金屬板材旋轉摩擦鉚接方法

2023-06-15 07:41:36 2

專利名稱：金屬板材旋轉摩擦鉚接方法
技術領域：
本發明涉及金屬材料鉚焊技術領域，尤其是涉及一種旋轉摩擦鉚接方法。
背景技術：
車身輕量化是降低汽車能源消耗的一條重要途徑。為了減輕車體重量，可以在生產汽車時增加輕有色金屬合金的使用量，如鋁 合金、鎂合金等。連接技術是金屬材料應用中不可缺少的關鍵技術。金屬材料的連接技術已有很多種，如電焊(Electric welding)、電阻點焊(Resistance Spot Welding)、旋轉磨擦點焊(Friction Stir Spot Welding)、固態鉚接(Solid Riveting)、拉鉚接(Blind Riveting)、旋轉磨擦拉鉚接(Friction StirBlind Riveting)、自衝鉚接(Self-piercing Riveting)以及無鉚釘鉚接(Clinching)等等(詳見參考文獻1-2)。對於輕有色金屬合金而言，大多都具有高導電、導熱性以及在焊接過程中易於形成氧化層等特性，因而傳統的電焊技術、點焊技術以及旋轉磨擦焊技術並不適用於它們的連接。對於不同質金屬材料，由於材料之間性質的巨大差異，使用電焊技術、點焊技術和旋轉磨擦焊技術更是難以實現有效連接；固態鉚接和拉鉚接需要預先打孔才能進行鉚接，不適合快速的批量化生產；旋轉磨擦拉鉚接仍處於研究階段，目前還難以應用於實際。自衝鉚接技術和無鉚釘鉚接技術都屬機械連接技術，它們能克服傳統的熔焊技術在連接輕有色金屬合金材料、不同質板材以及塗有保護層板材時存在的不足(詳見參考文獻3)，在汽車生產中已得到廣泛應用。自衝鉚接是一種冷變形連接工藝，在鉚接時，將被鉚接板材放在一個內設有錐型凸臺的小型模具之上並壓緊，由衝頭將一個半空心鋼質鉚釘衝壓進入板材，鉚釘穿透上層板後進入下層板，並在模具內錐型凸臺的作用下使鉚釘的空心部分擴張，形成機械互鎖(詳見參考文獻2)。在自衝鉚接過程中，鉚接處的材料要經受很大的局部變形，特別是在下層板的鉚接處更是如此；無鉚釘鉚接技術也是一種冷變形連接工藝，鉚接時引起的局部變形更大。所以，自衝鉚接技術和無鉚釘鉚接技術僅適用於常溫下具有良好塑性和變形能力的金屬材料。而對於塑性和變形能力較差的金屬材料，使用自衝鉚接技術和無鉚釘鉚接技術進行鉚接時，鉚接處的材料常常會出現開裂而使連接失效。例如，使用自衝鉚接技術連接塑性和形能力較差的鑄造鋁合金和鎂合金板材時，鉚接處的材料很容易發生脆裂而形成裂紋，致使鉚接失敗。鉚接前，對低塑性金屬板材進行加熱對改善自衝鉚接和無鉚釘鉚接的鉚接效果有一定幫助，但加熱過程不僅增加了鉚接時間，而且還要配備一套加熱設備，增加了鉚接成本。通過檢索發現，在已公開的中國發明專利申請中，有一項名稱為「自衝磨擦鉚焊連接裝置」(中國專利公開號CN101817142A)的發明專利申請。該裝置包括可高速旋轉的驅動針、壓邊圈、環形導槽、環形定位彈簧、半空心鉚釘和結構類似於自衝鉚接技術中使用的中部帶有錐形凸臺的空腔圓型模具。其鉚焊過程是通過驅動針插入鉚釘頭部的凹槽使半空心鉚釘旋轉進入待鉚接板材，鉚釘穿透上層板後進入下層板，並在模具內錐型凸臺的作用下使鉚釘的空心部分向外擴張變形，形成機械互鎖，實現鉚接，同時，由於摩擦加熱的作用，鉚釘與被鉚接板材之間也有一定的焊接效果。該發明裝置對連接低塑性金屬板材有一定的效果。但這種鉚焊方式存在不足，從該技術的鉚焊過程可以看出鉚釘與被鉚接板材之間機械互鎖的形成過程(即鉚釘在模具內的擴張變形過程)是在鉚釘仍處於高速旋轉的過程中進行並完成的，而在此過程中，如果驅動針或鉚釘出現微小擺動或者鉚釘的軸對稱性較差，就將導致鉚釘在板材內出現攪動現象，使鉚釘與被鉚接板材之間形成較大的間隙，從而影響板材與鉚釘之間的機械互鎖效果和焊接效果，最終影響鉚接接頭的力學性能。