CN105689624A - 半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置与方法，该装置包括位于工件上方的旋铆加压杆和半空心旋铆铆钉、同轴套设在旋铆加压杆外部的压边圈、位于工件下方的凹模，旋铆加压杆连接于加压扭矩装置和电源；该方法是半空心旋铆铆钉通过旋铆加压杆下压接触工件，电源通过旋铆加压杆向半空心旋铆铆钉与工件通电，使工件产生电致塑性效应发生软化，同时旋铆加压杆不断下压并高速旋转直至刺穿工件，并使半空心旋铆铆钉形成机械自锁；随后电源输出直流电，半空心旋铆铆钉与工件形成冶金连接。本发明利用电致塑性效应和摩擦旋铆结合，减小连接缺陷发生的概率，有效控制异种金属间产生的脆性化合物，最终使工件产生冶金结合，提升接头承力载荷。

Description

半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置与方法

技术领域

本发明涉及薄板结构连接的技术领域，具体的说，是一种利用电致塑性效应实现的半空心旋铆铆钉摩擦旋铆技术。

背景技术

随着全球汽车工业的持续快速发展，国内外汽车保有量大幅增长，截至2010年，全球汽车保有量首次超过10亿辆。作为一种典型能源消耗及排放载体，汽车已成为当前世界石油资源消耗和污染物排放的主要来源之一。

国内外大量研究已经表明，汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之一。数据表明：汽车每减少100kg，可节省燃油0.3～0.5L/(100km)，可减少CO₂排放8～11g/(100km)。大量使用轻量化材料是实现车身大幅减重最为有效的手段，“多材料轻量化结构”是实现汽车轻量化的重要方法。通过合理设计，使不同种类、强度级别的轻合金、钢材等应用于车身不同部位处，是实现车身轻量化的有效途径。

各种高强度汽车用钢、铝合金在焊接性方面的特殊性及不断提高的车身服役性能要求，不论对传统的电阻点焊工艺、还是先进的自冲铆工艺，均提出了全新的挑战。为了促进可时效硬化铝合金、超高强度钢等轻量化材料在汽车制造中的应用，同时满足连接质量、大规模自动化批产要求，亟需开发出一种高效、可靠的新型异种材料连接理论与工艺技方法，加速我国汽车轻量化应用技术发展。

如前所述，轻量化汽车车身制造中，现有连接方法已不能满足超高强钢/低碳钢、超高强度钢/硬铝合金异种连接。采用电阻点焊对铝/钢异种材料进行连接，会出现因承力界面金属间化合物层脆化导致的接头强度低、断裂吸收能低的问题。采用自冲铆会出现高强钢变形困难，易出现连接缺陷，而且由于自冲铆接接头连接是依靠机械自锁实现的，因此其正拉伸承载能力较低，导致整体结构的抗冲撞性能下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种利用电致塑性效应的摩擦旋铆装置和方法，能够提高铝钢异种材料的连接质量。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置，包括半空心旋铆铆钉，所述半空心旋铆铆钉顶端设置有十字或一字凹槽；该装置还包括位于被连接工件上方的旋铆加压杆、同轴套设在所述旋铆加压杆外部的压边圈、位于被连接工件下方的凹模，所述旋铆加压杆和所述凹模同轴设置；所述压边圈通过套装在所述旋铆加压杆外部的弹簧连接于所述旋铆加压杆；所述旋铆加压杆连接于加压扭矩装置和电源；所述旋铆加压杆底端设置有与所述半空心旋铆铆钉适配的十字或一字凸台。

其中，所述电源能够提供直流输出电流和脉冲输出电流。

一种利用上述半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置的半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)准备阶段：

所述被连接工件放置于所述凹模上，将所述半空心旋铆铆钉放置于所述旋铆加压杆下方，并使其顶端的十字或一字凹槽与所述旋铆加压杆底端的十字或一字凸台插接，再通过所述旋铆加压杆将所述半空心旋铆铆钉回缩至所述压边圈内部；

(2)摩擦冲裁阶段：

所述加压扭矩装置驱动所述旋铆加压杆向下移动，所述压边圈先与所述被连接工件接触，而后所述半空心旋铆铆钉与所述被连接工件接触，此时所述电源通过所述旋铆加压杆向所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加高频直流脉冲电流，同时所述加压扭矩装置驱动所述旋铆加压杆带动所述半空心旋铆铆钉高速旋转并下压；由于所述被连接工件有效软化，所述半空心旋铆铆钉在不产生裂纹的条件下刺穿所述被连接工件；

(3)铆钉变形阶段：

所述旋铆加压杆停止高速旋转，并继续保持对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的高频直流脉冲电流和压力，实现对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉的塑性调控，使所述被连接工件铆接完成后实现机械自锁；

