CN116618815B - 一种异种金属压铆焊装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种异种金属压铆焊装置及方法，异种金属压铆焊装置适于焊接铝合金件与钢材件；异种金属压铆焊装置包括铆钉件、套管和电极件；套管内设有通孔，铆钉件设于通孔内；电极件设于通孔内，电极件与铆钉件远离铝合金件一端连接；其中，铆钉件具有在外力作用下，沿套管内通孔向铝合金件方向运动，直至铆钉件端部穿过铝合金件与钢材件抵接的焊接状态；在焊接状态后，电极件为铆钉件通入电流，在焊接状态下，限位部与铝合金件表面抵接。本装置无需在铝合金件上打孔，定位精度要求较低，具备很高的使用价值。
Description
技术领域
本发明涉及汽车零部件制造技术领域，具体涉及一种异种金属压铆焊装置及方法。
背景技术
钢、铝异种金属的混合结构在很多工业领域，特别是车身制造具有广泛的应用前景。钢、铝异种金属复合结构车身能够满足车身轻量化和安全性能的双重要求，已经成为未来车身制造的首选。
然而，钢、铝异种金属在焊接过程中存在冶金不相容性，会形成大量的脆性金属间化合物，极大地制约了这种结构的应用范围。点焊作为一种经济、高效的焊接方法，已经在汽车工业领域广泛应用，但是钢、铝异种金属的点焊问题极大地制约了钢、铝混合车身的推广。
虽然近年来新开发了许多诸如自冲铆接（SPR）、流钻螺钉连接（FDS）和电阻铆焊等技术，但是在汽车制造过程中均存在一定的问题。其中SPR与FDS受到钢板强度的限制，难于实现超高强钢与铝合金的连接，而电阻铆焊需要采用冲孔辅助，工艺繁琐。因此开发一种方便实现，能够实现超高强钢与铝合金点焊的方法迫在眉睫。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中SPR与FDS受到钢板强度的限制，难于实现超高强钢与铝合金的连接，而电阻铆焊需要采用冲孔辅助，工艺繁琐。因此开发一种方便实现，能够实现超高强钢与铝合金点焊的方法迫在眉睫。
为此，本发明提供一种异种金属压铆焊装置，适于焊接铝合金件与钢材件，所述铝合金件与所述钢材件叠合设置；
所述异种金属压铆焊装置包括：
铆钉件，包括焊接部与限位部，所述限位部边缘凸出所述焊接部表面，所述焊接部的硬度大于所述铝合金件的硬度；
套管，其内设有通孔，所述铆钉件设于所述通孔内，所述套管端部适于与所述铝合金件表面抵接；
电极件，设于所述通孔内，所述电极件与所述铆钉件远离所述铝合金件一端连接；
超声振动装置，与所述电极件连接；
其中，所述铆钉件具有在外力作用下，沿所述套管内通孔向所述铝合金件方向运动，直至所述铆钉件的焊接部穿过所述铝合金件与所述钢材件抵接的焊接状态；在所述焊接状态后，所述电极件为所述铆钉件通入电流，且所述限位部与所述铝合金件表面抵接；在所述焊接状态下及所述焊接状态后，所述超声振动装置经所述电极件向所述铆钉件施加超声振动。
可选地，在所述焊接状态后，所述电极件为所述铆钉件通入辅助加热电流，以使所述铆钉件与所述钢材件之间的铝合金件软化并被挤出。
可选地，在通入辅助加热电流后，所述电极件为所述铆钉件通入焊接电流，以焊接所述铆钉件与所述钢材件。
可选地，所述辅助加热电流的峰值电流为5A-100A，持续时间为10ms-500ms；所述焊接电流为0.5kA-10kA，持续时间为10ms-500ms；所述超声振动装置释放超声的超声频率为5kHz-40kHz，超声振幅为20µm-60µm。
可选地，铆钉件向所述铝合金件方向的下压速度为0.5mm/s-15mm/s，所述铆钉件的所受压力为0.5kN-8kN。
可选地，所述铆钉件还包括杆部，所述焊接部与限位部设于所述杆部两端，所述杆部直径D为1.5-10mm。
可选地，所述焊接部为球状或者椭球状，其曲率半径范围为D/10-5D。
