CN112823066A - 形成铆接接合的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的第一方面，提供了一种形成铆接接合的方法，这种方法使用自冲铆钉，铆接接合包括UHSS层和非UHSS层，自冲铆钉包括头部和柄，柄的顶部的外径大于在插入铆钉之前柄的底部的外径，该方法包括将自冲铆钉推入UHSS层，使得柄的下部从UHSS向外张开并切出料块，以及将自冲铆钉的张开的柄和料块推入非UHSS层，使得非UHSS层变形至模具凹部中并围绕张开的柄的外表面流动。

Description

形成铆接接合的方法

本发明涉及一种接合包括超高强度钢(UHSS)的工件的方法，并且还涉及相关联的铆钉。该方法可以用于将UHSS片接合至非UHSS片(例如，诸如铝的更软且更易延展的材料片)。

自冲铆钉是一项成熟的技术，并且自冲铆钉与粘合剂结合使用，以将金属工件连接在一起。自冲铆钉用于汽车行业，以将铝制汽车面板连接在一起。由于铝相对柔软且易延展，因此，铝特别适合使用自冲铆钉进行连接。在使用自冲铆钉所形成的典型接合中，可将两片重叠的材料片放置在适当形状的模具上。自冲铆钉被插入材料片。铆钉的柄穿过上层材料，然后在进入下层材料片并靠近模具时向外张开(flare)。当柄向外张开时，其延伸到下层片中，使得下层片的材料包住柄的张开部分。这在铆钉和下层材料片之间提供牢固的接合。上层和下层材料片被牢固地保持在铆钉的头部和铆钉的张开柄之间，从而形成材料的牢固接合。在铆钉插入期间，下层材料片流入模具并形成材料的所谓圆头部(凸起的圆盘)。以这种方式连接铝片是有效且高效的，并且在汽车工业中广泛地在铝制车身车辆的制造期间使用。

尽管自冲铆钉在连接相对柔软和易延展的材料(例如铝)中非常有效，但这种自冲铆钉不太适合于连接较硬和较低延展性的材料(例如超高强度钢(UHSS))。UHSS可以被认为是指抗拉强度为800MPa或更高的钢。使用自冲铆钉在包括UHSS的工件中形成接合具有挑战性。这是因为UHSS的抗拉强度使得铆钉难以穿透UHSS。当试图将铆钉推入UHSS时，铆钉的柄会趋于塌陷。为了避免该问题，可将柄的壁做得更厚，以增加柄的断裂强度。这会使柄穿透UHSS而不产生弯曲。但是，如果铆钉的柄较厚，则在将其插入工件时会减少张开的程度。因此，铆钉和工件的最下面的材料片之间的接合可能是不充分的。

与接合包括UHSS片的工件有关的另一问题(特别是如果铆钉具有增加的柄壁厚度)是难以使UHSS的料块容纳在铆钉孔洞内。相反，UHSS料块可以保留在铆钉的柄的下方，并且可以通过铆钉向下推入工件。UHSS料块会挤压接合的最下面的片，直到该片变得过薄为止，在某些情况下，UHSS料块可能会切穿连接的最低表面。这些问题可能造成较差的连接质量。

当接合包括UHSS片的工件时避免铆钉柄塌陷的附加或替代方式是使用具有非常高的硬度(例如，530HV或更高的硬度)的铆钉。这允许铆钉穿入UHSS而不会发生塌陷。但是，具有很高硬度的铆钉相对较脆，并且在将其插入工件时经常会出现裂纹。这导致接合相对较弱，而且在接合承受动态载荷(例如，在车辆行驶时可能会遇到的)时容易损坏。

本发明的一个目的是提供一种克服与现有技术有关的缺点的接合工件的方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种使用自冲铆钉形成包括UHSS层和非UHSS层的铆接接合的方法，自冲铆钉包括头部和柄，在插入铆钉之前的柄的顶部的外径大于柄的底部的外径，该方法包括将自冲铆钉推入UHSS层，使得柄的下部向外张开并从UHSS切出料块，以及将自冲铆钉的张开的柄和料块推入非UHSS层，使得非UHSS层变形为模具凹部并绕张开的柄的外表面流动。

尽管柄在进入非UHSS层时已经张开，但通过使非UHSS层围绕张开的柄的外表面流动，本发明能够形成坚固的接合。这与常规的自冲铆钉连接方法相反，常规的自冲铆钉连接方法依赖于当柄进入工件的最下层时张开的柄。

从UHSS切出的孔可具有大于在插入铆钉之前柄的底部的外径的直径。柄的顶部的外径可能足够大以在柄的圆周周围提供与UHSS层的接触。这是有利的，因为当存在铆钉柄与柄的圆周周围的UHSS层之间的接触时，该接触防止湿气进入接合。由于湿气可能会导致腐蚀，所以这种湿气是不期望的。

模具可具有大于在插入铆钉之前的柄的底部的外径不超过2.5mm的直径。这种直径上的小差别有助于使非UHSS层围绕张开的柄的外表面流动。

模具可具有大于在插入铆钉之前的柄的底部的外径至少1.5mm的直径。

柄的顶部的外径比柄的底部的外径可以大高达12％。

柄可以包括上部和下部，上部具有比下部更大的直径。从上部到下部的过渡可以是逐渐变细的。逐渐变细可允许铆钉的上部进入UHSS层，而无需过大的力(如果存在台阶，则可能需要过大的力)。

柄可包括上部和下部，并且其中，柄的上部是逐渐变细的。

柄可以从柄的顶部到柄的底部逐渐变细。

逐渐变细可以帮助确保存在有铆钉柄与柄的圆周周围的UHSS层之间的接触。

模具可以包括围绕模具的腔延伸的环形脊。

环形脊可以包括大体导向铆钉的逐渐变细的表面。

根据本发明的第二方面，提供了一种使用自冲铆钉形成包括UHSS层和非UHSS层的铆接接合的方法，自冲铆钉包括头部和柄，柄包括下柄部、中柄部和上柄部，中柄部具有小于上柄部和下柄部的直径的直径，该方法包括将自冲铆钉推入UHSS层，使得铆钉的下部从UHSS切出料块，以及将自冲铆钉与料块推入非UHSS层，使得柄的下部从非UHSS层切出料块，其中，模具接收UHSS的料块与非UHSS的料块，并且其中，模具促使非UHSS围绕下柄部的外表面流动。

即使柄略微张开或不张开，通过使非UHSS围绕下柄部的外表面流动，本发明也能够形成牢固的接合。

模具可包括围绕模具的腔延伸的环形脊。

环形脊可包括大体导向铆钉的逐渐变细的表面。

模具可具有圆柱形开口，其具有比下柄部的直径大在0.5mm和1mm之间的直径。

将铆钉插入UHSS可能会使铆钉的柄向外张开。

根据本发明的第三方面，提供了一种使用自冲铆钉形成包括UHSS层和非UHSS层的铆接接合的方法，自冲铆钉包括头部和柄，柄包括下柄部和上柄部、至少部分地延伸到下柄部中的凹部，其中，上柄部的外径大于下柄部的外径，该方法包括将自冲铆钉推入UHSS层，使得柄的下部向外张开并从UHSS切出料块，以及将自冲铆钉与料块推入非UHSS层，使得柄的下部从非UHSS层切出料块，其中，模具接收UHSS的料块与非UHSS的料块，并且其中，模具促使非UHSS围绕下柄部的外表面流动，其中，柄的上部与围绕柄的圆周的UHSS层接触。

