專利名稱：自沖摩擦鉚焊連接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種鉚焊技術(shù)領(lǐng)域的裝置，尤其涉及的是一種自沖摩擦鉚焊連接裝置.
背景技術(shù)：
電阻點焊是轎車車身裝配中最為主要的連接方式，由于輕質(zhì)合金與高強鋼熱物理 屬性的巨大差異以及熔焊時易形成硬而脆的金屬間化合物，采用傳統(tǒng)的電阻點焊工藝難以 實現(xiàn)連接；而傳統(tǒng)的鉚接方法在緊固鉚釘之前需要預(yù)沖孔，導(dǎo)致工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，因 而不適合車身板件的批量化裝配。針對輕質(zhì)合金與高強鋼點連接時存在的上述問題，國內(nèi)外提出了無鉚釘鉚接 (Clinching)、半空心鉚釘自沖鉚接(Self-Piercing Riveting，簡稱SPR)以及攪拌摩擦點 焊(Friction StirSpot Welding，簡稱FSSW)等自動化程度較高的方法。其中Clinching 與SPR是車身制造中應(yīng)用最廣泛的機械冷連接技術(shù)，可以有效避免異質(zhì)材料熔化焊時的一 系列問題，可實現(xiàn)沖孔和鉚接工藝的一體化。但是Clinching接頭的靜動態(tài)強度較低，只能 應(yīng)用于對強度要求不高的發(fā)動機罩和后行李箱蓋等非承載構(gòu)件的連接，適用范圍小。SI^R方 法在連接鍛造鋁合金時可以獲得具有良好靜動態(tài)力學(xué)性能的接頭，然而在鉚接鑄鋁、鎂等 韌性差的輕合金工件時容易產(chǎn)生裂紋甚至脆裂，致使接頭失效，而在鉚接高強鋼材料時，則 需要更高的鉚接力，而且需要增加鉚釘強度以避免鉚釘發(fā)生嚴重墩粗和開裂，同時需要加 強鉚槍C型框架的剛度以保證鉚釘與凹模的對中性。FSSW是通過攪拌頭的攪拌運動和摩擦 生熱導(dǎo)致連接板件之間分子擴散和再結(jié)晶而實現(xiàn)固相連接的一種焊接工藝，由于接頭形成 溫度低，可以有效控制金屬間化合物的形成。但是該工藝完成后殘留的工藝孔會削弱接頭 強度；同時在連接高強鋼時，為了使鋼塑化需要延長攪拌摩擦?xí)r間，降低了車身板件批量化 生產(chǎn)的效率，同時攪拌頭的磨損也更加嚴重，進而影響了該工藝在汽車工業(yè)中的規(guī)模應(yīng)用。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國發(fā)明專利公開號CN101468421，名稱一種攪 拌摩擦鉚接裝置和鉚接方法，該裝置包括驅(qū)動桿、軸肩、實心剛性鉚釘、板件及剛性襯墊， 通過實心剛性鉚釘替代攪拌摩擦點焊的攪拌針，從而消除攪拌摩擦點焊的工藝孔；通過釘 頸小于釘蓋和釘?shù)资沟密浕慕饘倏梢粤魅脶旑i部分實現(xiàn)鉚釘與工件的機械連接。然而， 作為一種實心鉚釘，在連接高強鋼時，為了軟化和排開金屬，需要更大的鉚接力和更長的鉚 接時間，對設(shè)備提出了較高的要求，增加了設(shè)備成本，并導(dǎo)致連接效率顯著降低，從而限制 了該工藝的規(guī)模應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自沖摩擦鉚焊連接裝置，以自 沖鉚接工藝的機械連接為基礎(chǔ)，引入攪拌摩擦點焊工藝的固相連接機制，通過鉚釘高速旋 轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦熱軟化高強鋼，降低了鉚接力，解決了高強鋼自沖鉚接變形困難問題；通過半空 心鉚釘替代攪拌摩擦點焊的實心攪拌針，降低了進給阻力，解決了摩擦點焊效率低和殘留工藝孔問題，并最終實現(xiàn)接頭的機械-固相雙重連接。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括驅(qū)動針、壓邊圈、半空心鉚釘和 凹模，其中壓邊圈內(nèi)套接驅(qū)動針，半空心鉚釘位于驅(qū)動針的下方，凹模設(shè)于半空心鉚釘之 下。所述的壓邊圈內(nèi)設(shè)有環(huán)形導(dǎo)槽，環(huán)形導(dǎo)槽內(nèi)設(shè)有環(huán)形定位彈簧，半空心鉚釘定位 于環(huán)形定位彈簧上。