(4)电阻点焊阶段：

所述旋铆加压杆停止对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的高频直流脉冲电流，并继续保持对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的压力，同时所述电源通过所述旋铆加压杆向所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加直流电流，在所述半空心旋铆铆钉与所述被连接工件之间形成冶金连接，最终形成“冶金-机械”复合连接接头；

(5)分离阶段：

所述旋铆加压杆停止对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的压力和直流电流，所述旋铆加压杆与所述压边圈先后离开所述被连接工件，回到原位准备下一连接点循环。

优选地，

步骤(2)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；所述旋铆加压杆的旋转速度为500-1000r/min；所述旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；

步骤(3)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；所述旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；所述旋铆加压杆保持施加高频直流脉冲电流和压力的时间为200-400ms；

步骤(4)中，所述旋铆加压杆施加的压力为10kN-30kN；所述旋铆加压杆施加的直流电流为2～20kA；所述旋铆加压杆保持施加压力和直流电流的时间为200-400ms。

一种利用上述半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置的半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆方法，包括如下步骤：

(1)准备阶段：

所述被连接工件放置于所述凹模上，将所述半空心旋铆铆钉放置于所述旋铆加压杆下方，并使其顶端的十字或一字凹槽与所述旋铆加压杆底端的十字或一字凸台插接，再通过所述旋铆加压杆将所述半空心旋铆铆钉回缩至所述压边圈内部；

(2)摩擦冲裁阶段：

所述加压扭矩装置驱动所述旋铆加压杆向下移动，所述压边圈先与所述被连接工件接触，而后所述半空心旋铆铆钉与所述被连接工件接触，此时所述电源通过所述旋铆加压杆向所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加高频直流脉冲电流，同时所述加压扭矩装置驱动所述旋铆加压杆带动所述半空心旋铆铆钉高速旋转并下压；由于所述被连接工件有效软化，所述半空心旋铆铆钉在不产生裂纹的条件下刺穿所述被连接工件；

(3)铆钉变形阶段：

所述旋铆加压杆停止高速旋转，并继续保持对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的高频直流脉冲电流和压力，实现对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉的塑性调控，使所述被连接工件铆接完成后实现机械自锁；

(4)分离阶段：

所述旋铆加压杆停止对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的高频直流脉冲电流和压力，所述旋铆加压杆与所述压边圈先后离开所述被连接工件，回到原位准备下一连接点循环。

优选地，

步骤(2)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；所述旋铆加压杆的旋转速度为500-1000r/min；所述旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；

步骤(3)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；所述旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；所述旋铆加压杆保持施加高频直流脉冲电流和压力的时间为200-400ms。

本发明的有益效果是：

本发明的半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置和方法利用电致塑性效应使工件发生有效软化，有利于铆钉的冲裁穿刺运动，减小连接缺陷发生的概率；并采用摩擦旋铆方式进行工件的连接，其热输入较小，可有效控制异种金属间产生的脆性化合物；通电与铆钉摩擦同时作用于工件之上，可以使各自所需工艺参数数值较小，用较简单的电源及加压机构即可实现，减少设备成本；在后续通电阶段，两工件产生冶金结合，大幅提升接头承力载荷，最终所形成“冶金-机械”接头的正向拉伸性能好于传统自冲铆或电阻点焊连接工艺。

附图说明

图1是本发明所提供的半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置的结构示意图；

图2是本发明所提供的半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆方法过程示意图；

其中，(a)为准备阶段；(b)为摩擦冲裁阶段；(c)为铆钉变形阶段；(d)为电阻点焊阶段；(e)为分离阶段。

图中：1、旋铆加压杆；2、压边圈；3、半空心旋铆铆钉；4、被连接工件；5、凹模。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例公开了一种半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置，主要包括旋铆加压杆1、压边圈2、半空心旋铆铆钉3、被连接工件4、凹模5、加压扭矩装置和电源。

旋铆加压杆1为圆柱体结构，其直径为6mm，高度为15mm；旋铆加压杆1位于被连接工件4上方。

压边圈2同轴套设在旋铆加压杆1外部，其外径为20mm，内径为7mm，高度为20mm。旋铆加压杆1外部套装有弹簧，弹簧上部固定连接于旋铆加压杆1本身或加压扭矩装置、下部固定连接于压边圈2顶部，使得压边圈2可跟随旋铆加压杆1发生运动且由弹簧提供较小的压力。

