CN111660001B - 超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，包括：固定结构，所述固定结构用于产生超声波振动，所述固定结构的顶部设置有第一金属板材和第二金属板材。本发明通过设置在环形填充物的内环和外环的侧壁上的搅拌摩擦螺纹在高速旋转下与第二金属板材接触且相互摩擦产生热量，使第二金属板材和第一金属板材局部进入热塑性状态，搅拌摩擦螺纹四周的两个金属板材的材料相互扩散和动态再结晶，在超声振动的辅助下，环形填充物挤压第一金属板材和第二金属板材，使其塑性变形不断加大，最终形成了具有搅拌摩擦焊环的内环机械锁和外环机械锁，板材连接强度更高，利用搅拌摩擦焊，提升了接头的强度，腐蚀性低，效率高，操作简单。

Description

超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法

技术领域

本发明涉及板材连接技术领域，特别涉及一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法。

背景技术

近年来，新能源汽车产业逐渐兴起，“轻量化”成为发展趋势，车身变轻对于整车的能耗、车辆控制稳定性与碰撞安全性等方面颇有益处。而轻量化的关键点在于“多材料结构”的设计，在车身不同位置使用不同材料。SPR自冲铆接作为一种可以连接多种不同材质以及难于铆接的板材的技术，得到广大汽车制造商的青睐，并在车身设计制造中得到充分的应用。

自冲铆接是一种用于连接两种或两种以上金属板材的冷连接技术，特制铆钉穿透顶层板材之后，在铆模的作用下铆钉尾部的中空结构扩张刺入而并不穿刺底层板材，从而形成牢固的铆接点。此技术实现冲、铆一次性完成，且连接过程不破坏板材的镀层，为汽车车身的连接开辟了新途径。然而，由于自冲铆接技术的特制铆钉需要穿透顶层板材，所施加的冲压力较大，耗能大，也存在更高的腐蚀性风险；并且自冲铆接对负面的生产影响(例如：板材之间的间隙，模具制造误差)敏感度较高；除此之外，也不适合连接如高强度钢、钛合金等强度较大的板材。

发明内容

本发明提供了一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，其目的是为了解决自冲铆接技术的特制铆钉需要穿透顶层板材，所施加的冲压力较大，耗能大，腐蚀性风险较高，敏感度较高，不适合连接高强度钢、钛合金等强度较大的板材的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置，包括：

固定结构，所述固定结构用于产生超声波振动，所述固定结构的顶部设置有第一金属板材和第二金属板材；

压边圈，所述压边圈呈环状设置在所述第二金属板材上，所述压边圈用于压紧所述第一金属板材和所述第二金属板材；

夹紧结构，所述夹紧结构设置在所述固定结构的上方，所述夹紧结构竖直方向移动，所述夹紧结构用于夹紧环形填充物。

其中，所述固定结构包括：

凹模，所述凹模内设置有环状的型腔，所述型腔的外环和内环设置有凹槽；

超声振动***，所述超声振动***设置在所述凹模的下方。

其中，所述夹紧结构包括：

夹持器，所述夹持器设置在所述凹模的上方，所述夹持器竖直方向移动，所述夹持器的底部设置有三个三瓣爪；

控制器，所述控制器设置在所述夹持器的顶部，所述控制器控制所述三瓣爪沿径向移动；

环形填充物，所述环形填充物安装在三个所述三瓣爪内，所述环形填充物设置为环状。

其中，所述超声振动***包括：

超声波发生器，所述超声波发生器的第一端与所述控制器电连接，所述超声波发生器用于将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡；

换能器，所述换能器呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述换能器与所述超声波发生器的第二端电连接，所述换能器用于将超声频电振荡转变为超声机械振动；

变幅环，所述变幅环呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述变幅环设置在所述换能器的顶部，所述变幅环与所述换能器连接，所述变幅环用于增大超声机械振动幅度；

垫片，所述垫片呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述垫片设置在所述变幅环的顶部，所述垫片与所述变幅环连接，所述垫片用于产生超声波振动。

其中，所述控制器上设置有手动按钮。

其中，所述环形填充物的内环和外环的侧壁上设置有搅拌摩擦螺纹。

本发明的实施例还提供了一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊连接方法，包括：

步骤1，将第一金属板材和第二金属板材叠放在凹模的顶部上，压边圈压紧第一金属板材和第二金属板材；

步骤2，将环形填充物安装在三个三瓣爪内，操作控制器的手动按钮，使三瓣爪夹紧环形填充物，夹持器开始高速旋转并下降，夹持器带动环形填充物高速旋转并下降，环形填充物接触并挤压第二金属板材，使第一金属板材和第二金属板材产生塑性变形；