可选地，还包括压力检测件，与所述铆钉件连接，以检测所述铆钉件所受压力，且以所述杆部屈服强度的20%-50%作为监测焊接部与钢材件接触程度的指标。
一种异种金属压铆焊方法，采用上述所述的异种金属压铆焊装置，包括如下步骤：
步骤一：首先将套管压在上部的铝合金件上方，随后对电极件同铆钉件施加压力，电极件同铆钉件一起在套管内部向下运动，当铆钉件焊接部与铝合金件接触时，启动超声振动装置；
步骤二：在铆钉件持续下压的过程中，压力检测件对所述铆钉件的压力进行持续的监测，当铆钉件的杆部的屈服强度达到20%-50%时，可判定铆钉件焊接部与钢材件表面达到了充分的接触，套管抬升卸压，此时通入辅助加热电流；
步骤三：辅助加热电流停止加热，通入焊接电流，通电结束后，电极件抬升，铆钉件的焊接部与钢材件焊接在一起，铆钉件的限位部与铝合金件表面抵接，实现异种金属的压铆焊。
本发明提供的一种异种金属压铆焊装置及方法，具有如下优点：
1.本发明提供一种异种金属压铆焊装置，适于焊接铝合金件与钢材件，所述铝合金件与所述钢材件叠合设置；所述异种金属压铆焊装置包括铆钉件、套管、电极件和超声振动装置，铆钉件包括焊接部与限位部，所述限位部边缘凸出所述焊接部表面，所述铆钉件适于设于所述铝合金件一侧，且所述焊接部的硬度大于所述铝合金件的硬度；套管内设有通孔，所述铆钉件设于所述通孔内，所述套管端部适于与所述铝合金件表面抵接；电极件设于所述通孔内，所述电极件与所述铆钉件远离所述铝合金件一端连接；超声振动装置与所述电极件连接；其中，所述铆钉件具有在外力作用下，沿所述套管内通孔向所述铝合金件方向运动，直至所述铆钉件端部穿过所述铝合金件与所述钢材件抵接的焊接状态；在所述焊接状态后，所述电极件为所述铆钉件通入电流，在所述焊接状态下，所述限位部与所述铝合金件表面抵接，在所述焊接状态下及所述焊接状态后，所述超声振动装置经所述电极件向所述铆钉件施加超声振动。
此结构的异种金属压铆焊装置，首先将套管压在上部的铝合金件上方，随后对电极件同铆钉件施加压力，电极件同铆钉件一起在套管内部向下运动，待铆钉件焊接部与钢材件表面达到了充分的接触，套管抬升卸压，此时通过电极件对铆钉件通入辅助加热电流；最后辅助加热电流停止加热，通入焊接电流，通电结束后，电极件抬升，铆钉件的焊接部与钢材件焊接在一起，铆钉件的限位部与铝合金件表面抵接，实现异种金属的压铆焊，设置超声振动装置持续向铆钉件施加超声振动，使铝合金件在铆钉件焊接部的压力作用下发生塑性流动。相对于目前的电阻铆焊需要采用冲孔辅助，工艺繁琐，本装置无需在铝合金件上打孔，定位精度要求较低，并且对被铆钉件的材质与性能没有特殊的要求，具备很高的使用价值。
2.本发明提供一种异种金属压铆焊装置，异种金属压铆焊装置还包括超声振动装置，通过所述电极件与所述铆钉件连接，在所述焊接状态下及所述焊接状态后，所述超声振动装置经所述电极件向所述铆钉件施加超声振动。
此结构的异种金属压铆焊装置，在所述焊接状态下，超声振动装置向所述铆钉件施加超声振动，使铝合金件在铆钉件焊接部的压力作用下发生塑性流动，便于铆钉件向铝合金件内部移动。在所述焊接状态后，超声振动装置仍然持续向铆钉件施加超声振动，从而对铆钉件中焊接部周围的铝合金施加振动，使得焊接部周围的铝合金能够更加均匀的分布在铆钉件中焊接部与钢材件的连接处，提高钢材件与铆钉件中焊接部焊接处的稳定性。
3.本发明提供一种异种金属压铆焊装置，异种金属压铆焊装置还包括压力检测件，与所述铆钉件连接，以检测所述铆钉件所受压力，且以所述杆部屈服强度的20%-50%作为监测焊接部与钢材件接触程度的指标。
此结构的异种金属压铆焊装置，在铆钉件处于焊接状态下时，压力检测件检测铆钉件所受的压力，当达到铆钉件杆部屈服强度的20%-50%时，可判定铆钉件与钢材件之间接触到预定程度，此时套管向上抬升与铝合金件脱离接触，并通过电极件对铆钉件通入辅助加热电流，以加热铝合金使其被挤出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施例中提供的异种金属压铆焊装置未运行时的结构示意视图；
