CN112343911B - 一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的铆钉及其摩擦塞铆焊方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的铆钉及其摩擦塞铆焊方法，本发明涉及材料连接技术领域，具体涉及一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的铆钉及其摩擦塞铆焊方法。本发明要解决铝合金和碳纤维复合材料连接难度大、可靠性差的技术问题。铆钉包括铆钉盖和铆钉体；铆钉盖上表面沿圆周方向设有多个向心凹槽，铆钉盖下表面与铆钉体相连；铆钉体由上至下依次为光滑圆柱、带螺纹圆台和带螺纹锥体，带螺纹圆台为上端细下端粗结构，带螺纹锥体为圆锥体。方法：固定材料；控制转速及进给速度形成连接；驱动杆脱离，移除夹具。本发明严格控制铆钉长度，利用摩擦塞铆焊形成高强度的连接。本发明铆钉用于铝合金和碳纤维复合材料连接。
Description
技术领域
本发明涉及材料连接技术领域，具体涉及一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的铆钉及其摩擦塞铆焊方法。
背景技术
近几年来，随着汽车车身轻量化发展的趋势，碳纤维复合材料(CFRP)及铝合金凭借密度低、比强度高的性能优势逐渐成为汽车制造商所青睐的材料。然而铝合金因其具有极强的氧化能力、较小的电阻率、较大的导热系数、比热容和线膨胀系数以及易形成气孔等特性，使其难以用传统电阻点焊工艺进行连接。目前，铝合金与CFRP连接的主要手段包括胶接、无铆冲压、自冲铆接(SPR)、热熔钻(FDS)、摩擦塞铆焊(EJOWELD)等。这些方法各自存在一定的问题：胶接法的可靠性差，器件难以长期使用；无铆冲压大多用于薄板金属材料，对复合材料难以实现有效的连接；SPR所用的铆钉形状复杂，加工困难，而且难以穿透CFRP这种高硬度材料；FDS所用的铆钉钉身较长，穿透力强，能够形成可靠的连接，但其尖端会伸出母材很长的距离，使产品存在安全隐患。
发明内容
本发明要解决铝合金和碳纤维复合材料连接难度大、可靠性差的技术问题，而提供一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的铆钉及其摩擦塞铆焊方法。
一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的铆钉，该铆钉包括铆钉盖和铆钉体；铆钉盖上表面沿圆周方向设有多个向心凹槽，铆钉盖下表面与铆钉体相连；铆钉体由上至下依次为光滑圆柱、带螺纹圆台和带螺纹锥体，带螺纹圆台为上端细下端粗结构，带螺纹锥体为圆锥体。
进一步的，所述铆钉材质为锌镍涂层淬火回火钢，铆钉为实心结构。
进一步的，所述铆钉盖上表面的向心凹槽与焊接设备的驱动杆配合固定。
进一步的，所述铆钉盖上表面的向心凹槽为6槽型或11槽型。
进一步的，所述铆钉盖的外檐下表面与铆钉体的光滑圆柱外壁的夹角为60～70°。
所述铆钉材质为锌镍涂层淬火回火钢，保证具有旋入铝合金以及CFRP的硬度与强度。
所述铆钉由实心铆钉体以及铆钉盖组成，其中：铆钉盖的下表面与铆钉体相连，整体为带檐结构，上表面包含有均匀分布的凹槽，用于与夹具固定，设置凹槽的目的是为了使铆钉与夹具产生紧密的结合，防止由于高速旋转导致铆钉脱离夹具或偏离主轴；凹槽为中心对称的有向凹形面或有向凸形面，所述的有向是指，该凹形面或凸形面为非镜像对称结构；铆钉盖的外檐下表面与铆钉体的光滑圆柱外壁呈60～70°夹角，控制上层板的材料流动；其中采用带檐结构及夹角结构是为了使铆钉挤入铝板时，被排出的铝合金能够进入顶帽檐的空隙中，从而实现铆钉的水密封。
所述铆钉体由上至下依次为光滑圆柱杆、带螺纹圆台和带螺纹锥体。螺纹能够用于形成高强度的机械连接，顶端预留一部分光滑圆柱杆是为了便于加工；圆台的设计要点在于上端细、下端粗，使得铆钉在进入板材后可以被更好的固定在里面，从而提升连接强度；带螺纹锥体保证其能够在无预制孔的情况下以较快的速率旋进铝合金及CFRP。整体长度经严格控制，以确保能够与摩擦塞铆焊的设备匹配。
一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，具体按以下步骤进行：
一、将碳纤维复合板材放在夹具底盘上，再将铝合金板放在碳纤维复合板材上，并用圆柱筒形夹具固定；
二、将铆钉竖直安装在焊接设备的驱动杆下端，驱动杆与铆钉盖的凹槽啮合；
三、控制驱动杆轴向向下，将铆钉进给至距离铝合金板上表面0.5～0.6mm时，控制驱动杆旋转铆钉同时保持低速进给，将铆钉旋入铝合金板，当铆钉穿透铝合金板后，提高转速，同时降低进给速度，将铆钉底部与碳纤维复合板材形成连接；
四、将驱动杆反向低速转动，同时慢速向上移动，将驱动杆与铆钉脱离，移除夹具，完成所述摩擦塞铆焊方法。
