CN112974714A - 钣件接合与其冷却的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钣件接合与其冷却的方法，包含：提供第一金属钣与第二金属钣，第一金属钣的熔点高于第二金属钣的最低加热软化温度；叠放第一、第二金属钣于凹模上，加热叠合钣件至第一温度后停止加热，第一温度为第一金属钣的钣材软化温度；将自冲铆钉打入叠合钣件，以接合第一金属钣与第二金属钣；冷却叠合钣件至相对于第一金属钣材料的淬火温度的第二温度；开模取出叠合钣件。本发明在能够应用原有设备，施作更高强度的钢制钣件接合。

Description

钣件接合与其冷却的方法

技术领域

本发明为一种钣件接合与其冷却的方法，特别是有关于一种自冲铆钉冲入前将工件加热至软化、铆钉冲入后进行模内淬火的钣件接合与其冷却的方法。

背景技术

在许多领域（例如运输），轻量化永远是必需考虑的课题，而铝合金与先进高强度钢两种金属均为轻量化构件的重要材料，且如钢/铝的异材金属，具有互补的效应，借由在全钢车身引入铝、镁复合材料等低密度材料(复合材料车身)，己成为全球汽车车身轻量化的趋势。因此，车身制造的技术领域，是异材金属接合技术的一大挑战。

对于机械式接合法而言，如自冲铆接(Self-Pierce Riveting)是一种高强度机械接合，多层材料被坚硬的铆钉连接，不需要预先在钣件钻孔，施工时很小的音量产生，且接合中不需任何热量进入零件。铆钉通过设备施加压力穿透上层材料，同时借由下面的支撑模具进行铆钉扩张变形，来达到机械式接合效果，由于下层材料没有被铆钉穿透过去，所以同时也提高了接合面的密封性。且自冲铆接由于不需要熔融，无热影响区，比传统电阻焊的疲劳强度高，接合处的质量良好又可以自动化，因而适合应用在车辆的异种金属接合。然而，自冲铆接方法在焊接铝钢、高强度钢等强度高的材料时，若材料抗拉强度大于680Mpa以上，则现有的自冲铆接设备难以冲入，必需花费巨资，将现有设备升级，才得以冲入。

日本特开2016-055291号公开一种在多个树脂部件上应用自冲铆接及高频波加热的接合技术。该接合装置借由冲头将自冲铆钉打入至配置于模具上的多个树脂件而接合。接合装置包括：模具，其支承树脂部材与自冲铆钉的脚部；模具支持件，其用以支持模具，且由绝缘体形成；高频电磁感应线圈，配置于模具支持件材内；前置夹具，其用以将树脂件固定于模具上，且由绝缘体形成；高频电磁感应线圈，其绕前置夹具卷绕；及冲头，其用以打入自冲铆钉，且由绝缘体形成。借由高频电磁感应线圈对自冲铆钉预热、经加热的自冲铆钉打入多个树脂件并形成铆接接头、经高频电磁感应线圈加热熔接铆接接头部位，使脚部、多个树脂件彼此熔化接合，并因在软化的多个树脂件进行铆接，可避免树脂件因铆接而产生裂痕。高频波加热会引起材料的熔融，倘若适用于异材金属钣，则可能导致异材相接时，因材料熔融反应产生大量介金属化合物，且因介金属化合物的结构型态为针状，故其强度相对不佳而不易抵抗外力，致使接合后的金属钣在使用过程中容易出现材料疲乏状况而无法有效抗疲劳。

发明内容

本发明提供一种钣件接合与其冷却的方法，可应用原有自冲铆接设备施作强度更高的钢制钣件接合，并在接合后以淬火回升材料强度。

本发明提供的钣件接合与其冷却的方法包括：提供一第一金属钣与一第二金属钣，该第一金属钣的熔点高于该第二金属钣的最低加热软化温度；依序叠放该第二金属钣与该第一金属钣于一凹模上，使形成一叠合钣件；加热该叠合钣件至一第一温度后停止加热，该第一温度为该第一金属钣的钣材软化温度；将一自冲铆钉自该叠合钣件的该第一金属钣朝向该第二金属钣打入，使该自冲铆钉的钉脚刺穿上层的该第一金属钣而停留在下层的第二金属钣的内部，且对应于该自冲铆钉位置的第二金属钣的底面朝外侧外翻塑性变形而形成一铆接接头，以接合该第一金属钣与该第二金属钣；冷却该叠合钣件至一第二温度，该第二温度为相对于该第一金属钣材料的淬火温度；开模取出该叠合钣件。

