CN113732230A - 一种双重连接模式的摩擦铆焊装置及铆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双重连接模式的摩擦铆焊装置及铆焊方法，属于摩擦铆焊技术领域。解决了现有硬且脆金属基复合材料连接中出现的连接强度低且界面不紧密的问题。它包括铆焊工具、铆钉、上连接体、下连接体和铆帽，所述上连接体上设置有上预制铆孔，所述下连接体上设置有下预制铆孔，所述上预制铆孔和下预制铆孔同轴设置，所述铆钉贯穿上预制铆孔和下预制铆孔，所述铆钉上端与铆焊工具相连，所述铆钉下端与铆帽相连。它主要用于摩擦铆焊。

Description

一种双重连接模式的摩擦铆焊装置及铆焊方法

技术领域

本发明属于摩擦铆焊技术领域，特别是涉及一种双重连接模式的摩擦铆焊装置及铆焊方法。

背景技术

金属基复合材料因为优异的尺寸稳定性、良好的高温力学性能在航空航天关键叶片结构、精密测量机构中具有广泛应用，然而这一类材料往往以硬和脆为主要特点，导致传统的机械铆焊难以适应。此外，伴随着较差的焊接性，高焊接热输入极易引起构件的开裂和破坏，因此难以通过传统熔化焊接的方式实现与其他异种材料的有效焊接。因此，迫切需要开发一种能够有效连接金属基复合材料的方法。试想，若能兼顾焊接冶金连接与机械铆接连接双重模式，在保证机械可靠连接条件下，增强局部位置的冶金与密封性，保证金属基复合材料的服役稳定性。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种双重连接模式的摩擦铆焊装置及铆焊方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，它包括铆焊工具、铆钉、上连接体、下连接体和铆帽，所述上连接体上设置有上预制铆孔，所述下连接体上设置有下预制铆孔，所述上预制铆孔和下预制铆孔同轴设置，所述铆钉贯穿上预制铆孔和下预制铆孔，所述铆钉上端与铆焊工具相连，所述铆钉下端与铆帽相连。

更进一步的，所述铆焊工具包括夹持部、散热部和轴肩部，所述夹持部上设置有定位平面，所述散热部连接夹持部和轴肩部，所述散热部上设有多个同心圆环结构的散热槽，所述轴肩部上设置有圆角，所述轴肩部端面设置有凹孔，所述凹孔与铆钉配合。

更进一步的，所述铆钉包括铆钉帽和铆钉柱，所述铆钉帽上设置有定位帽，所述铆钉帽通过定位端面与铆钉柱相连，所述铆钉柱表面设置螺纹或铣平面接头。

更进一步的，所述上预制铆孔由上至下依次为上圆柱面、上圆锥面和上圆柱孔，所述下预制铆孔由下至上依次为下圆柱面、下圆锥面、下圆柱孔。

更进一步的，所述铆帽包括铆帽体和铆帽中心孔，所述铆帽中心孔贯穿铆帽体，所述铆帽体上设置有加持面，所述加持面上方依次设置锥面和接触端面。

更进一步的，所述铆焊工具材质为高速工具钢、硬质合金、钨铼合金或聚晶立方氮化硼，所述铆焊工具的材料硬度和强度不低于铆钉材料的硬度和强度。

更进一步的，所述铆钉和铆帽材质均为金属基复合材料，所述上连接体和下连接体材质为金属基复合材料或高温合金材料。

更进一步的，所述铆钉直径为1～500mm，长度为1～2000m。

本发明还提供了一种双重连接模式的摩擦铆焊装置的铆焊方法，它包括以下步骤：

步骤1：将铆钉与上连接体和下连接体上的上预制铆孔和下预制铆孔放置于同一轴线上；

步骤2：使铆焊工具与铆钉及上预制铆孔和下预制铆孔位于同一轴线，铆焊工具带动铆钉以一定速度旋转并下压，使铆钉压入上预制铆孔和下预制铆孔；

步骤3：铆钉穿出上预制铆孔和下预制铆孔，使铆钉与逆向旋转的铆帽连接；

步骤4：铆焊工具回抽，铆钉、上连接体和下连接体和铆帽共同形成一体式铆焊结构。

更进一步的，所述铆焊工具旋转速度为20～50000rpm，下压速度为0.05～1000mm/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有硬且脆金属基复合材料连接中出现的连接强度低且界面不紧密的问题。本发明铆焊工具带动铆钉旋转压入上、下连接体预制孔内，利用铆钉与上、下连接体材料摩擦产热和形变产热诱发冶金快扩散反应，同时铆钉与其逆向旋转的铆帽摩擦形变产热发生冶金反应且铆钉穿过铆帽中心孔，促使“铆钉-上、下连接体-铆帽”三者形成一体式焊铆结构，得到优质高可靠铆焊接头。

本发明通过铆焊工具高速旋转带动铆钉结构与连接体摩擦形变产热，实现与连接体之间的冶金与机械连接，使接头兼顾焊接冶金连接与机械铆接连接双重模式，较传统的单一焊接或铆接优势显著，如峰值温度较低、接头残余应力小，避免了机械铆冲过程中工件开裂，可实现连接体之间的优质高强连接。