图2为本发明的实施例中提供的异种金属压铆焊装置中套管与铝合金件抵接时的结构示意视图；
图3为本发明的实施例中提供的异种金属压铆焊装置中铆钉件与钢材件抵接时的结构示意视图；
图4为本发明的实施例中提供的异种金属压铆焊装置中铆钉件与钢材件焊接时的结构示意视图；
附图标记说明：
1-铝合金件；
2-钢材件；
3-铆钉件；31-焊接部；32-限位部；33-杆部；
4-套管；
5-电极件。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
钢、铝异种金属的混合结构在很多工业领域，特别是车身制造具有广泛的应用前景。钢、铝异种金属复合结构车身能够满足车身轻量化和安全性能的双重要求，已经成为未来车身制造的首选。然而，钢、铝异种金属在焊接过程中存在冶金不相容性，会形成大量的脆性金属间化合物，极大地制约了这种结构的应用范围。
点焊作为一种经济、高效的焊接方法，已经在汽车工业领域广泛应用，但是钢、铝异种金属的点焊问题极大地制约了钢、铝混合车身的推广，虽然近年来新开发了许多诸如自冲铆接（SPR）、流钻螺钉连接（FDS）和电阻铆焊等技术，但是在汽车制造过程中均存在一定的问题。其中SPR与FDS受到钢板强度的限制，难于实现超高强钢与铝合金的连接，而电阻铆焊需要采用冲孔辅助，工艺繁琐。
本实施例提供的异种金属压铆焊装置，用于焊接铝合金件1与钢材件2，铝合金件1与钢材件2叠合设置。
如图1至图4所示，本实施例中，异种金属压铆焊装置包括铆钉件3、套管4、电极件5、超声振动装置（图中未画出）以及压力检测件（图中未画出）。套管4内部设置有通孔，使用时，套管4垂直铝合金件1表面设置，铆钉件3、电极件5以及压力检测件设于套管4内部通孔内，电极件5设于铆钉件3上端且与铆钉件3连接，以为铆钉件3通入电流，压力检测件设于电极件5上端且与电极件5连接，超声振动装置与电极件5连接，进而能够对电极件5以及铆钉件3施加超声振动。
如图1所示，铆钉件3包括焊接部31、限位部32和杆部33，焊接部31设于杆部33底端，用于向铝合金件1内部挤压，直至与钢材件2接触，因此焊接部31的硬度大于铝合金件1的硬度；限位部32设于杆部33顶端，限位部32边缘凸出焊接部31表面，即限位部32直径大于焊接部31直径，在铆钉件3焊接部31进入铝合金件1内部后与钢材件2接触后，限位部32与铝合金件1表面抵接（如图3和图4所示）。在本实施例中，铆钉件3与钢材件2的材质相同，均为钢材。
在本实施例中，异种金属压铆焊装置使用时，外部压力装置例如气缸与电极件5顶端以及压力检测件连接，通过外部压力装置向铆钉件3施加向下的压力，迫使铆钉件3底部挤压铝合金件1直至穿过铝合金件1内部后与钢材件2抵接，此过程中铆钉件3处于焊接状态，在本实施例中，铆钉件3的所受压力为0.5kN-8kN，铆钉件3向铝合金件1方向的下压速度为0.5-15mm/s。
进一步的，在焊接状态下，即铆钉件3向铝合金件1内部运动时，超声振动装置一直向铆钉件3施加超声振动，使铝合金件1在铆钉件3焊接部31的压力作用下发生塑性流动，便于铆钉件3向铝合金件1内部移动。在本实施例中，超声振动装置释放超声的超声频率为5-40kHz，超声振幅为20µm-60µm。超声振动装置运行的时间为铆钉件3与铝合金件1接触开始到完成焊接结束。
在本实施例中，如图1-图4所示，杆部33直径D为1.5-10mm，焊接部31为球状或者椭球状，其曲率半径范围为D/10-5D，通过设置焊接部31为球状或者椭球状，有利于焊接部31向铝合金件1内部运动。
