TWI615214B - 複合式自沖鉚接之接合方法 - Google Patents

Abstract

一種複合式自沖鉚接之接合方法，包含：首先，將第一金屬板與第二金屬板相互疊合；再將一鉚釘自第一金屬板打向第二金屬板，使鉚釘之釘腳刺穿第一金屬板而停留在第二金屬板內部，且第二金屬板與鉚釘之釘腳相接處定義有一預處理區；之後，對該預處理區進行摩擦攪拌，使該預處理區內的該第二金屬板與該鉚釘之釘腳因受熱而共同產生塑性流動，以填溝該預處理區內因材料變形產生的空隙。

Description

複合式自沖鉚接之接合方法

本發明係有關於一種自沖鉚接之接合方法，特別是有關於一種結合不同工法之複合式自沖鉚接接合方法。

在運輸工具領域，輕量化永遠是必需考慮的課題，而鋁合金與先進高強度鋼兩種金屬均為輕量化構件之重要材料，且如鋼/鋁之異材金屬，具有互補之效應，藉由在全鋼車身引入鋁、鎂複合材料等低密度材料(複合材料車身)，己成為全球汽車車身輕量化的趨勢。因此，對車身製造技術而言，是異材金屬接合技術的一大挑戰。

對於機械式接合法而言，如自沖鉚接(Self-Pierce Riveting)由於不需要熔融，無熱影響區，比傳統電阻銲之疲勞強度高，接合處的品質良好又可以自動化，因而適合應用在車輛之異種金屬接合。然而，自沖鉚接方法在銲接鎂合金、高強度鋼等塑性差、強度高的材料時，存在著下層鎂合金開裂、高強度鋼變形困難等嚴重問題；同時，自沖鉚接在銲接金屬板材時，如：鋁-鋼異種材料接頭，由於連接溫度極低(小於150攝氏度)，在被連接材料之間僅僅形成了單一的機械連接，沒有任何冶金連接形成，使得接頭力學性能處在較低水準。

JP特開2016-055291號公開一種在多個樹脂部件上應用自沖鉚接及高周波加熱之接合技術，如圖1所示。該接合裝置1係藉由沖頭10將自沖鉚釘11打入至配置於模具12上之多個樹脂件(13,13’)而接合者。接合裝置1包括：模具12，其支承樹脂部材13’與自沖鉚釘11之腳部111；模具支持件14，其用以支持模具12，且由絕緣體形成；高頻電磁感應線圈15，係配 置於模具支持件14材內；前置夾具16，其用以將樹脂件(13,13’)固定於模具12上，且由絕緣體形成；高頻電磁感應線圈15’，其繞前置夾具16捲繞；及沖頭10，其用以打入自沖鉚釘11，且由絕緣體形成。藉由高頻電磁感應線圈15’對自沖鉚釘11預熱、經加熱的自沖鉚釘11之打入多個樹脂件(13,13’)並形成鉚接接頭17、經高頻電磁感應線圈15加熱熔接鉚接接頭17部位，使腳部111、多個樹脂件(13,13’)彼此熔化接合，並因在軟化的多個樹脂件(13,13’)進行鉚接，可避免樹脂件(13,13’)因鉚接而產生裂痕。惟，高週波加熱會引起材料的熔融，倘若適用於異材金屬板，則可能導致異材相接時，因材料熔融反應產生大量介金屬化合物，且因介金屬化合物的結構型態為針狀，故其強度相對不佳而不易抵抗外力，致使接合後的金屬板於使用過程中容易出現材料疲乏狀況而無法有效抗疲勞。

本發明目的係提供一種複合式自沖鉚接之接合方法，其能夠以摩擦攪拌接合工法輔助自沖鉚接接合工法，以提高金屬板件的結合強度，使得金屬板件的機械性質更加優異。

為達成上述結合方法之目的，本發明提供一種複合式自沖鉚接之接合方法，其步驟包含：提供一第一金屬板及一第二金屬板，並將其相互疊合；將一鉚釘自該第一金屬板打向該第二金屬板，使該鉚釘之釘腳刺穿該第一金屬板而停留在該第二金屬板內部，且該第二金屬板與該鉚釘之釘腳相接處定義有一預處理區；以及對該預處理區進行摩擦攪拌，使該預處理區內的該第二金屬板與該鉚釘之釘腳因受熱而共同產生塑性流動，以填滿該預處理區內之空隙。