步骤3，高速旋转的环形填充物下降到一定深度，环形填充物上的搅拌摩擦螺纹与第二金属板材接触，搅拌摩擦螺纹与第二金属板材相互摩擦并产生热量，第二金属板材将热量传递给第一金属板材，第一金属板材和第二金属板材产生局部热塑性变形，搅拌摩擦螺纹四周的第一金属板材和第二金属板材的材料逐渐相互扩散和动态再结晶，逐渐进行搅拌摩擦焊；

步骤4，环形填充物继续下降，第一金属板材的材料向凹模的型腔内流动，第二金属板材随着冲头向下流入到第一金属板材中，逐渐填充凹模的型腔，第一金属板材的底部接触到垫片，控制器控制超声波振动***工作，控制器启动超声波发生器，超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过变幅环增大超声机械振动幅度，通过垫片产生超声波振动；

步骤5，通过环形填充物进一步挤压第一金属板材和第二金属板材，第一金属板材和第二金属板材进一步塑性变形，第一金属板材和第二金属板材受到垫片上表面的约束，逐渐填充凹模的外环和内环的凹槽，环形填充物四周的第一金属板材上侧材料逐渐向第二金属板材的颈部四周流动，嵌入第二金属板材，第一金属板材、第二金属板材之间逐渐形成内环机械锁和外环机械锁，环形填充物与第一金属板材和第二金属板材之间进行搅拌摩擦焊，第一金属板材、第二金属板材和环形填充物之间逐渐形成内环搅拌摩擦焊和外环搅拌摩擦焊；

步骤6，夹持器下降到一定深度，停止旋转，控制器控制超声振动***停止工作，控制器控制三个三瓣爪沿径向向外移动，并松开环形填充物，夹持器竖直方向向上移动。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，使用内环和外环的侧壁上设置有搅拌摩擦螺纹的环形填充物，不需要穿透顶层板材，所施加冲压力较小，耗能较低，腐蚀性低，对板材之间的间隙和模具制造误差不敏感，利用摩擦生热，降低了材料的变形抗力，使用超声波振动，增强了材料的塑性，降低了材料的应力集中，细化了搅拌摩擦区的晶粒，形成的连接点呈圆环式分布，形成了内环机械锁和外环机械锁，板材连接强度更大；同时利用搅拌摩擦焊，形成了内环搅拌摩擦焊和外环搅拌摩擦焊，显著提高了接头的力学性能，可有效连接高强度板材，效率高，操作简单。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的凹模示意图；

图3为本发明的凹模俯视图；

图4为本发明的定位图；

图5为本发明的成型图；

图6为本发明的成型完成图；

图7为本发明的搅拌摩擦压环锁焊接头示意图。

【附图标记说明】

1-第一金属板材；2-第二金属板材；3-压边圈；4-凹模；5-夹持器；6-控制器；7-三瓣爪；8-环形填充物；9-超声波发生器；10-换能器；11-变幅环；12-垫片；13-外环搅拌摩擦焊；14-外环机械锁；15-内环机械锁；16-内环搅拌摩擦焊。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的自冲铆接技术的特制铆钉需要穿透顶层板材，所施加的冲压力较大，耗能大，腐蚀性风险较高，自冲铆接技术对板材之间的间隙和模具制造误差的敏感度较高，不适合连接高强度钢、钛合金等强度较大的板材的问题，提供了一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法。

如图1至图7所示，本发明的实施例提供了一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置，包括：固定结构，所述固定结构用于产生超声波振动，所述固定结构的顶部设置有第一金属板材1和第二金属板材2；压边圈3，所述压边圈3呈环状设置在所述第二金属板材2上，所述压边圈3用于压紧所述第一金属板材1和所述第二金属板材2；夹紧结构，所述夹紧结构设置在所述固定结构的上方，所述夹紧结构竖直方向移动，所述夹紧结构用于夹紧环形填充物8。