本发明的第三方面的优点在于，可相对容易地制造自冲铆钉。与移除柄的外侧的中部的示例相比，移除柄的外部的最下的部分以及在柄中形成凹部相对简单。

模具可包括围绕模具的腔延伸的环形脊。

环形脊可包括大体导向铆钉的逐渐变细的表面。

模具可具有圆柱形开口，其具有比下柄部的直径大在0.5mm和1mm之间的直径。

根据本发明的第四方面，提供了一种车辆，其包括根据前述权利要求中任一项的方法形成的铆接接合。

根据本发明的第五实施例，提供了一种包括头部和柄的自冲铆钉，在插入铆钉之前，柄的顶部的外径大于柄的底部的外径。

柄可包括上部和下部。柄的上部的外径可以大于柄的下部的外径。

凹部可以设置在柄中。

凹部可以设置在柄的下部中。

凹部可具有小于铆钉的长度的一半的深度。凹部可具有小于铆钉的长度的四分之一的深度。

逐渐变细过渡可以在柄的上部和下部之间延伸。

柄的顶部的外径可以比柄的底部的外径大高达12％。

柄的上部的外径可以比柄的下部的外径大高达12％。

凹部的最下部可以是逐渐变细的。

凹部可包括圆柱形部分。

柄中的凹部的圆柱形部分可限定柄的圆柱形壁部分。圆柱形柄壁部分的柄壁厚度可具有相对于圆柱形柄壁部分处的柄的外径在0.16和0.3之间的比率。

圆柱形柄壁部分可具有在1.0mm至1.5mm范围内的柄壁厚度。

柄可具有从柄的顶部到柄的底部逐渐变细的外径。

铆钉的柄可具有在1.0mm至1.5mm范围内的柄壁厚度。

根据本发明的第六方面，提供了一种铆接接合，其包括使用根据本发明的第五方面的自冲铆钉形成的UHSS层和非UHSS层，其中，铆钉的柄的下部向外张开并在非UHSS层中互锁，并且其中，柄的上部在柄的圆周周围与UHSS层接触。

非UHSS层可以在UHSS的料块下方形成层并且包围接合的下表面。

根据本发明的第七方面，提供了一种用于在UHSS层和非UHSS层之间形成接合的自冲铆钉，其中，自冲铆钉包括头部和柄，柄包括下柄部、中柄部和上柄部，并且其中，中柄部具有小于上柄部和下柄部的直径的直径。

上柄部的最大直径可以与下柄部的直径相同。

中柄部可向内逐渐变细。上柄部可向外逐渐变细。

中柄部为大体圆柱形。

根据本发明的第八方面，提供了一种使用根据本发明的第七方面的自冲铆钉形成的铆接接合，铆接接合包括UHSS层和非UHSS层，其中，铆钉的柄的下部在非UHSS层中互锁，其中，柄的上部与围绕柄的圆周周围的UHSS层接触，并且其中，一料块已经从UHSS层切出并且一料块已经从非UHSS层切出，并且其中，两种料块已经从接合移除，使得柄的底端被暴露。

根据本发明的第九方面，提供了一种用于在UHSS层和非UHSS层形成接合的自冲铆钉，其中，自冲铆钉包括头部和柄，柄包括下柄部及上柄部，凹部至少部分地延伸到下柄部中，其中，上柄部的外径大于下柄部的外径。

上柄部的外径可比下柄部的外径大高达12％。

凹部可为大体圆锥形。

上柄部与下柄部可以在过渡处相交，该过渡是逐渐变细的(例如，倒角或倒圆的)。

根据本发明的第十方面，提供了一种使用根据本发明的第九方面的自冲铆钉形成的铆接接合，铆接接合包括UHSS层和非UHSS层，其中，铆钉的柄的下部向外张开并在非UHSS层中互锁，其中，柄的上部与围绕柄的圆周周围的UHSS层接触，并且其中，一料块已经从UHSS层切出并且一料块已经从非UHSS层切出，并且其中，两种料块已经从接合移除，使得柄的底端被暴露。

现在将仅通过举例的方式参考附图描述本发明的特定实施例，其中：

图1描绘了根据本发明的一个实施例的铆钉的横截面；

图2描绘了根据本发明的一个替代实施例的铆钉的部分；

图3A和图3B描绘了根据本发明的一个实施例的使用铆钉制成的在两个材料片之间形成接合；

图4描绘了根据本发明的一个替代实施例的铆钉的一部分；

图5描绘了根据本发明的一个替代实施例的使用铆钉形成的接合的横截面；

图6描绘了根据本发明的一个替代实施例的铆钉的横截面；

图7描绘了根据本发明的一个实施例的使用铆钉制成的在两个材料片之间的替代接合的横截面；

图8描绘了根据本发明的一个替代实施例的铆钉的一半的横截面；

图9描绘了根据本发明的一个替代实施例的铆钉的一半的横截面；

图10A描绘了在铆钉制造过程中的根据本发明的一个替代实施例的铆钉的一半的横截面；

图10B描绘了一旦完成铆钉的制造的图10A的铆钉的一半的横截面；

图11描绘了根据本发明的一个替代实施例的铆钉的横截面；

图12描绘了根据本发明的一个实施例的使用铆钉制成的在三个材料片之间的替代接合的横截面；以及

图13描绘了用于形成图12所描绘的接合的模具的横截面。

在图1中描绘了根据本发明的一个实施例的铆钉1。铆钉包括头部2和柄4。在常规的铆钉中，柄具有从柄的底端延伸至柄的顶端的圆柱形外表面，其中柄与头部在柄的顶端相交(在柄与头部之间可以设置有圆角连接或倒角)。与之相反的是，在图1所描绘的铆钉中，柄具有具有第一直径的下部6和具有第二直径的上部8，该第二直径大于下部的直径。上部8的直径可以例如比下部6的直径大1％至12％。如下面进一步详细说明的，上部8的增大的直径可以对应于当铆钉穿过上方的UHSS片时发生的柄4的下部6的张开。通过柄4张开的下部6切入UHSS片的孔可具有比插入铆钉之前柄的下部的直径大1％至12％的直径。铆钉的上部8增大的直径将填充被柄4的张开的下部6所切开的孔。与其他情况相比，这种方式会在插入的铆钉和上方的UHSS片之间提供更好的接合。特别地，这避免了在铆钉柄和UHSS片之间形成从头部沿着铆钉柄向下延伸的间隙。由于间隙为湿气进入提供了便于进入的路径，并为随后的电腐蚀提供了可能性，所以这样的间隙是不期望的。此外，间隙的存在会严重损害接合的疲劳寿命。

铆钉1的底端设置有凹部10(其可替代地被称为铆钉孔洞)。凹部10向上延伸到柄的下部6中。凹部10并没有延伸到柄的上部8。凹部10可具有小于铆钉1的长度的一半的深度。凹部10的尺寸被设置为使得当将铆钉插入UHSS工件时发生柄的下部6的一定程度上的张开。凹部可以具有图1中描绘的形式或可具有一些其他形式。凹部10可以包括倒角14下部、圆柱形中部12和圆锥形上部18。

