挤压过程中，经过板件材料的塑性流动，实现两种不同材料的连接，其原理是利用材料的可塑性，在挤压处形成一个相互镶嵌的圆点或者矩形点，由此将两层或多层板件连接起来。
通常传统实现不同材料之间连接是胶接的方式，但是在较高的温度下，胶液流动性强，很容易在板件间出现溢胶的现象，造成原料的损失，以及使用时出现问题。因此，将无铆连接和胶接两种方式结合起来，能够弥补两者之间的缺陷，更好的实现金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的连接。
发明内容
针对以上情况，本发明提供一种纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法及连接装置，其目的是为了解决无铆连接过程中由于机械破坏造成板件材料的损伤，以及胶接中材料层间粘接不牢固和溢胶问题，实现金属碳纤维增强树脂基复合材料层合板更好的连接。
本发明所采用的技术方案是提供一种纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法，其包括以下步骤：
S1：将铆接凹模固定于超声波振动装置中，并开启超声波振动装置，使其工作；
S2：先将金属板铺放在所述铆接凹模的第一表面，再将碳纤维增强树脂基复合材料放置在所述金属板的第一表面上；
S3：将热熔胶深坑铆钉固定到铆接冲头之上；
S4：将加热棒放入铆接冲头中，打开温控加热装置，待温度达到热熔胶熔点且不使热熔胶失效后，启动气液增压系统；
S5：所述铆接冲头带动所述热熔胶深坑铆钉刺入铺放好的碳纤维增强树脂基复合材料中，碳纤维增强树脂基复合材料和下层金属板在热熔胶深坑铆钉的冲压下形成凸起；
S6：热熔胶深坑铆钉的铆钉尖口在压入过程中向外张开，热熔胶受到高温作用融化，随着铆钉尖口的不断压入，融化的热熔胶从缝隙流入碳纤维增强树脂基复合材料和下层金属板层间以及铆钉尖口与金属板的缝隙处，从而在实现嵌合的同时完成胶接，实现对金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的连接；
S7：关闭温控加热装置，铆接冲头回程，关闭超声波振动装置，板材中的热熔胶固化，热熔胶深坑铆钉留在板材中，得到金属碳纤维增强树脂基复合材料层合板，连接终止。
优选地，所述步骤S2中金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的边缘超过W型凹槽的边缘。
优选地，所述步骤S6中的热熔胶在铆接凹模外的超声波振动装置的振动作用下流动性增强，且均匀分布于铆接过程中形成的缝隙内，从而在实现嵌合的同时完成胶接，实现对金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的连接。
进一步地，一种纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法的连接装置，其包括铆接冲头、超声波振动装置、铆接凹模和加热棒。所述铆接冲头的内部安装有加热棒，且所述铆接冲头与气液增压系统相连，所述铆接冲头的下端面连接所述热熔胶深坑铆钉，所述超声波振动装置中央安装所述铆接凹模，在进行铆接时，分别将所述铆接冲头、铆接凹模和热熔胶深坑铆钉的轴线重合。
优选地，在所述铆接冲头上采用功率100W模具单头电热管不锈钢干烧型加热棒。
优选地，选用的热熔胶深坑铆钉采用T型结构，所述热熔胶深坑铆钉的第一端面与铆接冲头的第二端面接触，在所述热熔胶深坑铆钉内部安置有固态热熔胶，所述热熔胶深坑铆钉的铆钉端盖与铆钉体的连接处设有45°倾斜段，铆钉体第一端的外侧为铆钉尖口，内侧为圆弧形铆钉刃口，选用的热熔胶为聚酰胺类热熔胶。
优选地，所述铆接凹模的第一端面的中央设置有W型凹槽，所述铆接凹模固定于超声波振动装置中。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明的纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接装置可以将金属板与碳纤维增强树脂基复合材料直接连接起来，节省时间的同时不需要其它辅助设备，不需要在板件上打孔破坏板件，能够有效地避免无铆连接中的缺陷；
2、本发明在铆接冲头上配备有高温加热装置，能够在融化热熔胶的同时对复合材料加热使其软化，使铆钉在冲压过程中的阻力减小，顺利地刺入碳纤维增强树脂基复合材料和下层金属层板内部；
3、本发明在超声波振动中将热熔胶深坑铆钉中的热熔胶填补在铆钉压入过程中复合板材层间和铆钉延伸时出现的缝隙中，在实现铆钉与板件形成机械自锁的同时完成胶接，提高了连接强度；