在上述实施例中该第一金属钣与该第二金属钣的材料为钢材，该第一温度为摄氏400℃以上，该第二温度为摄氏250℃以上。

在一实施例中，加热该叠合钣件的步骤还具有一工件加热装置，该工件加热装置应用一移动机构移动于一初始位置停止加热和一加热位置进行加热，该加热位置对应于该第一金属钣的预定冲入该自冲铆钉的区域。

在一实施例中，所述工件加热装置应用电磁感应线圈加热。

在一实施例中，冷却该叠合钣件的步骤还具有一工件冷却装置，该工件冷却装置在该凹模内设置水道，并以液体在该冷却水道内循环流动，以冷却凹模内的该叠合钣件。

本发明提供另一实施例的钣件接合与其冷却的方法包括：提供一第一金属钣与一第二金属钣，该第一金属钣的熔点低于该第二金属钣的最低加热软化温度；置放该第二金属钣于一凹模上，加热该第二金属钣至一软化温度后停止加热，该软化温度为该第二金属钣的钣材软化温度；叠放该第一金属钣材于该第二金属钣之上而形成一叠合钣件；将一自冲铆钉自该第一金属钣朝向该第二金属钣打入该叠合钣件，使该自冲铆钉的钉脚刺穿上层的该第一金属钣而停留在下层的第二金属钣的内部，且对应于铆钉位置的第二金属钣的底面朝外侧外翻塑性变形而形成一铆接接头，以接合该第一金属钣与该第二金属钣；冷却该叠合钣件至一淬火温度，该淬火温度为相对于该第二金属钣材料的淬火温度；开模取出该叠合钣件。

在上述实施例中，该第一金属钣的材料为铝合金，该第二金属钣的材料为钢材，该软化温度为摄氏400℃以上，该淬火温度为摄氏250℃以上。

在上述实施方式中，加热该叠合钣件的步骤还具有一工件加热装置，该工件加热装置应用一移动机构移动于一初始位置停止加热和一加热位置进行加热，该加热位置对应于该第一金属钣的预定冲入该自冲铆钉的区域。

在上述实施方式中，该工件加热装置包含电磁感应线圈加热。

在一实施方式中，冷却该叠合钣件的步骤还具有一工件冷却装置，该工件冷却装置在该凹模内设置冷却水道，并以液体在该冷却水道内流动以冷却凹模内的该叠合钣件。

基于上述说明，本发明在自冲接合前，包含工件软化的处理，因此可应用原有设备，施作更高强度的钢制钣件接合。本发明可应用原有设备，增加加热装置与凹模（即下模具）冷却的淬火装置，实施性高。本发明可进行较原设备施作更高强度的钢制钣件接合。本发明在自冲范围局部因淬火应用，工件与铆钉皆有强度提升效果，进一步可强化自冲铆接的接头。本发明的接合方法，因工件表面无油、水，因此不易污染工件。

附图说明

图1为本发明钣件接合与其冷却的方法一实施例的流程图；

图2至图6为图1所示实施例的本发明钣件接合与其冷却的方法的结构流程图；

图7为本发明钣件接合与其冷却的方法另一实施例的流程图；

图8为至图13为图7所示实施例的本发明钣件接合与其冷却的方法的结构流程图。

附图中的符号说明：

1 自冲铆接设备；

11 凹模；

12 冲头；

2 工件加热装置；

3 工件冷却装置；

31 水流通道；

4、4’ 自冲铆钉；

41、41’ 钉脚；

5、5’ 铆接接头；

L 液体；

L1、L1’ 初始位置；

L2、L2’ 加热位置；

W1、W1’ 第一金属钣；

W2、W2’ 第二金属钣；

S11～S16 本发明一实施例的钣件接合与其冷却的方法的步骤；

S21～S27 本发明另一实施例的钣件接合与其冷却的方法的步骤。

具体实施方式

配合附图将本发明实施例详细说明如下，附图主要为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此在该些附图中仅标示与本发明有关的组件，且所显示的组件并非以实施时的数目、形状、尺寸比例等加以绘制，其实际实施时的规格尺寸实为一种选择性的设计，且其组件布局形态有可能更为复杂。

以下各实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可据以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“侧面”等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本申请，而非用以限制本申请，另外，在说明书中，除非明确地描述为相反的，否则词语“包括”或“包含”应被解释为意指包括该组件，但是不排除任何其它组件。