进一步的，步骤二所述铆钉体长度L的选择：铝合金板厚度为d1，碳纤维复合板材厚度为d2，当1.0mm≤d1＜1.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为4.0mm；当1.5mm≤d1＜2.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为4.5mm；当2.0mm≤d1＜2.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为5.0mm；当2.5mm≤d1＜3.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为5.5mm；当3.0mm≤d1＜3.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为6.0mm；当3.5mm≤d1＜4.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为6.5mm；当1.0mm≤d1＜1.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为4.5mm；当1.5mm≤d1＜2.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为5.0mm；当2.0mm≤d1＜2.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为5.5mm；当2.5mm≤d1＜3.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为6.0mm；当3.0mm≤d1＜3.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为6.5mm；当3.5mm≤d1＜4.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为7.0mm。
步骤一中夹具可防止后续连接过程中发生板材移位。
步骤三中驱动杆的直径与筒形夹具内径相配合，在向下运动过程中受夹具限制，防止后续连接过程中驱动杆发生横向位移。
铆钉整体长度经严格控制，以确保能够与摩擦塞铆焊的设备匹配。
铆钉长度随板材厚度变化，以0.5mm为间隔提供多种长度，可根据应用情况进行最佳选择。为确保工艺可靠性，间隙尺寸和材料厚度的公差必须小于+0.5mm，以保证必要的对板材的穿透能力。
本发明方法当铆钉穿透铝合金板后，提高转速，同时降低直线进给速度，使铆钉的底部与CFRP材料充分摩擦生热，进而使CFRP及铆钉的下端发生熔化，形成高强度的连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用实心铆钉结构，与自冲铆接所用的半空心铆钉相比，更容易加工。
(2)本发明的铆钉长度受到严格控制，能够利用摩擦塞铆焊的设备进行连接，从而保证连接强度的同时防止器件表面出现铆钉的钉尖，增加了使用的安全性和美观性。
(3)本发明采用上端细下端粗的圆台结构，其目的是使旋入板材的铆钉在受力时能得到与其被拔出的方向相反的力，防止其因受力而被拔出或导致连接松动。
(4)本发明在螺钉尖端采用螺纹结构，相比摩擦塞铆焊的光滑结构，具有更高的穿透性，更适合CFRP这种高硬材料，且提高了生产效率。
本发明铆钉用于铝合金和碳纤维复合材料连接。
附图说明
图1为具体实施方式一所述铆钉的结构示意图；
图2为具体实施方式一所述铆钉盖的结构示意图；
图3为具体实施方式一所述铆钉的局部剖面示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的铆钉，包括铆钉盖铆1铆和铆钉体；铆钉盖上表面沿圆周方向设有多个向心凹槽铆1-1铆，铆钉盖铆1铆下表面与铆钉体相连；铆钉体由上至下依次为光滑圆柱铆2-1铆、带螺纹圆台铆2-2铆和带螺纹锥体铆2-3铆，带螺纹圆台铆2-2铆为上端细下端粗结构，带螺纹锥体铆2-3铆为圆锥体。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述铆钉材质为锌镍涂层淬火回火钢，铆钉为实心结构。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述铆钉盖上表面的向心凹槽铆1-1铆与焊接设备的驱动杆配合固定。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述铆钉盖上表面的向心凹槽铆1-1铆为6槽型或11槽型。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述铆钉盖的外檐下表面1-2与铆钉体的光滑圆柱外壁的夹角为60～70°。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述带螺纹锥体轴截面三角形的顶角为125°。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，具体按以下步骤进行：
一、将碳纤维复合板材放在夹具底盘上，再将铝合金板放在碳纤维复合板材上，并用圆柱筒形夹具固定；
二、将铆钉竖直安装在焊接设备的驱动杆下端，驱动杆与铆钉盖的凹槽啮合；
三、控制驱动杆轴向向下，将铆钉进给至距离铝合金板上表面0.5～0.6mm时，控制驱动杆旋转铆钉同时保持低速进给，将铆钉旋入铝合金板，当铆钉穿透铝合金板后，提高转速，同时降低进给速度，将铆钉底部与碳纤维复合板材形成连接；