因此，要利用該鉚焊方法獲得性能穩定的連接接頭，對驅動針和鉚釘旋轉的穩定性以及鉚釘的加工精度都有很高的要求。針對上述鉚焊技術的不足，我們提出了一種新的鉚接裝置和方法，並且申請了一項中國發明專利(專利名稱一種輕金屬合金板材的攪拌摩擦鉚接方法，申請號201110155803. 0)，該鉚接方法使用了一種帶有頂頭的鉚釘，鉚接時，使鉚釘高速旋轉，在它與被鉚接板材接觸時，因摩擦而產生的熱量將對板材進行局部加熱而使其軟化，因而鉚釘能在較小的壓力作用下刺穿板材，隨後，使鉚釘停止旋轉，並立即在發明中所涉及的活塞式模具的作用下，使鉚釘與被鉚接板材之間形成機械互鎖，實現對金屬板材的機械連接。由於鉚釘的膨脹變形是在鉚釘停轉之後進行的，這不僅使鉚釘與板材之間可能形成的間隙得以封閉，而且還會對鉚釘周圍的板材材料施加一個向外的壓應力，由於該壓應力的存在，對提高鉚接接頭的疲勞性能非常有利。研究表明，該鉚接方法有很好的鉚接效果，稍顯不足的是所用鉚釘帶有一個頂頭，結構較為複雜。而且，擠壓時，所用壓力較大。參考文獻
I、Dalong Gaoj Ugur Ersoy, Robin Stevenson, Pei-Chung Wang. A new one-sidedjoining process for aluminum alloys: friction stir blind riveting. Journal ofManufacturing Science and Engineering, 2009， 131: 061002-1-12。2、 Jacek Mucha, The analysis of forming mechanism in the clinchingjoint, Materials and Design, 2011,32: 4943-4954。3、 XiaocongHej IanPearson， KenYoung. Self-pierce riveting for sheetmaterials: State of the art. Journal of materials processing technology. 2008，199: 27-36。

發明內容
本發明的目的在於提供一種新的金屬板材鉚接方法，簡化鉚釘結構，使鉚釘旋轉進入金屬板材時更容易，使鉚釘膨脹變形形成機械互鎖所需要的擠壓力下降。本發明的技術方案是
金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，所述方法採用半空心鉚釘、圓柱形衝壓杆和模具，所述半空心鉚釘包括一體設置的夾持杆、鉚釘帽和半空心的鉚釘體，所述圓柱形衝壓杆的頭部設有一迴轉的圓形凹坑，凹坑的中部為一突出的頂頭；所述圓柱形衝壓杆豎直位於模具內，由模具支撐；所述模具內的圓型活塞孔形狀與圓柱形衝壓杆形狀相適配；
鉚接步驟為如下步驟(I) (5)
(I)首先將圓柱形衝壓杆放入模具的活塞孔內；鉚釘夾到鉚接設備上，將被鉚接的板材上下疊合放在模具上，用力壓緊；(2)開動鉚接設備，使鉚釘高速旋轉，並向下接近被鉚接板材，當鉚釘接觸到被鉚接板材時，高速旋轉的鉚釘與被鉚接板材摩擦產生的熱量對被鉚接板材實施局部加熱，使被鉚接板材軟化； (3 )繼續施力，使鉚釘體完全進入板材，鉚釘體及被鉚釘體頂出的被鉚接板材材料進入模具的圓型活塞孔內，在衝壓杆頂頭的作用下，進入活塞孔內的被鉚接板材材料發生部分變形；
(4)停止旋轉鉚釘，壓力繼續保持，使衝壓杆向上對進入活塞孔內的材料及鉚釘進行擠壓，衝壓杆上的頂頭部分進入鉚釘體，使鉚釘體發生膨脹變形，在鉚釘與被鉚接板材之間形成機械互鎖；