在本实施例中，如图1所示，在焊接过程中，套管4下端首先压在上部的铝合金件1上方，压力为0.5kN-8kN，套管4对上部的铝合金件1施加压力，避免铝合金件1空鼓。其中，套管4内通孔直径比铆钉件3顶部的限位部32直径大0.1-0.5mm，使得铆钉件3能够在套管4内移动。
如图2至图3所示，在本实施例中，在铆钉件3处于焊接状态下时，压力检测件检测铆钉件3所受的压力，当达到铆钉件3杆部33屈服强度的20%-50%时，优选30%，此时可判定铆钉件3与钢材件2之间接触到预定程度，此时套管4向上抬升与铝合金件1脱离接触，并通过电极件5对铆钉件3通入辅助加热电流，以加热铝合金使其被挤出，本实施例中辅助加热电流的峰值电流为5A-100A，持续时间为10ms-500ms。同时在对铆钉件3通入辅助加热电流时，超声振动装置仍然持续向铆钉件3施加超声振动，从而对铆钉件3中焊接部31周围的铝合金施加振动，使得焊接部31周围的铝合金能够更加均匀的分布在铆钉件3中焊接部31与钢材件2的连接处，提高钢材件2与铆钉件3中焊接部31焊接处的稳定性。此时，超声振动装置释放超声的超声频率为5-40kHz，超声振幅为20µm-60µm。
如图3至图4所示，在本实施例中，当辅助加热电流加热完成后立即通入焊接电流，使铆钉件3与下部的钢材件2完成电阻焊接，焊接电流为0.5kA-10kA，持续时间为10ms-500ms。可以理解，铝合金件1与钢材件2上也与外部的电极连接，以实现对钢材件2与铆钉件3的焊接，此处为现有技术，故其焊接原理不在此处赘述。
本实施例提供异种金属压铆焊装置，工作原理如下：
首先将套管4压在上部的铝合金件1上方，随后对电极件5同铆钉件3施加压力，电极件5同铆钉件3一起在套管4内部向下运动，当铆钉件3焊接部31与铝合金件1接触时，启动超声振动装置；随后在铆钉件3持续下压的过程中，压力检测件对铆钉件3的压力进行持续的监测，当铆钉件3的杆部33的屈服强度达到20%-50%时，可判定铆钉件3焊接部31与钢材件2表面达到了充分的接触，套管4抬升卸压，此时通入辅助加热电流；最后辅助加热电流停止加热，通入焊接电流，通电结束后，电极件5抬升，铆钉件3的焊接部31与钢材件2焊接在一起，铆钉件3的限位部32与铝合金件1表面抵接，实现异种金属的压铆焊。
本实施例提供的异种金属压铆焊装置，相对于目前的电阻铆焊需要采用冲孔辅助，工艺繁琐，本装置无需在铝合金件1上打孔，定位精度要求较低，并且对被铆钉件3的材质与性能没有特殊的要求，具备很高的使用价值。
实施例2
本实施例提供一种异种金属压铆焊方法，采用实施例1中的异种金属压铆焊装置，其包括如下步骤：
步骤一：首先将套管4压在上部的铝合金件1上方，随后对电极件5同铆钉件3施加压力，电极件5同铆钉件3一起在套管4内部向下运动，当铆钉件3焊接部31与铝合金件1接触时，启动超声振动装置；
步骤二：在铆钉件3持续下压的过程中，压力检测件对铆钉件3的压力进行持续的监测，当铆钉件3的杆部33的屈服强度达到20%-50%时，可判定铆钉件3焊接部31与钢材件2表面达到了充分的接触，套管4抬升卸压，此时通入辅助加热电流；
步骤三：辅助加热电流停止加热，通入焊接电流，通电结束后，电极件5抬升，铆钉件3的焊接部31与钢材件2焊接在一起，铆钉件3的限位部32与铝合金件1表面抵接，实现异种金属的压铆焊。
其中，辅助加热电流的峰值电流为5A-100A，持续时间为10ms-500ms；焊接电流为0.5kA-10kA，持续时间为10ms-500ms；超声振动装置释放超声的超声频率为5-40kHz，超声振幅为20µm-60µm；超声振动装置运行的时间为铆钉件3与铝合金件1接触开始到完成焊接结束。
在本实施中，铆钉件3与钢材件2的材质相同。
此异种金属压铆焊方法，能够实现铝合金材质板材与钢质板材的铆焊，相对于目前的电阻铆焊需要采用冲孔辅助，工艺繁琐，本装置无需在铝合金材质板材上打孔，定位精度要求较低，并且对被铆钉件3的材质与性能没有特殊的要求，具备很高的使用价值。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种异种金属压铆焊方法，适于焊接铝合金件（1）与钢材件（2），所述铝合金件（1）与所述钢材件（2）叠合设置；
