专利名称：激光加热无铆钉铆接装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的一种汽车制造技术领域的无铆钉铆接装置，具体是ー种激光加热无铆钉铆接装置。
背景技术：
汽车エ业的发展与世界能源、环境问题日益激烈的矛盾促进了汽车轻量化理念的发展，在该理念下，铝合金、镁合金由于密度低， 耐腐蚀性好等特点越来越多的应用到汽车行业中，高强钢、碳纤维材料具有较高的比強度也在车身上得到了广泛应用。铝镁合金由于具有较高的导热性、表面易氧化，因此传统的点焊连接エ艺很难实现铝镁合金板料之间的连接；而新型结构往往需要对不同材料如钢与铝合金之间进行连接，此时点焊在焊接不同材料时由于熔点和热膨胀系数差异较大，焊接时焊点出现硬而脆的金属化合物，难以实现有效地焊接接头。新材料的应用促进了新エ艺的发展，针对点焊在新型轻质材料连接中的缺点国外提出无铆钉铆接エ艺，无铆钉铆接エ艺属于机械压铆エ艺，板料在冲头压力作用下在凹模内发生塑性变形，由于凹模内部的结构使得上下板料在流动过程中在凹模内部形成镶入量，实现上下两块板料之间的锁死、连接。因此无铆钉铆接过程属于冷成型过程，没有点焊板料融化过程中所帯来的应カ集中等问题，无铆钉铆接接头在具有较好的静态力学性能外还具有比点焊更加理想的动态强度。而对于铝镁合金材料由于材料成形性能较差在无铆钉成形过程中经常出现铝合金被冲断，材料发生裂纹等现象；此外对于高强钢，由于材料屈服极限较高，不容易成形，在铆接成形过程中需要较大的成形抗力，对无铆钉铆接设备提出了更高的要求，增加了铆接成本。温控成形技术能增强材料的成形性能，降低材料屈服、强度极限，増加材料的延展性，成形性能。对于铝合金材料，随着成形温度的升高材料屈服极限降低，材料成形抗カ降低，材料成形极限提高，在冲压过程中不容易出现裂纹和冲断。
发明内容本实用新型针对目前无铆钉铆接技术的不足，提出一种激光加热无铆钉铆接装置，通过引入激光加热温控成形方法来増加铝镁合金金属成形性能，以解决铝镁合金等成形性差材料在铆接过程中被冲断的问题；同时利用激光加热温控成形方法降低材料屈服极限，减小发生塑性变形时的变形抗力，降低了铆接高强材料对无铆钉铆接设备铆接力、框架刚度的要求。本实用新型是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下—种激光加热无铆钉铆接装置，主要由复合冲头、复合压边圈、复合凹模和激光控制系统组成，所述复合冲头⑴内套于复合压边圈(5)中，并与エ件、复合凹模(11)由上而下同轴布置；所述的复合冲头(I)为空心圆台结构，空心圆孔1(4)内部螺纹装配光纤管
I(2)和凹透镜I (3)，凹透镜I (3)装在光纤光管I (2)底部，凹透镜I (3)距复合冲头(I)下端面有一微小距离，复合冲头(I)下端面直径小于上端面直径，即外表面设有一定的拔模斜角，以方便冲头退模，下端面边缘设有圆形倒角。所述复合压边圈(5)为用于施加压边カ的环形柱体，其下表面靠近中心孔处环向至少开设ー对矩形凹槽出)，每个凹槽与沿着直径方向的方形凹槽(8)连接，(矩形凹槽(6)内固定有热敏电阻(7)，热敏电阻的外表面高于复合压边圈(5)的下表面，以确保热敏电阻能充分接触到铆接板料上，与热敏电阻相连的导线布置在方形凹槽(8)内，并与激光控制系统相连。)所述复合凹模(11)顶部设有空腔，空腔底部圆周处设有截面为半圆形的环形凹槽(12)，空腔底部中心处设有空心圆孔II (14)，空心圆孔11(14)内部螺纹 装配光纤管