(5)撤掉壓力，鬆開夾具，切除鉚釘夾持杆，形成最終的鉚接接頭。所述衝壓杆的頂頭的高度與凹坑的邊緣的高度相同或稍高，但高度差最多不超過0. 2mmo所述頂頭為錐形頂頭，所述錐形頂頭的直徑與鉚釘空心部分的內徑相適應，所述錐形頂頭的高度和鉚釘進入板材後伸出的長度相適應。所述半空心鉚釘所採用的材料為普通鋼質材料，所述圓柱形衝壓杆和模具所採用的材料為工具鋼。所述工具鋼材料的硬度應在HRC50以上。活塞孔內上、下圓孔直徑不同而形成環形臺階，環形臺階對衝壓杆起支撐作用。可通過在環形臺階上增加或減少環形墊片調節衝壓杆的高度。所述圓柱形衝壓杆設有與環形臺階對應的環形凸臺。所述鉚釘轉速為2000-10000轉/分。所述鉚接步驟(I)中應保證鉚釘、圓柱形衝壓杆和模具的活塞孔處在同一中軸線上。本發明為金屬板材的連接提供了一種適用範圍更廣的鉚接技術，針對現有鉚接技術的不足，提出了一種新的金屬板材鉚接方法。本發明使用無頂頭半空心鉚釘，而板材與鉚釘之間的機械互鎖則是通過頭部帶有錐形頂頭的衝壓杆擠壓形成的，這不僅簡化了鉚釘結構，而且鉚釘旋轉進入金屬板材時更容易，使鉚釘膨脹變形形成機械互鎖所需要的擠壓力也有所下降。本發明的鉚接方法同樣可在不加熱的情況下，對塑性和變形能力較差的金屬板材進行鉚接，而且鉚接接頭具有良好的力學性能。本發明具有以下優點
第一、本發明所使用的鉚釘結構簡單、使用方便，因採用了夾持杆結構，鉚釘在隨鉚接設備高速旋轉時，更加穩定可靠。第二、使鉚釘旋轉進入板材所需壓力和使鉚釘膨脹變形對衝壓杆所施加的壓力均較小，實施鉚接更加容易。第三、本發明鉚接方法對被鉚接金屬板材的常溫塑性和變形能力要求不高，特別適合於常溫塑性和變形能力較差的輕有色金屬合金板材的連接。


圖I是本發明所用鉚釘的結構示意圖；圖2是本發明所用圓形衝壓杆示意 圖3是本發明鉚接方法的結構示意 圖4a 4d是本發明鉚接方法各步驟的原理示意 圖5是鉚接接頭的結構示意圖。
具體實施例方式如圖3所示，本發明需要使用鋼質半空心鉚釘8和對應的圓柱形鋼質衝壓杆9(或稱圓柱形衝壓杆、衝壓杆)。如圖I所示，所用的鋼質半空心鉚釘8包括一體設置的夾持杆
I、鉚釘帽2、半空心的鉚釘體3，鉚釘體3內為空心部分4。夾持杆I用於夾持鉚釘8，使鉚釘8能與柳接設備的轉軸一起聞速旋轉，柳接過程完成後切除。柳釘帽2在夾持柳釘時向上頂住柳接設備的夾具，以免在柳接施力時，柳釘向上滑動。柳接完成後，柳釘帽2在接頭 上起緊固作用。鉚釘體3內的空心部分4在鉚接完成後，被板材材料所填滿。如圖2所示，本發明所用的圓柱形鋼質衝壓杆9 (或稱圓柱形衝壓杆、衝壓杆)，其上部直徑比下部直徑大，頭部為一迴轉的圓形凹坑5，凹坑5的中部為一突出的錐形頂頭6，其高度與凹坑5的邊緣7相同或稍高，但高度差最多不超過0. 2mm。錐形頂頭6的直徑和高度與鉚釘體3內的空心部分4的內徑和鉚釘8進入板材後伸出的長度要相適應，在衝壓杆9受到壓力的作用時，錐形頂頭6能進入鉚釘體3內的空心部分4，並使其膨脹變形，使鉚釘8與被鉚接板材之間形成機械互鎖，要求形成的機械互鎖要有一定的互鎖量。由於凹坑5的邊緣7的高度與錐形頂頭6的高度接近，可限制錐形頂頭6進入鉚釘的深度，避免其進入過深。如圖3所示，本發明鉚接方法的結構示意圖，圖中從上到下依次為鉚釘8 ;被鉚接的上板材10和下板材11 ;圓柱型衝壓杆9 ;鋼質模具12。鋼質模具12的中部設有上、下直徑不同的圓型活塞孔，形成環形臺階12-1，活塞孔的上、下段直徑與圓柱形衝壓杆9的直徑相配，衝壓杆9可放入鋼質模具12的圓型活塞孔中；
環形臺階12-1由活塞孔內上、下圓孔直徑不同而形成，環形臺階12-1對衝壓杆9起支撐作用，其位置的設定以鉚釘8完全進入板材後，衝壓杆9上的錐形頂頭6部分進入鉚釘8，但還未引起鉚釘8膨脹變形為準。可通過在環形臺階12-1上增加或減少環形墊片調節衝壓杆9的高度。鉚釘8所採用的材料為普通鋼質材料，圓柱形衝壓杆9和模具12所採用的材料為工具鋼，工具鋼材料的硬度應在HRC50以上。本發明鉚接過程具體的鉚接步驟如下