在一實施方式中，該第一金屬板與該第二金屬板為相異材質。

在一實施方式中，該鉚釘之釘腳(該釘腳的尾部可為空心狀)在施打過程中外翻而形成鉚扣，該第二金屬板對應該釘腳凸出並與該釘腳 定義有該預處理區。

在一實施方式中，該摩擦攪拌接合之攪拌頭尺寸係較該自穿孔型鉚釘內徑減少至少0.15mm，且該攪拌頭的加工深度係較該自穿孔型鉚釘長度減少至少3.0mm。

在一實施方式中，更包含：在該自穿孔型鉚釘釘頭與其周圍之該上層金屬板頂面之間，進行雷射銲接步驟。

在一實施方式中，施加自沖鉚接及摩擦攪拌接合的工件，可為一上層金屬板、一中層金屬板與一下層金屬板，依上中下順序靠近或兩兩接觸疊合，該中層金屬板係與該上層金屬板及該下層金屬板為相異材質。

為達成上述結合方法之目的，本發明另提供一種複合式自沖鉚接之接合三層式板材的方法，其步驟包含：提供一第一金屬板、一第二金屬板與一第三金屬板，並將其依上中下順序相互疊合；將一鉚釘自該第一金屬板打向該第三金屬板，使該鉚釘之釘腳刺穿該第一金屬板與該第二金屬板，而停留在該第三金屬板內部，且該第三金屬板與該鉚釘之釘腳相接處定義有一預處理區；以及對該預處理區進行摩擦攪拌，使該預處理區內的該第三金屬板與該鉚釘之釘腳因受熱而共同產生塑性流動，以填滿該預處理區內之空隙。

在一實施方式中，該第三金屬板與該第二金屬板為相異材質。

在一實施方式中，該鉚釘之釘腳(該釘腳的尾部可為空心狀)在施打過程中外翻而形成鉚扣，該第二金屬板對應該釘腳凸出並與該釘腳定義有該預處理區。

在一實施方式中，該摩擦攪拌接合之攪拌頭尺寸係較該自穿孔型鉚釘內徑減少至少0.15mm，且該攪拌頭的加工深度係較該自穿孔型鉚釘長度減少至少3.0mm。

在一實施方式中，在該自穿孔型鉚釘釘頭與其周圍之該第一 金屬板頂面之間，進行雷射銲接。

本發明之特點包含：本發明為複合式自沖鉚接之接合方法，即同時擁有自沖鉚接接合以及摩擦攪拌接合工法，且兩工法的作用可以相輔相乘，有效提高結合性，也適用於異質材料接合，能有效克服傳統上鋼/鋁之銲接強度不佳缺點。本發明主要在自沖鉚接之接合組合摩擦攪拌接合工法後，可消除鉚釘之鉚腳及金屬板之間因材料變形而產生的空隙，增加自沖鉚接接合技術製程穩定性，並透過機械式+固態式接合工藝應用，保留自沖鉚接工法的優點(即無需預先鑽孔、無廢料、無屑料)，不破壞表面鍍層、適用於異材接合。輔助之摩擦攪拌接合可改善原來的自沖鉚接工法之接頭疲勞壽命不足，振動問題點等缺點，適合於車輛結構使用，再者，上述接合方式應用於結構件上接點不會成為結構之弱點、且可避開應力集中點。摩擦攪拌接合係屬固態接合方法，可減少銲接變形量，及可有效避免銲接熱影響區影響結構強度。本發明之複合式自沖鉚接之接合方法，製程施工過程中時間平均為5秒/點，接合速度快速，如配合自動化產線，除可減少操作人力成本外，亦能大幅提高產能。使用複合式自沖鉚接之接合方法後的成品，其產品外觀較傳統銲接製程美觀，無需二次加工的成本支出。

