CN114033776A - 一种连接元件及连接方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于机械技术领域，特别是涉及一种连接元件及连接方法。本申请提供了一种连接元件，用于塑性材料的连接，所述塑性材料包括连接部，所述连接元件包括几何特征部，所述几何特征部与所述连接部可相互自嵌锁紧，所述连接元件硬度大于所述塑性材料。所述连接元件可以实现多种不同的塑性材料/材质间的组合连接。同一所述连接元件即可用于塑性金属板材的连接又可用于热塑性高分子材料和热塑性复合材料的连接。所述连接元件及连接方法能经济、高效、可靠地连接大面积曲面。所述连接元件及连接方法能够满足高效、自动化、连续连接。

Description

一种连接元件及连接方法

技术领域

本申请属于机械技术领域，特别是涉及一种连接元件及连接方法。

背景技术

连接是指两个或多个工件连接使其成为固定的几何形状的方式。随着人们对产品的经济性和环境的生态要求的不断提高，轻型结构、轻量化结构的产品越来越多地开发，使得新型材料和新型制造技术的不断涌现。新型材料和新型制造技术的不断商业化，作为先进制造技术的重要组成部分就需要与之相适应的新型连接方法。此外，新产品、新构件和新器件也对连接方法提出了新的要求，促使连接方法的创新，以适应产业发展的新需求。

在外力作用下，虽然产生较显著变形而不被破坏的材料，称为塑性材料。塑性材料在受到外力时发生形变和尺寸变化，外力去除后发生形变和尺寸变化不能恢复。

现有连接技术的缺点和问题：

(1)机械连接(含：铆接、螺接和专用紧固件连接)：开孔引起应力集中，连接效率低，重量增加、能耗高、工作环境不友好、缺口敏度大(特别是塑性材质和复合材料)等问题。

(2)胶结：被胶接物体和胶粘剂在无外界因素影响的条件下,胶接力大小主要取决于两界面的润湿程度和胶接特性、胶层厚度、机械结合力、界面静电引力、分子扩散形成的结合力、表面清除方法包括脱脂处理、机械处理和化学处理、处理效果、固化过程中压力、温度、时间等工艺参数、物理因素、化学因素、环境因素等都对胶接力有很大的影响。

(3)焊接：焊接冶金缺陷、气孔、焊接热裂纹、冷裂纹、异种材料焊接困难、需要熟练工人、焊接部分脆弱、内部陷很难发现、薄金属翘曲和烧穿及其它焊接缺陷，连接能耗高、工作环境不友好。

(4)拉铆钉连接与传统工艺(焊接、粘胶)相比较：(1)需要冲压铆机，或者旋铆机之类的专用工具生产。(2)连接后可能对工件表面造成损坏。(3)通常连接强度较螺接低等。

(5)先进焊接(如振动焊接、超声波焊接、激光焊接、感应(电磁)焊接、CMT焊接)：除固有的焊接缺陷、工艺限制、连接面表面质量要求、焊接质量管控等问题外，设备的投入大。

(6)特殊机械连接(实心冲压自铆铆钉、TOX、SPR、FDS、环槽钉、自攻钉等)：开孔引起应力集中、连接效率低、重量增加，可能受限于连接结构的空间大小，可能需要的专用连接工(模)具。此外，其中一些连接工艺所需的设备投入大等问题。

发明内容

1.要解决的技术问题

基于现有的连接工件和连接工艺的上述缺点和问题，本申请提供了一种绿色、先进、高效、低成本的连接元件及连接方法。

2.技术方案

为了达到上述的目的，本申请提供了一种连接元件，用于塑性材料的连接，所述塑性材料包括连接部，所述连接元件包括几何特征部，所述几何特征部与所述连接部可相互自嵌锁紧，所述连接元件硬度大于所述塑性材料。

本申请提供的另一种实施方式为：所述塑性材料为塑性金属材料、热塑性高分子材料或者热塑性复合材料。

本申请提供的另一种实施方式为：所述连接元件为标准产品族或者系列产品族。

本申请提供的另一种实施方式为：所述几何特征部设置于所述连接元件的轴向、径向或者轴向和径向的组合；所述连接元件纵截面为直线形、圆形、椭圆形，规则多边形、不规则多边形或者曲线等。