倒角下部14可限定在60-120度范围内的夹角H。倒角下部14可以例如限定大约90度(例如，正负10度)的夹角。倒角下部14可促使柄4张开。如果柄4的下部14轴向向下延伸而不是倒角，则可能会发生柄无法张开的情况，因此，在接头的下方的片中也不会出现铆钉互锁的情况。这种没有张开的情况可能被称为“铆固”。尽管柄4的下部14不应轴向向下延伸，但下部却不须是倒角的。下部14可以具有其他向内逐渐变细的形式。例如，下部可以具有弯曲的向内逐渐变细的形式(例如，具有凹形曲率)。

圆柱形中部12将倒角下部14连接到圆锥形上部18。在所示的实施例中，圆锥形上部18相对于垂直于铆钉的轴线A的平面成大约15度的角度。但是，圆锥形上部可以具有其他角度。所示实施例中的圆锥形上部18通过圆角半径20连接圆柱形中部12。圆角半径20可以例如具有大约0.4毫米的半径(例如，在0.2毫米和0.6毫米之间)。

在其他实施例中，凹部的上部可以具有一些其他合适的形状。例如，上部可以是大体上平面的(例如，垂直于铆钉的轴线A)。例如，上部可以是半球形的(即，具有弯曲而非圆锥形的表面)。上部可以包括平面部分、圆锥形部分和半球形部分的组合。例如，上部可以包括半球形内部部分和外部截头圆锥形部分。上部可以包括具有不同锥角的圆锥形部分的组合，或者可以包括具有不同曲率的半球形部分的组合。上部可以是轴向对称的。

例如，如图所示，柄4的尖端16在倒角的最底端处可以是倒圆的。如上所述，凹部10的倒角下部14促进了柄的张开。尖端的倒圆可以在铆钉柄张开的程度上提供一些控制。尖端16处的较大曲率半径将减小铆钉柄的张开程度，而尖端处的较小曲率半径将增大铆钉柄的张开程度。倒圆尖端16可具有在0.05mm和0.3mm之间的曲率半径。当使用常规的铆钉制造技术时，可能难以提供低于0.05mm的曲率半径。大于0.3mm的曲率半径可能导致张开不足。通常，考虑到要接合的工件材料的抗拉强度，可以根据所需的铆钉张开程度来选择尖端的曲率半径。

在替代布置(未示出)中，柄的脚部可包括大体垂直于铆钉的轴线A的平坦表面。平坦表面的外边缘会包括尖端，该尖端可以具有如上所述的曲率半径。

凹部10的直径将确定柄4的下部6的壁的厚度T。壁厚度会影响当铆钉1插入工件时柄的下部6张开的程度。如果壁太薄，则铆钉插入UHSS片时，柄可能会弯曲。然而，相反，如果壁太厚，则会使柄4的下部6无法张开或张开不足，结果将无法形成牢固的接合。

在一个实施例中，如图1所示，柄4的下部6可以具有5.5毫米的直径，并且凹部10的圆柱形部分的直径可以在2.5mm和3.5mm之间。这提供了1.0mm至1.5mm范围内的柄壁厚度。该范围的壁厚度提供柄4的下部6在一定程度上的张开，而在不会使柄弯曲(对于包括UHSS在内的多种材料类型而言)。

在其他实施例中，铆钉柄可以具有在5毫米和6毫米之间的直径。下部6的圆柱形部分的壁的宽度可以例如在1.0mm至1.5mm的范围内。总体上，壁厚度与柄直径的比率可以在0.16和0.3之间。

在柄4的外表面上，在柄的下部6和上部8之间存在过渡部22。该过渡部22可以具有各种形式。在图1中，过渡部22具有倒角的形式。该倒角相对于与铆钉1的轴线A平行的线形成角度C。角度C可以例如在20度和45度之间(例如大约30度)。在该角度范围内，与过渡部例如具有90度的角度的情况相比，柄4的上部8将更容易且以较小的力进入上部UHSS片中的穿孔。如果过渡部的角度明显小于20度，则铆钉的上柄可能与上部UHSS片的接合较少。由于与上层UHSS片的接合是优选的(不良接合会对接合的疲劳寿命产生不利的影响)，所以这是不期望的。具有大约30度(例如+/-5度)的角度的过渡部22可能是优选的，因为它比其他角度更易于进行锻造。

在图2中以放大图示出了过渡部22。尽管倒角22的角度C大于图1的倒角，该过渡部再次呈倒角的形式。

在替代的实施例(未示出)中，柄4的下部6和上部8之间的过渡部可以是倒圆的。

在柄4的上部8和头部2之间设置有圆角半径。圆角半径可以例如在0.2mm至1.2mm的范围内。因为若不存在圆角半径，则铆钉可能会有在柄和头部之间的连接处产生裂纹的趋势，所以圆角半径是期望的。提供圆角半径减小铆钉产生裂纹的可能性，并且半径越大越能有效地减小铆钉产生裂纹的可能性。但是，当将铆钉插入具有较高抗拉强度的工件(例如UHSS)时，较大的圆角半径将明显地增大将铆钉插入工件所需的力。在0.2mm至1.2mm范围内的圆角半径在这两个相互竞争性的方面之间取得平衡。

头部2的直径可以例如具有大约7.75mm的直径。这是有利的，因为这是标准的铆钉头部直径，并且因此允许铆钉用于已经安装的铆钉插入工具中。头部2可替代地具有一些其他直径。柄的底端可以例如具有大约5.5mm的外径。柄的底端可具有较小的外径，例如，小至5mm。如果柄的底端具有小于5mm的较小的外径，则这可能会使柄的底端过于脆弱而不能在不弯曲的情况下穿入UHSS。柄的底端可以具有较大的外径，例如，高达7mm。如果柄的底端具有大于7mm的外径，则柄的顶端可能具有过于接近铆钉头部的直径的大小的外径。如果柄的顶端与铆钉头部之间的直径差小于大约0.3mm，则这可能不足以允许在铆钉头部与工件之间形成良好的互锁。因此，柄的底端的外径和柄的直径的增加的总和可以使得柄的顶端的外径不超过7.4mm。

图3A和图3B示意性地示出了使用图1和图2中所示的铆钉形成的接合。铆钉1插入位于模具34上方的包括UHSS片30和铝片32的工件中。可以使用如US6692213中所述的铆钉插入工具来插入铆钉，该美国专利通过引用并入本文。模具34包括主体35，主体35在其上表面上设置有大体圆柱形的凹部36。模具可以包括从相对的表面延伸的柄(未示出)，以便允许模具被牢固地保持在模具保持器中。US8671726描述了模具的示例，该美国专利通过引用并入本文。图示的模具的凹部36具有平坦的底表面38。在一些实施例中，可以提供并不平坦的底表面。但是，平坦的底表面是优选的，因为从模具的底表面延伸的突起(诸如凸点(pip))可能导致接合的最下层的片过薄。

在铆钉1插入片30、32中之前，片是平坦的，其中底片32的下表面与模具34的上表面接触。模具的凹部36是空的。

图3A示出了在铆钉1已经插入UHSS上层片30中之后的铆钉1。铆钉1已经从上层片切出料块42。当铆钉1切入上层片30时，柄的下部6向外张开。铆钉1的倒角下部14已被料块42压平(尽管倒角下部14的上端保持不变)。