II(16)和凹透镜II (15)，凹透镜II (15)设在光纤管II (16)的上部，凹透镜II (15)上表面低于复合凹模(11)上表面。所述复合凹模(11)上表面靠近空腔处环向开设有矩形凹槽￠)，每个凹槽与沿着直径方向的方形凹槽(8)连接，热敏电阻(7)布置在复合凹模(11)上的矩形凹槽(6)内，并且热敏电阻(7)的外表面高于复合凹模(11)的上表面，以确保热敏电阻(7)能充分接触到铆接板料上，与热敏电阻(7)相连的导线布置在方形凹槽(8)内，并与激光控制系统相连。本实用新型相比现有技术具有以下优点结合温控成形技术，通过对无铆钉铆接材料铆接区域进行加热，増加材料成形能力如延展性，流动性，一方面避免了脆性材料在铆接成形过程中裂纹的产生；另ー方面降低了高强板料发生塑性变形的变形抗力，提高了高强材料塑性变形能力，能够铆接出质量更好的接头。
图I为本实用新型结构示意图。图2为复合压边圈结构示意图。图3为复合凹模接头示意图。图4为实施例エ艺流程图，其中图4(a)激光加热；图4 (b)停止加热开始铆接成形；图4 (C)冲头接触到板料；图4(d)冲头运动到下止点，铆接结束。图4(e)冲头复位。图中1.复合冲头2.光纤管I 3.凹透镜I 4.空心圆孔I 5.复合压边圈
6.矩形凹槽7.导线8.方形凹槽9.上板料10.下板料11.复合凹模12.半圆形环形凹槽13.圆柱形凸起14.空心圆孔II 15.凹透镜II 16.光纤管II
具体实施方式
以下为对实用新型的实施例做详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。本实用新型包括复合冲头(I)、复合压边圈(5)和复合凹模(11)和激光发射控制部分。其中复合冲头(I)内套于复合压边圈(5)中，并与上下板料(9)、(10)和复合凹模(11)由上而下依次同轴布置。复合冲头(I)为圆台结构，中心设有空心圆孔I (4)，复合冲头(I)下表面直径小于上表面直径，复合冲头(I)外表面设有一定的拔模斜角，以方便冲头退模。复合冲头(I)空心圆孔I (4)内布置光纤管I (2)和凹透镜I (3)。光纤管I (2)在复合冲头的空心圆孔I (4)内通过螺纹固定，光纤管I (2)下设有凹透镜I (3)，凹透镜I (3)距复合冲头I下表面有ー很小距离，光纤管I (2)输出的点光源通过凹透镜1(3)的透射作用以一定的角度发散照射到要加热的上下铆接板料(9)、(10)表面。选取适当曲率的凹透镜I (3)，使得照射上下铆接板料(9)、(10)表面的激光圆形区域为铆接板料成形区域。复合压边圈(5)底部靠近中心孔处环向至少设有ー对矩形凹槽(6)，并与沿着直径方向的小凹槽方形凹槽(8)连接。矩形凹槽(6)中布置热敏电阻，与热敏电阻连接的导 线(7)布置在方形凹槽(8)中。热敏电阻凸出于复合压边圈(5)下表面，以确保热敏电阻与上板料(9)接触良好。复合凹模(11)顶部设有中心空腔，中心空腔底部圆周处设有截面为半圆形的环形凹槽(12)，并在中心空腔中心设有圆柱形凸起(13)。圆柱形凸起(13)直径小于凹模中心空腔直径，并在两直径之间开有截面为半圆形环形凹槽(12)。在中心空腔圆心处开有空心圆孔II (14)，其内布置光纤管11(16)和凹透镜11(15)。空心圆孔II (14)内壁设有螺纹，光纤管11(16)和凹透镜II (15)进行螺纹固定，凹透镜11(15)距复合凹模(11)上表面有ー很小距离，光纤管II (16)输出的点光源通过凹透镜11(15)的透射作用以一定的角度发散照射到要加热的下铆接板料(10)表面。选取适当曲率的凹透镜，使得照射铆接板料表面的激光圆形区域为铆接板料成形区域。在复合凹模(11)上表面靠近空腔壁处环向至少设有ー对矩形凹槽(6)，并与沿着直径方向的发方形凹槽(8)连接。矩形凹槽(6)中布置热敏电阻，与热敏电阻连接的导线布置在方形凹槽(8)中。热敏电阻凸出于凹模上表面，以确保热敏电阻与下铆接板料(10)接触良好。复合凹模(11)、复合冲头(I)均为硬度很高的模具钢，如Crl2MoV等。激光控制系统由电源,主板,激光驱动板，温度控制板，系统控制板，光纤激光输出模块，光纤管等组成，属于常规设计，激光控制模块可由市场选购。