四、将驱动杆反向低速转动，同时慢速向上移动，将驱动杆与铆钉脱离，移除夹具，完成所述摩擦塞铆焊方法。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：步骤二所述铆钉体长度L的选择：铝合金板厚度为d1，碳纤维复合板材厚度为d2，当1.0mm≤d1＜1.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为4.0mm；当1.5mm≤d1＜2.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为4.5mm；当2.0mm≤d1＜2.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为5.0mm；当2.5mm≤d1＜3.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为5.5mm；当3.0mm≤d1＜3.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为6.0mm；当3.5mm≤d1＜4.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为6.5mm；当1.0mm≤d1＜1.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为4.5mm；当1.5mm≤d1＜2.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为5.0mm；当2.0mm≤d1＜2.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为5.5mm；当2.5mm≤d1＜3.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为6.0mm；当3.0mm≤d1＜3.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为6.5mm；当3.5mm≤d1＜4.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为7.0mm。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八不同的是：步骤三中当铆钉距离铝合金板上表面0.5～0.6mm时，控制驱动杆的进给速度为10mm/min，旋转速度150r/min。其它与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：步骤三中当铆钉穿透铝合金板后，控制驱动杆的进给速度为1mm/min，旋转速度为2000r/min。其它与具体实施方式七至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是：步骤四中驱动杆反向转动速度为30r/min，向上移动速度为15mm/min。其它与具体实施方式七至十之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的铆钉，该铆钉包括铆钉盖铆1铆和铆钉体；铆钉盖上表面沿圆周方向设6个有向心凹槽铆1-1铆，铆钉盖铆1铆下表面与铆钉体相连；铆钉体由上至下依次为光滑圆柱铆2-1铆、带螺纹圆台铆2-2铆和带螺纹锥体铆2-3铆，带螺纹圆台铆2-2铆为上端细下端粗结构，带螺纹圆台铆2-2铆的轴截面为等腰梯形，带螺纹锥体铆2-3铆轴截面为三角形。所述铆钉材质为锌镍涂层淬火回火钢，铆钉为实心结构。所述铆钉盖上表面的向心凹槽铆1-1铆与焊接设备的驱动杆配合固定。所述铆钉盖上表面的向心凹槽铆1-1铆为6槽型。所述铆钉盖的外檐下表面与铆钉体的光滑圆柱外壁的夹角为69°。
铆钉盖大圈直径为9.7mm，高度2.2mm，由顶部至铆钉体起始位置的厚度约为1.2mm，光滑圆柱的直径为4.55mm，光滑圆柱下端紧接着带螺纹圆台，带螺纹圆台上端内径为4.55mm,外径5.5mm，其轴截面等腰梯形的底角为85°，带螺纹锥体长度为1.2mm,其轴截面三角形的顶角为125°。
光滑圆柱的底端与铆钉盖的带檐结构的下端齐平，光滑圆柱下为带螺纹圆台，带螺纹圆台的轴横截面为等腰梯形，使其受力时能够凭借斜面上的阻力防止被拔出。带螺纹圆台下为带螺纹锥体，带螺纹锥体顶端内径、外径的尺寸与带螺纹圆台底端保持一致。
一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，具体按以下步骤进行：
一、将碳纤维复合板材放在夹具底盘上，再将铝合金板放在碳纤维复合板材上，并用圆柱筒形夹具固定；铝合金板厚度为1.5mm，碳纤维复合板材厚度为0.7mm；
二、将铆钉竖直安装在焊接设备的驱动杆下端，驱动杆与铆钉盖的凹槽啮合；铆钉的铆钉体长度为4.5mm；
三、控制驱动杆轴向向下，将铆钉进给至距铝合金板上表面0.5mm时，控制驱动杆旋转铆钉同时保持低速进给，将铆钉旋入铝合金板，当铆钉穿透铝合金板后，提高转速，同时降低进给速度，将铆钉底部与碳纤维复合板材形成连接；
四、将驱动杆反向低速转动，同时慢速向上移动，将驱动杆与铆钉脱离，移除夹具，完成所述摩擦塞铆焊方法。
步骤三中当铆钉距离铝合金板上表面0.5mm时，控制驱动杆的进给速度为10mm/min，旋转速度150r/min。