1‧‧‧接合裝置

10‧‧‧沖頭

11‧‧‧自沖鉚釘

111‧‧‧腳部

12‧‧‧模具

13,13’‧‧‧樹脂件

14‧‧‧模具支持件

15,15’‧‧‧高頻電磁感應線圈

16‧‧‧前置夾具

17‧‧‧鉚接接頭

20‧‧‧第一金屬板

30‧‧‧第二金屬板

40a‧‧‧第一金屬板

40b‧‧‧第二金屬板

40c‧‧‧第三金屬板

41‧‧‧底面

50,50’‧‧‧鉚釘

51,51’‧‧‧釘腳

52,52’‧‧‧釘頭

53‧‧‧鉚釘內徑

54‧‧‧鉚釘長度

60,60’‧‧‧鉚接接頭

70,70’‧‧‧預處理區

71‧‧‧空隙

80,80’‧‧‧接合結構

81,81’‧‧‧銲道

90,90’‧‧‧摩擦攪拌接合區域

A‧‧‧自沖鉚接設備

A1‧‧‧凹模

A2‧‧‧夾具

A3‧‧‧沖頭

B‧‧‧摩擦攪拌設備

B1‧‧‧攪拌頭

B11‧‧‧攪拌頭直徑

B12‧‧‧加工深度

步驟S10~步驟S12‧‧‧本發明之二層異材金屬的複合式自沖鉚接一實施例之接合步驟

步驟S20~步驟S22‧‧‧本發明之三層異材金屬的複合式自沖鉚接一實施例之接合步驟

圖1A~圖1B繪示先前技術之高周波加熱輔助的自沖鉚接複合式接合示意圖；圖2繪示本發明之二層異材金屬的複合式自沖鉚接之接合方法一實施例的步驟流程圖；圖3至圖8繪示對應於圖2之步驟的結構流程圖；圖9繪示本發明之應用複合式自沖鉚接之接合方法製成的接合結構的剖視圖；圖10繪示本發明之三層異材金屬的複合式自沖鉚接之接合方法一實施例的 步驟流程圖；圖11繪示本發明之三層異材金屬的複合式自沖鉚接之接合方法之三層異材金屬板結構剖面示意圖；圖12繪示本發明之三層異材金屬的複合式自沖鉚接之接合方法之施行自沖鉚接後的剖面示意圖。

茲配合圖式將本創作實施例詳細說明如下，其所附圖式均為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本創作之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本創作有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

請同時參照圖2及圖3至圖9所示。本實施例之複合式自沖鉚接之接合方法，其步驟包含：步驟S10，提供一第一金屬板20及一第二金屬板30，並將其相互疊合(諸如對正重疊或互相搭接等疊合方式，但不以此為限)；步驟S11，將一鉚釘50自該第一金屬板20朝向該第二金屬板30的方向打入該第一金屬板20的板面，使該鉚釘20之釘腳51刺穿該第一金屬板20而停留在該第二金屬板30內部，且該第二金屬板30與該鉚釘50之釘腳51相接處定義有一預處理區70；以及步驟S12，對該預處理區70進行摩擦攪拌，使該預處理區70內的該第二金屬板30與該鉚釘50之釘腳51因受熱而共同產生塑性流動，此時，該預處理區70內如有空隙71(一般在釘腳51與該第一金屬板20、該第二金屬板20之間容易因材料變形及材料流動性限制而產生空隙71)時，即可因材料的塑性流動而被填滿進而消除該空隙71。