其中，所述固定结构包括：凹模4，所述凹模4内设置有环状的凹槽；超声振动***，所述超声振动***设置在所述凹模4的下方。

其中，所述夹紧结构包括：夹持器5，所述夹持器5设置在所述凹模4的上方，所述夹持器5竖直方向移动，所述夹持器5的底部设置有三个三瓣爪7；控制器6，所述控制器6设置在所述夹持器5的顶部，所述控制器6控制所述三瓣爪7沿径向移动；环形填充物8，所述环形填充物8安装在三个所述三瓣爪7内，所述环形填充物8设置为环状。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，所述夹持器5与三个所述三瓣爪7可沿径向移动；所述夹持器5与三个所述三瓣爪7相互组合可以夹紧所述环形填充物8，所述环形填充物8呈环状，使用所述环形填充物8，不会剪断冲头侧板材，所施加冲压力较小，耗能较低，腐蚀性低，对板材之间的间隙和模具制造误差不敏感。

其中，所述超声振动***包括：超声波发生器9，所述超声波发生器9的第一端与所述控制器6电连接，所述超声波发生器9用于将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡；换能器10，所述换能器10呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述换能器10与所述超声波发生器9的第二端电连接，所述换能器10用于将超声频电振荡转变为超声机械振动；变幅环11，所述变幅环11呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述变幅环11设置在所述换能器10的顶部，所述变幅环11与所述换能器10连接，所述变幅环11用于增大超声机械振动幅度；垫片12，所述垫片12呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述垫片12设置在所述变幅环11的顶部，所述垫片12与所述变幅环11连接，所述垫片12用于产生超声波振动。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，所述超声振动***由所述超声波发生器9、所述换能器10、所述变幅环11和所述垫片12组成，所述超声波发生器9将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，所述超声波发生器9由所述控制器6控制启停，所述换能器10将超声频电振荡转变为超声机械振动，并通过所述变幅环11增大超声机械振动幅度，使接触所述变幅环11端部的所述垫片12产生超声波振动，增强了材料的塑性，降低了材料的应力集中，细化了搅拌摩擦区的晶粒，提高了接头的力学性能。

其中，所述控制器6上设置有手动按钮。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，所述控制器6上设置有手动按钮，手动按钮用于控制所述三瓣爪7对所述环形填充物8夹紧或松放。

其中，所述环形填充物8的内环和外环的侧壁上设置有搅拌摩擦螺纹。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，由于所述环形填充物8的内环和外环的侧壁上设置有搅拌摩擦螺纹，搅拌摩擦螺纹与所述第二金属板材2之间摩擦生热，降低了材料的变形抗力，使材料处于热塑性状态，使所述超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置适合连接如高强度钢、钛合金等强度较大的板材，在具有搅拌摩擦螺纹的所述环形填充物8与所述凹模4的共同作用，在超声波振动辅助下，所述第一金属板材1和所述第二金属板材2之间形成了具有搅拌摩擦焊环的内环机械锁15和外环机械锁14。

