CN113134982A - 一种预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，包括：凹模；铝合金板；碳纤维复合材料板，其中心位置开设有预开孔；压边圈，其设置在所述碳纤维复合材料板上，并与所述预开孔同轴设置；超声冲头，其设置在所述压边圈内，并位于所述压边圈的上部，所述超声冲头的底部设置有球形浅坑；铆钉，其设置在所述压边圈内，并同轴设置在所述预开孔内，所述铆钉为T型结构；孔道机构，其沿所述铆钉轴向开设；多个通孔，其沿径向开设在所述铆钉的下部；钉塞，其匹配设置在所述铆钉内，所述钉塞的底部具有向上凹陷的曲面。本发明能够减少铆接过程对碳纤维复合材料板的损伤，解决胶接中材料层间粘接不牢靠、溢胶和局部缺胶等问题。

Description

一种预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装 置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，属于复合材料与金属板件铆接技术领域。

背景技术

二十一世纪以来，随着节能与环保成为各行各业发展的主流，汽车轻量化技术以其在降低油耗，减少排放、提高新能源汽车续航里程等方面的显著作用成为当前汽车工业持续追求的发展方向，碳纤维复合材料与传统金属材料相比，具有轻质高强、耐腐抗震、制件设计灵活等一系列特点，是汽车轻量化最理想的材料。

然而，随着碳纤维复合材料等轻质材料在车身上的进一步应用，多材料混合车身结构对异种材料之间的连接技术和工艺提出了挑战。碳纤维复合材料在车身上常与铝合金进行连接，连接技术常用有螺栓连接、压印粘接、自冲铆接等等。这些连接技术都存在一些明显的缺陷，于是将不同连接方式复合起来以结合其优势成为优化接头质量的重要手段。

胶铆复合连接技术集中了胶接的连续密封性能、耐疲劳性能和铆接的抗剥离性能，胶接和铆接在失效时互为缓冲，极大提高了接头强度。但应用到复合材料与金属连接领域，其仍存在缺陷，碳纤维复合材料属脆性材料，铆接会破坏其纤维和基体的连续性，导致纤维断裂、基体开裂等问题，若对胶层固化后再冲压铆接，会破坏原本固化的胶层，若在胶层处于流动状态时进行冲压铆接，又会造成溢胶，局部缺胶等问题，影响接头连接性能。因此需要在现有胶铆工艺基础上，开发新的装置及技术以保证碳纤维复合材料与铝合金连接接头强度。

发明内容

本发明设计开发了一种预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，铆钉最终呈“开花”状变形，减少了胶接失效后碳纤维复合材料板法向剥离的可能。

本发明还设计开发了一种预开孔碳纤维复合材料的铝合金之间的胶铆复合连接装置的控制方法，使用电磁感应加热线圈产生交变磁场，在交变磁场中，通过控制工作电流，控制加热温度。