其特征在于，包括：
铆钉件（3），包括焊接部（31）与限位部（32），所述限位部（32）边缘凸出所述焊接部（31）表面，所述焊接部（31）的硬度大于所述铝合金件（1）的硬度，所述焊接部（31）为球状或者椭球状，其曲率半径范围为D/10-5D；
套管（4），其内设有通孔，所述铆钉件（3）设于所述通孔内，所述套管（4）端部适于与所述铝合金件（1）表面抵接；
电极件（5），设于所述通孔内，所述电极件（5）与所述铆钉件（3）远离所述铝合金件（1）一端连接；
超声振动装置，与所述电极件（5）连接，所述超声振动装置释放超声的超声频率为5kHz-40kHz，超声振幅为20µm-60µm；
其中，所述铆钉件（3）具有在外力作用下，沿所述套管（4）内通孔向所述铝合金件（1）方向运动，直至所述铆钉件（3）的焊接部（31）穿过所述铝合金件（1）与所述钢材件（2）抵接的焊接状态；在所述焊接状态后，所述电极件（5）为所述铆钉件（3）通入电流，且所述限位部（32）与所述铝合金件（1）表面抵接；在所述焊接状态下及所述焊接状态后，所述超声振动装置经所述电极件（5）向所述铆钉件（3）施加超声振动；
在所述焊接状态后，所述电极件（5）为所述铆钉件（3）通入辅助加热电流，以使所述铆钉件（3）与所述钢材件（2）之间的铝合金件（1）软化并被挤出；
在通入辅助加热电流后，所述电极件（5）为所述铆钉件（3）通入焊接电流，以焊接所述铆钉件（3）与所述钢材件（2）。
2.根据权利要求1所述的异种金属压铆焊方法，其特征在于，所述辅助加热电流的峰值电流为5A-100A，持续时间为10ms-500ms；所述焊接电流为0.5kA-10kA，持续时间为10ms-500ms。
3.根据权利要求2所述的异种金属压铆焊方法，其特征在于，所述铆钉件（3）向所述铝合金件（1）方向的下压速度为0.5mm/s-15mm/s，所述铆钉件（3）所受压力为0.5kN-8kN。
4.根据权利要求2-3中任一项所述的异种金属压铆焊方法，其特征在于，所述铆钉件（3）还包括杆部（33），所述焊接部（31）与限位部（32）设于所述杆部（33）两端，所述杆部（33）直径D为1.5-10mm。
5.根据权利要求4所述的异种金属压铆焊方法，其特征在于，还包括压力检测件，与所述铆钉件（3）连接，以检测所述铆钉件（3）所受压力，且以所述杆部（33）屈服强度的20%-50%作为监测焊接部（31）与钢材件（2）接触程度的指标。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的异种金属压铆焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：首先将套管（4）压在上部的铝合金件（1）上方，随后对电极件（5）同铆钉件（3）施加压力，电极件（5）同铆钉件（3）一起在套管（4）内部向下运动，当铆钉件（3）焊接部（31）与铝合金件（1）接触时，启动超声振动装置；
步骤二：在铆钉件（3）持续下压的过程中，压力检测件对所述铆钉件（3）的压力进行持续的监测，当铆钉件（3）的杆部（33）的屈服强度达到20%-50%时，可判定铆钉件（3）焊接部（31）与钢材件（2）表面达到了充分的接触，套管（4）抬升卸压，此时通入辅助加热电流；
步骤三：辅助加热电流停止加热，通入焊接电流，通电结束后，电极件（5）抬升，铆钉件（3）的焊接部（31）与钢材件（2）焊接在一起，铆钉件（3）的限位部（32）与铝合金件（1）表面抵接，实现异种金属的压铆焊。
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