TWI761736B - 鈑件接合與其冷卻的方法 - Google Patents

Abstract

一種鈑件接合與其冷卻的方法，包含：提供第一金屬鈑與第二金屬 鈑，第一金屬鈑的熔點高於第二金屬鈑的最低加熱軟化溫度；疊放第一、第二金屬鈑於凹模上，加熱疊合鈑件至第一溫度後停止加熱，第一溫度為第一金屬鈑的鈑材軟化溫度；將自沖鉚釘打入疊合鈑件，以接合第一金屬鈑與第二金屬鈑；冷卻疊合鈑件至相對於第一金屬鈑材料的淬火溫度之第二溫度；開模取出疊合鈑件。

Description

鈑件接合與其冷卻的方法

本發明為一種鈑件接合與其冷卻的方法，特別是有關於一種自沖鉚釘沖入前將工件加熱至軟化、鉚釘沖入後進行模內淬火的方法。

在許多領域(例如運輸)，輕量化永遠是必需考慮的課題，而鋁合金與先進高強度鋼兩種金屬均為輕量化構件之重要材料，且如鋼/鋁之異材金屬，具有互補之效應，藉由在全鋼車身引入鋁、鎂複合材料等低密度材料(複合材料車身)，己成為全球汽車車身輕量化的趨勢。因此，車身製造的技術領域，是異材金屬接合技術的一大挑戰。

對於機械式接合法而言，如自沖鉚接(Self-Pierce Riveting)是一種高强度機械接合，多層材料被堅硬的鉚釘連接，不需要預先於鈑件鑽孔，施工時很小的音量產生，且接合中不需任何熱量進入零件。鉚釘透過設備施加壓力穿透上層材料，同時藉由下面的支撐模具進行鉚釘擴張變形，來達到機械式接合效果，由於下層材料没有被鉚釘穿透過去，所以同時也提高了接合面之密封性。且自沖鉚接由於不需要熔融，無熱影響區，比傳統電阻銲之疲勞強度高，接合處的品質良好又可以自動化，因而適合應用在車輛之異種金屬接合。然而，自沖鉚接方法在銲接鋁鋼、高強度鋼等強度高的材料時，若材料抗拉強 度大於680Mpa以上，則現有的自沖鉚接設備難以沖入，必需花費鉅資，將現有設備升級，才得以沖入。

日本特開2016-055291號公開一種在多個樹脂部件上應用自沖鉚接及高周波加熱之接合技術。該接合裝置係藉由沖頭將自沖鉚釘打入至配置於模具上之多個樹脂件而接合者。接合裝置包括：模具，其支承樹脂部材與自沖鉚釘之腳部；模具支持件，其用以支持模具，且由絕緣體形成；高頻電磁感應線圈，係配置於模具支持件材內；前置夾具，其用以將樹脂件固定於模具上，且由絕緣體形成；高頻電磁感應線圈，其繞前置夾具捲繞；及沖頭，其用以打入自沖鉚釘，且由絕緣體形成。藉由高頻電磁感應線圈對自沖鉚釘預熱、經加熱的自沖鉚釘之打入多個樹脂件並形成鉚接接頭、經高頻電磁感應線圈加熱熔接鉚接接頭部位，使腳部、多個樹脂件彼此熔化接合，並因在軟化的多個樹脂件進行鉚接，可避免樹脂件因鉚接而產生裂痕。惟，高週波加熱會引起材料的熔融，倘若適用於異材金屬鈑，則可能導致異材相接時，因材料熔融反應產生大量介金屬化合物，且因介金屬化合物的結構型態為針狀，故其強度相對不佳而不易抵抗外力，致使接合後的金屬鈑於使用過程中容易出現材料疲乏狀況而無法有效抗疲勞。

本發明提供一種鈑件接合與其冷卻的方法，可應用原有自沖鉚接設備施作強度更高的鋼製鈑件接合，並在接合後以淬火回升材料強度。

本發明提供的鈑件接合與其冷卻的方法包括：提供一第一金屬鈑與一第二金屬鈑，該第一金屬鈑的熔點高於該第二金屬鈑的最低加熱軟化溫度；依序疊放該第二金屬鈑與該第一金屬鈑於一凹模上，使形成一疊合鈑件； 加熱該疊合鈑件至一第一溫度後停止加熱，該第一溫度為該第一金屬鈑的鈑材軟化溫度；將一自沖鉚釘自該疊合鈑件的該第一金屬鈑朝向該第二金屬鈑打入，使該自沖鉚釘的釘腳刺穿上層之該第一金屬鈑而停留在下層之第二金屬鈑內部，且對應於該自沖鉚釘位置之第二金屬鈑的底面朝外側外翻塑性變形而形成一鉚接接頭，以接合該第一金屬鈑與該第二金屬鈑；冷卻該疊合鈑件至一第二溫度，該第二溫度為相對於該第一金屬鈑材料的淬火溫度；開模取出該疊合鈑件。