本发明提供的技术方案为：

一种预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，包括：

凹模，其设置环形凹槽，并在环形凹槽的中心处向上圆锥状凸起；

铝合金板，其设置在所述凹模上；

碳纤维复合材料板，其设置在所述铝合金板上，所述碳纤维复合材料板的中心位置设有预开孔；所述预开孔和所述环形凹槽同轴；

压边圈，其设置在所述碳纤维复合材料板上，并与所述预开孔同轴设置；

超声冲头，其设置在所述压边圈内，并位于所述压边圈的上部，所述超声冲头的底部设置向上凹陷的球形坑；

T型铆钉，其包括：

大直径的钉帽和小直径的钉腿，所述铆钉同轴设置在所述预开孔内，所述钉腿与所述铝合金板上表面相接触；

第一孔，其沿所述钉帽轴向设置在钉帽中心处；

连接空腔，其沿所述钉腿轴向设置在所述钉腿内；所述第一孔和连接空腔同轴并且连通；

其中，从所述第一孔起始沿径向延伸到钉帽外周缘的四道裂缝，其将所述钉帽分成四个分瓣，所述分瓣的高度小于所述钉帽的高度；

多个通孔，其沿所述钉腿径向设置在所述钉腿的下部；

倒T型钉塞，其包括：

小直径的第一端，其为竖直延伸；

大直径的第二端，其从第一端起始向外径向延伸；

其中，所述第一端的直径大于所述第一孔的内径并且抵靠所述第一孔；所述第二端与所述连接空腔之间过盈配合；所述第二端的下表面为向上凹陷的曲面；

倒T型钉塞和连接空腔的内壁之间形成封闭的第一空间，其充满液态胶粘剂。

优选的是，所述T型铆钉还包括：

钉颈，其位于钉帽和钉腿之间，并且与所述钉帽通过光滑曲面过渡连接。

优选的是，还包括：

环形连接槽，其沿着所述第一孔起始径向延伸形成径向凹槽，并且位置对应在所述钉颈。

优选的是，所述向上凹陷的曲面为球面，其与所述环形凹槽同轴。

优选的是，所述钉腿下端为圆弧形刃口。

优选的是，所述凹模为长轴颈，所述长轴颈的外部缠绕有电磁感应加热线圈。

优选的是，所述第一端和所述第二端之间通过圆台面进行过渡。

优选的是，所述钉塞的高度小于所述连接空腔底部与所述多个通孔之间的高度。

优选的是，还包括：

压力传感器，其设置在所述凹模顶部一侧，靠近凹模型腔处；

温度传感器，其设置在所述凹模顶部的另一侧；

电磁感应加热线圈，其设置在所述长轴颈内；

控制器，其与所述压力传感器、所述温度传感器、所述超声波传递冲头及所述电磁感应加热线圈电连接，用于接收所述压力传感器和所述温度传感器的检测数据，控制胶铆区域温度。

一种预开孔碳纤维复合材料的铝合金之间的胶铆复合链接装置的控制方法，包括：

步骤一：制备铆钉-钉塞承胶组合构件，将钉塞小端向内大端向外置于铆钉体下端空腔中，并在铆钉与钉塞空隙注入液态胶粘剂；

步骤二：将预开孔碳纤维板与铝合金板放置在凹模与压边圈之间，压边圈紧紧的将板材压在凹模上，将铆钉-钉塞承胶预制件固定到超声波传递冲头上；

步骤三：控制器控制超声波传递冲头向下冲击运动，超声波传递冲头带动铆钉下行穿过碳纤维复合材料板预制孔接触到铝合金板件，在挤压力作用下钉塞挤出钉帽和钉颈开孔，钉帽和钉颈分瓣逐渐外翻形成铆扣，铆钉内部液态胶粘剂流入铆钉与铝合金板件之间、钉塞与铝合金板件之间，再经由钉腿刃口处开孔迅速流入碳纤维复合材料板和铝合金板间，在实现嵌合的同时完成胶结；

步骤四：当超声波传递冲头到达下止点，压力传感器数值不再变化时，电磁感应加热线圈加热；当胶层固化度达到1时，胶层固化结束，超声波传递冲头泄压回程，铆钉、钉塞组件留在板材中，胶铆接头完成；

其中，电磁感应加热线圈是控制能够产生交变磁场的重要环节，当处于交变磁场中，会自发热而使温度升高，使其电阻值发生变化；

当感应加热线圈的升温为ΔT，此时感应加热线圈的电阻为：

感应加热线圈的热量为：

通过控制工作电流，控制加热温度，所述工作电流的经验公式为：

式中，ρ为感应加热线圈的电阻率，α为感应加热线圈的电阻温度系数，ΔT为感应加热线圈温度变化的变化值，s为感应加热线圈导线的横截面积，L为感应线圈导线的长度，R为感应加热线圈的电阻，t为工作时间，ω为交变电流的角频率。

