一种低延展性金属材料的高强度无铆连接方法与流程

1.本发明涉及汽车制造技术领域，具体涉及一种低延展性金属材料的高强度无铆连接方法。

背景技术：

2.随着全球能源危机和环保问题日益严峻，各国对汽车节能减排的要求日趋严苛，因而轻量化成为了汽车发展的主要趋势。铝合金和镁合金等材料由于密度低，且比强度高、耐腐蚀性能好，已成为汽车轻量化材料领域的主力。
3.随着铝、镁等轻质合金在汽车车身中的应用比例逐渐提高，传统的点焊技术已无法满足铝、镁合金与钢制材料的连接，随之自冲铆接、热熔自攻丝连接、无铆连接等机械连接方法的应用日渐广泛，而其中无铆连接由于不需要引入连接元件，且连接成本更低，可进一步增加车身轻量化效果，目前已成为车身中非关键承载件(如发动机罩、后背门等)的主要连接方式，然而针对无铆连接的工艺特点，由于接头成形时，被连接件材料的变形量很大，要求被连接件的延展性较高、延伸率须达到12％以上，否则连接区域会产生明显的裂纹，导致连接失效；对于目前广泛应用的部分铝、镁合金，特别是铸铝和铸镁合金材料，其延伸率往往小于8％，导致进行无铆连接时，连接接头的颈部和底部区域出现明显裂纹，并且接头自锁值很小，接头承载能力极低，连接失效。

