用于旋转摩擦冲压的铆钉结构及其铆接钢铝叠层板的方法与流程

本发明属于搅拌摩擦铆接技术领域，具体涉及一种用于旋转摩擦冲压的铆钉结构及其铆接钢铝叠层板的方法。

背景技术：

铝合金在车身材料中的应用是实现汽车结构轻量化的重要途径，以在汽车制造业中实现节能环保的目的。电阻点焊是汽车车身装配中最为主要的连接方式，由于铝合金与高强钢热物理性质差异大，并且熔焊时易形成硬而脆的金属间化合物，采用传统电阻点焊工艺难以实现连接。搅拌摩擦焊(frictionstirwelding，简称fsw)同传统熔化焊相比，其接头具有晶粒细小以及疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好的优点，此外，焊接接头不会产生与熔化有关的裂纹、气孔及合金元素烧损等焊接缺陷，然而，由于金属间固溶度低，热物理性能差异性大，特别是钢铝之间的搅拌摩擦焊容易生成脆性金属间化合物，使得对钢铝进行搅拌摩擦焊接时，会影响接头力学性能。

针对上述异种金属的连接问题，国外提出了自冲铆接(self-piercingriveting，简称spr)的机械连接方法。spr可以有效避免传统熔化焊在连接轻金属合金材料、异种金属材料以及涂有保护层金属板材时可能面临的一系列问题，但在铆接高强度钢等难变形材料时，由于材料变形抗力大，铆钉可能发生镦粗现象，难以穿透板材从而未能较好的形成机械自锁，同时，在铆接处，下层板材会受到极大的局部变形，若下板材为钢类或其他塑性和变形能力较差的材料，则可能在铆接处出现开裂。

公开号为us2011073634-a1美国专利申请公开了一种frictionbitjoining工艺，该工艺把一个带有轴肩的实心钉子插入上层板，钉子穿透上层板并与下层板形成固相连接，再通过轴肩施加压力卡住上层板形成机械连接。然而，这种连接方式存在以下两个问题：1.铆钉在排开并用轴肩卡住上层板材的过程所需时间较长，而且所需提供的铆接力也较大，经济性不好；2.轴肩承受的反向作用力过大，容易使铆钉的轴肩产生变形，从而影响机械连接的强度。公开号为cn2014800626386的中国发明专利申请公开了一种自冲铆钉，该铆钉在杆部部分的外圆周表面沿长度方向上设有呈螺旋状的肋状部，使用这种铆钉冲压铆接，会导致呈螺旋状的肋状部所受反力过大，而且极易造成肋状部断裂在连接位置中，影响接头质量。

为了解决上述自冲铆接存在的问题，国内提出了一种搅拌摩擦拉铆接(fsbr)单面连接方法(参考文献：李博强,何力力.镁-钢搅拌摩擦拉铆接研究[c]//中西部地区理化检验学术年会暨实验室主任经验交流会.2014.)，该方法使用铆钉在工件搭接处旋转，使其与工件摩擦产生热量，使得接头处温度迅速升高，工件剪切屈服强度迅速降低，待铆钉完全穿过工件后，拉动铆芯，使工件紧密结合在一起。然而，该方法在铆接过程中，钉芯所受载荷及扭矩较大，极易造成钉芯断裂损坏，且铆钉在旋转过程中极易发生失稳现象，影响接头质量。

现有的搅拌摩擦铆接方法对采用的旋转铆钉及工艺过程有更高的要求。铆接过程中，由于高速旋转的铆钉与板材的摩擦面为环形或者圆形，在摩擦力的作用下，铆钉可能会发生旋转失稳现象，从而导致铆接失败。因此，在高速旋转的铆接过程中，需要设置定位结构，时刻保持铆钉轴线与旋转轴线重合，才能保证接头的质量，并且需要保证在搅拌摩擦铆接过程中，铆钉受力均匀，不会因为应力集中而影响接头质量。同时应该在铆钉表面和与之相配合的搅拌头下端加工出方便装载、退刀和旋转驱动的结构，便于保证铆接过程的高效、简洁。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于旋转摩擦冲压的铆钉结构及其铆接钢铝叠层板的方法，它集冲压-机械自锁-冶金-铆接连接方式为一体，可以解决钢铝焊接时由于金属间化合物导致的接头脆化而影响接头力学性能和因热膨胀系数差异过大而导致接头易产生缺陷的问题，而且可以实现铝合金和钢材之间直接、快速、高强度连接。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于旋转摩擦冲压的铆钉结构，该铆钉结构包括旋转冲压钉、与所述旋转冲压钉相配合的搅拌头以及置于所述旋转冲压钉下方的模具；