本发明所述的有益效果：

1、本方法采用预冲孔的碳纤维复合材料板，在铆接之前对碳纤维复合材料板进行激光切割制孔，孔边无毛刺，无分层，预制孔避免了碳纤维复合材料板在铆接过程中产生损伤，保证了接头成型质量和力学性能。

2、铆钉钉帽和钉颈最终呈“开花”状变形，减少了胶接失效后碳纤维复合材料板法向剥离的可能，且铆钉、钉塞机械互锁比冲头冲击钉帽变形更为安全可靠。

2、钉塞挤出铆钉钉帽和钉颈中心通孔，对整个胶铆接头进行密封，避免溢胶，提高了接头强度和抗腐蚀性。

3、整个接头成型过程，铆钉钉帽不直接冲压碳纤维复合材料板预制孔周边材料，减少了对碳纤维复合材料板的冲击破坏。

4、超声波传递冲头向接头部位传递超声振动，不仅能加强接头的疲劳强度和耐腐蚀性，还加强了接头内部胶粘剂的流动性，使其均匀分布于铆钉、钉塞组件与铝合金之间、铝合金与碳纤维复合材料板之间，提高了胶铆接头的强度。

5、与在铆钉内设置固态热熔胶相比，本发明铆钉-钉塞承胶预制件可以在铆钉内安置常温下呈液态的胶粘剂，粘接强度更高，并可以通过改变铆钉、钉塞规格改变承胶量的大小，可用于批量化生产。

6、连接完成后，铆钉、钉塞组件留在板材接头位置，与无铆钉铆接相比，更能保证接头的承载能力。

7、传统胶铆需先制作胶铆预制件，包括金属表面铺胶、除杂等胶层预处理工作，本方法无需制作胶铆预制件，简化了前期工艺，操作更为简单。

附图说明

图1为本发明所述预开孔碳纤维复合材料板和铝合金之间的胶铆复合连接装置剖视结构示意图。

图2为本发明所述预开孔碳纤维复合材料板全剖视图。

图3为本发明所述的T形开孔半空心承胶铆钉全剖视图。

图4为本发明所述的T形开孔半空心承胶铆钉俯视图。

图5为本发明所述的钉塞全剖视图。

图6为本发明所述的铆钉-钉塞承胶预制件的全剖视图。

图7为本发明所述的凹模上表面压力传感器、温度传感器分布位置的局部剖视图。

图8为本发明所述胶铆复合连接的第一步工艺流程图。

图9为本发明所述胶铆复合连接的第二步工艺流程图。

图10为本发明所述胶铆复合连接的第三步工艺流程图。

图11为本发明所述胶铆复合连接的第四步工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-11所示，本发明提供一种预开孔碳纤维复合材料板和铝合金之间的胶铆复合连接装置，包括：铆钉1、钉塞2、超声波传递冲头3、凹模4、压边圈5、电磁感应加热线圈6、压力传感器7、温度传感器8碳纤维复合材料板9以及铝合金板材10。

如图1所示，凹模4设置在水平面上，在凹模4上，依次设置有铝合金板材10以及碳纤维复合材料板9，铝合金板材10覆盖在凹模4的凹口上，在碳纤维复合材料板9上，位于中心位置，开设有预开孔91，压边圈5设置在碳纤维板材9上，并与预开孔91同轴设置，超声波传递冲头3设置在压边圈5内，位于压边圈5的上部，超声波传递冲头3的底部设置有球面凹坑，铆钉1设置在压边圈内，并同轴设置在碳纤维复合板材9的中心预开孔91内，铆钉为T型结构，在铆钉1上，沿轴向开设有孔道机构，并在铆钉1的下部沿径向开设有多个通孔16，钉塞2为倒置的T型结构，并匹配设置在铆钉1的内部，钉塞2与铆钉1为过盈配合。通过铆钉1、钉塞2的配合，实现铆钉在碳纤维复合板材一侧的自锁防脱，减少在冲击铆合过程中对复合材料接头开孔处的破坏。