4、本发明的胶铆连接方式比现有的铆接技术能够更加直接有效地实现金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的连接，操作简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的铆接冲头冲压过程示意图；
图2为本发明的铆钉压入层合板示意图；
图3为本发明的热熔胶深坑铆钉结构示意图；以及
图4为本发明超声波振动装置固定凹模结构示意图。
本发明的主要附图标记如下：
1-加热棒；2-铆接冲头；3-热熔胶深坑铆钉；31-热熔胶；32-铆钉刃口；33-铆钉尖口；34-铆钉端盖；35-铆钉体；4-铆接凹模；41-W型凹槽；5-超声波振动装置；61-碳纤维增强树脂基复合材料；62-金属板。
具体实施方式
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
本发明提供一种纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法，如图1和图2所示，其包括以下步骤：
S1：将铆接凹模4固定于超声波振动装置5中，并开启超声波振动装置5，使其工作；
S2：先将金属板62铺放在铆接凹模4的第一表面，再将碳纤维增强树脂基复合材料61放置在金属板62的第一表面上；
S3：将热熔胶深坑铆钉3固定到铆接冲头2之上；
S4：将加热棒1放入铆接冲头2中，打开温控加热装置，待温度达到热熔胶31熔点且不使热熔胶31失效后，启动气液增压系统；
S5：铆接冲头2带动热熔胶深坑铆钉3刺入铺放好的碳纤维增强树脂基复合材料61中，碳纤维增强树脂基复合材料61和下层金属板62在热熔胶深坑铆钉3的冲压下形成凸起；
S6：热熔胶深坑铆钉3的铆钉尖口33在压入过程中向外张开，热熔胶31受到高温作用融化，随着铆钉尖口33的不断压入，融化的热熔胶31从缝隙流入碳纤维增强树脂基复合材料61和下层金属板62的层间以及铆钉尖口33与金属板62的缝隙处，从而在实现嵌合的同时完成胶接，实现对金属板62和碳纤维增强树脂基复合材料61的连接；
S7：关闭温控加热装置，铆接冲头2回程，关闭超声波振动装置5，板材中的热熔胶31固化，热熔胶深坑铆钉3留在板材中，得到金属碳纤维增强树脂基复合材料层合板，连接终止。
进一步地，步骤S2中金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的边缘超过W型凹槽的边缘；步骤S6中的热熔胶在铆接凹模外的超声波振动装置的振动作用下流动性增强，且均匀分布于铆接过程中形成的缝隙内，从而在实现嵌合的同时完成胶接，实现对金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的连接。
如图1～4所示，本发明提供的一种纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法的连接装置包括铆接冲头2、超声波振动装置5、铆接凹模4和加热棒1，铆接冲头2的内部安装有加热棒1，且铆接冲头2与气液增压系统相连，铆接冲头2的下端面连接热熔胶深坑铆钉3，超声波振动装置5中央安装铆接凹模4，在进行铆接时，分别将铆接冲头2、铆接凹模4和热熔胶深坑铆钉3的轴线重合。
在铆接冲头2上采用贝斯特6*60mm功率100W模具单头电热管不锈钢干烧型加热棒，选用的热熔胶深坑铆钉3采用T型结构，热熔胶深坑铆钉3的第一端面与铆接冲头2的第二端面接触，在热熔胶深坑铆钉3内部安置有固态热熔胶31，热熔胶深坑铆钉3的铆钉端盖34与铆钉体35的连接处设有45°倾斜段，铆钉体35第一端的外侧为铆钉尖口33，内侧为圆弧形铆钉刃口32，选用的热熔胶31为聚酰胺类热熔胶。铆接凹模4的第一端面的中央设置有W型凹槽41，铆接凹模4固定于超声波振动装置5中。
具体地，如图1～4所示，一种纤维复合材料层合板无孔胶铆装置，其包括加热棒1、铆接冲头2、铆接凹模4和超声波振动装置5，铆接冲头2为圆柱形冲头，铆接凹模4内的凹槽为W型凹槽41，能够更好地利用板材在冲压过程中的塑性流动，热熔胶深坑铆钉3采用T型结构，其铆钉端盖34与铆钉体35的连接处设有45°倾斜段，在热熔胶深坑铆钉3内部安置有热熔胶31，在铆接冲头2加热到能够将热熔胶31融化后，熔融状的热熔胶31随着铆接冲头2的冲压流入碳纤维增强树脂基复合材料61和下层金属板62的层间以及铆钉尖口33与金属板62的缝隙中，铆钉体35第一端的外侧为铆钉尖口33，内侧为圆弧形铆钉刃口32，在刺入复合板的同时能够更好减小对板材的破坏。加热棒1放入铆接冲头2中并与温控装置连接，铆接冲头2与气液增压系统相连，同时铆接凹模4固定于超声波振动装置5中，在冲压过程中，铆接冲头2、热熔胶深坑铆钉3和W型凹槽41的轴线重合，铆接冲头2将热熔胶深坑铆钉3刺入多层铺放的碳纤维增强树脂基复合材料61中，碳纤维增强树脂基复合材料61和金属板62在热熔胶深坑铆钉3的冲压下形成凸起，凸起压入铆接凹模4的W型凹槽41内，在铆接冲头2回程时，热熔胶深坑铆钉3留在板材凸起处，从而得到金属碳纤维增强树脂基复合材料层合板。
