专利名称：无铆钉电阻铆焊连接装置及方法
技术领域：
本发明涉及的是一种金属板件的加工装置及方法，具体是一种无铆钉电阻铆焊连接装置及方法，属于金属连接加工技术领域。
背景技术：
面对节能减排的社会发展趋势，铝、镁等有色轻合金以及先进高强钢等轻量化的金属材料受到世界各大汽车生产厂商的青睐。综合考虑车身刚度、耐撞性和制造成本等各项因素，构建上述有色轻合金与先进高强钢的多材料车身将是未来车身装配制造的大势所趋。然而，由于上述有色轻合金电导率高、导热性好，同时有色轻合金与高强钢的热物理属性差异巨大以及熔钎焊时易形成硬而脆的金属间化合物，使得传统车身制造中所广泛采用的电阻点焊方法不适合用于连接有色轻合金及其与高强钢的混合板件。针对上述问题，国外提出了一种使铆钉与底层板料之间形成牢固互锁的机械冷成形工艺——半空心铆钉自冲铆接Gelf-piercing riveting，简称SPR)来代替电阻点焊技术以实现有色合金与先进高强钢板的连接，该方法有效地避免了异种材料熔化焊时所存在的问题。然而在铆接高强钢时，由于高强钢强度高、变形困难，铆接时需要较大的冲铆力，这对铆钉的机械性能提出了更高的要求，从而使得SI^R工艺的运行成本急剧增加；同时，与铆钉的使用相配套的送钉机构等也增加了设备体积与成本；另一方面，铆钉的大量使用也相应增加了车体总重量，降低了汽车轻量化的效果。经过对现有技术检索发现，德国TOX公司于八十年代末研发的专利技术——无铆钉铆接工艺(Clinching)是一种无需铆钉，仅通过可重复使用的冲头对板件进行压力加工，使得板件产生局部大变形而形成机械互锁，最终将其连接在一起的一种板件连接技术。 这种技术由于无需铆钉，既降低了设备和生产成本，又不增加车身重量。然而，相较半空心铆钉自冲铆接工艺而言，该技术形成的接头静动态强度较低，往往只适用于发动机罩和行李箱盖内外板等对强度要求较低的构件的连接，大大限制了其在车身制造中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无铆钉电阻铆焊连接装置，其能够实现有色轻合金之间以及其与高强度钢板之间的机械-熔钎焊复合连接，从而大大提高连接部的韧性及连接强度。为实现以上目的，本发明通过如下技术方案解决其技术问题—种无铆钉电阻铆焊连接装置，其包括同轴设置的冲击电极、压边圈和模具电极， 所述冲击电极和模具电极分别连接焊接电源，所述压边圈为圆筒状，其套置于冲击电极的外周且与之形成滑动配合，所述模具电极的中央设置有容许冲击电极伸入的凹模空腔。本发明所述的无铆钉电阻铆焊连接装置，其冲击电极由冲击杆、上电极头和绝缘套组成，所述冲击杆的头部中心设有圆柱沉孔，所述上电极头通过螺纹旋固于该圆柱沉孔中，所述绝缘套套置于该上电极头的头部且通过螺纹连接冲击杆；所述模具电极由绝缘模具体和下电极头组成，所述凹模空腔位于该绝缘模具体上端面的中心，其四周上沿设有圆弧倒角，该凹模空腔的底部中央设有圆柱形凸台，该圆柱形凸台的中心设有轴向的“T”字形通孔，所述下电极头固定于该圆柱形凸台的中心且端面高于该圆柱形凸台的上端面，该下电极头穿置于所述“T”字形通孔中并通过螺母锁固；所述冲击杆、上电极头和下电极头由锆铜合金、铬铜合金或镍硅铜合金制成；所述压边圈由绝缘材料或表面涂有绝缘涂料的钢材制成。本发明提供的另一技术方案为一种无铆钉电阻铆焊方法，在上述的无铆钉电阻铆焊连接装置上实施，其包括如下步骤1)被铆焊金属板件放置于所述铆焊连接装置的冲击电极与模具电极之间，并驱动所述压边圈将板件压紧在模具电极之上；2)启动冲击电极向下进行冲铆运动并将板件逐渐压入模具电极的凹模空腔中，以使板件发生塑性变形互锁达到机械压合；3)对冲击电极与模具电极之间的板件保持冲铆压力，同时通以一定时间和大小的焊接电流，使板件接触界面形成熔钎焊接头；4)通电结束后，冲击电极与压边圈持续保持压力一定时间，之后退回初始工位，无铆钉电阻铆焊连接工序完成。