本发明的实施例还提供了一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊连接方法，包括：步骤1，将第一金属板材1和第二金属板材2叠放在凹模4的顶部上，压边圈3压紧第一金属板材1和第二金属板材2；步骤2，将环形填充物8安装在三个三瓣爪7内，操作控制器6的手动按钮，使三瓣爪7夹紧环形填充物8，夹持器5开始高速旋转并下降，夹持器5带动环形填充物8高速旋转并下降，环形填充物8接触并挤压第二金属板材2，使第一金属板材1和第二金属板材2产生塑性变形；步骤3，高速旋转的环形填充物8下降到一定深度，环形填充物8上的搅拌摩擦螺纹与第二金属板材2接触，搅拌摩擦螺纹与第二金属板材2相互摩擦并产生热量，第二金属板材2将热量传递给第一金属板材1，第一金属板材1和第二金属板材2产生局部热塑性变形，搅拌摩擦螺纹四周的第一金属板材1和第二金属板材2的材料逐渐相互扩散和动态再结晶，逐渐进行搅拌摩擦焊；步骤4，环形填充物8继续下降，第一金属板材1的材料向凹模4的型腔内流动，第二金属板材2随着冲头向下流入到第一金属板材1中，逐渐填充凹模4的型腔，第一金属板材1的底部接触到垫片12，控制器6控制超声波振动***工作，控制器6启动超声波发生器9，超声波发生器9将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器10将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过变幅环11增大超声机械振动幅度，通过垫片12产生超声波振动；步骤5，通过环形填充物8进一步挤压第一金属板材1和第二金属板材2，第一金属板材1和第二金属板材2进一步塑性变形，第一金属板材1和第二金属板材2受到垫片12上表面的约束，逐渐填充凹模4的外环和内环的凹槽，环形填充物8四周的第一金属板材1上侧材料逐渐向第二金属板材2的颈部四周流动，嵌入第二金属板材2，第一金属板材1、第二金属板材2之间逐渐形成内环机械锁15和外环机械锁14，环形填充物8与第一金属板材1和第二金属板材2之间进行搅拌摩擦焊，第一金属板材1、第二金属板材2和环形填充物8之间逐渐形成内环搅拌摩擦焊16和外环搅拌摩擦焊13；步骤6，夹持器5下降到一定深度，停止旋转，控制器6控制超声振动***停止工作，控制器6控制三个三瓣爪7沿径向向外移动，并松开环形填充物8，夹持器5竖直方向向上移动。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，所述压边圈3和所述凹模4固定不动，所述第一金属板材1和所述第二金属板材2叠放在所述凹模4的顶部上，所述夹持器5位于所述第二金属板材2的上方，所述夹持器5、所述压边圈3和所述凹模4的中心轴重合，所述压边圈3压紧所述第一金属板材1和所述第二金属板材2，将所述环形填充物8安装在三个所述三瓣爪7内，操作所述控制器6的手动按钮，所述三瓣爪7夹紧所述环形填充物8，所述夹持器5高速旋转并竖直方向下降，且带动所述环形填充物8高速旋转并下降，高速旋转的所述环形填充物8的底部首先与所述第二金属板材2接触，并挤压所述第二金属板材2，使所述第一金属板材1和所述第二金属板材2产生塑性变形，高速旋转的所述环形填充物8下降到一定深度，所述环形填充物8上的搅拌摩擦螺纹与所述第二金属板材2接触，搅拌摩擦螺纹与所述第二金属板材2相互摩擦并产生热量，所述第二金属板材2将热量传递给所述第一金属板材1，所述第一金属板材1和所述第二金属板材2产生局部热塑性变形，搅拌摩擦螺纹四周的所述第一金属板材1和所述第二金属板材2的材料逐渐相互扩散和动态再结晶，即逐渐进行搅拌摩擦焊，增强材料的塑性变形能力，所述环形填充物8继续下降，所述第一金属板材1的材料向凹模4的型腔内流动，所述第二金属板材2随着冲头向下流入到所述第一金属板材1中，逐渐填充所述凹模4的型腔，当所述第一金属板材1的底部接触所述垫片12时，所述控制器6控制所述超声波振动***工作，所述控制器6启动所述超声波发生器9，所述超声波发生器9将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，再通过所述换能器10将超声频电振荡转变为超声机械振动，随后通过所述变幅环11增大超声机械振动幅度，设置在所述变幅环11顶部的所述垫片12产生超声波振动，超声波振动增强了所述第一金属板1和所述第二金属板2的塑性变形的能力，降低了金属板材的材料应力集中，并且细化了搅拌摩擦区的晶粒；通过所述环形填充物8进一步挤压所述第一金属板材1和所述第二金属板材2，所述第一金属板材1和所述第二金属板材2进一步塑性变形，所述第一金属板材1和所述第二金属板材2受到所述垫片12上表面的约束，逐渐填充所述凹模4的外环和内环的凹槽，所述环形填充物8四周的所述第一金属板材1上侧材料逐渐向所述第二金属板材2的颈部流动，嵌入所述第二金属板材2，所述第一金属板材1、所述第二金属板材2之间逐渐形成内环机械锁15和外环机械锁14，同时所述环形填充物8与所述第一金属板材1和所述第二金属板材2之间进行搅拌摩擦焊，所述第一金属板材1、所述第二金属板材2和所述环形填充物8之间逐渐形成内环搅拌摩擦焊16和外环搅拌摩擦焊13，所述夹持器5下降到一定深度，停止旋转，所述控制器6控制输送带超声振动***停止工作，所述控制器6控制三个所述三瓣爪7沿径向向外移动，并松开所述环形填充物8，随后所述夹持器5竖直方向向上移动，所述第一金属板材1和所述第二金属板材2之间形成了具有搅拌摩擦焊环的内环机械锁15和外环机械锁14，板材连接强度更大，利用搅拌摩擦焊，显著提升接头的强度。

本发明的上述实施例所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置及方法，利用摩擦生热，降低了材料的变形抗力，使用超声波振动，增强了材料的塑性，降低了材料的应力集中，细化了搅拌摩擦区的晶粒，提高了接头的力学性能，可有效连接高强度板材，效率高，操作简单。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊方法，应用于超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊装置，其特征在于，所述装置包括：

