CN113976743A - 一种增材铆接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种增材铆接方法，用于将第一部件和第二部件相连接，包括如下步骤：提供第一部件和第二部件，所述第一部件具有与所述第二部件连接的第一表面；采用增材制造方法在所述第一部件的第一表面上制备出至少一个凸出的铆钉结构；在所述第二部件上加工出至少一个通孔，所述通孔从朝向所述第一表面的近侧面延伸到远离所述第一表面的远侧面；将所述第一部件的第一表面上的所述铆钉结构插入到所述第二部件中的所述通孔；通过外力将所述铆钉结构墩粗，从而形成铆接连接。本发明能够避免铆钉孔对结构完整性和密封性的影响，还能够降低结构重量。

Description

一种增材铆接方法
技术领域
本发明涉及一种铆接方法，特别是用于不同结构件之间的铆接方法，属于材料连接技术领域。
背景技术
结构轻量化是水、陆、空、天运载工具的发展要求，采用异质材料是实现结构轻量化的重要途径。
舰船上应用主要有：船体钢与铝合金连接，船体钢主要有碳素钢、低合金钢等船体用钢材。铝合金材料主要应用于舰船上层建筑。主要包括5系、7系等变形铝合金。
飞机上的应用主要包括：铝合金与铝合金构件之间连接、钛合金与铝合金、钛合金与纤维增强复合材料构件间连接。
高铁、地铁列车上的应用主要包括：铝合金和纤维增强复合材料、铝合金和不锈钢结构件的连接。纤维增强复合材料中，纤维主要包括玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维、碳纤维等材料，树脂基体主要包括：聚酯、乙烯酸酯、环氧树脂、酚醛树脂、改性的丙烯酸树脂等。
对于异质材料的结构件，采用焊接连接方法会存在产生气孔、裂纹等焊接缺陷，以及焊接变形量大等问题，尤其异种材料焊接时不同材料物理化学性能使得焊接性能较差，因此铆接是异种材料连接的主要方法。但是，传统铆接连接方法必须在两种被连接材料上制造铆钉孔，从而铆钉孔破坏了结构的完整性和密封性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材铆接方法，可以实现不同结构件的有效、高质量连接，从而解决传统铆接工艺铆钉孔破坏被连接材料的结构完整性和密封性等技术问题，同时克服增加结构重量的技术缺陷。
本发明的技术方案如下。
一种增材铆接方法，用于将第一部件和第二部件相连接，包括如下步骤：
步骤S1，提供第一部件和第二部件，所述第一部件具有与所述第二部件连接的第一表面；
步骤S2，采用增材制造方法在所述第一部件的第一表面上制备出至少一个凸出的铆钉结构；在所述第二部件上加工出至少一个通孔，所述通孔从朝向所述第一表面的近侧面延伸到远离所述第一表面的远侧面；
步骤S3，将所述第一部件的第一表面上的所述铆钉结构插入到所述第二部件中的所述通孔；
步骤S4，通过外力将所述铆钉结构墩粗，从而形成铆接连接。
优选地，所述第一部件由金属材料制成，所述铆钉与所述第一部件为相同材质。
优选地，所述金属材料包括铝合金、钢、钛合金中的一种或多种。
优选地，所述增材制造方法包括选区熔化类方法和直接能量沉积类方法。
优选地于，所述增材制造方法的能量源包括激光束、等离子或离子束、电子束、电弧中的任意一种或多种。
优选地，所述增材制造方法的材料输送方式包括送粉、铺粉、送丝中的任意一种或多种。
优选地，所述铆钉结构包括圆柱体、椎体、楔形中的一种或多种；所述第一部件和第二部件分别具有相互连接的第一板状部分和第二板状部分。
优选地，所述圆柱体的直径为φ，高为t，所述第一板状部分的厚度为t1，第二板状部分的厚度值为t2，则t-t2的值为φ的1.25-1.5倍，并且t1≥1mm,t2≤10mm。
优选地，所述步骤S4使用的镦头高度大于φ的0.4倍，而其直径范围为φ的1.3-1.5倍。
优选地，所述通孔的加工方法包括激光切割、线切割、冲压、钻孔中的一种或多种。
通过以上技术方案，本发明相对于传统铆接能够取得如下有益效果。
首先，本发明采用增材制造方法在被连接金属材料表面直接制备铆钉，避免了铆钉孔对结构完整性和密封性的影响。
同时，本发明的方法铆钉仅形成一个铆钉头，相对于现有技术的铆接方法减轻了整体结构重量。
例如采用本发明在飞机机身蒙皮上增材制造铆钉，然后与加强筋进行铆接，很好地解决结构完整性和密封性问题。同时，在蒙皮外表面由于没有传统铆接时的铆钉头，还降低了结构重量，改善了飞机的空气动力学性能。
