CN111266469B - 一种无铆钉铆接马氏体钢板的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无铆钉铆接技术领域，尤其涉及一种无铆钉铆接马氏体钢板的装置及其方法。所述装置包括：上模具、下模具、冲头、托头、上激光加热器、下激光加热器、热敏电阻和冷却水道。上模具、下模具的中心均设置有通孔，上模具，下模具为上、下对称设置的结构，冲头位于上模具的通孔中，托头位于下模具中的通孔中，且冲头和托头在各自的通孔中均能够自由运动。上激光加热器设置在冲头的底面中，下激光加热器设置在托头的顶面中，上模具、下模具中均设置有热敏电阻和冷却水道，且冲头中靠近上激光加热器的位置以及托头中靠近下激光加热器的位置也设置有冷却水道。上述装置形成的铆钉和底层材料实现互锁，保证高的连接强度。

Description

一种无铆钉铆接马氏体钢板的装置及其方法

技术领域

本发明属于无铆钉铆接技术领域，尤其涉及一种无铆钉铆接马氏体钢板的装置及其方法。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着能源的枯竭、环境保护，以及全球对环境保护立法的不断完善，使得汽车轻量化和对高强度钢材的研究成为一个重要的课题，汽车车身占汽车总重的四分之一，因此，在保证强度的同时减轻车身重量，对于油耗和减少二氧化碳的排放都十分重要。

无铆钉铆接技术是金属板连接技术下的一种新型技术，在铆接过程中不产生化学反应，且铆接时不需钻孔，其相比于传统的铆钉连接的质量和效率上优势明显，且节省成本，其在计算机机壳、干燥机顶盖以及轿车白车方面得到了广泛的应用。

无铆钉铆接技术在轿车白车上的应用主要在于轿车白车的车身表面各项零件的连接上，将车身、车门、引擎盖、后备箱盖等部分连接起来；另外，在轿车的整车零件例如轿车天窗、车灯导板、摇窗机等都可以用无铆钉铆接技术实现对轿车零件的连接安装。

虽然无铆钉铆接技术有一定的优势，但其自身还存在一定的缺陷和不足。首先在无铆钉铆接的施工工艺上，其对于实际工作的工艺条件要求较高，对塑性较差的金属板连接工作上不容易实现，另外这种无铆钉铆接技术对连接板材的组合厚度上有一定要求，对厚度过厚或者过薄都不能正常的形成铆接接头。

在点焊技术上，无铆钉铆接技术的铆接接头本身强度低于点焊的焊点，因此其在汽车承载力要求较高的部位的以及对硬度较高和热硬化处理过的材料上其塑性流动质量并不理想。

发明内容

由于马氏体钢板的强度、硬度均比较高，这类钢板之间难以通过传统的无铆铆接这种冷铆接技术实现连接，而且通过这种冷铆接技术连接后接头中往往容易出现裂纹以及回弹现象，导致接头的力学性能不佳、连接不紧密。为此，本发明提供了一种无铆钉铆接超高强度复合钢板的装置及其方法，其形成的铆钉和底层材料实现互锁，保证高的连接强度。同时，通过在连接过程中进行热处理，进一步保证了高强钢板之间无铆铆接接头的力学性能。

为实现上述发明目的，本发明公开如下的技术方案。

本发明的第一方面，公开一种无铆钉铆接马氏体钢板的装置，包括：上模具、下模具、冲头、托头、上激光加热器、下激光加热器、热敏电阻和冷却水道。所述上模具、下模具的中心均设置有通孔，上模具与下模具为上、下对称设置的结构，所述冲头位于上模具的通孔中，托头位于下模具中的通孔中，且冲头和托头在各自的通孔中均能够自由运动。冲头的底面为边缘凸起结构，所述上激光加热器设置在冲头的底面中，所述下激光加热器设置在托头的顶面中，上模具、下模具中均设置有热敏电阻和冷却水道，且冲头中靠近上激光加热器的位置以及托头中靠近下激光加热器的位置也设置有冷却水道。