(I)如圖4a所示，將圓柱形衝壓杆9放入模具12的活塞孔內，通過調整使衝壓杆9達到合適的高度。將鉚釘8夾到鉚接設備上，要保證鉚釘8、圓柱形衝壓杆9和模具12的活塞孔處在同一中軸線上。將被鉚接的上板材10和下板材11疊合放在模具12的上面，用力壓緊。(2)如圖4b所示，開動鉚接設備，使鉚釘8高速旋轉，並向下接近被鉚接上板材10，當鉚釘8接觸到上板材10時，高速旋轉的鉚釘8與上板材10摩擦產生的熱量對被鉚接板材實施局部加熱，材料被軟化。
(3)如圖4c所示，繼續施力，使鉚釘8刺穿上、下板材10和11，並完全進入板材，鉚釘8及被鉚釘8頂出的材料進入模具12的圓型活塞孔內，由於衝壓杆9上的錐形頂頭6的作用，進入活塞孔內的材料已發生部分變形，但鉚釘8仍保持原狀。(4)如圖4d所示,停止鉚釘8旋轉,施加於鉚釘8上的壓力繼續保持,並立即使衝壓杆9向上對進入活塞孔內的材料及鉚釘8進行擠壓，衝壓杆9上的錐形頂頭6進入鉚釘8內的空心部分4，鉚釘8因此而發生膨脹變形，使其與被鉚接板材之間形成機械互鎖，同時，進入活塞孔內的材料也被擠壓成一圓形鉚接帽。(5)如圖5所示，鬆開夾具，撤掉壓力，將鉚釘8的夾持杆I切除，形成最終的鉚接接頭。從上述鉚接過程可以看出，由於鉚釘8在旋轉進入板材時，自身因摩擦作用已被加熱，因此，將衝壓杆9的錐形頂頭6壓入鉚釘8使其膨脹變形所需壓力不大。此外，由於摩擦熱的作用，進入模具的材料溫度較高，材料在模具12中的變形過程是在加熱的情況下進行的，因此，即使鉚接的是低塑性金屬板材，變形過程一般也不會導致板材的脆裂。實施例I :用於鎂合金板材的連接。鎂合金板材的型號為AZ31，尺寸為125X 38X 2mm ;鉚釘的尺寸為夾持杆長度25mm、鉚釘帽直徑10mm、半空心鉚釘體長度
6.5mm、鉚釘體內、外直徑分別為3. 5mm和5mm,深度3mm。上、下鎂板的搭接長度為25mm ；鉚接時，鉚釘轉速為3600轉/分。鉚接完成後，對鉚接接頭進行了翦切拉伸試驗，結果表明，接頭的剪切強度為(5.65±0. 23)kN，明顯高於同材料不加熱自鉚接接頭的剪切強度(4. 32±0. 09) kN和將板材加熱到180°C再自鉚接的接頭的剪切強度(4. 95±0. 12) kN。實施例2 :用於鎂合金板材與鋁合金板材的連接。鎂合金板材的型號為AZ31，尺寸為125X 38X 2mm;招合金板材的型號為6063，尺寸為125X 38X 3mm ;鉚釘的尺寸為夾持杆長度25mm、鉚釘帽直徑10mm、半空心鉚釘體長度7mm、鉚釘體內、外直徑分別為3. 5mm和5mm,深度4mm ;鎂合金板材用作上板,鋁合金板用作下板,上、下板的搭接長度為25mm ;鉚釘 轉速為3600轉/分。鉚接完成後，對鉚接接頭進行了翦切拉伸試驗。接頭的剪切強度為(6.90±0.64)kN。
權利要求
1.金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於所述方法採用半空心鉚釘、圓柱形衝壓杆和模具，所述半空心鉚釘包括一體設置的夾持杆、鉚釘帽和半空心的鉚釘體，所述圓柱形衝壓杆的頭部設有一迴轉的圓形凹坑，凹坑的中部為一突出的頂頭；所述圓柱形衝壓杆豎直位於模具內，由模具支撐；所述模具內的圓型活塞孔形狀與圓柱形衝壓杆形狀相適配； 鉚接步驟為如下步驟(I) (5) (1)首先將圓柱形衝壓杆放入模具的活塞孔內；鉚釘夾到鉚接設備上，將被鉚接的板材上下疊合放在模具上，用力壓緊； (2)開動鉚接設備，使鉚釘高速旋轉，並向下接近被鉚接板材，當鉚釘接觸到被鉚接板材時，高速旋轉的鉚釘與被鉚接板材摩擦產生的熱量對被鉚接板材實施局部加熱，使被鉚接板材軟化； (3)繼續施力，使鉚釘體完全進入板材，鉚釘體及被鉚釘體頂出的被鉚接板材材料進入模具的圓型活塞孔內，在衝壓杆頂頭的作用下，進入活塞孔內的被鉚接板材材料發生部分變形； (4)停止旋轉鉚釘，壓力繼續保持，使衝壓杆向上對進入活塞孔內的材料及鉚釘進行擠壓，衝壓杆上的頂頭部分進入鉚釘體，使鉚釘體發生膨脹變形，在鉚釘與被鉚接板材之間形成機械互鎖； (5)撤掉壓力，鬆開夾具，切除鉚釘夾持杆，形成最終的鉚接接頭。