技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中低延展性材料无铆连接接头易产生裂纹及承载能力过低的问题的缺陷，从而提供一种低延展性金属材料的高强度无铆连接方法。
5.一种低延展性金属材料的高强度无铆连接方法，包括以下步骤：
6.步骤一：将被连接上板和被连接下板置于凹模上，通过压边圈向下施加压力使被连接板上板和被连接板下板牢固压紧于凹模和压边圈之间；
7.步骤二：圆柱形凸模向下运动直至圆柱形凸模接触到被连接板上板，此时圆柱形凸模以一定转速进行旋转运动，圆柱形凸模与被连接板上板之间进行相对运动，产生的摩擦热使被连接板上板和被连接板下板温度升高，直至使被连接上板和被连接下板的延伸率达到所需要求；
8.步骤三：被连接上板和被连接下板的延伸率达到所需要求后，圆柱形凸模停止旋转并以一定速度向下运动，使被连接板上板和被连接板下板产生塑性变形并填充于凹模的凹坑内，随着凸模不断向下运动，被连接板上板开始向侧面移动，使连接板上板和被连接板下板之间形成互锁；
9.步骤四：当凹模的凹坑内由被连接板上板和被连接板下板完全填满后，圆柱形凸模停止向下运动，圆柱形凸模静止保压一定时间后，圆柱形凸模向上运动，离开被连接板上板和被连接板下板的连接区域；
10.步骤五：将更换圆柱形凸模为圆锥形凸模，且将圆锥形凸模深入到凹模的凹坑内，此时使圆锥形凸模以一定速度绕凹模的轴线进行旋转，并对圆锥形凸模施加一定的侧向力，使被连接板上板进一步向侧面移动，直至被连接板上板和被连接板下板之间的互锁值满足要求；
11.步骤六：当互锁值满足要求后，锥形凸模停止旋转，然后向上运动，离开连接板上板和被连接板下板的连接区域，随后压边圈向上运动离开连接区域，连接过程结束。
12.进一步，所述圆柱形凸模和被连接板上板接触后的旋转速度为10r/s～100r/s，旋转时间为2s～20s。
13.进一步，所述被连接上板和被连接下板的延伸率达到12％以上为满足要求。
14.进一步，所述圆柱形凸模停止旋转后的向下运动速度为20mm/s～200mm/s，向下的铆接压力为0.5kn～5kn。
15.进一步，所述圆柱形凸模静止时间为1s～10s。
16.进一步，所述锥形凸模的锥角为10
°
～40
°
，其下端最大直径比所述圆柱形凸模(5)的直径小1mm～3mm。
17.进一步，对所述锥形凸模施加的侧向力大小为3kn～10kn。
18.进一步，所述互锁值达到0.5mm以上为满足要求。
19.进一步，所述被连接板上板和被连接板下板之间还涂有结构胶，所述结构胶的厚度为0.2mm～0.8mm。
20.进一步，所述被连接板上板和被连接板下板由铸铝或铸镁制成，其厚度为1mm～4mm；所述凹模、压边圈、圆柱形凸模和锥形凸模的都由钢材制成，且表面都经过淬火处理。
21.本发明技术方案对于传统无铆连接增加了圆柱形凸模与上层板材的摩擦生热过程和锥形凸模旋转增加两层板材之间互锁值的过程；通过圆柱形凸模与上层板材的摩擦生热，可使两层被连接板温度升高，延展性增强，延伸率达到12％以上，对于室温无铆连接时易产生裂纹的材料，如铸铝和铸镁等，采用此种方法可实现无裂纹的高质量连接；另外通过锥形凸模的旋转，可进一步增加被连接板材之间的机械互锁值，特别是针对铸铝、铸镁等低延展性材料，互锁值提升会更加明显，从而显著提高了接头的承载能力。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为连接前和连接后的示意图；
24.图2为连接过程图；
25.图3为互锁值示意图；
26.图4为结构胶位置示意图；
27.附图标记说明：
28.1-被连接板上板；
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2-被连接板下板；
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3-凹模；
29.4-压边圈；
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5-圆柱形凸模；
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6-锥形凸模；
30.7-结构胶；
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
35.请参阅图1至图3一种低延展性金属材料的高强度无铆连接方法，包括以下步骤：
36.步骤一：将被连接上板1和被连接下板2置于凹模3上，通过压边圈4向下施加压力使被连接板上板1和被连接板下板2牢固压紧于凹模3和压边圈4之间；
37.步骤二：圆柱形凸模5向下运动直至圆柱形凸模5接触到被连接板上板1，此时圆柱形凸模5以一定转速进行旋转运动，圆柱形凸模5与被连接板上板1之间进行相对运动，产生的摩擦热使被连接板上板1和被连接板下板2温度升高，直至使被连接上板1和被连接下板2的延伸率达到所需要求；
38.步骤三：被连接上板1和被连接下板2的延伸率达到所需要求后，圆柱形凸模5停止旋转并以一定速度向下运动，使被连接板上板1和被连接板下板2产生塑性变形并填充于凹模3的凹坑内，随着凸模5不断向下运动，被连接板上板1开始向侧面移动，使连接板上板1和被连接板下板2之间形成互锁；
39.步骤四：当凹模3的凹坑内由被连接板上板1和被连接板下板2完全填满后，圆柱形凸模5停止向下运动，圆柱形凸模5静止保压一定时间后，圆柱形凸模5向上运动，离开被连接板上板1和被连接板下板2的连接区域；
40.步骤五：将更换圆柱形凸模5为圆锥形凸模6，且将圆锥形凸模6深入到凹模3的凹坑内，此时使圆锥形凸模6以一定速度绕凹模3的轴线进行旋转，并对圆锥形凸模6施加一定的侧向力，使被连接板上板1进一步向侧面移动，以此增加被连接板上板1和被连接板下板2之间的互锁值，从而提高接头连接强度，直至被连接板上板1和被连接板下板2之间的互锁值满足要求；
41.步骤六：当互锁值满足要求后，锥形凸模6停止旋转，然后向上运动，离开连接板上板1和被连接板下板2的连接区域，随后压边圈4向上运动离开连接区域，连接过程结束。
42.所述圆柱形凸模5和被连接板上板1接触后的旋转速度为10r/s～100r/s，旋转时间为2s～20s，以此保证被连接板上板1和被连接板下板2的温度升高到200℃以上，进而保证被连接上板1和被连接下板2的延伸率达到要求。
43.所述被连接上板1和被连接下板2的延伸率达到12％以上为满足要求。
44.所述圆柱形凸模5停止旋转后的向下运动速度为20mm/s～200mm/s，向下的铆接压力为0.5kn～5kn。
45.所述圆柱形凸模5静止时间为1s～10s，以此使被连接上板1和被连接下板2的温度适当降低。
46.所述锥形凸模6的锥角为10
°
～40
°
，其下端最大直径比所述圆柱形凸模5的直径小1mm～3mm。
47.对所述锥形凸模6施加的侧向力大小为3kn～10kn。
48.所述互锁值达到0.5mm以上为满足要求。
49.请参阅图4，所述被连接板上板1和被连接板下板2之间还涂有结构胶7，所述结构胶7的厚度为0.2mm～0.8mm，其他工艺过程及工艺参数与未涂结构胶时相同。
50.所述被连接板上板1和被连接板下板2由低延展性材料制成，如铸铝、铸镁等，其厚度为1mm～4mm；所述凹模3、压边圈4、圆柱形凸模5和锥形凸模6的都由钢材制成，且表面都经过淬火处理。
51.本发明相对于传统无铆连接的区别是增加了圆柱形凸模与上层板材的摩擦生热过程和锥形凸模旋转增加两层板材之间互锁值的过程。通过圆柱形凸模与上层板材的摩擦生热，可使两层被连接板温度升高，延展性增强，延伸率达到12％以上，对于室温无铆连接时易产生裂纹的材料，如铸铝和铸镁等，采用此种方法可实现无裂纹的高质量连接。另外通过锥形凸模的旋转，可进一步增加被连接板材之间的机械互锁值，特别是针对铸铝、铸镁等低延展性材料，互锁值提升会更加明显，从而显著提高了接头的承载能力。
52.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：