所述旋转冲压钉包括实心的铆钉本体以及设置在所述铆钉本体上端的铆钉帽，所述铆钉本体的下端沿周向设有螺纹，所述铆钉帽的上端沿周向均匀设有多个楔形缺口，所述楔形缺口沿铆钉帽的边缘向内开设，所述铆钉帽的中心设有用于定位的圆柱形凹槽；

所述搅拌头的底部设置有与所述多个楔形缺口相配置的多个楔形凸台以及与所述圆柱形凹槽相配置的圆柱形凸台，所述搅拌头在楔形凸台和楔形缺口的配合下实现旋转冲压钉的装卸和旋转驱动；

所述模具采用左右合模的方式，其包括两个半模，两个半模的贴合面上开设有上小下大的半圆台形凹槽，两个半模贴合在一起形成的完整的圆台形凹槽正对旋转冲压钉的下方设置，用于配合所述旋转冲压钉控制材料流动。

按上述技术方案，所述楔形缺口包括用于承受周向扭矩的第一平面和用于退刀的第二平面，所述第一平面和第二平面相对设置，所述第一平面与所述旋转冲压钉的轴线平行，所述第二平面从所述铆钉帽的上表面向靠近第一平面的方向倾斜。

按上述技术方案，所述楔形缺口的数量为4个。

按上述技术方案，所述旋转冲压钉的材质为碳钢、不锈钢或高强钢。

按上述技术方案，所述旋转冲压钉的表面设置有锌或铝基合金镀层。

按上述技术方案，所述搅拌头的材质为碳钢、不锈钢或高强钢。

按上述技术方案，所述圆台形凹槽的侧面与底面之间的夹角为45°～89°。

一种根据上述用于旋转摩擦冲压的铆钉结构铆接钢铝叠层板的方法，包括以下步骤：

s1、铆接前，将旋转冲压钉竖直置于模具的圆台形凹槽的上方，并将搅拌头竖直置于旋转冲压钉的上方，给旋转冲压钉施加适当的阻尼使其轴向运动和周向转动均被限制；

s2、驱动搅拌头使其向下慢速进给并同时慢速旋转，使搅拌头的圆柱形凸台与旋转冲压钉的圆柱形凹槽自动啮合，以实现旋转冲压钉的自对中，同时搅拌头的楔形凸台与旋转冲压钉楔形缺口相接触，然后驱动搅拌头高速旋转并向下施加压力，当搅拌头对旋转冲压钉施加的轴向压力和周向扭矩大于转冲压钉受到的外部阻尼时，旋转冲压钉随着搅拌头进行轴向运动和周向转动；

s3、搅拌头带动旋转冲压钉继续高速旋转并下压，使旋转冲压钉的下端面与钢铝叠层板的上表面接触并发生摩擦，以产生的大量热量对铆接部位实施局部加热，钢铝叠层板被软化；

s4、在搅拌头向下施加压力的作用下，旋转冲压钉将钢铝叠层板高速冲压入模具的圆台形凹槽中，钢铝叠层板在圆台形凹槽中形成机械自锁，同时旋转冲压钉下端的螺纹在高温和高速旋转的配合下，将钢铝叠层板间的金属镀层熔化并在钢铝叠层板间均匀混合，完成冶金结合；

s5、搅拌头继续高速旋转并下压，带动旋转冲压钉通过其下端的螺纹钉轧在钢铝叠层板内，使钢铝叠层板实现螺纹连接式机械自锁，同时保证旋转冲压钉上端面与钢铝叠层板的上端面重合；