进一步地，还包括滑槽和滑块，所述滑槽设置在下模具的通孔内壁上，所述滑块的一端与托头固定在一起，滑块的另一端卡合在滑槽中且能够在滑槽中自由滑动。

进一步地，还包括垫圈，其用于设置在上模具、下模具与待铆合的板料之间，用于增强对板料的预紧效果。

可选地，所述上模具、下模具、冲头、托头、垫圈的材质均为热作模具钢，如5CrNiMo等，这类钢材具有很高的硬度，适合作为高强度钢铆接的工具材料。

进一步地，所述冲头底面边缘的凸起结构的凸起高度不超过5mm，优选为2~5mm，冲头底面边缘形成的凸起结构的主要作用是便于冲头退模，避免冲头和板料粘结，提高铆接效率。

进一步地，所述上激光加热器、下激光加热器的底部均为凹透镜结构，可以使激光一定的角度发散照射到要加热铆接的上、下板料的铆接连接区域的表面上。

进一步地，所述上激光加热器、下激光加热器分别距冲头底面、托头顶面2~3mm，避免在铆接过程中压坏激光加热器。

进一步地，还包括控制系统，其用于控制冲头在上模具的通孔中运动；铆接过程中托头在下模具中的通孔中被动运动，托头始终贴紧下板料的下表面，托头与下模具的通孔内壁形成型腔，用于容纳铆接形成的凸出接头。

本发明的第二方面，公开一种无铆钉铆接马氏体钢板的装置及其方法，包括如下步骤：

（1）将待铆接的下板料置于下模具上，然后将上板料置于下板料上，驱动上模具下移，下压上模具至上板料与下板料被压紧在上模具和下模具之间，所述上板料、下板料均为马氏体钢；

（2）打开上激光加热器，对上板料的待铆接区域进行加热，并由上模具中的热敏电阻实时测量上板料的温度，当温度达到设定值时，进行保温；

（3）打开下激光加热器，对下板料的待铆接区域进行加热，并由下模具中的热敏电阻实时测量下板料的温度，当温度达到设定值时，上板料和下板料均停止进行保温，并进入铆接工序；

（4）启动冲头向下冲压上板料与下板料，达到下止点时冲头停止冲压，下止点与下模具顶端平齐，具体停止时间视板料厚度所定，同时，托头被动地以相同速率向下移动相同的距离，此时，上板料与下板料在冲头的压力作用下在下模具与托头之间形成的型腔内形成机械互锁接头；

（5）向冲头、托头、上模具、下模具中的冷却水道通水进行淬火，使所述机械互锁接头以及接头周边的板料马氏体化，提高接头强度；

（6）冲头上移回程，托头下移回程，取出铆接成一体的上板料与下板料，即得。

进一步地，步骤（1）中，模具于板料之间放置垫圈，增加板料的预紧力。

进一步地，步骤（1）中，上板料比下板料薄，上板料硬度高于下板料。

进一步地，步骤（2）和（3）中，所述温度的设定值为板料的奥氏体化温度以上，以便于在后续的铆接过程中更容易铆接接头的形成，并减小接头回弹，另外，也为后续热处理过程中获得目标组织提供条件。

可选地，步骤（4）中，所述冲头的下压速率为100~120mm/min。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的铆接装置和方法可以连接不易焊接的材料，无须预先打孔，上板料与下板料形成机械互锁接头保证了高的连接强度；而且由于下板料不刺穿，不会破坏下板料的涂镀层，铆合过程高效快捷，适应汽车制造业的大批量生产。本发明相较于市面上的其他同类工艺，通过激光加热器，热敏电阻，冷却水装置使得温度控制更加精确，同时，模具较小，不占空间，低耗能，小变形，属于环境友好型工艺；