如图7所示，凹模4为圆柱形结构，在凹模4顶部，沿凹模4的中心位置开设有环形凹槽41，并在凹槽的中心处向上凸起，呈圆锥状，并在凹模4的外表上位于外表面终端靠近凹槽最低点出，沿周向车出一处长轴颈42，用于放置电磁感应加热线圈6。

压边圈5为圆柱形结构，在压边圈5的内部，沿轴向开设有压边圈容纳腔，压边圈设置在凹模4的上方，铝合金板材10和碳纤维复合材料板9均设置在压边圈5和凹模4之间，铝合金板材10覆盖在凹模4的凹槽41上，碳纤维复合材料板9设置在铝合金板材10上，在碳纤维复合材料板9上，位于中心位置，开设有预开孔91，预开孔91与凹槽4以及压边圈容纳腔均同轴设置。

如图3、图4所示，铆钉1为T开孔半空心结构，在铆钉1上，沿轴向开设有孔道机构，铆钉1包括依次连接的钉帽12、钉颈17以及钉腿18，孔道机构自上而下包括：自开孔13、环形连接槽14以及连接空腔，自开孔13沿钉帽和钉颈的轴向开设，环形连接槽14与自开孔13相连通，环形连接槽14为环形凹槽，并开设在钉颈上，位于自开孔13的下部，自开孔13沿径向向外将钉帽12和钉颈17切割出几个分瓣，钉颈17的开孔处沿内径扫掠加工出环形凹槽，即环形连接槽14，钉腿18的外径与碳纤维复合材料板9的预开孔91的内径相同，使钉腿18可以恰好放入到预开孔91内，钉腿18内侧为圆弧形刃口，在钉腿18的下部，沿径向均匀开设有通孔16。其中，环形连接槽14能够缓冲钉塞2对铆钉1的冲击。

在本发明中，作为一种优选，铆钉1的整体高度为18～20mm，钉帽12的外径为12～15mm，高度为3mm，钉帽12与钉颈17外侧用光滑曲面连接，钉颈17的高度为2mm，钉颈17的外径与钉腿的外径、碳纤维复合材料板9的预开孔91的内径相同，钉腿18可以恰好放入到预开孔91内，钉腿18的内径为6～7mm，钉帽12和钉颈17中心开设通孔即为自开孔13，自开孔13的直径不大于2mm，自开孔13沿径向向外将钉帽12和钉颈17切割出若干个分瓣11，分瓣11的高度略小于钉帽12和钉颈17的整体高度，用以保证承胶空腔的密封性，钉颈17的环形连接槽14能够对钉颈变形起到缓冲作用，多个通孔16沿径向开设在钉腿18的圆弧形刃口15处，其中，通孔16的中心轴线与铆钉1的中线轴线垂直相交。

如图5、图6所示，钉塞2为T形塞，即阶梯圆柱形塞，整体呈倒置的T形，钉塞2包括：第一端23和第二端24，其中第一端23为竖直端，第二端24为水平端，第一端23的直径大于自开孔13的直径，第二端24的外侧圆柱直径略大于钉腿18的内径，保证钉腿18与钉塞2的第二端24接触部位为过盈配合状态，钉塞2的第一端23和第二端24之间以圆台面25光滑过渡，第一端23的端面外侧车出倒角21，第二端24的端面中心凹出球形浅坑22，钉塞2的整体高度小于钉颈17的底部与钉腿刃口通孔16之间的高度。

如图7所示，电磁感应加热线圈6缠绕在长轴颈42的外侧，凹模4的顶部一侧，靠近环形凹槽41处设置有压力传感器7，另一侧设置有温度传感器8，在本发明中，作为一种优选，压力传感器7和压力传感器8均为贴片式，用以监测温度和判断铆接状态，其中控制器与压力传感器7、所述温度传感器8、超声波传递冲头3及电磁感应加热线圈6同时电连接，用于接收压力传感器7和温度传感器8的检测数据，控制胶铆区域温度及超声波传递冲头3状态。