附图说明
图1A-1D是根据本发明的增材铆接方法流程示意图；
图2是根据本发明的方法制备的铆钉结构示意图；
图3是使用本发明的增材铆接方法连接舰船构件示意图；
图4是使用本发明的增材铆接方法连接飞机构件示意图；
图5是使用本发明的增材铆接方法连接另一飞机构件示意图。
具体实施方式
本发明所使用的术语“增材铆接”是指采用增材制造方法在被连接金属材料上直接制备铆钉进行材料连接的方法。
如图1A-1D所示，本发明提供了一种增材铆接方法，用于将第一部件和第二部件相连接，包括如下步骤：
步骤S1，提供第一部件和第二部件，所述第一部件具有与所述第二部件连接的第一表面；
步骤S2，采用增材制造方法在所述第一部件的第一表面上制备出至少一个凸出的铆钉结构，如图1A所示。在所述第二部件上加工出至少一个通孔，所述通孔从朝向所述第一表面的近侧面延伸到远离所述第一表面的远侧面，如图1B所示。
步骤S3，将所述第一部件的第一表面上的所述铆钉结构插入到所述第二部件中的所述通孔，如图1C所示。
步骤S4，通过外力F将所述铆钉结构墩粗，从而形成铆接连接，如图1D所示。
在一优选的实施方式中，所述第一部件由金属材料制成，所述铆钉与所述第一部件为相同材质。
在一优选的实施方式中，所述金属材料包括铝合金、钢、钛合金中的一种或多种。
本领域技术人员能够理解，第二部件并不限于金属材料，还可以是复合材料，包括纤维增强复合材料。
在一优选的实施方式中，所述增材制造方法包括选区熔化类方法和直接能量沉积类方法。
在一优选的实施方式中，所述增材制造方法的能量源包括激光束、等离子或离子束、电子束、电弧中的任意一种或多种。
在一优选的实施方式中，所述增材制造方法的材料输送方式包括送粉、铺粉、送丝中的任意一种或多种。
本领域技术人员能够理解，虽然以上说明了增材制造的方法种类，然而本发明并不局限于此，现有技术中的任何适用的增材制造方法，包括广义的焊接增材制造都可以用于本发明。
在一优选的实施方式中，所述铆钉结构为圆柱体。本领域技术人员能够理解，铆钉结构还可以为椎体或楔形，如图2所示。相应地，第二部件上形成的所述通孔的横截面应当具有能够容纳并定位所述铆钉结构的形状，例如与所述铆钉结构的横截面相似并满足公差范围要求的形状。
所述第一部件和第二部件分别具有相互连接的第一板状部分和第二板状部分。
在一优选的实施方式中，所述圆柱体形状的铆钉结构的直径为φ，高为t，所述第一板状部分的厚度为t1，第二板状部分的厚度值为t2，则t-t2的值为φ的1.25-1.5倍，并且t1≥1mm,t2≤10mm。
φ/t2的值的范围在1-2之间。相邻铆钉结构的最小铆钉距离应为3个铆钉结构直径。通常使用的平均铆钉距离为4至6个铆钉结构直径。边缘距离指铆钉结构距基体边缘的位置，一般为2至2.5个铆钉结构直径。
第二部件上通孔的直径为d，其中d-φ的范围为0.1～0.2mm之间，公差为0-0.1mm。
在一优选的实施方式中，所述步骤S4使用的镦头高度大于φ的0.4倍，而其直径范围为φ的1.3-1.5倍。
在一优选的实施方式中，所述通孔的加工方法包括激光切割、线切割、冲压、钻孔中的一种或多种。
实施例1
本实施例提供了用于舰船中船体钢和铝合金构件的连接方法。其中船体用钢板1a为大厚板结构，船体上层建筑所用材料为5系铝合金。两种构件的增材铆接方法如图3所示。本实施例的方法包括如下步骤。
提供舰船船体的钢板构件1a和铝合金构件2a，所述钢板构件1a具有与所述铝合金构件2a连接的表面。
以钢板1a作为基体，在其表面采用增材制造的方法预制圆柱型铆钉结构3a，在作为船体上层建筑的铝合金构件2a上加工出铆钉孔。所述铆钉孔从朝向所述钢板构件1a的表面的近侧面延伸到远离所述钢板构件1a的表面的远侧面。
将带铆钉孔的铝合金构件3a安装到钢材构件上，将所述铆钉结构3a插入所述铆钉孔。
在外力作用下将钢铆钉墩粗，实现钢板构件1a和铝合金构件2a的优质、高效连接。
实施例2
本实施例提供了飞机中铝合金蒙皮和铝合金长桁的增材铆接方法，如图4所示。本实施例的方法包括如下步骤。
提供飞机的铝合金蒙皮1b和铝合金长桁2b，所述铝合金蒙皮1b具有与所述铝合金长桁2b连接的表面。