（2）本发明将传统的无铆钉铆接这种冷铆接技术与热处理工艺结合，实现了在高温状态下对板料的铆接，从而将传统的冷铆接技术转化为热铆接技术此时板料的强度较低，塑性和流动性好，便于减少铆接过程中板料中出现的裂纹，而且形成的接头并没有回弹现象，保证的接头的连接质量。同时，在铆接完成后通过对铆接接头的淬火实现了接头的强化，保证接头具有超高的连接强度。进一步地，通过对接头周边的板料的淬火，保证铆接后的一定范围的板料依然是马氏体钢，消除了热铆接导致的待铆合钢板类型的变化，使板料恢复了马氏体钢的状态。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例中无铆钉铆接马氏体钢板的装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中无铆钉铆接马氏体钢板的装置在激光加热状态下的结构示意图。

图3为本发明实施例中无铆钉铆接马氏体钢板的装置在冲头运动到下止点铆接结束时的结构示意图。

图4为本发明实施例中无铆钉铆接马氏体钢板的装置在冲头铆接结束复位后的结构示意图。

图5为本发明实施例1接头处的SEM图片。

图6为本发明实施例2接头处的SEM图片。

图中标记分别为：1-上板料，2-下板料，3-上模具，4-下模具，5-冲头，6-托头，7-上激光加热器，8-下激光加热器，9-热敏电阻，10-冷却水道，11-滑槽，12-滑块，13-垫圈。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如前文所述，由于马氏体钢板的强度、硬度均比较高，这类钢板之间难以通过传统的无铆铆接这种冷铆接技术实现连接，而且通过这种冷铆接技术连接后接头中往往容易出现裂纹以及回弹现象，导致接头的力学性能不佳、连接不紧密。因此，本发明提出了用于空气净化的碳纤维多层过滤结构及其组件；现结合说明书附图和具体实施例对本发明进一步说明。

首先，参考图1，示例一种本发明设计的无铆钉铆接马氏体钢板的装置，包括上模具3、下模具4、冲头5、托头6、上激光加热器7、下激光加热器8、热敏电阻9、冷却水道10、滑槽11和滑块12。

所述上模具3、下模具4均为中心开设通孔的圆柱，其差值为热作模具钢，且上模具3，下模具4为上、下对称设置的结构，即两者的通孔为同轴设置。

所述冲头5安装在上模具3的通孔中，托头6安装下模具4中的通孔中，且冲头5和托头6在各自的通孔中均能够自由运动，以便于在进行铆接时冲头5、托头6的进给，或者铆接结束后冲头5、托头6的复位。

所述冲头5由控制系统控制，冲头5在控制系统的控制下实现在上模具3的通孔中的进给、停止、复位等动作以及运行速率的调整；铆接过程中冲头5向上板料1施加向下的压力，托头6在下模具4中的通孔中被动运动，托头6始终贴紧下板料2的下表面，托头6与下模具的通孔内壁形成型腔，用于容纳铆接形成的凸出接头。

所述冲头5的底面为边缘凸起结构，即冲头5的底面具有凹槽，该凹槽是由于底面为边缘凸起后高于底面其他部位的高度而形成，所述上激光加热器7设置在冲头5的底面的凹槽中，所述下激光加热器8设置在托头6的顶面中，且上激光加热器7、下激光加热器8均未超出对应底面或顶面，避免冲头5、托头6与板料接触时损坏激光加热器。另外，所述上激光加热器7、下激光加热器8的底部均为凹透镜结构，可以使激光一定的角度发散照射到要加热铆接的上、下板料2的铆接连接区域的表面上。