因为铆钉柄4在切入UHSS上层片30时向外张开，所以UHSS的料块42(以及由料块留下的孔44)具有大于铆钉柄的下部6的未张开直径的直径。铆钉柄4的下部6在切入上层片30时的张开与传统的关于应该如何制造自冲铆钉接合的理解相反。传统的理解是，在插入穿过上材料片期间，铆钉不应张开，并且在铆钉进入下材料片时才应该张开(这种张开由模具促成)。这是因为，于下层片中张开提供了与下层片的互锁(由铆钉的头部提供与上层片的互锁)。然而，发明人已经理解的是，可允许发生在穿过上片30期间柄的张开，同时仍在上层片30和下层片32之间形成牢固的接合。

图3B示出了在铆钉已经插入下层片32中之后(即当接合已经完成时)的铆钉。在穿过上层片30之后，铆钉的下部6进入下层片32。由于料块42由UHSS形成，所以料块42不会变形并向上行进到铆钉的凹部10中(如果上层片由诸如铝的延展性材料形成，则会出现这种情况)。与之相反的是，料块42向下穿进下层片32。在所示的示例中，下层片32由铝形成。下层材料片(铝)被压在料块42和模具凹部36的底表面38之间。下层材料片从料块42和模具34间的区域侧向并远离料块42和模具34之间的区域流动。模具凹部36的几何形状促使下层材料片32向柄的下部6流动。下面将对模具凹部36的几何形状作出进一步详细讨论。下层材料片32已经与柄4的下部6的向内逐渐变细的部分46接触。这可以被称为下柄部6的最大直径部分后面的空间的回填(back-filling)。回填可以认为是指下层材料片32的径向向内运动，使得下层材料片接触铆钉柄4的向内逐渐变细的部分46。向内逐渐变细的部分46的该回填有利地提供了铆钉柄4和下层片32之间的互锁。为了与下层片形成互锁，不需要将铆钉柄4张开到下层片32中。

柄8的上部足够大，以使其在柄的圆周周围与UHSS片30接触。

下层材料片流的圆头部39已经形成。圆头部39具有大体与模具凹部36的几何形状相对应的形状的外表面。然而，圆头部39包括脊41，脊41围绕圆头部延伸，其中圆头部与下层片32的平面部分相交。脊41的形成是因为当铆钉插入下层材料片32时，一些下层材料片从模具凹部36中被挤出来。

在上述实施例中，铆钉1的轴4包括具有第一直径的下部6，以及具有大于下部的直径的第二直径的上部8。在该实施例中，下部6和上部8都是圆柱形的并都具有与铆钉1的轴线A平行的外表面。在本发明的替代实施例中，铆钉的上部可以是逐渐变细而不是圆柱形。在图4中描绘了这种实施例中上部的示例。从图2和图4之间的比较可以看出，在下部和上部之间存在倒角的过渡部。取而代之的是，上部50是逐渐变细的，以与下部6相交(下部不是逐渐变细的)。在所绘出的示例中，逐渐变细部分相对于平行于铆钉的轴线的线的角度D为1.3度。逐渐变细部分在下部6结束并在上部50开始的地方开始。逐渐变细部分使得柄的上部50具有5.5毫米的最小直径，并具有5.6毫米的最大直径。柄4的最大直径被认为是紧接在将柄4连接到铆钉的头部2的圆角半径之前的直径。总体上，逐渐变细部分的角度D可以使得其提供柄的上部50的直径在1％和12％之间的增加。这可以对应于在大约0.5度和大约18度之间的逐渐变细部分的角度D。如果该角度明显小于0.5度，则柄上部50的上端将没有足够大的直径来填充通过接合的UHSS上层片的张开的铆钉切割的孔。如果该角度明显大于18度，则柄上部50的上端会大于由UHSS上层片中的张开的铆钉切割的孔。将柄上部50的上端推入UHSS上层片将会需要将UHSS向外推并会使铆钉损坏。

在使用中，具有逐渐变细上部50的铆钉以与图1至图3所示的铆钉相似的方式发挥作用。图5示出了在铆钉已经用于在上层片30和下层片32(上层片30是UHSS)中形成接合之后的铆钉。可以看出，铆钉柄4的逐渐变细上部50的顶端51与围绕柄的圆周的上层片30接触。这在上层片和下层片32之间形成了更牢固的接合。铆钉柄4的上部50与上层片30接触，并因此在铆钉柄和上层片之间提供牢固的连接。与诸如在铆钉柄和上层片之间存在间隙(即，铆钉柄与上层片接触很少或没有接触)的接合相比，这提供了改善的疲劳寿命。尽管在铆钉柄4的逐渐变细上部50的底端52与上层片30之间存在间隙，但是这对接合的疲劳寿命没有产生明显的影响。逐渐变细上部50的顶端51与上层片30之间的连接足以提供改善的疲劳寿命。另外，在铆钉柄4和上层片30之间没有可供湿气进入接合的开口。由于湿气可能导致随后的电腐蚀，所以不希望湿气进入。

下层材料片流的圆头部39已经形成。圆头部39具有在形状上大体对应于模具凹部36的几何形状的外表面。与图3B所示的实施例相同，圆头部39包括在圆头部与下层片32的平面部分相交处在圆头部周围延伸的脊41。脊41之所以形成是因为在铆钉插入下层片32中时，一些下层材料片料被迫离开模具凹部36。

与图1至图3的实施例相比，图5的实施例的优点在于，由于铆钉柄与工件的上层片之间的接触较少，因此可以减小将铆钉插入工件中所需的设定力。如果工件的上层片具有特别高的抗拉强度(例如，大于1200HV和/或如果工件的上层片特别厚(例如，2.5mm或更大)，则这样可能是有利的。总体上，与铆钉柄具有直径大于下部的上部的实施例相比，铆钉柄的外表面为逐渐变细的实施例可能需要较小的插入力。这是因为铆钉柄与工件的上层片之间的接触较少。

在图6中描绘了根据本发明的另一实施例的铆钉3。从该铆钉与图1所示的铆钉的比较可以认识到，图6所示的铆钉包括图1所示的铆钉的许多特征。例如，凹部10具有相同的构造，尖端16具有相同的构造，并且头部2具有相同的构造。然而，柄4的外表面与图1所示的柄的外表面不同。具体地，替代具有圆柱形下部和具有较大直径的上部，柄4具有逐渐变细表面60。柄4的逐渐变细表面60从柄的尖端16延伸到圆角半径，其将柄4连接到铆钉的头部2。逐渐变细柄60具有相对于与铆钉的轴线A平行的线的锥角D。锥角D可被选择为使得逐渐变细柄的顶端的直径比逐渐变细柄的底端的直径大1至12％。逐渐变细柄60可以有利地至少部分地填充在由铆钉3的张开的柄切出的上层UHSS片中形成的孔中。这可以通过结合图5与图6来理解(尽管图5示出了插入后部分地逐渐变细的铆钉，但是铆钉具有与插入后的完全逐渐变细的铆钉相同的形式)。在UHSS 30的上层片中切出的孔44大于图6的铆钉3的柄的底端的未张开的直径，这是因为当铆钉切穿上层片时柄4在一定程度上张开。逐渐变细柄60提供柄4的上端，其具有比下端大的直径(在铆钉张开之前)，并且因此，柄的上端与围绕柄的圆周的UHSS片30接触。相对于部分地逐渐变细的柄，其进一步提供了上述优点。

与通过图1所示的台阶状柄类型填充孔相比，通过逐渐变细柄60填充UHSS上层30中的孔44可能不能完全地填充孔。在某些情况下，可以期望尽可能完全地填充孔44，以例如最大程度地延长疲劳寿命及降低湿气进入的可能性。