光纤输出激光模块安装在散热制冷模块中，以确保激光输出模块连续工作时温度正常。输出激光通过光纤连接器与光纤连接，并通过复合冲头和复合凹模中的光纤管、凹透镜入射到铆接板料上。设备在复合压边圈(5)和复合凹模(11)上的热敏电阻能即时监测加热板料温度，当温度达到目标温度时通过与之相连的控制系统终止激光加热，并启动复合冲头(I)进行铆接成形。本实用新型装置工作时，先将待铆接エ件放置于复合凹模(11)上，然后驱动复合压边圈(5)压紧板料，此时控制激光输出模块输出激光，激光通过光纤管、凹透镜照射在上下板料成形区域上。上下板料成形区域在激光照射下瞬间升温，通过复合压边圈(5)和复合凹模(11)上的热敏电阻即时探測出板料温度，当板料温度达到最佳铆接温度时停止加热，并启动复合冲头(I)进行铆接。处于高温下板料具有较好的延展性，因此在铆接过程中避免了脆性材料铆接时裂纹的产生，同时还减小了铆接高强钢时的铆接力。铆接完成后，恢复冲头最初エ位，激光加热无铆钉铆接エ艺完成。參阅图(I)所示，本例包括复合冲头(I)、复合压边圈(5)、上下铆接板料(9)，
(10)、复合凹模(11)。复合冲头(I)、复合压边圈(5)、上下铆接板料(9)、(10)及复合凹模
(11)从上到下依次布置，复合冲头(I)套接于复合压边圈(5)内，复合凹模(11)与复合冲头⑴同轴布置。复合冲头(I)、空心圆孔I (4)与光纤管I (2)通过螺纹进行连接，光纤管I (2)外布置凹透镜I (3)，凹透镜I (3)下表面距复合冲头(I)下表面距离为1mm。复合冲头⑴为空心圆台结构，复合冲头⑴底部直径为5. 2mm，空心圆孔I (4)与光纤管I (2)直径相同为3mm,复合冲头I外壁拔模角度为5° ,复合冲头(I)底部边缘圆角·半径为O. 5mm。复合冲头(I)初始位置下表面距上铆接材料9距离为9mm，选用的凹透镜I (3)的焦距f = 6mm。參阅图(2)所示，复合压边圈(5)在下表面上沿着两条互相垂直直径方向上设有宽度为2mm方形凹槽(8)，并在靠近内圆柱表面处分别设有宽度和高度为4mm，长度为6mm的矩形槽(17)。矩形槽内布置热敏电阻，为确保热敏电阻能够充分接触到铆接材料，热敏电阻上表面高出压边圈1mm，与热敏电阻连接的导线布置在方形凹槽(8)中。參阅图(3)所示，复合凹模(11)圆柱形空腔直径为8mm，在空腔底部设有圆柱形凸起(13)，圆柱形凸起上表面距凹模上表面距离为I. 4mm，在圆柱形凸起与空腔之间设有截面直径为Imm的半圆形环形凹槽(12)。參阅图(3)所示，在复合凹模(11)空腔中心处开有空心圆孔II (14)，空心圆孔11(14)直径与光纤管II (16)直径相同，为3_，并通过螺纹将光纤管II (16)固定在空心圆孔II (14)中，光纤管11(16)外布置凹透镜II (15)，凹透镜上表面距圆柱形凸起(13)上表面距离为1mm。选用的凹透镜II (15)的焦距f = I. 44mm。參阅图3所示，在复合凹模(11)上表面上沿着两条互相垂直直径方向上设有宽度为2mm方形凹槽(8)，并在靠近内圆柱表面处分别设有宽度和高度为4mm，长度为6mm的矩形凹槽出)。矩形凹槽出)内布置热敏电阻，为确保热敏电阻能够充分接触到铆接材料，热敏电阻上表面高出复合压边圈1mm，与热敏电阻连接的导线7布置在方形凹槽(8)中。复合冲头(I)、复合压边圈(5)、复合凹槽(11)都采用为硬度很高的模具钢，如Crl2MoV 等。本实施例所用的上下铆接材料(9)、(10)为5083铝合金材料，上下铆接板料厚度均为Imnin在铆接过程中复合冲头(I)冲压速度为100mm/min，复合冲头(I)行程距离为复合冲头(I)下表面距板料距离、两板料厚度、复合冲头(I)侵入复合凹模(11)深度三个距离总和，本例中复合冲头(I)行程为11. 7_。本实施例中调节光纤激光输出模块激光输出功率为lKw。[0050]本实施例实施流程如图4(a_e)所示，将上下铆接板料(9)、(10)放置于复合凹模