本发明还提供一种预开孔碳纤维复合材料板和铝合金之间的胶铆复合连接装置的控制方法，如图8-11所示，使用本发明所述的预开孔碳纤维复合材料板和铝合金之间的胶铆连接装置进行胶铆工艺，过程具体包括：

步骤一：制备铆钉-钉塞承胶组合构件，将钉塞2小端23向内大端24向外置于铆颈17下端空腔中，保证钉腿18与钉塞大端24接触部位过盈配合，钉塞2置于铆钉1体内不脱落，并在铆钉1与钉塞2空隙注入液态胶粘剂。

步骤二：将预开孔碳纤维板9与铝合金板10放置在凹模6与压边圈5之间，碳纤维板9在上，铝合金板10在下，压边圈5紧紧的将板材压在凹模6上，将铆钉-钉塞承胶预制件放置到碳纤维板的中心预开孔91内，保证碳纤维复合材料板中通孔91、压边圈5、凹模6、铆钉-钉塞承胶预制件的同轴度。

步骤三：控制器控制超声波传递冲头3向下冲击运动，铆钉1在超声波冲头3的冲击作用下行挤压铝合金板10，在挤压力作用下钉塞2挤出钉帽和钉颈开孔13，钉帽和钉颈分瓣11受到钉塞2径向压力向四周张开呈“开花”状变形，钉腿18在压入铝合金材料过程中向外张开，逐渐外翻形成铆扣，同时铆钉1内部液态胶粘剂在挤压力作用下，通过钉腿18与钉塞2之间空隙流入铆钉1与铝合金板件10之间、钉塞2与铝合金板件10之间，再经由钉腿刃口处开孔16迅速流入碳纤维复合材料板9和铝合金板10间，从而在实现嵌合的同时完成胶结。

步骤四：直至超声波传递冲头3到达下止点，压力传感器7数值不再变化，控制器控制电磁感应加热线圈开始加热，当胶层固化度达到1时，胶层固化结束，超声波传递冲头3泄压回程，铆钉1、钉塞2组件留在板材中，胶铆接头完成

其中，电磁感应加热线圈是控制能够产生交变磁场的重要环节，当处于交变磁场中，会自发热而使温度升高，使其电阻值发生变化；

当感应加热线圈的升温为ΔT，此时感应加热线圈的电阻为：

感应加热线圈的热量为：

通过控制工作电流，控制加热温度，所述工作电流的经验公式为：

式中，ρ为感应加热线圈的电阻率，α为感应加热线圈的电阻温度系数，ΔT为感应加热线圈温度变化的变化值，s为感应加热线圈导线的横截面积，L为感应线圈导线的长度，R为感应加热线圈的电阻，t为工作时间，ω为交变电流的角频率。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，包括：