本申请提供的另一种实施方式为：所述连接元件的端面为封闭式或者敞开式。

本申请提供的另一种实施方式为：所述连接元件可以实现多种不同的塑性材料/材质间的组合连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述连接元件设置于工字轮上。

本申请提供的另一种实施方式为：所述连接元件及连接方法能够满足高效、自动化、连续连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述连接元件采用钢、不锈钢、铝、铜、黄铜或其它金属材料制成，所述连接元件采用冷拔、冷拉、冷轧、冷挤压、其它压力加工工艺、冲压或其它冲裁加工工艺制成。

本申请还提供一种连接方法，所述方法包括施加外力使得塑性材料的连接部分发生变形后与连接元件的几何特征部相互自嵌锁紧，形成一个形状和力封闭的连接，使得连接部实现永久可靠连接。

本申请提供的另一种实施方式为：所述方法包括塑性金属板材在压力作用下或者热塑性高分子板材、热塑性复合材料板材在压力和热的作用下连接部的部分材料与几何特征部进行自嵌锁紧；对所述塑性金属板材或者所述热塑性高分子材料、热塑性复合材料进行持续挤压，使得所述塑性材料的部分材料持续填充所述连接元件的几何特征部；持续挤压一定时间，使得所述塑性材料的部分材料与所述连接元件的几何特征部充分填充、自嵌锁紧。

本申请提供的另一种实施方式为：所述塑性材料的部分材料与所述连接元件的几何特征部的互嵌锁紧量决定连接强度，所述互嵌锁紧量包括深度、宽度、长度和体积比。

3.有益效果

与现有技术相比，本申请提供的一种连接元件及连接方法的有益效果在于：

本申请提供的连接方法，属于高端装备制造、新材料、新能源汽车和智能制造需要的轻量化材料绿色、高效、低成本、易于自动化连接。

本申请提供的连接方法，为一种新型、绿色、高效的塑性金属板、热塑性高分子板材和热塑性复合板材的连接。

本申请提供的连接方法，被连接工件(被连接部分)为塑性材料，在连接过程中不会产生热量，因此不会产生由于热量引起的材料机械性能、表面状态(处理)的变化，也不会出现由于热而引起的板材(工件)变形。

本申请提供的连接方法，连接过程的没有噪声，过程中不会产生有损健康的烟雾、气体、火花、紫外线、飞溅物。

本申请提供的连接方法，适用范围广，无需预先制备连接元件安装孔。

本申请提供的连接元件，同一连接元件即可用于塑性金属板材的连接又可用于热塑性高分子材料和热塑性复合材料的连接。

本申请提供的连接元件，基于前述优势，能经济、高效、可靠地连接大面积曲面。

本申请提供的连接元件，能够满足高效、自动化、连续连接。

本申请提供的连接元件，可以实现多种不同的塑性材料/材质间的组合连接。

附图说明

图1是本申请的连接方法原理示意图；

图2是本申请的连接元件纵向截面形状举例示意图；

图3是本申请的塑性金属板的连接和连接设备示意图；

图4是本申请的热塑性非金属板的连接和连接设备示意图；

图5是本申请的几何特征部结构举例第一示意图；

图6是本申请的几何特征部结构举例第二示意图；

图7是本申请的连接元件结构第二举例示意图；

图8是本申请的连几何特征部结构举例第三示意图；

图9是本申请的连接元件结构第三举例示意图；

图10是本申请的连接元件结构第四举例示意图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。

一般地，热固性复合材料不能够重融，用粘结和机械连接方式的方法连接较为适宜。热塑性复合材料较热固性复合材料难粘结，因此，焊接和热压是适宜的连接方法。热塑性复合材料的焊接技术有：1)热气焊接；2)热板焊接；3)振动焊接；4)超声波焊接；5)感应焊接；6)接触(电阻)焊；7)旋转焊接；8)挤出焊接、9)超声波镦头、10)超声波点焊等。此外，“螺接”、“拉铆连接”和“粘结”、“卡扣”连接也常用的连接热塑性材料的工艺技术。

参见图1～10，本申请提供一种连接元件1，用于塑性材料的连接，所述塑性材料包括连接部，所述连接元件1包括几何特征部，所述几何特征部与所述连接部可相互自嵌锁紧，所述连接元件1硬度大于所述塑性材料。