所述的半空心鉚釘包括鉚釘頭和鉚釘腿，其中鉚釘頭的中心設(shè)有凹槽，驅(qū)動針 末端的凸臺和鉚釘頭的凹槽相嚙合，鉚釘頭下端設(shè)有鉚釘腿，鉚釘頭的直徑大于或等于鉚 釘腿外徑的2倍，鉚釘腿的末端是具有圓弧倒角的楔形。所述的鉚釘頭的下端面和鉚釘腿的外壁的夾角小于或等于90°。所述凹模的中心設(shè)有圓錐形或圓柱形凸起，凸起的中心線和半空心鉚釘?shù)闹行木€ 一致，凸起的兩邊設(shè)有空腔，空腔的容積和鉚釘腿實心部分的體積一致。所述的半空心鉚釘是鎳基合金、鈷基合金或硼處理鋼材料。所述的半空心鉚釘?shù)谋砻嬖O(shè)有0 20 μ m的鋅、錫、銅或鋁基合金鍍層。所述的壓邊圈包括上半圈和下半圈，其中上半圈和下半圈的內(nèi)外徑相同且固 定相連，上半圈和下半圈的內(nèi)壁相接處設(shè)有環(huán)形導(dǎo)槽。所述的環(huán)形導(dǎo)槽的截面形狀為C型，環(huán)形定位彈簧張緊置于環(huán)形導(dǎo)槽中。本發(fā)明工作時，將半空心鉚釘與板件分別放置于壓邊圈的環(huán)形定位彈簧和凹模之 上，同時驅(qū)動壓邊圈將板件壓緊；啟動驅(qū)動針旋轉(zhuǎn)進給，引導(dǎo)驅(qū)動針的凸臺與鉚釘頭的凹槽 相互嚙合，并繼續(xù)推動鉚釘旋轉(zhuǎn)進給直至鉚釘接觸板件上表面；根據(jù)工藝需求增加驅(qū)動針 的旋轉(zhuǎn)與進給速度使得板件在鉚接力和摩擦熱的共同作用下局部升溫并軟化，半空心鉚釘 將逐漸壓入板件并刺穿上層板；在凹模的作用下，不斷旋轉(zhuǎn)下降的半空心鉚釘腿部向外擴 張并推動板件壓入凹?？涨磺抑饾u與板件形成機械互鎖連接；半空心鉚釘軸向進給行程完 成后，驅(qū)動針驅(qū)動半空心鉚釘在原位旋轉(zhuǎn)一定時間以生成更多的摩擦熱，使半空心鉚釘與 板件各接觸界面間形成固相連接；驅(qū)動針與壓邊圈退回初始工位，接頭冷卻，自沖摩擦鉚焊 完成。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點本發(fā)明通過引入半空心鉚釘?shù)男D(zhuǎn)自由度， 利用鉚釘高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱軟化高強鋼，提升高強鋼的延展率，降低了鉚接力和對設(shè) 備剛性的要求，提高了摩擦點焊的連接效率，而且消除了工藝凹孔，有效提高了接頭強度， 實現(xiàn)了機械-固相雙重連接，大大提高了接頭的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能，不僅可以應(yīng)用于輕 合金和高強鋼的連接，也可以應(yīng)用于各種輕合金之間以及各種高強鋼之間的連接。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是半空心鉚釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)示意圖；圖3是環(huán)形定位導(dǎo)槽的局部示意圖；圖4是本發(fā)明工作的步驟原理圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1如圖1所示，本實施例包括驅(qū)動針1、壓邊圈2、環(huán)形導(dǎo)槽3、環(huán)形定位彈簧4、半空 心鉚釘5、凹模6和板件7，其中壓邊圈2內(nèi)套接驅(qū)動針1，驅(qū)動針1的下方設(shè)有半空心鉚 釘5，壓邊圈2的內(nèi)壁設(shè)有環(huán)形導(dǎo)槽3，環(huán)形定位彈簧4設(shè)于環(huán)形導(dǎo)槽3內(nèi)，半空心鉚釘5定 位于環(huán)形定位彈簧4上，凹模6設(shè)于半空心鉚釘5之下，板件7設(shè)于凹模6之上。如圖2所示，半空心鉚釘5包括鉚釘頭8和鉚釘腿9，其中鉚釘頭8的中心設(shè)有 凹槽10，鉚釘頭8下固定設(shè)有鉚釘腿9，鉚釘頭8直徑大于鉚釘腿9外徑。所述鉚釘頭8的形狀為盤頭式，盤頭高1. 