铆钉柄中的凹部可具有图6所示的形式，或可以具有其他形式。凹部10可以包括倒角14下部、圆柱形中部12和圆锥形上部18。倒角下部14可以限定在60-120度范围内的夹角H。倒角下部14可以例如限定大约90度(例如，正负10度)的夹角。如上面进一步指出的，倒角下部14促使柄4张开。圆柱形中部12将倒角下部14连接到圆锥形上部18。

在所示的实施例中，圆锥形上部18相对于垂直于铆钉的轴线A的平面呈大约15度的角度G。但是，圆锥形上部也可以具有某些其他角度。所示实施例中的圆锥形上部18通过圆角半径20连接圆柱形中部12。圆角半径20可以例如具有大约0.4毫米的半径(例如，在0.2毫米和0.6毫米之间)。

在其他实施例中，凹部的上部可以具有一些其他合适的形状。例如，上部可以是大体上平面的(例如，垂直于铆钉的轴线A)。例如，上部可以是半球形的(即，具有弯曲而非圆锥形的表面)。上部可以包括平面部分、圆锥形部分和半球形部分的组合。例如，上部可以包括半球形内部和外部截头圆锥形部分。上部可以包括具有不同锥角的圆锥形部分的组合，或者可以包括具有不同曲率的半球形部分的组合。上部可以是轴向对称的。

例如，如图所示，柄4的尖端16在倒角的最底端处可以是倒圆的。如上所述，凹部10的倒角下部14促使柄张开。尖端的倒圆可以在铆钉柄张开的程度上提供一些控制。尖端16处的较大曲率半径会减小铆钉柄的张开程度，而尖端处的较小曲率半径会加大铆钉柄的张开程度。倒圆尖端16可具有在0.05mm和0.3mm之间的曲率半径。当使用常规铆钉制造技术时，可能难以提供低于0.05mm的曲率半径。大于0.3mm的曲率半径可能会导致张开不足。总体上，考虑到要接合的工件材料的抗拉强度，可以基于期望的铆钉张开程度选择尖端的曲率半径。

在替代布置(未示出)中，柄的脚部可包括大体垂直于铆钉的轴线A的平坦表面。平坦表面的外边缘将包括尖端，该尖端可以具有如上所述的曲率半径。

柄4可被认为包括下部62和上部64。下部62是柄4的凹部10在其内延伸的部分。上部64是柄4的凹部10不在其内延伸的部分。与逐渐变细柄表面60的角度相结合，凹部10的直径将确定柄4的下部62的壁的厚度T。当铆钉1插入到工件时，壁厚会影响到柄的下部6张开的程度。如果壁太薄，则铆钉插入UHSS片时，柄可能会弯曲。然而，相反，如果壁太厚，则会发生柄部4的下部6无法张开或张开不足的情况，进而不会形成牢固的接合。

柄4可具有5.0mm的最小直径，并可具有6.0mm的最大直径。凹部10的圆柱形部分12的直径可以在2.5mm和3.5mm之间。这提供在1.0mm至1.5mm范围内的柄壁厚度。该范围的壁厚提供柄4的一定程度上的张开，而柄没有弯曲(对于包括UHSS在内的多种材料类型而言)。总体上，壁厚与柄直径的比率可以在0.16和0.3之间。

当本发明的铆钉进入UHSS的上层片时，根据本发明的铆钉经历下柄部在一定程度上的张开。这在上层UHSS片中切出一个孔，该孔大于柄的下部的未张开的直径。在本发明的实施例中，柄的上部具有大于柄的未张开的下部的直径，并且因此，与相反的情况相比，可更有效地填充孔。当铆钉进入更易延展的材料的下层片时，下柄部已在一定程度上张开。铆钉可被称为具有预先张开的下柄部。模具促使下层材料片朝向预先张开的下柄部径向向内流动。因此，下层材料片与铆钉柄的向内逐渐变细的部分接触。这可以称为回填并在铆钉和下层片之间提供互锁。与上层片的接合由铆钉的头部提供，该头部具有大于切入上层片的孔的直径的直径。因此，上层片和下层片由张开的下柄部和头部压在一起，从而在两层片之间提供牢固的接合。另外，在图3和图5所示的示例中(并且对于未示出的其他实施例)，铆钉柄的上部或上端与上层片接合。这提供在铆钉柄和柄的圆周周围的UHSS层之间的接触。因为在柄的圆周周围提供了接触，所以不存在可能允许不希望的湿气进入的间隙。柄的圆周周围的接触还提供改进的抗疲劳性(提高了疲劳寿命)。

在图1和图6的实施例中的凹部的深度为2.25mm。铆钉的总长度为5.25mm。然而，在本发明的其他实施例中，铆钉的凹部10可以具有与图1和图6所示的深度和形状不同的深度和形状。

凹部促使铆钉张开。凹部的深度可以例如小于铆钉的长度的一半。凹部的深度可以例如高达3mm。凹部可以具有小于3mm的任何深度。该凹部将一些缺陷引入到铆钉中，并且因此可以基于铆钉将要插入的UHSS上层的抗拉强度和深度来选择铆钉中的凹部的深度。对于较厚的UHSS层或较坚固的UHSS层，可以选择较浅的凹部深度，而对于较薄的UHSS层或较薄弱的UHSS层，可以选择较深的凹部深度。较深的凹部可促使铆钉柄张开得更大，这又可在铆钉柄和工件的最下层片之间提供更坚固的互锁。例如，通过使用将在生产环境中接合的材料样本执行测试铆钉插入，可以使这些竞争的需求彼此平衡。

在一个实施例中，凹部可例如包括倒角14(例如，具有60-120度的夹角，优选地为大约90度+/-10度)。凹部可包括向内逐渐变细部分。倒角的或逐渐变细的凹部可终止于凹部的上端，该上端由大体垂直于铆钉的轴线延伸的平坦表面形成。在其他实施例中，凹部的上端可以由半球形部分或者圆锥形部分形成。圆锥形部分可以具有比倒角或逐渐变细部分更大的夹角。圆锥形部分可以具有140度或更大的夹角。

在另一实施例中，凹部的上端可以包括两种或更多种形式的组合。例如，凹部的上端可以包括内部半球形部分，该内部半球形部分被外部平坦部分或圆锥形部分(例如，具有140度或更大的夹角)围绕。内半球形部分可以例如具有小于2mm(例如1mm左右)的直径。从柄的尖端到凹部的上端的外部圆锥形或平坦部分的深度可以确定铆钉的倒角或逐渐变细的部分的深度。因此，该深度将在铆钉的柄张开时具有实质性作用。内部半球形部分在铆钉的柄张开时可能具有较小的作用。内部半球形部分是具有相对较窄直径(例如，2mm或更小)的更一般的中间凹部或孔洞的一个示例。

铆钉可具有4.5mm或更大的长度(小于4.5mm可能不足以在工件的片之间提供有效的接合)。铆钉可以例如具有为7mm的长度。铆钉可以具有超过7mm(例如高达9mm)的长度。当在异常厚的工件中形成接合时，可以使用这种较长的铆钉(高达7mm的铆钉长度足以用于大多数工件)。