所述上模具3、下模具4中均设置有热敏电阻9和冷却水道10，且冲头5中上激光加热器7两侧的位置以及托头6中下激光加热器8两侧的位置均设置有冷却水道10。

所述滑槽1设置在下模具4的通孔内壁上，所述滑块12的一端与托头6固定在一起，滑块12的另一端卡合在滑槽1中且能够在滑槽1中自由滑动。

进一步地，在另一些典型的实施方式中，图1所示的无铆钉铆接马氏体钢板的装置还包括垫圈13，其用于设置在上模具3、下模具4与待铆合的板料之间，用于增强对板料的预紧效果。

进一步地，在另一些典型的实施方式中，所述上模具、下模具、冲头、托头、垫圈的材质均为5CrNiMo，这种热作模具钢具有很高的硬度，适合作为高强度钢铆接的工具材料。

进一步地，在另一些典型的实施方式中，所述冲头底面边缘的凸起结构的凸起高度为5mm。除此之外，所述凸起高度还可以根据实际需要在2~5mm之间进行任意选择，例如，在其他一些实施例中，所述凸起高度分别选择为2mm，3mm，4mm；冲头底面边缘形成的凸起结构的主要作用是便于冲头退模，避免冲头和板料粘结，提高铆接效率。

进一步地，在另一些典型的实施方式中，所述上激光加热器7距冲头底面、下激光加热器8距托头顶面的距离为2mm，在其他一些实施例中，所述距离还被选择为3mm，避免在铆接过程中压坏激光加热器。

进一步地，本发明采用上述实施例中示例的无铆钉铆接马氏体钢板的装置进行了马氏体钢板的铆接，同时参考图1-4，具体工艺过程包括如下步骤：

（1）抬起上模具3，以马氏体钢板为待铆接的板料，按照上模具3、垫圈13、上板料1、下板料2、垫圈13、下模具4的顺序进行摆放，其中上述下板料2置于下模具4上，上板料1放置在下板料2上，上模具3位于上板料1上方，垫圈13位于相应板料与磨具之间，且上板料薄，下板料厚，下板料的厚度至少要比上板料的厚度多1/3，上板料硬，下板料较软，下板料的延伸率至少要比上板料的延伸率高12%（拟选用上板料22MnB5，下板料20Cr13），通过控制系统控制步进电机驱动上模具1下移，直到上模具1底部垫圈13压紧上板料1与下板料2；

（2）打开上激光加热器7，加热功率为1KW，对上板料1的待铆接区域进行加热，由安装在上模具3中的热敏电阻9实时测量上板料1待铆接区域的温度，当待铆接区域温度达到950℃时进入保温阶段，同时打开下激光加热器8，加热功率为1KW，对下板料2的待铆接区域进行加热，由安装在下模具4顶部的热敏电阻实时测量下板料2待铆接区域的温度，当待铆接区域温度达到950℃时，停止加热，进入铆接工序；

（3）将冲头5以120mm/min的速度向下冲压上板料1与下板料2，达到下止点时冲头5停止冲压，下止点与下模具顶端平齐，具体停止时间视板料厚度所定，同时，托头6以相同速度通过滑槽11向下移动相同的距离，此时，上板料1与下板料2在冲头5的压力作用下在下模具4与托头6之间形成的型腔内形成机械互锁接头；然后冲头5与托头6的冷却水道10通0℃的冷却水，以80℃/s的冷却速率对所述机械互锁接头进行淬冷，使上板料1与下板料2的铆接连接区域完全马氏体化，提高接头强度；同时，上模具3与下模具4的冷却水道通水，对上板料1与下板料2进行机械自锁接头以及接头周边的板料进行淬火，使板料组织完全马氏体化，保证了自锁接头处的强度；