具體而言，進行自沖鉚接之機械式接合時，係將前述的第一金屬板20與第二金屬板30在疊合狀態下，使該第二金屬板30放置在一自沖鉚接設備A之凹模A1上，再應用一夾具A2夾持一鉚釘50，應用一沖頭A3將該鉚釘50自該第一金屬板20朝向該第二金屬板30打入，使該鉚釘50之釘腳 51刺穿該第一金屬板20而停留在該第二金屬板30內部，且對應於該鉚釘50位置之該第二金屬板30的底面41因該沖頭A3及該凹模A1的作用，而朝外側外翻塑性變形而形成一鉚接接頭60，該鉚接接頭60內之該第二金屬板30與該鉚釘50之釘腳51相接處定義有該預處理區70；以及由該第二金屬板30底面，對該鉚接接頭60進行摩擦攪拌，使該鉚接接頭60內之該預處理區70共同產生塑性流動而充分地固態式接合。繼而在完成摩擦攪拌接合後，移除摩擦攪拌設備B(如攪拌頭B1)，以形成二層式金屬板的接合結構。

在一實施例中，該第一金屬板20與該第二金屬板30為相異材質。

在一實施例中，該鉚釘50之釘腳51在施打過程中因沖頭A及該第一、二金屬板(20,30)的壓力而呈外翻狀態的鉚扣，該第二金屬板30對應該釘腳51凸出並與該釘腳51定義有該預處理區70。另，較佳者，該鉚釘50之釘腳51的尾部為空心狀。

請同時參照圖5及圖8。在一實施例中，較佳的摩擦攪拌設備B之攪拌頭直徑B11尺寸係較該鉚釘內徑53減少至多0.15mm，且該攪拌頭B11的插入加工深度係較該鉚釘長度54減少至多3.0mm。

如圖9所示。在完成步驟S11之後，在該鉚釘51之釘頭52與其周圍之該第一金屬板20頂面之間，進行雷射銲接，以進一步補強該鉚釘50與該第一金屬板20的接合性。

上述本發明之複合式自沖鉚接之接合方法中，所採用的第一金屬板20的剛性可較第二金屬板30的剛性為大或較小。例如，在一實施例中，該第一金屬板20之製成材料為鋁合金，該第二金屬板30之製成材料為高強度鋼，或互換成該第一金屬板20之製成材料為高強度鋼，該第二金屬板之製成材料為鋁合金。其第一、二金屬板(20,30)的材料厚薄可視需要而訂，其鉚釘內徑53、鉚釘長度54可對應配合選用。

如圖10、圖11及圖12所示。圖10為本發明之三層異材金屬的 複合式自沖鉚接之接合方法一實施例之步驟流程圖。本實施例之複合式自沖鉚接之接合方法，其步驟包含：步驟S20，提供一第一金屬板40a、一第二金屬板40b與一第三金屬板40c，並將其依上中下順序相互疊合(如圖11所示)，該第二金屬板40b係與該第一金屬板40a及該第三金屬板40c可為相同或相異材質；步驟S21，進將一鉚釘50’自該第一金屬板40a打向該第三金屬板40c，使該鉚釘50’之釘腳51’刺穿該第一金屬板40a與該第二金屬板40b，而停留在該第三金屬板40c的內部，且該第三金屬板40c與該鉚釘50’之釘腳51’相接處定義有一預處理區70’(如圖12所示)；步驟S22，對該預處理區70’進行摩擦攪拌，使該預處理區70’內的該第三金屬板40c與該鉚釘50’之釘腳51’因受熱而共同產生塑性流動，以填滿該預處理區70’內之空隙。

在一實施例中，該鉚釘50’之釘腳51’在施打過程中遂步外翻而形成鉚扣，該第二金屬板40b對應該釘腳51’凸出並與該釘腳51’定義有該預處理區70’。

同樣地，在上述三層式金屬板的接合方法中，該摩擦攪拌接合之攪拌頭尺寸係較該鉚釘內徑減少至少0.15mm，且該攪拌頭的加工深度係較該鉚釘長度減少至少3.0mm。

在上述三層式金屬板的接合方法一實施例中，更包含在該鉚釘50’釘頭52’與其周圍之該第一金屬板40a頂面之間，進行雷射銲接。

在一實施例中，該第二金屬板40b之材料剛性係大於該第一金屬板40a與該第三金屬板40c，例如該第二金屬板40b之製成材料為鋼，該第一金屬板40a與該第三金屬板40c之製成材料為鋁合金。