在上述實施例中該第一金屬鈑與該第二金屬鈑的材料為鋼材，該第一溫度為攝氏400℃以上。

在一實施例中，加熱該疊合鈑件的步驟還具有一工件加熱裝置，該工件加熱裝置係應用一移動機構移動於一初始位置停止加熱和一加熱位置進行加熱，該加熱位置係對應於該第一金屬鈑的預定沖入該自沖鉚釘的區域。

在一實施例中，上述工件加熱裝置係應用電磁感應線圈加熱。

在一實施例中，冷卻該疊合鈑件的步驟還具有一工件冷卻裝置，該工件冷卻裝置係於該凹模內設置水道，並以液體在該冷卻水道內循環流動，以冷卻凹模內的該疊合鈑件。

本發明提供另一實施例的鈑件接合與其冷卻的方法包括：提供一第一金屬鈑與一第二金屬鈑，該第一金屬鈑的熔點低於該第二金屬鈑的最低加熱軟化溫度；置放該第二金屬鈑於一凹模上，加熱該第二金屬鈑至一軟化溫度後停止加熱，該軟化溫度為該第二金屬鈑的鈑材軟化溫度；疊放該第一金屬鈑材於該第二金屬鈑之上而形成一疊合鈑件；將一自沖鉚釘自該第一金屬鈑朝 向該第二金屬鈑打入該疊合鈑件，使該自沖鉚釘的釘腳刺穿上層之該第一金屬鈑而停留在下層之第二金屬鈑內部，且對應於鉚釘位置之第二金屬鈑的底面朝外側外翻塑性變形而形成一鉚接接頭，以接合該第一金屬鈑與該第二金屬鈑；冷卻該疊合鈑件至一淬火溫度，該淬火溫度為相對於該第二金屬鈑材料的淬火溫度；開模取出該疊合鈑件。

在上述實施例中，該第一金屬鈑的材料為鋁合金，該第二金屬鈑的材料為鋼材，該軟化溫度為攝氏400℃以上。

在上述實施方式中，加熱該疊合鈑件的步驟還具有一工件加熱裝置，該工件加熱裝置係應用一移動機構移動於一初始位置停止加熱和一加熱位置進行加熱，該加熱位置係對應於該第一金屬鈑的預定沖入該自沖鉚釘的區域。

在上述實施方式中，該工件加熱裝置包含電磁感應線圈加熱。

在一實施方式中，冷卻該疊合鈑件的步驟還具有一工件冷卻裝置，該工件冷卻裝置係於該凹模內設置冷卻水道，並以液體在該冷卻水道內流動以冷卻凹模內的該疊合鈑件。

基於上述說明，本發明在自沖接合前，係包含工件軟化的處理，因此可應用原有設備，進行較設備原有可施作強度更高強度的鋼製鈑件接合。本發明可應用原有設備，增加加熱裝置與凹模(即下模具)冷卻的焠火裝置，實施性高。本發明可進行較原設備施作更高強度的鋼製鈑件接合。本發明在自沖範圍局部因淬火應用，工件與鉚釘皆有強度提升效果，進一步可強化自沖鉚接的接頭。本發明之接合方法，因工件表面無油、水，因此不易污染工件。

1:自沖鉚接設備

11:凹模

111:水流通道

12:沖頭

2:工件加熱裝置

3:工件冷卻裝置

4,4’:自沖鉚釘

41,41’:釘腳

5,5’:鉚接接頭

L:液體

L1,L1’:初始位置

L2,L2’:加熱位置

W1,W1’:第一金屬鈑

W2,W2’:第二金屬鈑

步驟S11~S16:本發明一實施例之鈑件接合與其冷卻的方法之步驟

步驟S21~S27:本發明另一實施例之鈑件接合與其冷卻的方法之步驟

[圖1]為本發明鈑件接合與其冷卻的方法一實施例之流程圖；[圖2]至[圖6]為圖1之本發明鈑件接合與其冷卻的方法之結構流程圖；[圖7]為本發明鈑件接合與其冷卻的方法另一實施例之流程圖；[圖8]為至[圖13]為圖7之本發明鈑件接合與其冷卻的方法之結構流程圖。