本发明相比现有技术具有以下优点本发明将无铆钉铆接与电阻点焊工艺有效结合成为一体化的完整工艺，通过对无铆钉铆接所形成的机械连接接头通以焊接电流进行熔钎焊，最终在金属板与板之间形成机械-熔钎焊复合连接接头；从而一方面利用机械连接提高了接头的韧性，避免了有色轻合金之间以及其与高强钢之间的熔钎焊接头的脆性，另一方面利用熔钎焊连接提高了接头的静动态力学性能，克服了原无铆钉铆接接头强度较低的缺陷。本发明不仅可以应用于有色合金和高强钢的连接，也可以应用于各种有色合金之间以及各种高强钢之间的连接。
图1是本发明的总体结构图。图2是本发明冲击电极的结构图。图3是本发明冲击杆的结构图。图4是本发明上电极头的结构图。图5是本发明绝缘套的结构图。图6是本发明模具电极的结构图。图7是本发明绝缘模具体的结构图。图8是本发明下电极头的结构图。图9是本发明的工艺方法流程示意图。图10是本发明形成的机械-熔钎焊复合连接接头示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，实施例以本发明技术方案为前提下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仅限于下述的实施例。如图1所示，本实施例所述无铆钉电阻铆焊连接装置包括冲击电极1、压边圈2和模具电极3，三者同轴设置，其中，冲击电极1和压边圈2位置在上，模具电极3在下。所述压边圈2为圆筒状，其套置于冲击电极1的外周，并且两者之间形成滑动配合，即冲击电极 1在压边圈2内能够沿轴向滑动。所述模具电极3的中央设置有凹模空腔17，该凹模空腔 17容许冲击电极1伸入，以对被铆焊连接的金属板件4进行冲铆挤压。所述冲击电极1和模具电极3分别连接焊接电源，以便通电对板件4进行熔钎焊。结合参阅图2，所述的冲击电极1由冲击杆5、上电极头6和绝缘套7组成，其中， 上电极头6和绝缘套7与冲击杆5通过螺纹进行连接。如图3所示，所述冲击杆5由上部的圆柱杆体和下部的头部构成。该冲击杆5的头部为具有相同锥角的上倒圆锥台8和下倒圆锥台9相固连的结构，本实施例中，该上倒圆锥台8的大径为7. 8mm，等于冲击杆5圆柱杆体的直径，上倒圆锥台8的小径为7. 35mm,高度为3. 2mm ；该下倒圆锥台9的大径为6. 27mm, 小于上倒圆锥台8的小径，高度为3. 7mm;两倒圆锥台8和9的锥角均为8°。所述冲击杆 5的头部中心设有开口向下的圆柱沉孔10，本实施例中，该圆柱沉孔10直径为4mm，深度为 6mm,小于上、下两倒圆锥台8和9的总高度。所述下倒圆锥台9的外侧面和圆柱沉孔10的孔壁处均加工有螺纹。如图4所示，所述的上电极头6是圆柱杆11和倒圆锥头12相固连的结构，该圆柱杆11外侧面加工有外螺纹与圆柱沉孔10的内螺纹相配合，从而所述上电极头6通过螺纹旋固于该圆柱沉孔10中。本实施例中，圆柱杆11的高度为4. 5mm ；倒圆锥头 12的高度为2. 5mm，大径为5. 35mm，与下倒圆锥台9底部的小径相同，倒圆锥头12的锥角与下倒圆锥台9的锥角同为8°。如图5所示，所述的绝缘套7呈倒圆锥筒形，其套置于所述上电极头6的头部。本实施例中，该绝缘套7高度为6mm，锥角为8°，与下倒圆锥台9的锥角相同，其外侧大径与上倒圆锥台8的小径同为7. 35mm,内侧自大径端面起加工有3. 