（4）铆接完成后冲头5上移回程，托头6下移回程，取出铆接钢板，进入下一次的铆接准备工序。

在另一实施例中，上述马氏体钢板的铆接具体工艺过程包括如下步骤（同时参考图1-4）：

（1）抬起上模具3，以马氏体钢板为待铆接的板料，按照上模具3、垫圈13、上板料1、下板料2、垫圈13、下模具4的顺序进行摆放，其中上述下板料2置于下模具4上，上板料1放置在下板料2上，上模具3位于上板料1上方，垫圈13位于相应板料与磨具之间，且上板料薄，下板料厚，下板料的厚度至少要比上板料的厚度多1/3，上板料硬，下板料较软，下板料的延伸率至少要比上板料的延伸率高12%（拟选用上板料22MnB5，下板料20Cr13），通过控制系统控制步进电机驱动上模具1下移，直到上模具1底部垫圈13压紧上板料1与下板料2；

（2）打开上激光加热器7，加热功率为1KW，对上板料1的待铆接区域进行加热，由安装在上模具3中的热敏电阻9实时测量上板料1待铆接区域的温度，当待铆接区域温度达到900℃时进入保温阶段，同时打开下激光加热器8，加热功率为1KW，对下板料2的待铆接区域进行加热，由安装在下模具4顶部的热敏电阻实时测量下板料2待铆接区域的温度，当待铆接区域温度达到900℃时，停止加热，进入铆接工序；

（3）将冲头5以100mm/min的速度向下冲压上板料1与下板料2，达到下止点时冲头5停止冲压，下止点与下模具顶端平齐，具体停止时间视板料厚度所定，同时，托头6以相同速度通过滑槽11向下移动相同的距离，此时，上板料1与下板料2在冲头5的压力作用下在下模具4与托头6之间形成的型腔内形成机械互锁接头；然后冲头5与托头6的冷却水道10通0℃的冷却水，以80℃/s的冷却速率对所述机械互锁接头进行淬冷，使上板料1与下板料2的铆接连接区域完全马氏体化，提高接头强度；同时，上模具3与下模具4的冷却水道通水，对上板料1与下板料2机械自锁接头以及接头周边的板料进行淬火，使板料组织完全马氏体化，保证了自锁接头处的强度；

（4）铆接完成后冲头5上移回程，托头6下移回程，取出铆接钢板，进入下一次的铆接准备工序。

除此之外，在另一些实施例中，还采用如下的方法进行马氏体钢板的铆接工艺，同时参考图1-4，具体包括如下步骤：

（1）抬起上模具3，以马氏体钢板为待铆接的板料，按照上模具3、垫圈13、上板料1、下板料2、垫圈13、下模具4的顺序进行摆放，其中上述下板料2置于下模具4上，上板料1放置在下板料2上，上模具3位于上板料1上方，垫圈13位于相应板料与磨具之间，且上板料薄，下板料厚，下板料的厚度至少要比上板料的厚度多1/3，上板料硬，下板料较软，下板料的延伸率至少要比上板料的延伸率高12%（拟选用上板料22MnB5，下板料20Cr13），通过控制系统控制步进电机驱动上模具1下移，直到上模具1底部垫圈13压紧上板料1与下板料2；

（2）将冲头5以120mm/min的速度向下冲压上板料1与下板料2，达到下止点时冲头5停止冲压，下止点与下模具顶端平齐，具体停止时间视板料厚度所定，同时，托头6以相同速度通过滑槽11向下移动相同的距离，此时，上板料1与下板料2在冲头5的压力作用下在下模具4与托头6之间形成的型腔内形成机械互锁接头；