本发明通过铆钉、上下连接体预制铆钉孔与铆帽结构设计，可促进铆钉与连接体之间形成良好的冶金与机械连接，同时可保证对铆焊结构表面进行平整加工之后，依然具有良好冶金与连接效果，促进载荷传递效果，保证连接体服役过程中的稳定性。

本发明适用范围广，不仅可应用于金属基复合材料等高熔点低塑性材料的连接，也可应用于包括但不限于铝及铝合金、镁合金、聚合物基复合材料、钢等材料的同种或异种材料的优质高可靠连接。

本发明通过摩擦形变产热促进合金铆钉与基体材料摩擦形变产热，同时，合金铆钉与铆帽接触，铆钉与基体和铆帽发生冶金，并形成机械铆接结构，使其兼顾焊接冶金与机械铆接双重连接模式。该技术的实现，将极大地推动金属基复合材料构件的广泛应用。

附图说明

图1为本发明所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊方法；

图2为本发明所述的铆焊工具结构示意图；

图3为本发明所述的铆钉结构示意图；

图4为本发明所述的上连接体和下连接体连接结构示意图；

图5为本发明所述的铆帽结构示意图。

1：铆焊工具，1-1：夹持部，1-1-1：定位平面，1-2：散热部，1-2-1：散热槽，1-3：轴肩部，1-3-1：圆角，1-3-2：凹孔，2：铆钉，2-1：铆钉帽，2-1-1：定位帽，2-1-2：定位端面，2-2：铆钉柱，3：上连接体，3-1：上连接体基体，3-2：上预制铆孔，3-2-1：上圆柱面，3-2-2：上圆锥面，3-2-3：上圆柱孔，4：下连接体，4-1：下连接体基体，4-2：下预制铆孔，4-2-1：下圆柱面，4-2-2：下圆锥面，4-2-3：下圆柱孔，5：铆帽，5-1：铆帽体，5-1-1：加持面，5-1-2：锥面，5-1-3：接触端面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

参见图1-5说明本实施方式，为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，它包括铆焊工具1、铆钉2、上连接体3、下连接体4和铆帽5，所述上连接体3上设置有上预制铆孔3-2，所述下连接体4上设置有下预制铆孔4-2，所述上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2同轴设置，所述铆钉2贯穿上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2，所述铆钉2上端与铆焊工具1相连，所述铆钉2下端与铆帽5相连。

铆焊工具1包括夹持部1-1、散热部1-2和轴肩部1-3，夹持部1-1上设置有定位平面1-1-1，可连接于包括但不限于车床、铣床、钻床、搅拌摩擦焊机等结构上，具有结构可根据机床夹持要求加工的特点。散热部1-2连接夹持部1-1和轴肩部1-3，散热部1-2上设有多个同心圆环结构的散热槽1-2-1，以避免铆焊工具1断裂，延长服役寿命。轴肩部1-3用于直接与铆钉2接触，带动铆钉2压入上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2内部，摩擦并促使铆钉2变形填充至上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2内，轴肩部1-3上设置有圆角1-3-1，以避免铆焊工具对基体产生损伤，轴肩部1-3端面设置有凹孔1-3-2，凹孔1-3-2与铆钉2配合，凹孔1-3-2容纳部分铆钉2材料形成上铆钉帽2-1。

铆钉2包括铆钉帽2-1和铆钉柱2-2，铆钉帽2-1上设置有定位帽2-1-1，定位帽2-1-1与轴肩部1-3相互配合带动铆钉2同轴旋转扎入上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2内，铆钉帽2-1通过定位端面2-1-2与铆钉柱2-2相连，铆钉柱2-2表面设置螺纹或铣平面接头，增强铆钉柱2-2与上连接体3和下连接体4之间的摩擦产热和塑性流变，促进连接效果。

上预制铆孔3-2由上至下依次为上圆柱面3-2-1、上圆锥面3-2-2和上圆柱孔3-2-3，下预制铆孔4-2由下至上依次为下圆柱面4-2-1、下圆锥面4-2-2、下圆柱孔4-2-3。铆帽5包括铆帽体5-1和铆帽中心孔，铆帽中心孔贯穿铆帽体5-1，铆帽体5-1上设置有加持面5-1-1，加持面5-1-1上方依次设置锥面5-1-2和接触端面5-1-3。铆帽5可设置为锥面或圆弧面等，增强与下连接体4的接触面积和机械铆接效果，同时下连接体4轴线为中空结构，实现与铆钉2的机械铆接效果。

铆焊工具1材质包括但不限于高速工具钢、硬质合金、钨铼合金或聚晶立方氮化硼等，铆焊工具1的材料硬度和强度不低于铆钉2材料的硬度和强度。更进一步的，铆钉2和铆帽5材质包括但不限于金属基复合材料等，上连接体3和下连接体4材质包括但不限于金属基复合材料或高温合金材料，上连接体3和下连接体4材质铆钉2相同或不相同。铆钉2直径为1～500mm，长度为1～2000m。