模具34可具有凹部36，该凹部36具有小于在常规自冲铆接中使用的常规模具的体积的体积。例如，当具有5.5mm的柄直径的常规自冲铆钉插入具有2mm的厚度的1500MPaUHSS的上层片30和具有2.5mm的厚度的铝制下层片32时，会使用具有10.0mm直径且2.0mm深度的模具。该模具可以称为DF10-200模具，并且提供160mm³的模具体积。但是，当使用根据本发明的自冲铆钉插入，模具可具有8.0mm直径且2.0mm深度。该模具可以称为DF08-200模具，并且提供103mm³的模具体积。该模具具有常规模具的体积的64％的体积。通过减小模具凹部的直径减小了模具凹部的体积(模具凹部的深度可以保持不变)。

总体上，当形成常规的自冲铆钉接合时，可以选择具有至少比铆钉柄的直径大3mm(在发生铆钉插入之前测量)的直径的模具。在本发明的实施例中，可以选择具有较小直径的模具。这是因为直径较小的模具增加将来自最下部工件的材料从模具中推出的力，并因此促使更多的材料流入张开的柄后方的空间(这可称为回填)。在本发明的实施例中，可以选择具有比铆钉柄的直径不超过2.5mm的直径的模具(在发生铆钉插入之前在铆钉柄的最低端处测量)。模具可具有比铆钉柄的直径不超过2mm的直径。模具可以具有比铆钉柄的直径大1.5mm和2.5mm之间的直径(例如2mm左右)。所选择的模具直径可能受工件最下层片的厚度的影响，其中较大的模具直径用于较厚的工件(以便允许容纳工件)。在一个示例中，在铆钉插入之前，铆钉柄的最底端可具有5.5mm的直径。如果工件具有厚的最下层片(例如2.5mm或更大)，则可以选择具有8mm直径的模具。如果工件不厚(例如小于2.5mm)，则可以选择具有7.5mm直径的模具。可以选择具有7mm直径的模具。但是，选择这样的模具可能会增加形成接合所需的力(最下层片的材料必须穿过狭窄的间隙)，而不会显着改善最下层片和铆钉柄之间的互锁。上面的示例涉及的模具直径大小增加了0.5mm。可以使用其他模具直径，例如，具有7mm和8mm的直径。

总体上，模具的体积可以例如小于常规模具的体积的80％，或小于常规模具的体积的65％，并且可以小于常规模具的体积的50％。

在常规的自冲铆接中，铆钉柄会在铆钉接近模具时向外张开。然而，在本发明的实施例中，当铆钉接近模具时，铆钉柄的张开很少或没有张开。反而，铆钉将料块42向下推。该向下的力将下层材料片32置于明显的压缩状态之下，并且这会将下层材料片从料块的下方挤出。因为模具凹部的直径小于常规模具，所以在通过料块42和模具的侧之间时下层材料片受到了明显的压缩。当下层材料片离开料块和模具的侧之间的间隙时，下层材料片能够膨胀并径向流动。下层材料片径向向内和径向向外流动。由于下层材料片的径向向内流动，下层材料片流向并接触铆钉柄4的向内逐渐变细的部分46。因此，下层材料片32至少部分地回填了进入下层片的铆钉的预先张开的尖端所产生的空隙。这提供了铆钉与下层片32的良好互锁，并因此提供了牢固的接合。

在图7中描绘了具有替代性构造的模具71。在该构造中，环形脊70围绕模具的凹部73的外边缘延伸。环形脊70具有大体导向铆钉的倒角内表面72。倒角表面72的顶端通过圆角半径76连接到外部台阶74。环形脊70促使下层材料片32的径向向内(朝向铆钉柄4的向内逐渐变细部分46)流动。在设置有环形脊70的模具的一些实施例中，与不存在环形脊时相比，可使用缩减较少的模具直径。减小的模具直径提供下层材料片的压缩，这促使在铆钉柄后的回填。如果存在环形脊70，则环形脊70可以提供至少一些这种效果，并且因此可能无需以相同水平减少模具直径。在一个实施例中，模具的直径可以小于常规模具的90％，小于常规模具的80％，或者可以少于常规模具的65％。

环形脊70的高度可被选择为使得被迫越过环形脊的下层材料片提供反作用力，该反作用力将材料径向向内推向铆钉柄4的向内逐渐变细的部分46。环形脊70具有被选择为使得环形脊无法过多地切入下层片32的高度。例如，环形脊的高度可以小于下层片32的厚度的四分之一(例如，可以小于0.6mm)。环形脊70的高度可以取决于下层片32的厚度(对于较厚的下层片，可以使用较高的脊)。例如，环形脊70的高度可以在0.2mm至1.5mm的范围内。

环形脊70的倒角表面72的角度可以取决于下层片32的延展性。如果下层片32的延展性较好，则可以使用较小的角度，并且如果下层片32的延展性较差，则可以使用较大的角度。对于较小的延展性而言，倒角表面72的角度较大，以允许倒角表面切入材料中而不会明显地增大形成接合所需的力。总体上，倒角表面72促使下层材料片流向铆钉柄4的向内逐渐变细的部分46。在某些情况下，如果下层材料片具有足够的延展性，则可能不需要倒角表面(这可以通过执行测试铆钉插入来确定)。倒角表面72可以例如具有高达90度的夹角。在一个实施例中，表面可以包括一些曲率。总体上，该表面可以是逐渐变细的(例如，倒角的或弯曲的)。

在本发明的上述实施例中，柄4的下部被构造成使得其在插入待接合工件的上层片(例如UHSS)时张开。柄的下部的张开在柄上提供了向内逐渐变细的外表面，该外表面接收下层材料片(例如，如图3所示)，并且这提供了铆钉在下层片中的互锁。如以上进一步解释的，模具的构造可以促使下层材料片流入铆钉柄的向内逐渐变细的部分。这可以是例如通过具有比常规模具小的直径的模具和/或通过使用环形脊或模具的其他特征。如现在所述，在本发明的替代实施例中，可以提供一种铆钉，其在将铆钉插入工件之前具有向内逐渐变细的柄部。换句话说，铆钉可以被设计为使得不需要柄的张开以形成柄的向内逐渐变细的部分，而是，铆钉被制造成具有已经设置在柄上的向内逐渐变细的部分。

图8描绘了根据本发明一个实施例的铆钉101的一半的截面图。铆钉101包括头部102和柄104。与先前的实施例不同，在柄104的底端并未设置凹部(尽管在其他实施例中可以设置凹部)。当铆钉插入到工件时，柄的张开仍会发生一定程度上的张开，例如由于在铆钉被推进工件上层时工件上层对铆钉施加的力。在一些实施例中，可以在铆钉中提供浅凹部，但这可能不起作用的，因为其不削弱柄的强度，使得当铆钉插入工件时会发生柄的明显的张开。

在图8的实施例中，铆钉101的柄104包括下柄部106，中间凹入柄部108，以及上柄部110。下柄部106的直径与上柄部110的直径相同。由于下柄部106的直径会确定在要连接的上层材料片中切出的孔的尺寸，且若上柄部110具有相同的直径则上柄部110会填充该孔，所以这是期望的。当形成接合时，这避免了在铆钉和上层片之间出现间隙。例如，上层片可以是UHSS。

中间凹入部分108包括从下部柄部106向上朝向头部102延伸的向内逐渐变细部分112。向内逐渐变细部分112可以被称为倒角112。倒角112可以具有相对于垂直于铆钉的轴线A的线至少10度的角度E。倒角可以例如具有高达60度的角度，并且例如可以具有优选地为45度或更小的角度。如果倒角的角度小于10度，则中间凹入部分108中可能无法接收足够的下层材料片以实现与下层片的坚固的互锁。如果角度太大，则下层材料片可能难以进入中间凹入部分并压在柄上。