半空心旋铆铆钉3顶端设置有十字或一字凹槽，旋铆加压杆1底端设置有与半空心旋铆铆钉3适配的十字或一字凸台。

被连接工件4包括上下两块板材，板材可以为铝合金、低碳钢、高强钢等材料，利用本发明的装置和方法连接时，硬度较小的板材位于上部，硬度较大的板材位于下部。

凹模5与普通自冲铆工艺中的结构相同，位于被连接工件4下方，与旋铆加压杆1同轴设置。

旋铆加压杆1与加压扭矩装置和电源分别连接，集加压、加扭矩与电阻点焊电极功能一体化。加压扭矩装置可对旋铆加压杆1提供向下的压力和旋转的扭矩；电源可对旋铆加压杆1提供直流输出电流和脉冲输出电流，根据具体工序切换使用。

如图2所示，利用上述半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置的方法，其具体操作步骤如下：

被连接工件4为6061-T6铝合金板材和DP980高强钢板材，厚度均为2mm；其中6061-T6铝合金板材置于上部、DP980高强钢板材置于下部。

(1)准备阶段，如图2(a)所示：

被连接工件4放置于凹模5上，由铆钉输送装置将半空心旋铆铆钉3放置于旋铆加压杆1下方，并使半空心旋铆铆钉3顶端的十字或一字凹槽与旋铆加压杆1底端的十字或一字凸台插接，然后加压扭矩装置通过旋铆加压杆1将半空心旋铆铆钉3回缩至压边圈2内部。

(2)摩擦冲裁阶段，如图2(b)所示：

加压扭矩装置驱动旋铆加压杆1向下移动，压边圈2将会先与被连接工件4接触，而后随着旋铆加压杆1继续向下移动，半空心旋铆铆钉3开始与被连接工件4接触，此时压边圈2则由于弹簧的回复力对被连接工件4产生一个较小压力，起到刚性固定作用，防止被连接工件4翘曲变形。

开启电源，旋铆加压杆1向被连接工件4及半空心旋铆铆钉3施加高频直流脉冲电流，高频直流脉冲电流的峰值为2kA，频率范围为1000Hz，由此产生电致塑性，提高高强钢与铝合金的流变能力；同时加压扭矩装置驱动旋铆加压杆1，旋铆加压杆1带动半空心旋铆铆钉3高速旋转并下压，旋转速度为500r/min，压力为10kN；此时由于被连接工件4有效软化，半空心旋铆铆钉3能够在不产生裂纹的条件下刺穿被连接工件4。

(3)铆钉变形阶段，如图2(c)所示：

被连接工件4被半空心旋铆铆钉3刺穿后，旋铆加压杆1停止高速旋转，并继续保持对被连接工件3及半空心旋铆铆钉3施加的高频直流脉冲电流(峰值为2kA，频率范围为1000Hz)和压力(10kN)200ms，或者根据被连接工件4的特性调整相关工艺参数，实现对被连接工件4及半空心旋铆铆钉3的塑性调控，最终使被连接工件3铆接完成后实现良好的机械自锁。

(4)电阻点焊阶段，如图2(d)所示：

旋铆加压杆1停止对被连接工件4及半空心旋铆铆钉3施加的高频直流脉冲电流(峰值为2kA，频率范围为1000Hz)，并继续保持对被连接工件及半空心旋铆铆钉施加的压力(10kN)，电源通过旋铆加压杆1向被连接工件4及半空心旋铆铆钉3施加10kA的较高水平直流电流100ms，在半空心旋铆铆钉3与被连接工件4的下部工件之间形成冶金连接，最终形成“冶金-机械”复合连接接头。“冶金-机械”复合连接接头既包括自冲铆铆钉形成的机械自锁效应，又在被连接界面处形成金属原子间的结合。

(5)分离阶段，如图2(e)所示：

旋铆加压杆1停止对被连接工件4及半空心旋铆铆钉3施加的压力(10kN)和直流电流(10kA)，最后旋铆加压杆1与压边圈2先后离开被连接工件4，回到原位准备下一连接点循环。

上述步骤中的参数可选范围如下：

步骤(2)中，高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；旋铆加压杆1的旋转速度为500-1000r/min；旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；

步骤(3)中，高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；旋铆加压杆1施加的压力为10KN-30KN；旋铆加压杆1保持施加高频直流脉冲电流和压力的时间为200-400ms；

步骤(4)中，旋铆加压杆1施加的压力为10KN-30KN；旋铆加压杆1施加的直流电流为2～20kA；旋铆加压杆1保持施加压力和直流电流的时间为200-400ms。

具体参数的选择可以根据现有电阻点焊(电流范围)和自冲铆(冲杆压力)的参数确定，一般来说会比单独使用两种工艺的参数数值减小，在实际操作中本领域的技术人员可根据连接要求适当调整。