（3）铆接完成后冲头5上移回程，托头6下移回程，取出铆接钢板，进入下一次的铆接准备工序。

性能测试：对上述三个实施例中得到的铆接接头的微观组织以及力学性能进行测试，图5和图6分别是实施例1和实施例2接头处的SEM图片，可以看到具有明显的板条形貌特征，为板条马氏体，由于激光焊接时加热和冷却速率较快，焊缝中没有析出相析出；对三个接头进行显微硬度测试，实施例1的平均显微硬度为420HV，实施例2的平均显微硬度为405HV，明显高于实施例3的平均显微硬度280HV；实施例1焊缝处平均冲击功为251J，实施例2焊缝处平均冲击功为259J，母材平均冲击吸收功为276J，平均冲击吸收功接近于母材水平。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种采用无铆钉铆接马氏体钢板的装置执行无铆钉铆接马氏体钢板的方法，其特征在于，无铆钉铆接马氏体钢板的装置包括：上模具、下模具，其均为中心设置有通孔的机构，且上模具，下模具为上、下对称设置；一冲头，其底面为边缘凸起结构，所述冲头位于上模具的通孔中，且冲头在该通孔中能够自由运动；一托头，其位于下模具的通孔中，且托头在该通孔中能够自由运动；上激光加热器，其设置在冲头的底面中；下激光加热器，其设置在托头的顶面中；以及上模具、下模具中均设置有热敏电阻和冷却水道，且冲头中靠近上激光加热器的位置和托头中靠近下激光加热器的位置均设置有冷却水道；不用预先冲孔，被铆接马氏体钢板可实现机械互锁且下板料不被刺穿；无铆钉铆接马氏体钢板的方法，包括步骤：

（1）将待铆接的下板料置于下模具上，然后将上板料置于下板料上，驱动上模具下移，下压上模具至上板料与下板料被压紧在上模具和下模具之间，所述上板料、下板料均为马氏体钢；

（2）打开上激光加热器，对上板料的待铆接区域进行加热，并由上模具中的热敏电阻实时测量上板料的温度，当温度达到设定值时，进行保温；

（3）打开下激光加热器，对下板料的待铆接区域进行加热，并由下模具中的热敏电阻实时测量下板料的温度，当温度达到设定值时，上板料和下板料均停止进行保温，并进入铆接工序；

（4）启动冲头向下冲压上板料与下板料，达到下止点时冲头停止冲压，下止点与下模具顶端平齐，具体停止时间视板料厚度所定，同时，托头被动地以相同速率向下移动相同的距离，此时，上板料与下板料在冲头的压力作用下在下模具与托头之间形成的型腔内形成机械互锁接头，且被铆接下板料不被刺穿；

（5）向冲头、托头、上模具、下模具中的冷却水道通水进行淬火，使所述机械互锁接头以及接头周边的板料马氏体化；

（6）冲头上移回程，托头下移回程，取出铆接成一体的上板料与下板料，即得。

2.如权利要求1所述的无铆钉铆接马氏体钢板的方法，其特征在于，还包括滑槽和滑块，所述滑槽设置在下模具的通孔内壁上，所述滑块的一端与托头固定在一起，滑块的另一端卡合在滑槽中且能够在滑槽中自由滑动。

3.如权利要求1所述的无铆钉铆接马氏体钢板的方法，其特征在于，还包括垫圈，其用于设置在上模具、下模具与待铆合的板料之间。

4.如权利要求3所述的无铆钉铆接马氏体钢板的方法，其特征在于，所述上模具、下模具、冲头、托头、垫圈的材质均为热作模具钢。

5.如权利要求1-3任一项所述的无铆钉铆接马氏体钢板的方法，其特征在于，所述冲头底面边缘的凸起结构的凸起高度为2~5mm；所述上激光加热器、下激光加热器的底部均为凹透镜结构；所述上激光加热器、下激光加热器分别距冲头底面、托头顶面2~3mm。

6.如权利要求1-3任一项所述的无铆钉铆接马氏体钢板的方法，其特征在于，还包括控制系统，其用于控制冲头在上模具的通孔中运动。

7.如权利要求1所述的无铆钉铆接马氏体钢板的方法其特征在于，步骤（1）中，所述上板料比下板料薄，且上板料硬度高于下板料，下板料至少比上板料厚1/3，且延伸率高12%以上。

8.如权利要求1所述的无铆钉铆接马氏体钢板的方法，其特征在于，步骤（2）和（3）中，所述温度的设定值为板料的奥氏体化温度以上；步骤（4）中，所述冲头的下压速率为100~120mm/min。

Images