首先请参照图1及图2至图6。本实施例的钣件接合与其冷却的方法包含下列步骤：

步骤S11，提供第一金属钣W1与第二金属钣W2，第一金属钣W1的熔点高于第二金属钣W2的最低加热软化温度，例如：第一金属钣W1与第二金属钣W2同为高强度钢；

步骤S12，依序叠放该第二金属钣W2与该第一金属钣W1于一凹模11(例如一自冲铆接设备1的凹模11)上，经适当固定，例如以夹具夹固第一金属钣W1与第二金属钣W2，使形成一叠合钣件；

步骤S13，加热该叠合钣件至一第一温度后停止加热，该第一温度为该第一金属钣W1的钣材软化温度，如图2及图3所示；

步骤S14，将一自冲铆钉4自叠合钣件的第一金属钣W1朝向第二金属钣W2打入(例如应用自冲铆接设备1的一冲头12施以自冲铆钉4冲力)，使自冲铆钉4的钉脚41刺穿上层的该第一金属钣W1而停留在下层的第二金属钣W2内部，且对应于该自冲铆钉4位置的第二金属钣W2的底面因冲头12及凹模11的作用，而朝外侧外翻塑性变形而形成一铆接接头5，以接合该第一金属钣W1与该第二金属钣W2，如图4及图5所示；

步骤S15，冷却叠合钣件至第二温度，第二温度为相对于第一金属钣W1材料的淬火温度，如图5所示；

步骤S16，开模取出完成接合的叠合钣件，如图6所示。

在本发明一实例中，第一金属钣W1与第二金属钣W2的材料为高强度钢，第一温度（即高强度钢的软化温度）为摄氏400℃以上，第二温度（即高强度钢的淬火温度）为摄氏250℃以上。

如图3及图4所示。本发明的加热该叠合钣件的步骤(即步骤S13)还具有一工件加热装置2，的工件加热装置2应用一移动机构（因该移动机构可使用简单的滑块滑轨机构、连杆机构等，此皆为常用的机械构造，在此不赘言且未图式）移动于一初始位置L1停止加热和一加热位置L2进行加热，该加热位置L2对应于第一金属钣W1的预定冲入自冲铆钉的区域。所述工件加热装置2可应用电磁感应线圈加热方式。

如图4及图5所示。本发明的冷却该叠合钣件的步骤(即步骤S15)还具有一工件冷却装置3，的工件冷却装置3在凹模11内设置水流通道31，并以液体L在该水流通道31内循环流动，以在冲头12压住叠合钣件并与凹模11合模的状态下冷却凹模11内的叠合钣件。

上述实施例中，该第一金属钣W1与该第二金属钣W2的材质相同或其两者的钣件软化温度相接近，亦即当钣件加热至第一温度时不会影响另一钣件的机械性质。但当加工件的钣件软化温度有较大差异时，例如待加工的该第一金属钣W1’为铝合金，第二金属钣W2’为钢钣时，则不适合、也无必要在铆接前一起加热，因铝合金原本材料就较自冲铆钉为软，因此不必加热软化，此情形的钣件接合与其冷却的方法如下列所述：续请参考图7，并对照图8至图13。本实施例的钣件接合与其冷却的方法包含：

步骤S21，提供第一金属钣W1’与第二金属钣W2’，第一金属钣W1’的熔点低于第二金属钣W2’的最低加热软化温度，例如：第一金属钣W1’材质为铝合金，第二金属钣W2’材质为高强度钢；

步骤S22，置放第二金属钣W2’于自冲铆接设备1的一凹模11上；

步骤S23，加热第二金属钣W2’至一软化温度后停止加热，软化温度为第二金属钣W2’的钣材软化温度，如图9所示；

步骤S24，叠放第一金属钣材W1’于第二金属钣W2’之上而形成叠合钣件，当然，进行铆接前，叠合钣件会适当地固定在一起，例如以压板或夹具固持，以防止互相滑动，如图11所示；

步骤S25，将自冲铆钉4自叠合钣件的第一金属钣W1’朝向第二金属钣W2’打入，使自冲铆钉4’的钉脚41’刺穿上层的第一金属钣W1’而停留在下层的第二金属钣W2’内部，且对应于自冲铆钉4位置的第二金属钣W2’的底面朝外侧外翻塑性变形而形成铆接接头5’，以接合第一金属钣W1’与第二金属钣W2’，如图11、图12所示；