(11)模具上，驱动复合压边圈(11)，压紧上铆接板料(9);光纤输出激光模块输出激光，并通过光纤管、凹透镜，入射到板料铆接区域处，光纤输出激光模块输出功率为lKw，入射到板料铆接区域的激光功率密度为103W/cm2 ;通过布置于复合压边圈(5)底部、复合凹模(11)上表面处的热敏电阻即时测量加热板料温度，当温度加热到300°时，通过激光控制系统终止加热，并启动复合冲头(I)开始铆接成形；复合冲头(I)向下冲压铆接板料，直到达到冲头下止点，此时铆接结束，上下板料铆接在复合冲头(I)压カ作用下在复合凹模(11)内行程自锁接头；保持冲头在下止点位置，防止退模后板料回头进行镦锻保压；退回初始エ位， 激光加热无铆钉铆接完成。
权利要求1.一种激光加热无铆钉铆接装置，主要由复合冲头、复合压边圈、复合凹模组成，其特征在于，所述复合冲头(I)内套于复合压边圈(5)中，并与エ件、复合凹模(11)由上而下同轴布置；所述的复合冲头(I)为空心圆台结构，空心圆孔I (4)内部螺纹装配光纤管I (2)和凹透镜I (3)，凹透镜I (3)装在光纤光管I (2)底部，凹透镜I (3)距复合冲头(I)下端面有一微小距离，复合冲头(I)下端面直径小于上端面直径，下端面边缘设有圆形倒角。
2.根据权利要求I所述的ー种激光加热无铆钉铆接装置，其特征在于，所述复合压边圈(5)为用于施加压边カ的环形柱体，其下表面靠近中心孔处环向至少开设ー对矩形凹槽(6)，每个凹槽与沿着直径方向的方形凹槽(8)连接，矩形凹槽(6)内固定有热敏电阻(7)，热敏电阻的外表面高于复合压边圈(5)的下表面，以确保热敏电阻能充分接触到铆接板料上，与热敏电阻相连的导线布置在方形凹槽(8)内，并与激光控制系统相连。
3.根据权利要求I或2所述的ー种激光加热无铆钉铆接装置，其特征在于，所述复合凹模(11)顶部设有中心空腔，空腔底部圆周处设有截面为半圆形的环形凹槽(12)，空腔底部中心处设有空心圆孔II (14)，空心圆孔11(14)内部螺纹装配光纤管11(16)和凹透镜II (15)，凹透镜II (15)设在光纤管II (16)的上部，凹透镜II (15)上表面低于复合凹模(11)上表面。
4.根据权利要求3所述的ー种激光加热无铆钉铆接装置，其特征在干，所述复合凹模(11)上表面靠近空腔处环向开设有矩形凹槽出)，每个凹槽与沿着直径方向的方形凹槽(8)连接，热敏电阻(7)布置在复合凹模(11)上的矩形凹槽(6)内，并且热敏电阻(7)的外表面高于复合凹模(11)的上表面，以确保热敏电阻(7)能充分接触到铆接板料上，与热敏电阻(7)相连的导线布置在方形凹槽(8)内，并与激光控制系统相连。
专利摘要本实用新型涉及的一种汽车制造技术领域的激光加热无铆钉铆接装置。该装置由复合冲头、复合压边圈、复合凹模组成，复合冲头内套于复合压边圈中，并与工件、凹模由上而下同轴布置；复合冲头和复合凹模中心设有空心圆孔，空心孔内装有光纤管和凹透镜；复合压边圈和复合凹模与板料接触的表面环向设有凹槽，用于布置热敏电阻即导线与激光控制系统连接。本实用新型在铆接成形前通过激光加热铆接材料成形区域，增加材料的成形性能，避免脆性材料在铆接过程中易于裂纹、断裂，同时能降低材料的塑性变形抗力，使得板料在成形过程中变形充分，易于得到质量更好的铆接接头，同时随着材料的塑性变形抗力的降低，降低了对铆接设备铆接力、刚度的要求。
文档编号B21D37/16GK202621742SQ20122024068
公开日2012年12月26日 申请日期2012年5月25日 优先权日2012年5月25日
发明者庄蔚敏, 刘学成, 陈延红, 于皖东, 梁丽丽, 曹德闯 申请人:吉林大学