1.一种低延展性金属材料的高强度无铆连接方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将被连接上板(1)和被连接下板(2)置于凹模(3)上，通过压边圈(4)向下施加压力使被连接板上板(1)和被连接板下板(2)牢固压紧于凹模(3)和压边圈(4)之间；步骤二：圆柱形凸模(5)向下运动直至圆柱形凸模(5)接触到被连接板上板(1)，此时圆柱形凸模(5)以一定转速进行旋转运动，圆柱形凸模(5)与被连接板上板(1)之间进行相对运动，产生的摩擦热使被连接板上板(1)和被连接板下板(2)温度升高，直至使被连接上板(1)和被连接下板(2)的延伸率达到所需要求；步骤三：被连接上板(1)和被连接下板(2)的延伸率达到所需要求后，圆柱形凸模(5)停止旋转并以一定速度向下运动，使被连接板上板(1)和被连接板下板(2)产生塑性变形并填充于凹模(3)的凹坑内，随着凸模(5)不断向下运动，被连接板上板(1)开始向侧面移动，使被连接板上板(1)和被连接板下板(2)之间形成互锁；步骤四：当凹模(3)的凹坑内由被连接板上板(1)和被连接板下板(2)完全填满后，圆柱形凸模(5)停止向下运动，圆柱形凸模(5)静止保压一定时间后，圆柱形凸模(5)向上运动，离开连接板上板(1)和被连接板下板(2)的连接区域；步骤五：将更换圆柱形凸模(5)为圆锥形凸模(6)，且将圆锥形凸模(6)深入到凹模(3)的凹坑内，此时使圆锥形凸模(6)以一定速度绕凹模(3)的轴线进行旋转，并对圆锥形凸模(6)施加一定的侧向力，使被连接板上板(1)进一步向侧面移动，直至被连接板上板(1)和被连接板下板(2)之间的互锁值满足要求；步骤六：当互锁值满足要求后，锥形凸模(6)停止旋转，然后向上运动，离开连接板上板(1)和被连接板下板(2)的连接区域，随后压边圈(4)向上运动离开连接区域，连接过程结束。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述圆柱形凸模(5)和被连接板上板(1)接触后的旋转速度为10r/s～100r/s，旋转时间为2s～20s。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被连接上板(1)和被连接下板(2)的延伸率达到12％以上为满足要求。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述圆柱形凸模(5)停止旋转后的向下运动速度为20mm/s～200mm/s，向下的铆接压力为0.5kn～5kn。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述圆柱形凸模(5)静止时间为1s～10s。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锥形凸模(6)的锥角为10
°
～40
°
，其下端最大直径比所述圆柱形凸模(5)的直径小1mm～3mm。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述锥形凸模(6)施加的侧向力大小为3kn～10kn。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述互锁值达到0.5mm以上为满足要求。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被连接板上板(1)和被连接板下板(2)之间还涂有结构胶(7)，所述结构胶(7)的厚度为0.2mm～0.8mm。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被连接板上板(1)和被连接板下板(2)由铸铝或铸镁制成，其厚度为1mm～4mm；所述凹模(3)、压边圈(4)、圆柱形凸模(5)和锥形凸模(6)的都由钢材制成，且表面都经过淬火处理。

技术总结

本发明具体涉及一种低延展性金属材料的高强度无铆连接方法，在传统无铆连接工艺基础上，通过适当的工艺改进，解决了低延展性材料无铆连接接头易产生裂纹及承载能力过低的问题，保证其高质量连接于车身上；相对于传统无铆连接增加了圆柱形凸模与上层板材的摩擦生热过程和锥形凸模旋转增加两层板材之间互锁值的过程，通过圆柱形凸模与上层板材的摩擦生热，使两层被连接板温度升高，延展性增强，延伸率达到12％以上，对于室温无铆连接时易产生裂纹的材料，采用此种方法可实现无裂纹的高质量连接；通过锥形凸模的旋转，进一步增加被连接板材之间的机械互锁值，特别是针对低延展性材料，互锁值提升会更加明显，从而显著提高了接头的承载能力。头的承载能力。头的承载能力。