固定结构，所述固定结构用于产生超声波振动，所述固定结构的顶部设置有第一金属板材和第二金属板材；

压边圈，所述压边圈呈环状设置在所述第二金属板材上，所述压边圈用于压紧所述第一金属板材和所述第二金属板材；

夹紧结构，所述夹紧结构设置在所述固定结构的上方，所述夹紧结构竖直方向移动，所述夹紧结构用于夹紧环形填充物；

所述固定结构包括：

凹模，所述凹模内设置有环状的型腔，所述型腔的外环和内环设置有凹槽；

超声振动***，所述超声振动***设置在所述凹模的下方；

所述夹紧结构包括：

夹持器，所述夹持器设置在所述凹模的上方，所述夹持器竖直方向移动，所述夹持器的底部设置有三个三瓣爪；

控制器，所述控制器设置在所述夹持器的顶部，所述控制器控制所述三瓣爪沿径向移动；

环形填充物，所述环形填充物安装在三个所述三瓣爪内，所述环形填充物设置为环状，所述环形填充物的内环和外环的侧壁上设置有搅拌摩擦螺纹；

超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊方法，包括：

步骤1，将第一金属板材和第二金属板材叠放在凹模的顶部上，压边圈压紧第一金属板材和第二金属板材；

步骤2，将环形填充物安装在三个三瓣爪内，操作控制器的手动按钮，使三瓣爪夹紧环形填充物，夹持器开始高速旋转并下降，夹持器带动环形填充物高速旋转并下降，环形填充物接触并挤压第二金属板材，使第一金属板材和第二金属板材产生塑性变形；

步骤3，高速旋转的环形填充物下降到一定深度，环形填充物上的搅拌摩擦螺纹与第二金属板材接触，搅拌摩擦螺纹与第二金属板材相互摩擦并产生热量，第二金属板材将热量传递给第一金属板材，第一金属板材和第二金属板材产生局部热塑性变形，搅拌摩擦螺纹四周的第一金属板材和第二金属板材的材料逐渐相互扩散和动态再结晶，逐渐进行搅拌摩擦焊；

步骤4，环形填充物继续下降，第一金属板材的材料向凹模的型腔内流动，第二金属板材随着环形填充物向下流入到第一金属板材中，逐渐填充凹模的型腔，第一金属板材的底部接触到垫片，控制器控制超声波振动***工作，控制器启动超声波发生器，超声波发生器将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡，通过换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过变幅环增大超声机械振动幅度，通过垫片产生超声波振动；

步骤5，通过环形填充物进一步挤压第一金属板材和第二金属板材，第一金属板材和第二金属板材进一步塑性变形，第一金属板材和第二金属板材受到垫片上表面的约束，逐渐填充凹模的外环和内环的凹槽，环形填充物四周的第一金属板材上侧材料逐渐向第二金属板材的颈部四周流动，嵌入第二金属板材，第一金属板材、第二金属板材之间逐渐形成内环机械锁和外环机械锁，环形填充物与第一金属板材和第二金属板材之间进行搅拌摩擦焊，第一金属板材、第二金属板材和环形填充物之间逐渐形成内环搅拌摩擦焊和外环搅拌摩擦焊；

步骤6，夹持器下降到一定深度，停止旋转，控制器控制超声振动***停止工作，控制器控制三个三瓣爪沿径向向外移动，并松开环形填充物，夹持器竖直方向向上移动。

2.根据权利要求1所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊方法，其特征在于，所述超声振动***包括：

超声波发生器，所述超声波发生器的第一端与所述控制器电连接，所述超声波发生器用于将工频交流电能转变为有一定功率输出的超声频电振荡；

换能器，所述换能器呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述换能器与所述超声波发生器的第二端电连接，所述换能器用于将超声频电振荡转变为超声机械振动；

变幅环，所述变幅环呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述变幅环设置在所述换能器的顶部，所述变幅环与所述换能器连接，所述变幅环用于增大超声机械振动幅度；

垫片，所述垫片呈环形嵌设在所述凹槽的下方，所述垫片设置在所述变幅环的顶部，所述垫片与所述变幅环连接，所述垫片用于产生超声波振动。

3.根据权利要求2所述的超声振动辅助的搅拌摩擦压环锁铆焊方法，其特征在于，所述控制器上设置有手动按钮。

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