如圖9及圖12所示。根據上述之複合式自沖鉚接之接合方法製成的接合結構(80,80’)，包含：多個相疊合的金屬板，依序包含第一、二金屬板(20,30)或第一、二、三金屬板(40a,40b,40c)；至少一鉚釘(50,50’)，以自沖鉚接工法，由該些金屬板的第一金屬板(20,40a)朝向第二或第三金屬板(30,40c)的方向打入，並在該第二或第三金屬板(30,40c)底面之對應該鉚釘 (50,50’)位置形成一鉚接接頭(60,60’)；一摩擦攪拌接合區域(90,90’)，係形成於該第二或第三金屬板(30,40c)底面之該鉚接接頭(60,60’)對應於該預處理區(70,70’)的位置。

在一接合結構中，該鉚釘(50,50’)之釘頭(52,52’)與其周圍之該第一金屬板(20,40a)頂面之間具有進行雷射銲接之銲道(81,81’)。

前述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本創作專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

步驟S10~步驟S12‧‧‧本發明之二層異材金屬的複合式自沖鉚接一實施例之接合步驟

Claims (12)

1. 一種複合式自沖鉚接之接合方法，其步驟包含：提供一第一金屬板及一第二金屬板，並將其相互疊合；將一鉚釘自該第一金屬板打向該第二金屬板，使該鉚釘之釘腳刺穿該第一金屬板而停留在該第二金屬板內部，且該第二金屬板與該鉚釘之釘腳相接處定義有一預處理區；以及對該預處理區進行摩擦攪拌，使該預處理區內的該第二金屬板與該鉚釘之釘腳因受熱而共同產生塑性流動，以填滿該預處理區內之空隙。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，其中，該第一金屬板與該第二金屬板為相異材質。
3. 如申請專利範圍第1項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，其中，該鉚釘之釘腳在施打過程中外翻形成鉚扣，該第二金屬板對應該釘腳凸出並與該釘腳定義有該預處理區。
4. 如申請專利範圍第3項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，其中，所採用的該鉚釘之釘腳的尾部為空心狀。
5. 如申請專利範圍第1項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，其中，該摩擦攪拌接合之攪拌頭直徑尺寸係較該鉚釘內徑減少至多0.15mm，且該攪拌頭的插入的加工深度係較該鉚釘長度減少至多3.0mm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，更包含：在該鉚釘之釘頭與其周圍之該第一金屬板頂面之間，進行雷射銲接。
7. 一種複合式自沖鉚接之接合方法，其步驟包含：提供一第一金屬板、一第二金屬板與一第三金屬板，並將其依上中下順序相互疊合；將一鉚釘自該第一金屬板打向該第三金屬板，使該鉚釘之釘腳刺穿該第一金屬板與該第二金屬板，而停留在該第三金屬板內部，且該第三金屬板與該鉚釘之釘腳相接處定義有一預處理區；以及 對該預處理區進行摩擦攪拌，使該預處理區內的該第三金屬板與該鉚釘之釘腳因受熱而共同產生塑性流動，以填滿該預處理區內之空隙。
8. 如申請專利範圍第7項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，其中，該第三金屬板與該第二金屬板為相異材質。
9. 如申請專利範圍第8項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，其中，該鉚釘之釘腳在施打過程中外翻而形成鉚扣，該第三金屬板對應該釘腳凸出並與該釘腳定義有該預處理區。
10. 如申請專利範圍第9項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，其中，所採用的該鉚釘之釘腳的尾部為空心狀。
11. 如申請專利範圍第8項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，其中，該摩擦攪拌接合之攪拌頭尺寸係較該自穿孔型鉚釘內徑減少至少0.15mm，且該攪拌頭的加工深度係較該自穿孔型鉚釘長度減少至少3.0mm。
12. 如申請專利範圍第8項所述之複合式自沖鉚接之接合方法，更包含：在該自穿孔型鉚釘之釘頭與其周圍之該第一金屬板頂面之間，進行雷射銲接。