6mm,盤頭直徑為10mm，鉚釘頭8下端面 與鉚釘腿9的外壁成88°的夾角；釘頭8上表面中心設(shè)有“十”字花形凹槽10，凹槽10深 度為2. 5mm,長度為4. 8mm,寬度為1. Omm, “十”字花錐度為44°。所述的鉚釘腿9的末端是光滑過度的楔形，楔角為35°，過度區(qū)半徑為0. 2mm。所述驅(qū)動針1末端的凸臺11和鉚釘頭8的凹槽10相嚙合，可實現(xiàn)圓周方向扭矩 的傳遞。如圖3所示，壓邊圈2內(nèi)徑為10. 4mm，外徑為22. 4mm，由內(nèi)外徑相同的上半圈12 和下半圈13組成，兩部分通過緊固螺栓14固定相連以實現(xiàn)壓邊力傳遞。下半圈13高度為 5mm，壓邊圈2的上半圈12和下半圈13的內(nèi)壁相接處設(shè)有截面形狀為C型的環(huán)形導(dǎo)槽3，環(huán) 形導(dǎo)槽3的C型截面的直徑為2. 4mm，開口高度為1. 5mm，環(huán)形定位彈簧4以張緊狀態(tài)放置 于環(huán)形導(dǎo)槽3中，環(huán)形定位彈簧4的圓形截面直徑為2mm。本實施例的板件7為鋁合金AA6061-T6+高強鋼DP780，即鋁合金在上，高強鋼在 下；板件厚度匹配2謹+1. 4謹。半空心鉚釘5采用材質(zhì)為硼化高強鋼的盤頭鉚釘，盤頭直徑為10mm，鉚釘腿9的厚 度、外徑及長度分別為0. 95mm、5mm和7mm。所述的鉚釘頭8的中心有“十”字花形凹槽10，鉚釘表面鍍有12 μ m厚的鋅合金鍍 層，以實現(xiàn)半空心鉚釘5和板件7的各接觸面的固相連接。所述的驅(qū)動針1的末端設(shè)有和鉚釘頭8的凹槽10相嚙合的凸臺11，驅(qū)動針1的主 體直徑為10mm。所述的凹模6的中心設(shè)有光滑過度的圓錐形或圓柱形凸起16，凸起16的中心線 和半空心鉚釘5的中心線一致，凸起16的兩邊設(shè)有空腔17，空腔17的容積和半空心鉚釘5 進入板件7的有效體積一致。凹模6的底部直徑為8. 6mm,高度為1. 8mm,中心的凸起16為 頂部光滑過度的圓錐形，錐角為96°，過度區(qū)半徑為1.8mm。所述的鉚釘腿9的內(nèi)部空心15是圓柱形，鉚釘腿9的實心部分體積等于或略大于 凹模6上空腔17的容積。工藝參數(shù)驅(qū)動針1和鉚釘嚙合階段驅(qū)動針1旋轉(zhuǎn)速度為90r/min，進給速度為 30mm/s ；鉚焊過程驅(qū)動針1旋轉(zhuǎn)速度為SOOOr/min，進給速度為140mm/s ；進給行程結(jié)束后 保持80ms。
本實施例工作過程如圖4(a) (f)所示，將半空心鉚釘5與板件7分別放置于壓 邊圈2的環(huán)形定位彈簧4和凹模6之上，同時驅(qū)動壓邊圈2將板件7壓緊；啟動驅(qū)動針1旋轉(zhuǎn)進給，引導(dǎo)驅(qū)動針1的凸臺11與鉚釘頭8的凹槽10相互嚙合， 并繼續(xù)推動鉚釘旋轉(zhuǎn)進給直至鉚釘接觸板件7上表面；根據(jù)工藝需求增加驅(qū)動針1的旋轉(zhuǎn)與進給速度使得板件7在鉚接力和摩擦熱的共 同作用下局部升溫并軟化，半空心鉚釘5將逐漸壓入板件7并刺穿上層板；在凹模6的作用下，不斷旋轉(zhuǎn)下降的半空心鉚釘5腿部向外擴張并推動板件7壓 入凹模6空腔且逐漸與板件7形成機械互鎖連接；半空心鉚釘5軸向進給行程完成后，驅(qū)動針1驅(qū)動半空心鉚釘5在原位旋轉(zhuǎn)一定 時間以生成更多的摩擦熱，使半空心鉚釘5與板件7各接觸界面間形成固相連接；驅(qū)動針1與壓邊圈2退回初始工位，接頭冷卻，自沖摩擦鉚焊完成。實施例2本實施的板件7為強鋼DP780+鋁合金AA6061-T6，即高強鋼在上，鋁合金在下； 板材厚度匹配1. 4mm+2mm ；工藝參數(shù)驅(qū)動針1和鉚釘嚙合階段驅(qū)動針1旋轉(zhuǎn)速度90r/min，驅(qū)動針1進給速 度30mm/s ；鉚焊階段驅(qū)動針1旋轉(zhuǎn)速度12000r/min，進給速度100mm/S ；進給行程結(jié)束后保 持 40ms。本實施例的其他實施方式和實施例1相同。
權(quán)利要求