2mm 长的内螺纹，与下倒圆锥台9外侧面的螺纹相配合，从而所述绝缘套7通过该螺纹连接在所述冲击杆5上。如图6所示，所述的模具电极3由绝缘模具体13和下电极头14通过垫片15和螺母16紧固连接而成。如图7所示，所述模具电极3的凹模空腔17位于所述绝缘模具体 13上端面的中心，该凹模空腔17呈倒圆锥台状，其四周上沿设有圆弧倒角；本实施例中，所述凹模空腔17的深度为2. 65mm，底部直径为8. 8mm，锥角为20°，四周圆弧倒角的半径为 0. 5mm。所述凹模空腔17的底部中央设有圆柱形凸台18，该圆柱形凸台18的中心线与冲击电极1的中心线一致，其直径小于凹模空腔17底部的直径，圆柱形凸台18与凹模空腔17内壁之间设有截面为半圆形的环形凹槽；本实施例中，圆柱形凸台18的高度为0. 6mm，直径为 6. 6mm,环形凹槽截面的直径为1. 4mm。所述绝缘模具体13底部正中心设有一开口向下的圆柱形沉孔，所述圆柱形凸台18的中心设有轴向的“T”字形通孔，该“T”字形通孔将所述凹模空腔17与所述绝缘模具体13的圆柱形沉孔连通起来；本实施例中，绝缘模具体13圆柱形沉孔的直径为9mm，“T”字形通孔的上端由直径为5. 6mm,高度为0. 5mm的圆柱孔和高度为 0.7mm，锥角为90°的倒圆锥台孔构成，其下端为直径4. 2mm，高度3. 3mm的圆柱孔。如图8 所示，所述下电极头14的上部为圆锥台19、圆柱体20以及倒圆锥台21相固连的结构，下部为螺杆22 ；本实施例中，圆锥台19的高度为0.2mm，锥角为90°，大径为5. 6mm，圆柱体20 的高度为0.5mm，直径为5. 6mm，倒圆锥台21的高度0. 8mm，锥角为90°，大径为5. 6mm，小径为4mm，螺杆22的直径为4mm。请参阅图6，所述下电极头14穿置于所述绝缘模具体13 的“T”字形通孔中，并且通过螺母16锁固于所述圆柱形凸台18的中心，该下电极头14上部圆锥台19的上端面高于该圆柱形凸台18的上端面，以便与板材4接触并通电，下电极头 14的圆柱体20和倒圆锥台21分别与绝缘模具体13 “T”字形通孔上端的圆柱孔和倒圆锥台孔相配合，以保证密封性与对中性。所述的冲击杆5、上电极头6和下电极头14均由锆铜合金、铬铜合金或镍硅铜合金等高强度导电铜合金制成。所述压边圈2由绝缘材料或表面涂有绝缘涂料的钢材制成，本实施例中，压边圈2 的内径为8. 2mm，外径为20mm。以下结合两实施例说明使用所述无铆钉电阻铆焊连接装置对金属板材进行无铆钉电阻铆焊的方法。实施例1本实施例中的待连接板件4为铝合金AA6061-T6和高强钢DP590，铝合金在上，高强钢在下，板件4的厚度匹配2mm+l. 2mm。本实施例的工艺操作流程如图9(a) (f)所示1)先将被铆焊金属板件4放置于所述铆焊连接装置的冲击电极1与模具电极3之间，并驱动所述压边圈2将板件4压紧在模具电极3之上。2)启动冲击电极1向下进行冲铆运动，并将板件4逐渐压入模具电极3的凹模空腔17中，以迫使板件4发生塑性变形，当冲击行程达到预设值时，在两板件4之间形成机械互锁，从而达到机械压合的连接。3)冲铆完成后，对冲击电极1与模具电极3之间的板件4保持冲铆压力，同时通以一定时间和大小的焊接电流，使上电极头6和下电极头14之间的两板件4的接触界面由于电阻热而形成熔钎焊接头。4)通电结束后，冲击电极1与压边圈2持续保持压力一定时间，之后退回初始工位，最终形成了如图5所示的机械-熔钎焊复合连接接头23(见图10)，无铆钉电阻铆焊连接工序完成。本实施例的工艺参数冲击电极1的冲击速度为lOOmm/min，冲击行程为3. 6mm,通电电流为13000A，通电时间为200ms，保压时间为80ms。实施例2本实施例中的待连接板件4为铝合金AA6061-T6和铝合金AA6061-T6，即同种铝合金材料，板件厚度匹配2mm+2mm。本实施例的工艺操作步骤与实施例1相同。本实施例的工艺参数冲击电极1的冲击速度为lOOmm/min，冲击行程为4. 2mm,通电电流为22000A，通电时间为200ms，保压时间为80ms。