进一步地，所述塑性材料为塑性金属材料、热塑性高分子材料或者热塑性复合材料。

进一步地，所述连接元件1为标准产品族或者系列产品族。

进一步地，所述几何特征部设置于所述连接元件1的轴向、径向或者轴向和径向的组合；连接元件1或为密排层绕，或直线形、圆形、椭圆形，规则多边形或不规则多边形、任意形状，亦可是单件以其它几何体供货(如回转体、面对称、线对称等)。

连接元件1的轴向设有与被连接工件(被连接部分)互嵌锁紧的几何特征部，无论该互嵌锁紧特征的几何特征部做什么等效变形。连接元件1的轴向设有与被连接工件(被连接部分)互嵌锁紧的几何特征部，无论连接过程中这些互嵌几何特征部在连接压力作业下是否发生塑形形变。连接元件1的径向设有与被连接工件(被连接部分)互嵌锁紧的几何特征部，无论该互嵌锁紧的几何特征部做什么等效变形。连接元件1的径向设有与被连接工件(被连接部分)互嵌锁紧的几何特征部，无论连接过程中这些互嵌几何特征部在连接压力作业下是否发生塑形形变。连接元件1的轴向与径向同时设有与被连接工件(被连接部分)互嵌锁紧的几何特征部，无论该互嵌锁紧的几何特征部做什么等效变形、做哪种轴向与径向互嵌锁紧特征的排列、组合。连接元件1的径向和轴向设有与被连接工件(被连接部分)互嵌锁紧的几何特征部、或其组合，无论连接过程中这些互嵌几何特征部在连接压力作业下是否发生塑形形变。

进一步地，所述连接元件1的端面为封闭式或者敞开式。连接点既可以是规则多边形图案排列、组合的，又可以是断续的、连续的，亦可为不规则多边形、任意形状连接，或其组合。

进一步地，所述连接元件1设置于工字轮上。连接元件1可密排层绕在“工字轮”上以线轴的供货状态交付用户以满足不同的连接需求。

进一步地，所述连接元件1采用钢、不锈钢、铝、铜、黄铜或其它金属板材制成，所述连接元件采用冷拔、冷拉、冷轧、冷挤压、其它压力加工工艺、冲压或其它冲裁加工工艺制成。

连接元件1的材料选择取决于：被连接的部件、环境的影响、温度、连接后所达到的强度等。冷拔、冷拉、冷轧、冷挤压、其它压力加工工艺、冲压或其它冲裁加工工艺制成的连接元件，其互嵌锁紧的特征、或其组合，无论连接过程中这些互嵌几何特征部在连接压力作业下是否发生塑形形变。

利用塑性金属板材在挤压力作用下发生塑性变形(永久变形)而不被破坏的特性和热塑性高分子板材、热塑性复合板材在热的作用下软化、流动的特性，使发生塑性变形的材料(塑性金属板材)/软化、流动的材料(热塑性高分子材料和热塑性复合材料)与连接元件1的几何特征部产生相互嵌套。通过被连接工件(被连接部分)的变形与连接元件1形成封闭的相互镶嵌、形成一个形状和力封闭、使被连接工件(被连接部分)与连接元件1处于被拉紧状态的连接工艺，实现被连接工件(被连接部分)的永久、可靠连接。

具体的，整个连接过程可分为初期压入、初期连接、完全相互嵌套、保压等4个阶段。连接的主要过程为：1)被连接工件(被连接部分)在挤压力的作用下(塑性金属板材)/在压力和热的作用下(热塑性高分子材料和热塑性复合材料)的部分材料流入连接元件上的嵌套几何特征部；2)随着挤压力的保持，板材上的部分材料的持续与填充连接元件上的嵌套几何特征部；3)保压数秒，以保证流入连接元件上嵌套几何特征部的内材料充分填充、嵌套和完全定形，防止这部分材料回弹，从而保证得到永久、可靠的板材连接结果。

如图1所示，最外侧为两块连接加压平板，在塑性金属板或者热塑性高分子材料、热塑性复合材料板之间放置连接元件1，通过连接加压平板对塑性金属板或者热塑性高分子材料、热塑性复合材料板施加安装力，使得塑性金属板或者热塑性高分子材料和热塑性复合材料板与连接元件1自嵌锁紧。

图7和图8为“冲压或其它冲裁加工工艺制成的连接元件”和“互嵌锁紧的几何特征部的等效变形。

图9为“连接元件供货几何特征(状态)的等效变形”