中间凹入部分108的上端具有向着铆钉的头部102向外延伸的逐渐变细部分114。上部逐渐变细部分114的角度可以是任何合适的角度。可以结合上柄部110的长度来选择角度，以确保在形成接合时中间凹入部分108的顶点116位于下层片内，使得下层材料片可以容易地变形进入中间凹入部分108并进入顶点116。如果下层材料片变形至顶点116，则这在铆钉101和下层片之间提供最大的互锁。接合可以在下层片不变形至顶点116的情况下形成，尽管这可能不如下层片变形至顶点的接合强。可以基于对铆钉要插入的下层片的厚度的了解来选择顶点116的位置。

图9中描绘了另一替代实施例。该实施例的铆钉121具有头部102和柄104。在该实施例中，柄包括下柄部126、中间向内逐渐变细部分128和上方向外逐渐变细部分130。下柄部126的直径将确定在形成接合时切入上层片的孔的尺寸(例如，上层片可以是UHSS)。向外逐渐变细部分130的上端可以具有与下柄部126的直径相对应的直径。因此，铆钉柄的上端可以填充形成于上层片的部分中的孔的上部。向外逐渐变细的部分130的逐渐变细部分可以使得铆钉和上层片之间的间隙进一步存在于上层片的孔中。然而，向外逐渐变细的部分130的上部与上层片之间的接合可能足以提供与上层片的牢固的互锁(结合由头部102提供的接合)。

向内逐渐变细的部分128可以具有与以上结合图7描述的相对应的锥角。也就是说，向内逐渐变细的部分128可以具有相对于垂直铆钉的轴线A的线至少10度的角度F。向内逐渐变细的部分128可以例如具有高达60度的角度，并且可以例如具有优选地为45度或更小的角度。

向内逐渐变细部分128和向外逐渐变细部分130之间的顶点132具有由向内逐渐变细部分和向外逐渐变细部分的角度确定的位置。可以选择顶点132的位置，使得其位于下层材料片内，从而允许下层材料片容易地变形至顶点。可以基于对铆钉要插入的下层片的厚度的了解来进行选择。

在图7和图8的实施例中，下柄部106、126(在平行于铆钉的轴线A的方向上)具有足够大的长度，以使得下柄部在刺穿UHSS片期间不会发生明显的变形。如果下柄部106、126较短，则刺穿UHSS片时会存在变形的风险(UHSS可具有与铆钉相似的抗拉强度，并且因此可能导致铆钉变形)。然而，下柄部106、126的长度足够小，以使铆钉的向内逐渐变细的部分112、128将被接收在下层材料片中，使得下层材料片可以流入该部分。下柄部106、126的长度可以例如在0.5毫米至2毫米的范围内，并且可以在1毫米至1.5毫米的范围内。

图8和图9所示的实施例可通过冷锻，然后进行二次轧制或机器操作以形成柄的逐渐变细部分构造。在图10中描绘了不需要二次轧制或机械加工的实施例。首先，参照图10A，铆钉141形成为包括头部102和柄104。该铆钉在柄的底部没有凹部(尽管在其他实施例中可以提供凹部)。将台阶140切入柄中以形成与上柄部143相比具有减小的直径的下柄部142。下柄部142的长度可以比柄104少50％，少40％，并且优选地比柄少30％。进一步的制造步骤被应用于铆钉，即径向向外锻造铆钉尖端144，使得如图10B中所示，在铆钉的尖端处形成有唇部146。唇部146可具有与柄104的上柄部143的直径相对应的直径。台阶140和唇部146一同限定环形凹部150。当以上述方式结合其它实施例来形成接合时，环形凹部150可接收下层材料片。

图11示出了根据本发明的一个替代实施例的铆钉201。铆钉201的柄204具有带有第一直径的下部206和带有第二直径的上部208，第二直径大于下部的直径。上部208的直径可以例如比下部206的直径大1％至12％。上部208可以具有5.5mm的外径。下部206可以具有5mm的外径。上部和下部之间的过渡部采用凹形连接部222的形式。然而，过渡部可以具有某些其他逐渐变细的形式。例如，可以提供倒角的连接部。由于可能很难推动这种台阶通过UHSS，所以90度台阶并不是优选的。

铆钉201包括在柄204的底端处的凹部210。在该实施例中，该凹部是圆锥形的，但是可以具有某些其他形状。当凹部210插入UHSS的上层片中时，凹部210使铆钉柄张开。

柄204的下部206可以例如具有在轴向上小于铆钉201的长度一半的长度。柄204的下部206例如在轴向方向上的长度约为2.5mm。凹部210的深度可以小于铆钉的长度的一半。凹部210的深度可小于柄204的下部206的长度的一半。

铆钉具有可具有7.75mm直径的头部202。头部202经由圆角半径212连接至柄上部208。圆角半径可以例如为约0.4mm或更大(可能难以切出小于该圆角半径的圆角半径)。圆角半径可以例如高达0.8mm左右(如果圆角半径大于此圆角半径，则将铆钉推入工件可能会出现困难，如上文进一步所述的)。圆角半径可以在0.5mm和0.75mm之间。在此范围内使用较小的圆角半径有助于将铆钉密封在UHSS上层片上，并减少在铆钉头和UHSS上层片之间出现间隙的可能性(参见下文所描述的图12)。

图12示出了使用图11所示的铆钉201制成的接合。与先前示出和描述的接合不同，该接合在铆钉下方不包括下层材料片的圆头部。反而，铆钉穿过形成接合的所有材料片，并且柄的底端被露出。

当铆钉201插入UHSS 230的上层片时，柄204的下部206向外张开。因此，在轴的外表面中形成有向内逐渐变细部分246。由此，通过向内逐渐变细部分246和圆形连接部222的组合而形成凹部248。下层材料片232流入凹部248，从而在铆钉和下层片232之间提供互锁。

与其他实施例相同，上部208增大的直径可以对应于在铆钉穿过上层UHSS片时发生的柄204的下部206的张开程度。由柄204的张开的下部206切入UHSS片230中的孔可具有比铆钉插入之前的柄的下部直径大1-12％的直径。铆钉柄的直径增大的上部208填充孔244，该孔244被柄204的张开的下部206切出(如图9所示)。与相反的情况相比，这在插入的铆钉和上层UHSS片之间提供更好的接合。特别地，其避免了在铆钉柄和UHSS片之间形成从头部沿着铆钉柄向下延伸的间隙。这样的间隙是不期望的，因为这可能允许湿气进入接合并损害该接合的疲劳寿命。

图13示出了可以与图11中描绘的铆钉一起使用的模具250。模具250包括限定了圆柱形开口253的圆柱壁252。与在先前附图中描绘的模具不同，模具250不包括被构造成使下层片变形以形成材料的圆头部的底表面。反而，模具250在其底端254处是敞开的。这允许从被接合的材料片上切下的材料块从模具250向下出来。可以参考铆钉201的下部206的直径(在铆钉插入之前测量)选择模具250的圆柱形开口253的直径。例如，如果铆钉201的下部206具有5mm的直径，则模具250的圆柱形开口253可以具有在5.8mm与6mm之间的直径。这足够大以接收从被接合的片上切下的材料块。大体上，铆钉201的下部可以具有在4mm和6mm之间的直径。相应的模具250的圆柱形开口253可具有在4.5mm和7mm之间的直径。圆柱形开口的直径可以比铆钉201的下部206的直径大0.5mm至1mm。