一種自沖摩擦鉚焊連接裝置，包括驅(qū)動針，其特征在于，還包括，壓邊圈、半空心鉚釘和凹模，壓邊圈內(nèi)套接驅(qū)動針，半空心鉚釘位于驅(qū)動針的下方，凹模設(shè)于半空心鉚釘之下；所述的半空心鉚釘包括鉚釘頭和鉚釘腿，其中鉚釘頭的中心設(shè)有凹槽，驅(qū)動針末端的凸臺和鉚釘頭的凹槽相嚙合，鉚釘頭的下端設(shè)有鉚釘腿，鉚釘頭的直徑大于或等于鉚釘腿外徑的2倍；所述的凹模的中心設(shè)有凸起，凸起的中心線和半空心鉚釘?shù)闹行木€一致，凸起的兩邊設(shè)有空腔，空腔的容積和鉚釘腿的實心部分的體積一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自沖摩擦鉚焊連接裝置，其特征是，所述的凸起是頂部圓弧 過度的圓錐形或圓柱形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自沖摩擦鉚焊連接裝置，其特征是，所述的壓邊圈內(nèi)設(shè)有環(huán) 形導(dǎo)槽，環(huán)形導(dǎo)槽內(nèi)設(shè)有環(huán)形定位彈簧，半空心鉚釘定位于環(huán)形定位彈簧上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自沖摩擦鉚焊連接裝置，其特征是，所述的壓邊圈包括上半 圈和下半圈，其中上半圈和下半圈的內(nèi)外徑相同且固定相連，上半圈和下半圈的內(nèi)壁相接 處設(shè)有環(huán)形導(dǎo)槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的自沖摩擦鉚焊連接裝置，其特征是，所述的環(huán)形導(dǎo)槽的截面 形狀為C型，環(huán)形定位彈簧張緊置于環(huán)形導(dǎo)槽中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自沖摩擦鉚焊連接裝置，其特征是，所述的鉚釘腿的末端是 光滑過度的楔形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自沖摩擦鉚焊連接裝置，其特征是，所述的鉚釘頭的下端面 和鉚釘腿的外壁的夾角小于或等于90°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自沖摩擦鉚焊連接裝置，其特征是，所述的半空心鉚釘是鎳 基合金、鈷基合金或硼處理鋼材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的自沖摩擦鉚焊連接裝置，其特征是，所述的半空心鉚釘?shù)?表面設(shè)有0 20 y m的鋅、錫、銅或鋁基合金鍍層。
全文摘要
一種鉚焊技術(shù)領(lǐng)域的自沖摩擦鉚焊連接裝置，包括驅(qū)動針、壓邊圈、環(huán)形導(dǎo)槽、環(huán)形定位彈簧、半空心鉚釘和凹模，壓邊圈內(nèi)套接驅(qū)動針，半空心鉚釘位于驅(qū)動針的下方，壓邊圈內(nèi)設(shè)有環(huán)形導(dǎo)槽，環(huán)形定位彈簧設(shè)于環(huán)形導(dǎo)槽內(nèi)，半空心鉚釘定位于環(huán)形定位彈簧上，凹模設(shè)于半空心鉚釘之下。利用鉚釘高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱軟化高強鋼，提升高強鋼的延展率，降低了鉚接力和對設(shè)備剛性的要求，提高了摩擦點焊的連接效率，而且消除了工藝凹孔，有效提高了接頭強度，實現(xiàn)了機械-固相雙重連接，大大提高了接頭的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能，不僅可以應(yīng)用于輕合金和高強鋼的連接，也可以應(yīng)用于各種輕合金之間以及各種高強鋼之間的連接。
文檔編號B23P23/04GK101817142SQ20101017680
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者李永兵, 來新民, 林忠欽, 樓銘, 王培中, 陳關(guān)龍 申請人:上海交通大學(xué);通用汽車全球技術(shù)經(jīng)營公司