CN104439684A - 一种超声辅助的自冲铆接方法 - Google Patents

Abstract

一种超声辅助的自冲铆接方法，通过自冲铆接***实现，其具体步骤如下：上层板材和下层板材组对并充分靠近或者接触，放置在凹模上方；超声波发生装置与铆钉夹具之间的夹角α为0°～180°，输出超声波的功率为1～90kW,超声波的振幅为3～60μm；半空心铆钉在超声波辅助下向下运动***被焊的上层板材和下层板材，直至凹模被填充满，之后超声振动继续保持0～2秒。本发明解决了现有的自冲铆接难变形材料时存在的开裂、变形困难问题和无冶金结合问题，同时也解决了异种材料电阻点焊时脆性化合物大量生成的问题，通过施加超声振动减小了铆钉下压阻力，实现了机械-冶金双重连接，提高了接头的力学性能。

Description

一种超声辅助的自冲铆接方法

技术领域

本发明涉及一种机械固相复合连接方法，具体是一种超声波辅助的自冲铆接方法，属于焊接技术领域。

背景技术

当前交通工具车身装配中使用的主要连接方法有电阻点焊和自冲铆接。

电阻点焊在焊接单一材料的传统钢制车身时具有不可替代的优势，已经在工业界大规模成功地应用了几十年。然而随着交通工具减重需求的不断增加，车身材料向轻质的方向迅速发展，电阻点焊在焊接高强钢与轻质合金异种材料组成的车身时，存在着巨大问题，具体表现为，电阻点焊时焊接温度极高，焊接界面产生大量的脆性金属间化合物，极大地降低了接头力学性能。

自冲铆接技术是一种从90年代开始在工业界大量使用的机械连接方法。自冲铆接具有工序周期短、不刺穿底层板材、可连接异种材料、铆接时无烟尘火花等优点，特别适用于铝合金等塑性良好的材料。然而，自冲铆接方法在焊接镁合金、高强钢等塑性差、强度高的材料时，存在着下层镁合金开裂、高强钢变形困难等严重问题；同时，自冲铆接在焊接金属板材时，如：铝-钢异种材料接头，由于连接温度极低(小于150摄氏度)，在被连接材料之间仅仅形成了单一的机械连接，没有任何冶金连接形成，使得接头力学性能处在较低水平。

发明内容

为了解决自冲铆接难变形材料时存在的开裂、变形困难问题和无冶金结合问题，同时也为了解决电阻点焊时温度过高、脆性化合物大量生成的问题，本发明提供一种超声辅助的自冲铆焊方法，以自冲铆接技术为基础，向自冲铆钉上施加功率超声，从而达到减小铆钉下压阻力、软化难变形材料、形成机械-冶金双重连接的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超声辅助的自冲铆接方法，其通过自冲铆接***实现，该自冲铆接***包括半空心铆钉、铆钉夹具、凹模和超声波发生装置，所述自冲铆接方法的具体步骤如下：

步骤一、将被焊的上层板材和下层板材组对，使两者充分靠近或者接触；

步骤二、将组对在一起的上层板材和下层板材放置在所述凹模上方；

步骤三、设定所述超声波发生装置与所述铆钉夹具之间的夹角α；

步骤四、打开所述超声波发生装置的电源，使该超声波发生装置开始输出超声波；

步骤五、所述半空心铆钉在所述铆钉夹具的带动下向下运动，压入并穿透上层板材，然后扎入下层板材使其发生变形，直至所述凹模被填充满，该半空心铆钉停止向下运动；

步骤六、所述半空心铆钉停留在所述凹模中，保持超声振动0～2秒；

步骤七、所述半空心铆钉脱离所述铆钉夹具，并保留在被焊材料中，所述铆钉夹具向上运动到指定位置，焊接过程完成。

进一步地，在步骤三中，所述的超声波发生装置与铆钉夹具之间的夹角α在0°≤α≤180°的范围中可变。

进一步地，在步骤四中，所述的超声波的功率为1～90 kW。

进一步地，在步骤四中，所述的超声波的振幅为3～60μm。

进一步地，所述的超声波发生装置与铆钉夹具之间通过焊接或者其他机械固定方式连接。

本发明的原理是，超声波振动从超声波发生装置传递到铆钉夹具，进而传递到半空心铆钉上；当半空心铆钉与上层板材接触时，在超声波驱动下两者发生高频摩擦，与此同时，上层板材在超声振动带动下与下层被焊板材也发生高频摩擦；随着半空心铆钉进一步下压与下层板材接触，两者之间发生高频摩擦，同时，在超声作用下，下层板材与凹模之间也发生高频摩擦；这四处高频摩擦一方面软化了被焊板材，使得它们变形容易，避免开裂，减小半空心铆钉下压的阻力，另一方面上、下层板材之间的高频摩擦使得它们之间生成冶金结合，进而提高接头的性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、半空心铆钉与上层板材之间的高频摩擦软化上层板材，减小了下压阻力；