s6、控制搅拌头减速直至停止旋转后，继续保持施加压力1～5s，然后反向转动搅拌头，完成退刀；

s7、将模具分开，完成铆接部位的脱模。

按上述技术方案，步骤s2中，所述搅拌头高速旋转的转速为100～2500r/min，所述搅拌头向下施加的压力为1000n-10000n。

本发明，具有以下有益效果：该铆钉结构通过在旋转冲压钉和搅拌头之间设置相互配合的定位结构(即圆柱形凹槽和圆柱形凸台)，可以使得旋转冲压钉与搅拌头始终同轴心，以保证旋转铆接时的稳定性；通过在旋转冲压钉和搅拌头之间设置相互配合的楔形缺口和楔形凸台，可以保证搅拌摩擦铆接过程中，旋转冲压钉受力均匀；通过在旋转冲压钉的下端攻螺纹，更容易在高速旋转下以较小的阻力钉轧进入钢铝叠层板内，减少旋转冲压钉被镦粗的现象，提高接头质量，而且配合高速旋转和大量热，螺纹可以实现连接材料以及特殊镀层的均匀混合，避免钢铝脆性相的形成，冶金结合接头强度更高，另外在旋转冲压钉钉轧在钢铝叠层板内后，螺纹可以使钢铝叠层板间形成螺纹连接式机械自锁，可以显著提高钢铝连接强度及疲劳性能；通过在模具上开设上小下大的圆台形凹槽，可以使钢铝叠层板高温高速压入圆台形凹槽后形成自锁铆接。采用该铆钉结构铆接钢铝叠层板，可以集冲压-机械自锁-冶金-铆接等连接方式为一体，它可以在钢铝叠层板高温高速压入模具的圆台形凹槽时形成自锁铆接，实现钢铝叠层板与镀层间的冶金结合，使得旋转冲压钉与钢铝叠层板形成螺纹连接式机械自锁，这三种连接方式相结合大大增加了接头的工艺可靠性和稳定性。

该铆钉结构在铆接钢铝叠层板时，其下端攻有螺纹的旋转冲压钉作为搅拌针，在与钢铝叠层板表面高速旋转摩擦作用下产生热量，使铆接部位产生高温，板材高温下塑性好，旋转冲压钉高速冲压将钢铝叠层板成形到带有机械自锁角度功能的圆台形凹槽中，同时旋转冲压钉进一步高速旋转摩擦搅拌扎入连接的钢铝叠层板内，产生大量的热使钢铝叠层板间锌或铝基合金镀层发生融化并在叠层板间形成冶金结合，最后反向转动搅拌头，完成退刀，将旋转冲压钉钉轧在钢铝叠层板内。该方法在铝叠层板表面局部高速旋转摩擦，材料软化塑性提高，有效降低成形力和设备吨位，同时减少旋转冲压钉损耗；而且高温结合高速冲压，材料塑性好不易破裂可以成形获得较大角度的机械自锁角度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中旋转冲压钉的结构示意图；

图3a是本发明实施例中旋转冲压钉的俯视图；

图3b是沿图3a中a-a线的剖视图；

图3c是本发明实施例中旋转冲压钉攻螺纹处的螺纹示意图；

图4是本发明实施例中搅拌头的结构示意图；

图5a是铆接前旋转冲压钉与搅拌头啮合前的示意图；

图5b是铆接前旋转冲压钉与搅拌头啮合后的示意图；

图5c是铆接过程中旋转冲压钉与钢铝叠层板接触的示意图；

图5d是铆接过程中钢铝叠层板进入模具的圆台形凹槽中的示意图；

图5e是铆接后保压阶段的示意图；

图5f是铆接结束后退刀阶段的示意图；

图5g是铆接结束后脱模阶段的示意图；

图6是铆接结束后的铆接接头的示意图。

图中：100-旋转冲压钉，101-铆钉本体，102-铆钉帽，103-螺纹，104-楔形缺口，105-圆柱形凹槽,106-第一平面，107-第二平面，200-搅拌头，201-楔形凸台，202-圆柱形凸台，300-模具，301-圆台形凹槽。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的较佳实施例中，如图1-图4所示，一种用于旋转摩擦冲压的铆钉结构，包括旋转冲压钉100、与旋转冲压钉100相配合的搅拌头200以及置于旋转冲压钉100下方的模具300；