凹模，其设置环形凹槽，并在环形凹槽的中心处向上圆锥状凸起；

铝合金板，其设置在所述凹模上；

碳纤维复合材料板，其设置在所述铝合金板上，所述碳纤维复合材料板的中心位置设有预开孔；所述预开孔和所述环形凹槽同轴；

压边圈，其设置在所述碳纤维复合材料板上，并与所述预开孔同轴设置；

超声冲头，其设置在所述压边圈内，并位于所述压边圈的上部，所述超声冲头的底部设置向上凹陷的球形坑；

T型铆钉，其包括：

大直径的钉帽和小直径的钉腿，所述铆钉同轴设置在所述预开孔内，所述钉腿与所述铝合金板上表面相接触；

第一孔，其沿所述钉帽轴向设置在钉帽中心处；

连接空腔，其沿所述钉腿轴向设置在所述钉腿内；所述第一孔和连接空腔同轴并且连通；

其中，从所述第一孔起始沿径向延伸到钉帽外周缘的四道裂缝，其将所述钉帽分成四个分瓣，所述分瓣的高度小于所述钉帽的高度；

多个通孔，其沿所述钉腿径向设置在所述钉腿的下部；

倒T型钉塞，其包括：

小直径的第一端，其为竖直延伸；

大直径的第二端，其从第一端起始向外径向延伸；

其中，所述第一端的直径大于所述第一孔的内径并且抵靠所述第一孔；所述第二端与所述连接空腔之间过盈配合；所述第二端的下表面为向上凹陷的曲面；

倒T型钉塞和连接空腔的内壁之间形成封闭的第一空间，其充满液态胶粘剂。

2.根据权利要求1所述的预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，所述T型铆钉还包括：

钉颈，其位于钉帽和钉腿之间，并且与所述钉帽通过光滑曲面过渡连接。

3.根据权利要求2所述的预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，还包括：

环形连接槽，其沿着所述第一孔起始径向延伸形成径向凹槽，并且位置对应在所述钉颈。

4.根据权利要求3所述的预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，所述向上凹陷的曲面为球面，其与所述环形凹槽同轴。

5.根据权利要求1或4所述的预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，所述钉腿下端为圆弧形刃口。

6.根据权利要求5所述的预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，所述凹模为长轴颈，所述长轴颈的外部缠绕有电磁感应加热线圈。

7.根据权利要求6所述的预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，所述第一端和所述第二端之间通过圆台面进行过渡。

8.根据权利要求7所述的预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，所述钉塞的高度小于所述连接空腔底部与所述多个通孔之间的高度。

9.根据权利要求8所述的预开孔碳纤维复合材料和铝合金之间的胶铆复合连接装置，其特征在于，还包括：

压力传感器，其设置在所述凹模顶部一侧，靠近凹模型腔处；

温度传感器，其设置在所述凹模顶部的另一侧；

电磁感应加热线圈，其设置在所述长轴颈内；

控制器，其与所述压力传感器、所述温度传感器、所述超声波传递冲头及所述电磁感应加热线圈电连接，用于接收所述压力传感器和所述温度传感器的检测数据，控制胶铆区域温度。

10.一种预开孔碳纤维复合材料的铝合金之间的胶铆复合链接装置的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一：制备铆钉-钉塞承胶组合构件，将钉塞小端向内大端向外置于铆钉体下端空腔中，并在铆钉与钉塞空隙注入液态胶粘剂；

步骤二：将预开孔碳纤维板与铝合金板放置在凹模与压边圈之间，压边圈紧紧的将板材压在凹模上，将铆钉-钉塞承胶预制件固定到超声波传递冲头上；

步骤三：控制器控制超声波传递冲头向下冲击运动，超声波传递冲头带动铆钉下行穿过碳纤维复合材料板预制孔接触到铝合金板件，钉塞挤出钉帽和钉颈开孔，钉帽和钉颈分瓣逐渐外翻形成铆扣，铆钉内部液态胶粘剂流入铆钉与铝合金板件之间、钉塞与铝合金板件之间，再经由钉腿刃口处开孔迅速流入碳纤维复合材料板和铝合金板间，在实现嵌合的同时完成胶结；

步骤四：当超声波传递冲头到达下止点，压力传感器数值不再变化时，电磁感应加热线圈加热；当胶层固化度达到1时，胶层固化结束，超声波传递冲头泄压回程，铆钉、钉塞组件留在板材中，胶铆接头完成；

其中，电磁感应加热线圈是控制能够产生交变磁场的重要环节，当处于交变磁场中，会自发热而使温度升高，使其电阻值发生变化；

当感应加热线圈的升温为ΔT，此时感应加热线圈的电阻为：

感应加热线圈的热量为：

通过控制工作电流，控制加热温度，所述工作电流的经验公式为：

式中，ρ为感应加热线圈的电阻率，α为感应加热线圈的电阻温度系数，ΔT为感应加热线圈温度变化的变化值，s为感应加热线圈导线的横截面积，L为感应线圈导线的长度，R为感应加热线圈的电阻，t为工作时间，ω为交变电流的角频率。

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