茲配合圖式將本創作實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本創作之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本創作有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可據以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本申請，而非用以限制本申請，另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語「包括」或「包含」應被解釋為意指包括該元件，但是不排除任何其它元件。

首先請參照圖1及圖2至圖6。本實施例之鈑件接合與其冷卻的方法包含下列步驟： 步驟S11，提供第一金屬鈑W1與第二金屬鈑W2，第一金屬鈑W1的熔點高於第二金屬鈑W2的最低加熱軟化溫度，例如：第一金屬鈑W1與第二金屬鈑W2同為高強度鋼；步驟S12，依序疊放該第二金屬鈑W2與該第一金屬鈑W1於一凹模11(例如一自沖鉚接設備1之凹模11)上，經適當固定，例如以夾具夾固第一金屬鈑W1與第二金屬鈑W2，使形成一疊合鈑件；步驟S13，加熱該疊合鈑件至一第一溫度後停止加熱，該第一溫度為該第一金屬鈑W1的鈑材軟化溫度，如圖2及圖3所示；步驟S14，將一自沖鉚釘4自疊合鈑件的第一金屬鈑W1朝向第二金屬鈑W2打入(例如應用自沖鉚接設備1的一沖頭12施以自沖鉚釘4衝力)，使自沖鉚釘4的釘腳41刺穿上層之該第一金屬鈑W1而停留在下層之第二金屬鈑W2內部，且對應於該自沖鉚釘4位置之第二金屬鈑W2的底面因沖頭12及凹模11的作用，而朝外側外翻塑性變形而形成一鉚接接頭5，以接合該第一金屬鈑W1與該第二金屬鈑W2，如圖4及圖5所示；步驟S15，冷卻疊合鈑件至第二溫度，第二溫度為相對於第一金屬鈑W1材料的淬火溫度，如圖5所示；步驟S16，開模取出完成接合的疊合鈑件，如圖6所示。

在本發明一實例中，第一金屬鈑W1與第二金屬鈑W2的材料為高強度鋼，第一溫度(即高強度鋼的軟化溫度)為攝氏400℃以上。

如圖3及圖4所示。本發明之加熱該疊合鈑件的步驟(即步驟S13)還具有一工件加熱裝置2，的工件加熱裝置2係應用一移動機構(因該移動機構可使用簡單的滑塊滑軌機構、連桿機構等，此皆為常用的機械構造，在此不贅 言且未圖式)移動於一初始位置L1停止加熱和一加熱位置L2進行加熱，該加熱位置L2係對應於第一金屬鈑W1的預定沖入自沖鉚釘的區域。上述工件加熱裝置2係可應用電磁感應線圈加熱方式。

如圖4及圖5所示。本發明之冷卻該疊合鈑件的步驟(即步驟S15)還具有一工件冷卻裝置3，的工件冷卻裝置3係於凹模11內設置水流通道111，並以液體在該水流通道111內循環流動，以在沖頭12壓住疊合鈑件並與凹模11合模的狀態下冷卻凹模11內的疊合鈑件。