如图2-图3c所示，旋转冲压钉100包括实心的铆钉本体101以及设置在铆钉本体101上端的铆钉帽102，铆钉本体101的下端沿周向设有螺纹103，铆钉帽102的上端沿周向均匀设有多个楔形缺口104，楔形缺口104沿铆钉帽的边缘向内开设，铆钉帽102的中心设有用于定位的圆柱形凹槽105；

如图4所示，搅拌头200的底部设置有与多个楔形缺口104相配置的多个楔形凸台201以及与圆柱形凹槽105相配置的圆柱形凸台202，搅拌头200在楔形凸台201和楔形缺口104的配合下实现旋转冲压钉的装卸和旋转驱动；

如图1所示，模具300采用左右合模的方式以便在铆接过程结束后脱模，其包括两个半模，两个半模的贴合面上开设有上小下大的半圆台形凹槽，两个半模贴合在一起形成的完整的圆台形凹槽301正对旋转冲压钉的下方设置，用于配合旋转冲压钉控制材料流动。

在本发明的优选实施例中，如图2、图3c所示，楔形缺口104包括用于承受周向扭矩的第一平面106和用于退刀的第二平面107，第一平面106和第二平面107相对设置，第一平面109与旋转冲压钉100的轴线平行，第二平面107从铆钉帽102的上表面向靠近第一平面106的方向倾斜。

在本发明的优选实施例中，如图2、图3c所示，楔形缺口104的数量为4个。

在本发明的优选实施例中，旋转冲压钉的材质为碳钢、不锈钢或高强钢，优选的，旋转冲压钉的表面设置有锌或铝基合金镀层。

在本发明的优选实施例中，搅拌头的材质为碳钢、不锈钢或高强钢。

在本发明的优选实施例中，如图1所示，圆台形凹槽的侧面与底面之间的夹角为45°～89°。

一种根据上述用于旋转摩擦冲压的铆钉结构铆接钢铝叠层板的方法，如图5a-图6所示，包括以下步骤：

s1、如图5a所示，铆接前，将旋转冲压钉竖直置于模具的圆台形凹槽的上方，并将搅拌头竖直置于旋转冲压钉的上方，给旋转冲压钉施加适当的阻尼使其轴向运动和周向转动均被限制；

s2、如图5b所示，驱动搅拌头使其向下慢速进给并同时慢速旋转，使搅拌头的圆柱形凸台与旋转冲压钉的圆柱形凹槽自动啮合，以实现旋转冲压钉的自对中，同时搅拌头的楔形凸台与旋转冲压钉楔形缺口相接触，然后驱动搅拌头高速旋转并向下施加压力，当搅拌头对旋转冲压钉施加的轴向压力和周向扭矩大于转冲压钉受到的外部阻尼时，旋转冲压钉随着搅拌头进行轴向运动和周向转动；

s3、如图5c所示，搅拌头带动旋转冲压钉继续高速旋转并下压，使旋转冲压钉的下端面与钢铝叠层板的上表面接触并发生摩擦，以产生的大量热量对铆接部位实施局部加热，钢铝叠层板被软化；

s4、如图5d所示，在搅拌头向下施加压力的作用下，旋转冲压钉将钢铝叠层板高速冲压入模具的圆台形凹槽中，钢铝叠层板在圆台形凹槽中形成机械自锁，同时旋转冲压钉下端的螺纹在高温和高速旋转的配合下，将钢铝叠层板间的金属镀层熔化并在钢铝叠层板间均匀混合，完成冶金结合；

s5、如图5e所示，搅拌头继续高速旋转并下压，带动旋转冲压钉通过其下端的螺纹钉轧在钢铝叠层板内，使钢铝叠层板实现螺纹连接式机械自锁，同时保证旋转冲压钉上端面与钢铝叠层板的上端面重合；