2.根據權利要求I所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於所述衝壓杆的頂頭的高度與凹坑的邊緣的高度相同或稍高，但高度差最多不超過0. 2mm。
3.根據權利要求I或2所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於所述頂頭為錐形頂頭，所述錐形頂頭的直徑與鉚釘空心部分的內徑相適應，所述錐形頂頭的高度和鉚釘進入板材後伸出的長度相適應。
4.根據權利要求I或2所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於所述半空心鉚釘所採用的材料為普通鋼質材料，所述圓柱形衝壓杆和模具所採用的材料為工具鋼。
5.根據權利要求4所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於所述工具鋼材料的硬度應在HRC50以上。
6.根據權利要求I或2所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於活塞孔內上、下圓孔直徑不同而形成環形臺階，環形臺階對衝壓杆起支撐作用。
7.根據權利要求6所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於可通過在環形臺階上增加或減少環形墊片調節衝壓杆的高度。
8.根據權利要求6所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於所述圓柱形衝壓杆設有與環形臺階對應的環形凸臺。
9.根據權利要求I或2所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於所述鉚釘轉速為2000-10000轉/分。
10.根據權利要求I或2所述的金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，其特徵在於所述鉚接步驟(I)中應保證鉚釘、圓柱形衝壓杆和模具的活塞孔處在同一中軸線上。
全文摘要
金屬板材旋轉摩擦鉚接方法，所述方法採用半空心鉚釘、圓柱形衝壓杆和模具，所述半空心鉚釘包括一體設置的夾持杆、鉚釘帽和半空心的鉚釘體，所述圓柱形衝壓杆的頭部設有一迴轉的圓形凹坑，凹坑的中部為一突出的頂頭；所述圓柱形衝壓杆豎直位於模具內，由模具支撐；所述模具內的圓型活塞孔形狀與圓柱形衝壓杆形狀相適配。本發明為金屬板材的連接提供了一種適用範圍更廣的鉚接技術，針對現有鉚接技術的不足，提出了一種新的金屬板材鉚接方法。本發明使用無頂頭半空心鉚釘，而板材與鉚釘之間的機械互鎖則是通過頭部帶有錐形頂頭的衝壓杆擠壓形成的，這不僅簡化了鉚釘結構，而且鉚釘旋轉進入金屬板材時更容易，使鉚釘膨脹變形形成機械互鎖所需要的擠壓力也有所下降。
文檔編號B21J15/04GK102615508SQ20121008190
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月26日 優先權日2012年3月26日
發明者劉忠俠, 張興璐, 王培中, 王明星, 韓高錕 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司, 鄭州大學