权利要求
1.一种无铆钉电阻铆焊连接装置，其特征在于所述电阻铆焊连接装置包括同轴设置的冲击电极、压边圈和模具电极，所述冲击电极和模具电极分别连接焊接电源，所述压边圈为圆筒状，其套置于冲击电极的外周且与之形成滑动配合，所述模具电极的中央设置有容许冲击电极伸入的凹模空腔。
2.根据权利要求1所述的无铆钉电阻铆焊连接装置，其特征在于所述冲击电极由冲击杆、上电极头和绝缘套组成，所述冲击杆的头部中心设有圆柱沉孔，所述上电极头通过螺纹旋固于该圆柱沉孔中，所述绝缘套套置于该上电极头的头部且通过螺纹连接冲击杆。
3.根据权利要求2所述的无铆钉电阻铆焊连接装置，其特征在于所述冲击杆和上电极头由锆铜合金、铬铜合金或镍硅铜合金制成。
4.根据权利要求1或2所述的无铆钉电阻铆焊连接装置，其特征在于所述模具电极由绝缘模具体和下电极头组成，所述凹模空腔位于该绝缘模具体上端面的中心，该凹模空腔的底部中央设有圆柱形凸台，所述下电极头固定于该圆柱形凸台的中心且端面高于该圆柱形凸台的上端面。
5.根据权利要求4所述的无铆钉电阻铆焊连接装置，其特征在于所述凹模空腔的四周上沿设有圆弧倒角。
6.根据权利要求4所述的无铆钉电阻铆焊连接装置，其特征在于所述圆柱形凸台的中心设有轴向的“T”字形通孔，所述下电极头穿置于该“T”字形通孔中并通过螺母锁固。
7.根据权利要求4所述的无铆钉电阻铆焊连接装置，其特征在于所述下电极头由锆铜合金、铬铜合金或镍硅铜合金制成。
8.根据权利要求1所述的无铆钉电阻铆焊连接装置，其特征在于所述压边圈由绝缘材料或表面涂有绝缘涂料的钢材制成。
9.一种无铆钉电阻铆焊方法，在权利要求1所述的无铆钉电阻铆焊连接装置上实施， 其特征在于所述无铆钉电阻铆焊方法包括如下步骤1)被铆焊金属板件放置于所述铆焊连接装置的冲击电极与模具电极之间，并驱动所述压边圈将板件压紧在模具电极之上；2)启动冲击电极向下进行冲铆运动并将板件逐渐压入模具电极的凹模空腔中，以使板件发生塑性变形互锁达到机械压合；3)对冲击电极与模具电极之间的板件保持冲铆压力，同时通以一定时间和大小的焊接电流，使板件接触界面形成熔钎焊接头；4)通电结束后，冲击电极与压边圈持续保持压力一定时间，之后退回初始工位，无铆钉电阻铆焊连接工序完成。
全文摘要
本发明公开了一种无铆钉电阻铆焊连接装置及方法，该装置包括同轴设置的冲击电极、压边圈和模具电极，所述冲击电极和模具电极分别连接焊接电源，所述压边圈为圆筒状，其套置于冲击电极的外周且与之形成滑动配合，所述模具电极的中央设置有容许冲击电极伸入的凹模空腔。本发明通过对无铆钉铆接所形成的机械连接接头通以焊接电流进行熔钎焊，在金属板与板之间形成机械-熔钎焊复合连接接头，一方面利用机械连接提高了接头的韧性，另一方面利用熔钎焊连接提高了接头的静动态力学性能，解决了无铆钉铆接中接头强度较低的问题。本发明不仅可以应用于有色合金和高强钢的连接，也可以应用于各种有色合金之间以及各种高强钢之间的连接。
文档编号B23K11/00GK102489853SQ20111036737
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者李亚庭, 李永兵, 来新民, 林忠钦, 楼铭 申请人:上海交通大学