另外，在步骤(3)的铆钉变形阶段停止连接，直接进入步骤(5)的分离阶段，则被连接工件4以机械自锁的方式实现连接。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置，包括半空心旋铆铆钉，其特征在于，所述半空心旋铆铆钉顶端设置有十字或一字凹槽；该装置还包括位于被连接工件上方的旋铆加压杆、同轴套设在所述旋铆加压杆外部的压边圈、位于被连接工件下方的凹模，所述旋铆加压杆和所述凹模同轴设置；所述压边圈通过套装在所述旋铆加压杆外部的弹簧连接于所述旋铆加压杆；所述旋铆加压杆连接于加压扭矩装置和电源；所述旋铆加压杆底端设置有与所述半空心旋铆铆钉适配的十字或一字凸台。

2.根据权利要求1所述的一种半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置，其特征在于，所述电源能够提供直流输出电流和脉冲输出电流。

3.一种利用如权利要求1所述半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置的半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)准备阶段：

所述被连接工件放置于所述凹模上，将所述半空心旋铆铆钉放置于所述旋铆加压杆下方，并使其顶端的十字或一字凹槽与所述旋铆加压杆底端的十字或一字凸台插接，再通过所述旋铆加压杆将所述半空心旋铆铆钉回缩至所述压边圈内部；

(2)摩擦冲裁阶段：

所述加压扭矩装置驱动所述旋铆加压杆向下移动，所述压边圈先与所述被连接工件接触，而后所述半空心旋铆铆钉与所述被连接工件接触，此时所述电源通过所述旋铆加压杆向所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加高频直流脉冲电流，同时所述加压扭矩装置驱动所述旋铆加压杆带动所述半空心旋铆铆钉高速旋转并下压；由于所述被连接工件有效软化，所述半空心旋铆铆钉在不产生裂纹的条件下刺穿所述被连接工件；

(3)铆钉变形阶段：

所述旋铆加压杆停止高速旋转，并继续保持对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的高频直流脉冲电流和压力，实现对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉的塑性调控，使所述被连接工件铆接完成后实现机械自锁；

(4)电阻点焊阶段：

所述旋铆加压杆停止对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的高频直流脉冲电流，并继续保持对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的压力，同时所述电源通过所述旋铆加压杆向所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加直流电流，在所述半空心旋铆铆钉与所述被连接工件之间形成冶金连接，最终形成“冶金-机械”复合连接接头；

(5)分离阶段：

所述旋铆加压杆停止对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的压力和直流电流，所述旋铆加压杆与所述压边圈先后离开所述被连接工件，回到原位准备下一连接点循环。

4.根据权利要求1所述的一种半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆方法，其特征在于，

步骤(2)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；所述旋铆加压杆的旋转速度为500-1000r/min；所述旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；

步骤(3)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；所述旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；所述旋铆加压杆保持施加高频直流脉冲电流和压力的时间为200-400ms；

步骤(4)中，所述旋铆加压杆施加的压力为10kN-30kN；所述旋铆加压杆施加的直流电流为2～20kA；所述旋铆加压杆保持施加压力和直流电流的时间为200-400ms。

5.一种利用如权利要求1所述半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆装置的半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)准备阶段：

所述被连接工件放置于所述凹模上，将所述半空心旋铆铆钉放置于所述旋铆加压杆下方，并使其顶端的十字或一字凹槽与所述旋铆加压杆底端的十字或一字凸台插接，再通过所述旋铆加压杆将所述半空心旋铆铆钉回缩至所述压边圈内部；

(2)摩擦冲裁阶段：

所述加压扭矩装置驱动所述旋铆加压杆向下移动，所述压边圈先与所述被连接工件接触，而后所述半空心旋铆铆钉与所述被连接工件接触，此时所述电源通过所述旋铆加压杆向所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加高频直流脉冲电流，同时所述加压扭矩装置驱动所述旋铆加压杆带动所述半空心旋铆铆钉高速旋转并下压；由于所述被连接工件有效软化，所述半空心旋铆铆钉在不产生裂纹的条件下刺穿所述被连接工件；

(3)铆钉变形阶段：

所述旋铆加压杆停止高速旋转，并继续保持对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的高频直流脉冲电流和压力，实现对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉的塑性调控，使所述被连接工件铆接完成后实现机械自锁；

(4)分离阶段：

所述旋铆加压杆停止对所述被连接工件及所述半空心旋铆铆钉施加的高频直流脉冲电流和压力，所述旋铆加压杆与所述压边圈先后离开所述被连接工件，回到原位准备下一连接点循环。

6.根据权利要求5所述的一种半空心铆钉电致塑性摩擦旋铆方法，其特征在于，

步骤(2)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；所述旋铆加压杆的旋转速度为500-1000r/min；所述旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；

步骤(3)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为2～4kA，频率范围为500～5000Hz；所述旋铆加压杆施加的压力为10KN-30KN；所述旋铆加压杆保持施加高频直流脉冲电流和压力的时间为200-400ms。