连接元件1或需要进行热处理强化，以满足连接板材和连接性能要求。

连接是一种物理连接，其核心是使塑性金属板材在挤压力作用下发生塑性变形(永久变形)而不被破坏的特性和热塑性高分子板材和热塑性复合板材在热的作用下软化、流动的特性，并且在挤压力作用下实现板料在连接部位处相互镶嵌，像现有的连接方式一样连接在一起。所述部分材料与所述几何特征部的互嵌锁紧量决定连接强度，所述互嵌锁紧量包括深度、宽度、长度和体积比。

本申请中的连接元件和连接方法同样适用不同材质(塑性金属板与热塑性高分子材料和热塑性复合材料)和两层以上板材的连接。

对于热塑性高分子(热塑性复合材料)薄板的连接元件和连接方法，已商业化的连接方法分别为“热带焊接”和“热金属丝焊(又称电阻焊)”。

“热带焊接”的原理为“当电流流过电阻元件(通常是金属网)时焊接界面产生的热量使材料熔化，随后熔化的金属冷却凝固从而实现材料的焊接”；“热金属丝焊(又称电阻焊)”的原理为“将金属丝放置在需要连接零件中的一个表面上，当电流通过金属丝时利用其电阻使金属丝生热、将热量传递给热塑性高分子零件和热塑性复合零件使其表面融化，施加一定的压力而使其连接在一起”。

“热带焊接”和“热金属丝焊(又称电阻焊)”这两种商业化的焊接热塑性高分子板材(热塑性复合材料)板材的连接元件和连接方法与本申请有本质的区别：

(1)“电阻焊”没有“连接元件”参与板材的连接；“接触(电阻)焊”有“连接元件”参与板材的连接，但实现板材连接是通过其受热的表面融化实现的。

(2)“电阻焊”和“接触(电阻)焊”均没有本申请的实现板材连接的关键要素——“轴向、径向、或其组合的互嵌几何特征部”。

(3)相较于“接触(电阻)焊”技术，本申请无需“伸出连接处以外的部分金属件在焊接后剪掉”。

塑性金属板材、热塑性高分子材料和热塑性复合材料板材的连接既可单点、多点密排连接，又可实现连续连接；连接处既可以是规则多边形排列的，又可以是非规则多边形排列的。即，可根据需要连接板材的实际状况和连接需实现所需要的、可靠、永久的连接。

使用范围广，无需预先开孔。可实现塑性金属板材和热塑性高分子材料和热塑性复合材料板材的可靠连接，既可单点、密排连接，又可连续连接；连接点既能是规则多边形图案排列的，又能是连续的，任意曲率、曲线的连接。

连接元件和连接工艺简单、高效、环保、节能，连接操作环境友好。

无需专用连接设备，设备简单、一次性投入低。

连接元件的制造工艺简单、高效，易于自动化、连续生产，制造成本低廉。

连接部位没有可见的凸起和凹坑，连接美观、平整。

连接元件可以实现多种不同的塑性材料/材质间的组合连接。

连接元件能够满足高效、自动化、连续连接。

可以进行带有涂层的材料的连接(金属涂层、有机涂层和无机涂层)。

对被连接工件(被连接部分)为塑性金属薄板而言，在连接过程中不会产生明显的热量，因此不会产生由于热量引起的材料机械性能和表面特征(处理)的变化，也不会出现由于热而引起的板材(工件)变形。

连接过程的没有噪声，过程中不会产生有损健康的烟雾、气体、火花、紫外线，不需要清理飞溅物。

连接操作简单、连接重复精度高，连接点强度高、寿命长。

同一连接元件即可用于塑性金属板材的连接又可用于热塑性高分子材料和热塑性复合材料的连接。

能经济、高效、可靠地连接大面积曲面。

自嵌锁紧连接：在压力作用下，被连接工件(被连接部分)产生的部分塑性变形与连接元件的几何体形成相互自动嵌套，实现形状和力的封闭，使被连接工件(被连接部分)与连接元件处于自嵌、拉紧状态的连接方法的总称。