步骤三中当铆钉穿透铝合金板后，控制驱动杆的进给速度为1mm/min，旋转速度为2000r/min。
步骤四中驱动杆反向转动速度为30r/min，向上移动速度为15mm/min。
经测试连接后的板材抗拉强度19.55kN，已形成高强度的连接。
Claims (10)
1.一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、将碳纤维复合板材放在夹具底盘上，再将铝合金板放在碳纤维复合板材上，并用圆柱筒形夹具固定；
二、将铆钉竖直安装在焊接设备的驱动杆下端，驱动杆与铆钉盖的凹槽啮合；
三、控制驱动杆轴向向下，将铆钉进给至距离铝合金板上表面0.5～0.6mm时，控制驱动杆旋转铆钉同时保持低速进给，将铆钉旋入铝合金板，当铆钉穿透铝合金板后，提高转速，同时降低进给速度，将铆钉底部与碳纤维复合板材形成连接；
四、将驱动杆反向低速转动，同时慢速向上移动，将驱动杆与铆钉脱离，移除夹具，完成所述摩擦塞铆焊方法。
2.根据权利要求1所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于步骤二所述铆钉包括铆钉盖(1)和铆钉体；铆钉盖上表面沿圆周方向设有多个向心凹槽(1-1)，铆钉盖(1)下表面与铆钉体相连；铆钉体由上至下依次为光滑圆柱(2-1)、带螺纹圆台(2-2)和带螺纹锥体(2-3)，带螺纹圆台(2-2)为上端细下端粗结构，带螺纹锥体(2-3)为圆锥体。
3.根据权利要求2所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于所述铆钉材质为锌镍涂层淬火回火钢，铆钉为实心结构。
4.根据权利要求2所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于所述铆钉盖上表面的向心凹槽(1-1)与焊接设备的驱动杆配合固定。
5.根据权利要求2所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于所述铆钉盖上表面的向心凹槽(1-1)为6槽型或11槽型。
6.根据权利要求2所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于所述带螺纹锥体轴截面三角形的顶角为125°。
7.根据权利要求1所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于步骤二所述铆钉体长度L的选择：铝合金板厚度为d1，碳纤维复合板材厚度为d2，当1.0mm≤d1＜1.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为4.0mm；当1.5mm≤d1＜2.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为4.5mm；当2.0mm≤d1＜2.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为5.0mm；当2.5mm≤d1＜3.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为5.5mm；当3.0mm≤d1＜3.5mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为6.0mm；当3.5mm≤d1＜4.0mm，0.7mm≤d2＜1.5mm时，L为6.5mm；当1.0mm≤d1＜1.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为4.5mm；当1.5mm≤d1＜2.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为5.0mm；当2.0mm≤d1＜2.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为5.5mm；当2.5mm≤d1＜3.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为6.0mm；当3.0mm≤d1＜3.5mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为6.5mm；当3.5mm≤d1＜4.0mm，1.5mm≤d2＜3.0mm时，L为7.0mm。
8.根据权利要求1所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于步骤三中当铆钉距离铝合金板上表面0.5～0.6mm时，控制驱动杆的进给速度为10mm/min，旋转速度150r/min。
9.根据权利要求1所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于步骤三中当铆钉穿透铝合金板后，控制驱动杆的进给速度为1mm/min，旋转速度为2000r/min。
10.根据权利要求1所述的一种用于铝合金和碳纤维复合材料连接的摩擦塞铆焊方法，其特征在于步骤四中驱动杆反向转动速度为30r/min，向上移动速度为15mm/min。
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