2、半空心铆钉与下层板材之间的高频摩擦软化下层板材，使之变形容易，避免开裂，同时减小了下压阻力；

3、上层板材与下层板材之间的高频摩擦，使得两者在界面上发生冶金结合，实现机械-冶金双重结合，提高了接头的力学性能；

4、下层板材与凹模之间的高频摩擦，使得下层板材软化，避免开裂，减小变形阻力，使之更容易填充凹模；

5、下压阻力的减小可以使得铆焊设备轻量化，减小铆焊设备的体积。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中，双向箭头代表超声波振动方向，向下箭头代表铆焊下压力方向。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，该实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，所述自冲铆接***包括半空心铆钉2、铆钉夹具1、凹模5和超声波发生装置6，该超声波发生装置6与铆钉夹具1之间通过焊接或者其他机械固定方式连接，并且两者成一夹角α。所述超声辅助的自冲铆接方法通过所述自冲铆接***实现，该自冲铆接方法的具体步骤如下：

步骤一、将被焊的上层板材3和下层被焊板材4组对，使两者充分靠近或者接触；

步骤二、将组对在一起的上层板材3和下层板材4放置在所述凹模5上方；

步骤三、设定所述超声波发生装置6与所述铆钉夹具1之间的夹角α为0°；

步骤四、打开所述超声波发生装置6的电源，使该超声波发生装置6开始输出超声波，该超声波的功率为1kW，超声波的振幅为3μm；

步骤五、所述半空心铆钉2在所述铆钉夹具1的带动下向下运动，压入并穿透上层板材3，然后扎入下层板材4使其发生变形，直至所述凹模5被填充满，该半空心铆钉2停止向下运动；

步骤六、所述半空心铆钉2停留在所述凹模5中，保持超声振动0秒；

步骤七、所述半空心铆钉2脱离所述铆钉夹具1，并保留在被焊材料中，所述铆钉夹具1向上运动到指定位置，焊接过程完成。

实施例2

本实施例的步骤三中，所述的超声波发生装置6与铆钉夹具1之间的夹角α设定为90°；所述夹角α可以根据实际焊接需要进行选择，夹角α越接近90°，横向分振动越强，越有利于上下板材之间的摩擦，有利于两者之间形成冶金结合；夹角α越接近0°，纵向分振动越强，越有利于减小半空心铆钉下压力；步骤四中，所述的超声波的功率为2kW，超声波的振幅为10μm；步骤六中，保持超声振动的时间为1.5秒；本实施例的其它步骤与实施例1相同。

实施例3

本实施例的步骤三中，所述的超声波发生装置6与铆钉夹具1之间的夹角α设定为30°；步骤四中，所述的超声波的功率为3kW，超声波的振幅为20μm；步骤六中，保持超声振动的时间为0.5秒；所述的超声波的功率可以根据被焊材料的强度和厚度选择，以增强接头的强度；本实施例的其它步骤与实施例1相同。

实施例4

本实施例的步骤三中，所述的超声波发生装置6与铆钉夹具1之间的夹角α设定为60°；步骤四中，所述的超声波的功率为70 kW，超声波的振幅为35μm；步骤六中，保持超声振动的时间为1秒；所述的超声波的振幅可以根据被焊材料的特点选择，以增强接头的强度；本实施例的其它步骤与实施例1相同。

实施例5

本实施例的步骤三中，所述的超声波发生装置6与铆钉夹具1之间的夹角α设定为45°；步骤四中，所述的超声波的功率为90kW，超声波的振幅为60μm；步骤六中，保持超声振动的时间为2秒；所述的超声振动的保持时间可以根据被焊材料的特点选择，以增强接头的强度，保持时间越长，被焊材料之间冶金反应程度越高；本实施例的其它步骤与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种超声辅助的自冲铆接方法，其特征在于：通过自冲铆接***实现，该自冲铆接***包括半空心铆钉、铆钉夹具、凹模和超声波发生装置，所述自冲铆接方法的具体步骤如下：

步骤一、将被焊的上层板材和下层板材组对，使两者充分靠近或者接触；

步骤二、将组对在一起的上层板材和下层板材放置在所述凹模上方；

步骤三、设定所述超声波发生装置与所述铆钉夹具之间的夹角α；

步骤四、打开所述超声波发生装置的电源，使该超声波发生装置开始输出超声波；

步骤五、所述半空心铆钉在所述铆钉夹具的带动下向下运动，压入并穿透上层板材，然后扎入下层板材使其发生变形，直至所述凹模被填充满，该半空心铆钉停止向下运动；

步骤六、所述半空心铆钉停留在所述凹模中，保持超声振动0～2秒；

步骤七、所述半空心铆钉脱离所述铆钉夹具，并保留在被焊材料中，所述铆钉夹具向上运动到指定位置，焊接过程完成。

2.根据权利要求1所述的超声辅助的自冲铆接方法，其特征在于：在步骤三中，所述的超声波发生装置与铆钉夹具之间的夹角α在0°≤α≤180°的范围中可变。

3.根据权利要求1或2所述的超声辅助的自冲铆接方法，其特征在于：在步骤四中，所述的超声波的功率为1～90kW。

4.根据权利要求1或2所述的超声辅助的自冲铆接方法，其特征在于：在步骤四中，所述的超声波的振幅为3～60μm。

5.根据权利要求1或2所述的超声辅助的自冲铆接方法，其特征在于：所述的超声波发生装置与铆钉夹具之间通过焊接或者其他机械固定方式连接。