以铝合金蒙皮1b作为基体，在其表面采用增材制造的方法预制圆柱型铝铆钉3b，在铝合金长桁构件3b上加工出铆钉孔。所述铆钉孔从朝向所述铝合金蒙皮1b的表面的近侧面延伸到远离所述铝合金蒙皮1b的表面的远侧面。
将带铆钉孔的长桁构件2b安装到蒙皮1b上，将所述铝铆钉3b插入所述铆钉孔。
在外力作用下将铝铆钉3b墩粗，实现铝合金蒙皮1b和铝合金长桁构件2b的优质、高效连接。
实施例3
本实施例提供了飞机中钛合金构件和纤维增强复合材料构件的增材铆接方法，如图4所示。
提供飞机的钛合金构件1c和纤维增强复合材料构件2c，所述钛合金构件1c具有与所述纤维增强复合材料2c连接的表面。
以钛合金构件1c作为基体，在其表面采用增材制造的方法预制圆柱型钛铆钉结构3c，在纤维增强复合材料构件2c上加工出铆钉孔。所述铆钉孔从朝向所述钛合金构件1c的表面的近侧面延伸到远离所述纤维增强复合材料2c的远侧面。
将带铆钉孔的纤维增强复合材料构件2c安装到钛合金构件1c上，将所述钛铆钉结构3c插入所述铆钉孔。
在外力作用下将钛铆钉结构3c墩粗，实现钛合金构件1c和纤维增强复合材料构件2c的优质、高效连接。
当然将理解的是，尽管本文中图示和描述的本发明的形式构成了本发明的优选实施方案，但本文中并不意图图示或描述其所有可能的等同形式或变形实施方式。本领域技术人员应当理解，所使用的词语是描述性的词语而不是限制性的词语，并且可以在不脱离本文所公开的本发明的精神或范围的情况下进行各种改变。这样的改变均落入本发明的原理和精神的范围内。

Claims (10)

1.一种增材铆接方法，用于将第一部件和第二部件相连接，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，提供第一部件和第二部件，所述第一部件具有与所述第二部件连接的第一表面；
步骤S2，采用增材制造方法在所述第一部件的第一表面上制备出至少一个凸出的铆钉结构；在所述第二部件上加工出至少一个通孔，所述通孔从朝向所述第一表面的近侧面延伸到远离所述第一表面的远侧面；
步骤S3，将所述第一部件的第一表面上的所述铆钉结构插入到所述第二部件中的所述通孔；
步骤S4，通过外力将所述铆钉结构墩粗，从而形成铆接连接。
2.根据权利要求1所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述第一部件由金属材料制成，所述铆钉与所述第一部件为相同材质。
3.根据权利要求2所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述金属材料包括铝合金、钢、钛合金中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述增材制造方法包括选区熔化类方法和直接能量沉积类方法。
5.根据权利要求4所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述增材制造方法的能量源包括激光束、等离子或离子束、电子束、电弧中的任意一种或多种。
6.根据权利要求4所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述增材制造方法的材料输送方式包括送粉、铺粉、送丝中的任意一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述铆钉结构包括圆柱体、椎体、楔形中的一种或多种；所述第一部件和第二部件分别具有相互连接的第一板状部分和第二板状部分。
8.根据权利要求7所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述圆柱体的直径为φ，高为t，所述第一板状部分的厚度为t1，第二板状部分的厚度值为t2，则t-t2的值为φ的1.25-1.5倍，并且t1≥1mm,t2≤10mm。
9.根据权利要求8所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述步骤S4使用的镦头高度大于φ的0.4倍，而其直径范围为φ的1.3-1.5倍。
10.根据权利要求1所述的一种增材铆接方法，其特征在于，所述通孔的加工方法包括激光切割、线切割、冲压、钻孔中的一种或多种。
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