本实施例为一种双重连接模式的摩擦铆焊装置的铆焊方法，它包括以下步骤：

步骤1：将铆钉2与上连接体3和下连接体4上的上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2放置于同一轴线上；

步骤2：使铆焊工具1与铆钉2及上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2位于同一轴线，铆焊工具1带动铆钉2以一定速度旋转并下压，使铆钉2压入上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2；

步骤3：铆钉2穿出上预制铆孔3-2和下预制铆孔4-2，使铆钉2与逆向旋转的铆帽5连接；

步骤4：铆焊工具1回抽，铆钉2、上连接体3和下连接体4和铆帽5共同形成一体式铆焊结构。

铆焊工具1带动铆钉2与上连接体3、下连接体4和铆帽5摩擦形变产热，促进铆钉2与上连接体3、下连接体4、铆帽5以及铆帽5与下连接体4同时发生焊接冶金反应，而铆钉2贯穿上连接体3、下连接体4与铆帽中心孔，形成机械铆接结构，最终形成兼顾焊接冶金与机械铆接连接双重模式的铆焊一体化接头。铆焊工具1旋转速度为20～50000rpm，下压速度为0.05～1000mm/min。

以上对本发明所提供的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置及铆焊方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，其特征在于：它包括铆焊工具(1)、铆钉(2)、上连接体(3)、下连接体(4)和铆帽(5)，所述上连接体(3)上设置有上预制铆孔(3-2)，所述下连接体(4)上设置有下预制铆孔(4-2)，所述上预制铆孔(3-2)和下预制铆孔(4-2)同轴设置，所述铆钉(2)贯穿上预制铆孔(3-2)和下预制铆孔(4-2)，所述铆钉(2)上端与铆焊工具(1)相连，所述铆钉(2)下端与铆帽(5)相连。

2.根据权利要求1所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，其特征在于：所述铆焊工具(1)包括夹持部(1-1)、散热部(1-2)和轴肩部(1-3)，所述夹持部(1-1)上设置有定位平面(1-1-1)，所述散热部(1-2)连接夹持部(1-1)和轴肩部(1-3)，所述散热部(1-2)上设有多个同心圆环结构的散热槽(1-2-1)，所述轴肩部(1-3)上设置有圆角(1-3-1)，所述轴肩部(1-3)端面设置有凹孔(1-3-2)，所述凹孔(1-3-2)与铆钉(2)配合。

3.根据权利要求1所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，其特征在于：所述铆钉(2)包括铆钉帽(2-1)和铆钉柱(2-2)，所述铆钉帽(2-1)上设置有定位帽(2-1-1)，所述铆钉帽(2-1)通过定位端面(2-1-2)与铆钉柱(2-2)相连，所述铆钉柱(2-2)表面设置螺纹或铣平面接头。

4.根据权利要求1所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，其特征在于：所述上预制铆孔(3-2)由上至下依次为上圆柱面(3-2-1)、上圆锥面(3-2-2)和上圆柱孔(3-2-3)，所述下预制铆孔(4-2)由下至上依次为下圆柱面(4-2-1)、下圆锥面(4-2-2)、下圆柱孔(4-2-3)。

5.根据权利要求1所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，其特征在于：所述铆帽(5)包括铆帽体(5-1)和铆帽中心孔，所述铆帽中心孔贯穿铆帽体(5-1)，所述铆帽体(5-1)上设置有加持面(5-1-1)，所述加持面(5-1-1)上方依次设置锥面(5-1-2)和接触端面(5-1-3)。

6.根据权利要求1所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，其特征在于：所述铆焊工具(1)材质为高速工具钢、硬质合金、钨铼合金或聚晶立方氮化硼，所述铆焊工具(1)的材料硬度和强度不低于铆钉(2)材料的硬度和强度。

7.根据权利要求1所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，其特征在于：所述铆钉(2)和铆帽(5)材质均为金属基复合材料，所述上连接体(3)和下连接体(4)材质为金属基复合材料或高温合金材料。

8.根据权利要求1所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置，其特征在于：所述铆钉(2)直径为1～500mm，长度为1～2000m。

9.一种如权利要求1所述的双重连接模式的摩擦铆焊装置的铆焊方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤1：将铆钉(2)与上连接体(3)和下连接体(4)上的上预制铆孔(3-2)和下预制铆孔(4-2)放置于同一轴线上；

步骤2：使铆焊工具(1)与铆钉(2)及上预制铆孔(3-2)和下预制铆孔(4-2)位于同一轴线，铆焊工具(1)带动铆钉(2)以一定速度旋转并下压，使铆钉(2)压入上预制铆孔(3-2)和下预制铆孔(4-2)；

步骤3：铆钉(2)穿出上预制铆孔(3-2)和下预制铆孔(4-2)，使铆钉(2)与逆向旋转的铆帽(5)连接；

步骤4：铆焊工具(1)回抽，铆钉(2)、上连接体(3)和下连接体(4)和铆帽(5)共同形成一体式铆焊结构。

10.根据权利要求9所述的一种双重连接模式的摩擦铆焊装置的铆焊方法，其特征在于：所述铆焊工具(1)旋转速度为20～50000rpm，下压速度为0.05～1000mm/min。

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