上述實施例中，該第一金屬鈑W1與該第二金屬鈑W2的材質相同或其兩者的鈑件軟化溫度相接近，亦即當鈑件加熱至第一溫度時不會影響另一鈑件的機械性質。但當加工件的鈑件軟化溫度有較大差異時，例如待加工之該第一金屬鈑W1’為鋁合金，第二金屬鈑W2’為鋼鈑時，則不適合、也無必要在鉚接前一起加熱，因鋁合金原本材料就較自沖鉚釘為軟，因此不必加熱軟化之，此情形的鈑件接合與其冷卻的方法如下列所述：續請參考圖7，並對照圖8至圖13。本實施例之鈑件接合與其冷卻的方法係包含：步驟S21，提供第一金屬鈑W1’與第二金屬鈑W2’，第一金屬鈑W1’的熔點低於第二金屬鈑W2’的最低加熱軟化溫度，例如：第一金屬鈑W1材質為鋁合金，第二金屬鈑W2材質為高強度鋼；步驟S22，置放第二金屬鈑W2’於自沖鉚接設備1之一凹模11上；步驟S23，加熱第二金屬鈑W2’至一軟化溫度後停止加熱，軟化溫度為第二金屬鈑W2’的鈑材軟化溫度，如圖9所示； 步驟S24，疊放第一金屬鈑材W1’於第二金屬鈑W2’之上而形成疊合鈑件，當然，進行鉚接前，疊合鈑件會適當地固定在一起，例如以壓板或夾具固持之，以防止互相滑動，如圖11所示；步驟S25，將自沖鉚釘4’自疊合鈑件的第一金屬鈑W1’朝向第二金屬鈑W2’打入，使自沖鉚釘4’的釘腳41’刺穿上層之第一金屬鈑W1’而停留在下層之第二金屬鈑W2’內部，且對應於自沖鉚釘4’位置之第二金屬鈑W2’的底面朝外側外翻塑性變形而形成鉚接接頭5’，以接合第一金屬鈑W1’與第二金屬鈑W2’，如圖11、圖12所示；步驟S26，冷卻疊合鈑件至淬火溫度，淬火溫度為相對於第二金屬鈑材W2’料的淬火溫度，如圖12所示；步驟S27，開模取出完成接合的疊合鈑件，如圖13所示。

上述第一金屬鈑W1’的材料為鋁合金，第二金屬鈑W2’的材料為鋼材，該第二金屬鈑W2’的軟化溫度為攝氏400℃以上。

在一實施例中，如圖9及圖10所示。於上述加熱該疊合鈑件的步驟(即步驟S23)還具有一工件加熱裝置2，工件加熱裝置2係應用一移動機構(未圖式)移動於一初始位置L1’停止加熱和一加熱位置L2’進行加熱，加熱位置L2’係對應於第一金屬鈑W1’的預定沖入自沖鉚釘4’的區域。而工件加熱裝置2包含電磁感應線圈加熱方式為之。同樣地，在一實施例中，請參見圖11及圖12。上述冷卻該疊合鈑件的步驟(即步驟S26)還具有一工件冷卻裝置3，工件冷卻裝置3係於凹模11內設置水流通道111，並以液體L在該水流通道111內循環流動以在沖頭12壓住疊合鈑件並與凹模11合模的狀態下冷卻凹模11內的疊合鈑件。

上述實施形態僅例示性地說明本發明之原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。因此，本發明之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。

步驟S21~S27:本發明一實施例之鈑件接合與其冷卻的方法之步驟

Claims (4)

1. 一種鈑件接合與其冷卻的方法，包含：提供一第一金屬鈑與一第二金屬鈑，該第一金屬鈑的熔點低於該第二金屬鈑的最低加熱軟化溫度；置放該第二金屬鈑於一凹模上；加熱該第二金屬鈑至一軟化溫度後停止加熱，該軟化溫度為該第二金屬鈑的鈑材軟化溫度；疊放該第一金屬鈑材於該第二金屬鈑之上而形成一疊合鈑件；將一自沖鉚釘自該疊合鈑件的該第一金屬鈑朝向該第二金屬鈑打入，使該自沖鉚釘的釘腳刺穿上層之該第一金屬鈑而停留在下層之第二金屬鈑內部，且對應於自沖鉚釘位置之第二金屬鈑的底面朝外側外翻塑性變形而形成一鉚接接頭，以接合該第一金屬鈑與該第二金屬鈑；冷卻該疊合鈑件至一淬火溫度，該淬火溫度為相對於該第二金屬鈑材料的淬火溫度；以及開模取出該疊合鈑件；其中冷卻該疊合鈑件的步驟還具有一工件冷卻裝置，該工件冷卻裝置係於該凹模內設置水道，並以液體在該水道內循環流動以冷卻凹模內的該疊合鈑件。
2. 如請求項第1項所述鈑件接合與其冷卻的方法，其中該第一金屬鈑的材料為鋁合金，該第二金屬鈑的材料為鋼材，該軟化溫度為攝氏400℃以上。
3. 如申請專利範圍第1項所述鈑件接合與其冷卻的方法，其中加熱該疊合鈑件的步驟還具有一工件加熱裝置，該工件加熱裝置係應用一移動機構移動於一初始位置停止加熱和一加熱位置進行加熱，該加熱位置係對應於該第一金屬鈑的預定沖入該自沖鉚釘的區域。
4. 如申請專利範圍第3項所述鈑件接合與其冷卻的方法，其中該工件加熱裝置包含電磁感應線圈加熱。

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