步骤S26，冷却叠合钣件至淬火温度，淬火温度为相对于第二金属钣材W2’料的淬火温度，如图12所示；

步骤S27，开模取出完成接合的叠合钣件，如图13所示。

所述第一金属钣W1’的材料为铝合金，第二金属钣W2’的材料为钢材，该第二金属钣W2’的软化温度为摄氏400℃以上，该淬火温度为摄氏250℃以上。

在一实施例中，如图9及图10所示。在所述加热该叠合钣件的步骤(即步骤S23)还具有一工件加热装置2，工件加热装置2应用一移动机构（未图式）移动于一初始位置L1’停止加热和一加热位置L2’进行加热，加热位置L2’对应于第一金属钣W1’的预定冲入自冲铆钉4’的区域。而工件加热装置2包含电磁感应线圈加热方式。同样地，在一实施例中，请参见图11及图12。所述冷却该叠合钣件的步骤(即步骤S26)还具有一工件冷却装置3，工件冷却装置3在凹模11内设置水流通道31，并以液体L在该水流通道31内循环流动以在冲头12压住叠合钣件并与凹模11合模的状态下冷却凹模11内的叠合钣件。

所述实施形态仅例示性地说明本发明的原理、特点及其功效，并非用以限制本发明的可实施范畴，任何熟习此项技艺的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施形态进行修饰与改变。任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为申请专利权利要求范围所涵盖。因此，本发明的权利保护范围，应如申请专利权利要求范围所列。

Claims (10)

1.一种钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，包含：

提供一第一金属钣与一第二金属钣，该第一金属钣的熔点高于该第二金属钣的最低加热软化温度；

依序叠放该第二金属钣与该第一金属钣于一凹模上，使形成一叠合钣件；

加热该叠合钣件至一第一温度后停止加热，该第一温度为该第一金属钣的钣材软化温度；

将一自冲铆钉自该叠合钣件的该第一金属钣朝向该第二金属钣打入，使该自冲铆钉的钉脚刺穿上层的该第一金属钣而停留在下层的该第二金属钣的内部，且对应于该自冲铆钉位置的该第二金属钣的底面朝外侧外翻塑性变形而形成一铆接接头，以接合该第一金属钣与该第二金属钣；

冷却该叠合钣件至一第二温度，该第二温度为相对于该第一金属钣材料的淬火温度；以及

开模取出该叠合钣件。

2.如权利要求1所述的钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，该第一金属钣与该第二金属钣的材料为钢材，该第一温度为摄氏400℃以上，该第二温度为摄氏250℃以上。

3.如权利要求1所述的钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，加热该叠合钣件的步骤还具有一工件加热装置，该工件加热装置应用一移动机构移动于一初始位置停止加热和一加热位置进行加热，该加热位置对应于该第一金属钣的预定冲入该自冲铆钉的区域。

4.如权利要求3所述的钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，该工件加热装置应用电磁感应线圈加热。

5.如权利要求1所述的钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，冷却该叠合钣件的步骤还具有一工件冷却装置，该工件冷却装置在该凹模内设置水道，并以液体在该冷却水道内循环流动，以冷却该凹模内的该叠合钣件。

6.一种钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，包含：

提供一第一金属钣与一第二金属钣，该第一金属钣的熔点低于该第二金属钣的最低加热软化温度；

置放该第二金属钣于一凹模上；

加热该第二金属钣至一软化温度后停止加热，该软化温度为该第二金属钣的钣材软化温度；

叠放该第一金属钣材于该第二金属钣之上而形成一叠合钣件；

将一自冲铆钉自该叠合钣件的该第一金属钣朝向该第二金属钣打入，使该自冲铆钉的钉脚刺穿上层的该第一金属钣而停留在下层的该第二金属钣的内部，且对应于自冲铆钉位置的第二金属钣的底面朝外侧外翻塑性变形而形成一铆接接头，以接合该第一金属钣与该第二金属钣；

冷却该叠合钣件至一淬火温度，该淬火温度为相对于该第二金属钣材料的淬火温度；以及

开模取出该叠合钣件。

7.如权利要求6所述的钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，该第一金属钣的材料为铝合金，该第二金属钣的材料为钢材，该软化温度为摄氏400℃以上，该淬火温度为摄氏250℃以上。

8.如权利要求6所述的钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，加热该叠合钣件的步骤还具有一工件加热装置，该工件加热装置应用一移动机构移动于一初始位置停止加热和一加热位置进行加热，该加热位置对应于该第一金属钣的预定冲入该自冲铆钉的区域。

9.如权利要求8所述的钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，该工件加热装置包含电磁感应线圈加热。

10.如权利要求6所述的钣件接合与其冷却的方法，其特征在于，冷却该叠合钣件的步骤还具有一工件冷却装置，该工件冷却装置在该凹模内设置水道，并以液体在该水道内循环流动，以冷却该凹模内的该叠合钣件。

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