与上面进一步描述的模具相同，图13的模具250包括环形脊254，该环形脊254围绕模具的圆柱形开口253的外边缘延伸。环形脊254具有面向内的倒角内表面256。倒角表面256的上端连接到环形脊254的平坦的上表面257。向下的台阶258设置在环形脊254的外边缘处。当形成接合时，环形脊254促使下层材料片径向向内流动(朝着铆钉柄204的向内逐渐变细的部分246)。

环形脊254的高度可被选择为使得被迫越过环形脊的下层材料片提供反作用力，该反作用力将材料径向向内推向铆钉柄204的向内逐渐变细的部分246。环形脊254具有被选择为使得其不切入接合的下层片太多的高度。例如，环形脊的高度可以小于下层片的厚度的四分之一(例如，可以小于0.6mm)。环形脊254的高度可以取决于要接合的下层片的厚度(对于较厚的下部片，可以使用较高的脊)。例如，环形脊254的高度可以在0.2mm至1.5mm的范围内。

环形脊254包括倒角表面256。如果铆钉201和模具250之间存在一些未对准的情况，则铆钉可能撞到倒角表面256，并且倒角表面可以将铆钉引导到孔洞253中。大体上，环形脊可包括逐渐变细内表面。在一些实施例中，环形脊也可以不具有逐渐变细内表面。

参照图12，可以看出在UHSS上层片、中层片和下层片之间已经形成牢固的接合。最下层片已流入铆钉柄204的向内逐渐变细部分246，并在最下层片和铆钉201之间形成牢固的互锁。模具的环形脊254已压入最下层片的底表面，并在最下层片中形成环绕铆钉的环形凹部。

本发明的实施例可以用于将UHSS接合到铝。本发明的实施例可以用于将UHSS连接到任何其他合适的材料。例如，本发明的实施例可以用于将UHSS连接到具有低于UHSS的抗拉强度的钢。

本文件中使用的术语“UHSS”可以指具有800MPa或更高的抗拉强度的钢。该钢可以具有1000Mpa或更大的抗拉强度，并且可以具有1500MPa或更大的抗拉强度。该钢可具有高达2000MPa的抗拉强度。

根据本发明的实施例的铆钉可以由钢形成。该钢可以例如具有4或5的硬度。这低于在UHSS中形成接合时通常使用的铆钉钢的硬度6。连接包括UHSS片的工件的现有技术方法使用具有530HV或更高硬度的铆钉。然而，当使用本发明的实施例时，可以使用较软的铆钉。这是因为铆钉具有的凹部不如常规铆钉中的凹部深，因此不会在相同程度上削弱铆钉。例如，可以使用具有小于530HV的硬度的铆钉。例如，可以使用具有400HV和510HV之间的硬度的铆钉。在其他实施例中，可以使用具有510HV或更高的硬度的铆钉(例如，具有530HV或更高的硬度的铆钉)。

在该文件中，与直径相关的术语“逐渐变细”可以解释为表示从较大直径到较小直径的逐渐过渡部。不一定要求过渡部是线性的。

根据本发明的不同实施例的铆钉的不同特征可以组合在一起。例如，在一个实施例中描述的凹部形状或深度可以用于其他实施例。例如，在一个实施例中设置在柄的外表面上的逐渐变细部分或台阶可以用于其他实施例。例如，在一个实施例中设置在铆钉柄的最低端处的几何形状可以用于其他实施例。

在本文件中，对于柄的直径的参考旨在排除在柄和铆钉的头部之间的过渡部(例如圆角半径)。

Claims (20)

1.一种形成铆接接合的方法，所述方法使用自冲铆钉，所述铆接接合包括UHSS层和非UHSS层，所述自冲铆钉包括头部和柄，所述柄的顶部的外径大于在插入所述铆钉之前所述柄的底部的外径，所述方法包括：

将所述自冲铆钉推入所述UHSS层，使得所述柄的所述下部从所述UHSS向外张开并切出料块；以及

将所述自冲铆钉的张开的所述柄和所述料块推入所述非UHSS层，使得所述非UHSS层变形至模具凹部中并围绕张开的所述柄的外表面流动。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述UHSS切出的孔具有大于在插入所述铆钉之前所述柄的所述底部的所述外径的直径，并且其中，所述柄的所述顶部的所述外径足够大以提供与所述柄的圆周周围的所述UHSS层的接触。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述模具具有比在插入所述铆钉之前所述柄的所述底部的所述外径大不多于2.5mm的直径。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模具具有比在插入所述铆钉之前所述柄的所述底部的所述外径大至少1.5mm的直径。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述柄的顶部的所述外径比所述柄的所述底部的所述外径大高达12％。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述柄包括上部和下部，所述上部具有大于所述下部的直径。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述柄包括上部和下部，并且其中，所述柄的所述上部是逐渐变细的。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述柄从所述柄的所述顶部到所述柄的所述底部逐渐变细。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述模具包括围绕所述模具的腔延伸的环形脊。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述环形脊包括大体导向所述铆钉的逐渐变细表面。

11.一种形成铆接接合的方法，所述方法使用自冲铆钉，所述铆接接合包括UHSS层和非UHSS层，所述自冲铆钉包括头部和柄，所述柄包括下柄部、中柄部及上柄部，所述中柄部具有小于所述上柄部与所述下柄部的所述直径的直径，所述方法包括：

将所述自冲铆钉推入所述UHSS层，使得所述铆钉的所述下部从所述UHSS切出料块；以及

将所述自冲铆钉与所述料块推入所述非UHSS层，使得所述柄的所述下部从所述非UHSS层切出料块；

其中，模具接收UHSS的所述料块与非UHSS的所述料块，并且其中，所述模具促使所述非UHSS围绕所述下柄部的外表面流动。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述模具包括围绕所述模具的腔延伸的环形脊。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述环形脊包括大体导向所述铆钉的逐渐变细的表面。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，所述模具具有圆柱形开口，所述圆柱形开口具有比所述下柄部的所述直径大0.5mm至1mm的直径。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，将所述铆钉插入所述UHSS使所述铆钉的所述柄向外张开。

16.一种形成铆接接合的方法，所述方法使用自冲铆钉，所述铆接接合包括UHSS层和非UHSS层，所述自冲铆钉包括头部和柄，所述柄包括下柄部和上柄部、至少部分地延伸到所述下柄部中的凹部，其中，所述上柄部的外径大于所述下柄部的外径，所述方法包括：

将所述自冲铆钉推入所述UHSS层，使得所述柄的所述下部从所述UHSS向外张开并切出料块；以及

将所述自冲铆钉与料块推入所述非UHSS层，使得所述柄的所述下部从所述非UHSS层切出料块；

其中，模具接收UHSS的所述料块与非UHSS的所述料块，并且其中，所述模具促使所述非UHSS围绕所述下柄部的外表面流动；

其中，所述柄的所述上部与所述柄的圆周周围的所述UHSS层接触。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述模具包括围绕所述模具的腔延伸的环形脊。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述环形脊包括大体导向所述铆钉的逐渐变细表面。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述模具具有圆柱形开口，所述圆柱形开口具有比所述下柄部的所述直径大0.5mm至1mm的直径。

20.一种车辆，包括根据前述权利要求中任一项所述的方法形成的铆接接合。

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