本发明的复合材料层合板即为CFRP金属层合板，将金属板62和碳纤维增强树脂基复合材料61进行连接而成的CFRP金属层板。
本发明解决了胶接中材料层间粘接不牢固和溢胶问题，解决了无铆连接过程中由于机械破坏而造成的板件材料的损伤问题，本发明针对异种材料板连接技术提供直接成型工艺，不需要预制孔和涂胶，操作简单，成本低。此外，本发明采用的热熔胶深坑铆钉在连接过程中，能够最大限度的减小对板材的损伤，提高了连接强度。
以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1：将铆接凹模固定于超声波振动装置中，并开启超声波振动装置，使其工作；
S2：先将金属板铺放在所述铆接凹模的第一表面，再将碳纤维增强树脂基复合材料放置在所述金属板的第一表面上；
S3：将热熔胶深坑铆钉固定到铆接冲头之上；
S4：将加热棒放入铆接冲头中，打开温控加热装置，待温度达到热熔胶熔点且不使热熔胶失效后，启动气液增压系统；
S5：所述铆接冲头带动所述热熔胶深坑铆钉刺入铺放好的碳纤维增强树脂基复合材料中，碳纤维增强树脂基复合材料和下层金属板在热熔胶深坑铆钉的冲压下形成凸起；
S6：热熔胶深坑铆钉的铆钉尖口在压入过程中向外张开，热熔胶受到高温作用融化，随着铆钉尖口的不断压入，融化的热熔胶从缝隙流入碳纤维增强树脂基复合材料和下层金属板层间以及铆钉尖口与金属板的缝隙处，从而在实现嵌合的同时完成胶接，实现对金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的连接；
S7：关闭温控加热装置，铆接冲头回程，关闭超声波振动装置，板材中的热熔胶固化，热熔胶深坑铆钉留在板材中，得到金属碳纤维增强树脂基复合材料层合板，连接终止。
2.根据权利要求1所述的纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法，其特征在于，所述步骤S2中金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的边缘超过W型凹槽的边缘。
3.根据权利要求1所述的纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法，其特征在于，所述步骤S6中的热熔胶在铆接凹模外的超声波振动装置的振动作用下流动性增强，且均匀分布于铆接过程中形成的缝隙内，从而在实现嵌合的同时完成胶接，实现对金属板和碳纤维增强树脂基复合材料的连接。
4.一种利用权利要求1-3中任一项所述的纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法的连接装置，其特征在于，其包括铆接冲头、超声波振动装置、铆接凹模和加热棒，所述铆接冲头的内部安装有加热棒，且所述铆接冲头与气液增压系统相连，所述铆接冲头的下端面连接所述热熔胶深坑铆钉，所述超声波振动装置中央安装所述铆接凹模，在进行铆接时，分别将所述铆接冲头、铆接凹模和热熔胶深坑铆钉的轴线重合。
5.根据权利要求4所述的纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法的连接装置，其特征在于，在所述铆接冲头上采用功率100W模具单头电热管不锈钢干烧型加热棒。
6.根据权利要求5所述的纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法的连接装置，其特征在于，选用的热熔胶深坑铆钉采用T型结构，所述热熔胶深坑铆钉的第一端面与铆接冲头的第二端面接触，在所述热熔胶深坑铆钉内部安置有固态热熔胶，所述热熔胶深坑铆钉的铆钉端盖与铆钉体的连接处设有45°倾斜段，铆钉体第一端的外侧为铆钉尖口，内侧为圆弧形铆钉刃口，选用的热熔胶为聚酰胺类热熔胶。
7.根据权利要求4所述的纤维复合材料层合板无孔冲压胶铆连接方法的连接装置，其特征在于，所述铆接凹模的第一端面的中央设置有W型凹槽，所述铆接凹模固定于超声波振动装置中。
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