本新型、绿色、高效的塑性金属板和热塑性高分子板材和热塑性复合板材连接元件和互嵌连接方法面向中高端乘用车制造中越来越多的采用轻量化技术，将不同特性的材料坚固地连接在一起是各个中高端乘用车制造商当下面临的技术难题。本申请聚焦新能源轻量化结构连接方法难题，以一种创新、高效、低成本的连接元件和互嵌连接方法替代现有的焊、铆、粘、螺接等连接件和连接方法，节能环保、高效可靠，适用于高端装备制造、新材料、新能源汽车和智能制造等国家重点发展产业的轻量化材料连接方法需求。本申请同样适用于航空、航天、船舶、家用电器、消费电子产品、医疗器械、仪器设备、化工、计算机业等等需要把金属材料和热塑性材料连接、固定的零(组)件制造。

可应用于航空、航天、船舶、车辆、家电、消费电子产品、医疗器械、仪器设备、计算机业等需要把金属材料和热塑性材料连接、固定的零(组)件制造。

如图3所示为了满足高效、自动化、连续连接塑性金属板材的设备示意图。其中，连接元件1为所述密排、层绕于工字轮；放大图中的水平、垂直排列的轮系用于连接元件的校直或连接所需特殊形状元件的制备；施加压力的气缸、液压缸、气液缸或者其他执行元件此处为立式设计，也可为卧式设计或其它形式的设计。

图3中的设备包括压力机构、导向机构和连接元件1的校直或者连接所需特殊形状元件的制备机构；压力机构为包括气缸、液压缸、气液缸、伺服缸或者其他执行元件的机构，压力机构对连接元件1施加连接所需的压力，导向机构对连接元件进行引导。

如图4所示为了满足高效、自动化、连续连接热塑性高分子材料、热塑性复合材料的设备示意图。其中，连接元件1为所述密排、层绕于工字轮；放大图中的水平、垂直排列的轮系用于连接元件的校直或连接所需特殊形状元件的制备；施加压力的气缸、液压缸、气液缸或者其他执行元件此处为立式设计，也可为卧式设计或其它形式的设计；连接热塑性高分子材料、热塑性复合材料所需的加热装置可集成在校直、导向、制备特殊连接元件的轮系内；加热方式有微波加热、激光束加热和电子束加热、电磁感应加热等。压力机构对连接元件1施加连接所需的压力，导向机构对连接元件进行引导。

尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种连接元件，其特征在于：用于塑性材料连接，所述塑性材料包括连接部，所述连接元件包括几何特征部，所述几何特征部与所述连接部在压力作业下可相互自嵌锁紧，所述连接元件硬度大于所述塑性材料。

2.如权利要求1所述的连接元件，其特征在于：所述塑性材料为塑性金属材料、热塑性高分子材料或者热塑性复合材料。

3.如权利要求1所述的连接元件，其特征在于：所述连接元件为标准产品族或者系列产品族。

4.如权利要求1～3中任一项所述的连接元件，其特征在于：所述几何特征部设置于所述连接元件的轴向、径向或者轴向和径向的组合；

所述连接元件纵向截面为直线形、圆形、椭圆形，规则多边形、不规则多边形或曲线。

5.如权利要求4所述的连接元件，其特征在于：所述连接元件的端面为封闭式或者敞开式。

6.如权利要求5所述的连接元件，其特征在于：所述连接元件设置于工字轮上，所述连接元件可以实现多种不同的塑性材料/材质间的组合连接。

7.如权利要求4所述的连接元件，其特征在于：所述连接元件采用钢、不锈钢、铝、铜、黄铜或其它金属材料制成，所述连接元件采用冷拔、冷拉、冷轧、冷挤压、其它压力加工工艺、冲压或其它冲裁加工工艺制成。

8.采用权利要求1～7中任一项所述的连接元件的连接方法，其特征在于：所述方法包括施加外力使得塑性材料的连接部发生变形后与连接元件的几何特征部相互自嵌锁紧，形成一个形状和力封闭的连接，使得连接部实现永久可靠连接。

9.如权利要求8所述的连接方法，其特征在于：所述方法包括塑性金属板材在挤压力作用下或者热塑性高分子板材、热塑性复合材料板材在热和挤压力的作用下连接部的部分材料与几何特征部进行自嵌锁紧；对所述塑性金属板材或者所述热塑性高分子板材、热塑性复合材料板材进行持续挤压，使得所述部分材料持续填充所述几何特征部；持续挤压一段时间，使得所述部分材料与所述几何特征部充分填充、自嵌锁紧。

10.如权利要求9所述的连接方法，其特征在于：所述部分材料与所述几何特征部的自嵌锁紧量决定连接强度，所述自嵌锁紧量包括深度、宽度、长度和体积比。

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