s6、如图5d所示，控制搅拌头减速直至停止旋转后，继续保持施加压力1～5s，然后反向转动搅拌头，完成退刀，即可获得如图5所示的铆接接头。

s7、如图5g所示，将模具分开，完成铆接部位的脱模。

步骤s2中，搅拌头高速旋转的转速为100～2500r/min，搅拌头向下施加的压力为1000n-10000n。

本发明的铆钉结构在具体应用时，如图1-图4所示，包括旋转冲压钉100、能与旋转冲压钉100相配的搅拌头200以及模具300；旋转冲压钉100的上端加工有四个楔形缺口104和一个圆柱形凹槽105，下端外圈攻有螺纹103，搅拌头200的下端能与旋转冲压钉的上端配合；搅拌头200的下端加工有用于装卸和旋转驱动的四个楔形凸台201以及定位用的圆柱形凸台202；模具300上开设有上小下大的圆台形凹槽301。

该铆钉结构中，四个楔形缺口和四个楔形凸台均沿周向均匀分布，两者配合作为旋转驱动结构，旋转驱动结构是指楔形缺口中与旋转冲压钉旋转轴线平行的竖直平面、楔形凸台中与搅拌头旋转轴线平行的竖直平面，通过楔形凸台的竖直平面对楔形缺口的竖直平面施加周向扭矩，带动旋转冲压钉旋转，其中四个楔形缺口和四个楔形凸台均沿周向均匀分布，且能相互配合。旋转冲压钉的上端平面与搅拌头的下端平面在配合过程中重合作为装载结构，该重合的平面与旋转轴线垂直，通过搅拌头自冲下压，对旋转冲压钉施加轴向载荷，旋转冲压钉的上端平面承受由搅拌头的下端平面施加的压力。楔形缺口中的第二平面与对应的楔形凸台的斜面相配合作为退刀结构，当铆接过程结束后，通过顺时针旋转搅拌头，即完成退刀。圆柱形凸台和圆柱形凹槽均沿中心对称且镜像对称，作为定位结构。搅拌头下端楔形凸台的最外圈是圆弧面，该圆弧面半径等于旋转冲压钉上端球体部分的圆弧面半径，当搅拌头与旋转冲压钉装配后，外表面为一个完整的圆弧面。该铆钉结构的旋转驱动方向、装载和退刀方向唯一，旋转驱动方向是指搅拌头带动旋转冲压钉逆时针旋转，装载方向是指搅拌头下压旋转冲压钉，退刀方向是指搅拌头顺时针旋转脱离旋转冲压钉。

该铆钉结构的旋转冲压钉中，铆钉帽的圆柱部分的外圈直径为5-10mm，优选10mm，其高度为1-2mm，优选2mm；铆钉帽的球体部分的直径为5-10mm，优选10mm，其高度为3-4mm，优选3mm；楔形缺口包括相对的第一平面和第二平面，第一平面与旋转冲压钉旋转轴线平行，用于承受周向扭矩，第二平面为楔形斜面，从旋转冲压钉表面绕旋转轴线向下端倾斜，用于退刀，第二平面与旋转冲压钉铆钉帽的上端平面之间的夹角为30°-45°，优选30°，第二平面靠内的楔形斜边与其下部的直边之间的夹角为120°-150°，优选120°，以便于装卸；圆柱形凹槽位于旋转冲压钉的中心，深度为2mm，且与旋转冲压钉同轴设置，以确保旋转冲压钉的旋转轴线与几何轴线重合，其同轴度误差小于0.012mm；铆钉本体的直径为5-8mm，优选7mm，高度为8-10mm，优选8mm；螺纹的螺距p为0.5mm，螺纹高度h为0.433mm，大径d为5-8mm、优选7mm，小径d1为4-7mm、优选6.45mm，中径d2为6.67mm，牙型角为0°-60°、优选60°，高度为5mm，螺纹长度为5-10mm，用于穿过钢铝叠层板时形成板间螺纹连接；旋转冲压钉最下端倒有斜锥角，斜锥角母线与旋转冲压钉旋转轴线之间的夹角为45°-60°，优选45°，其顶点距外壁的径向距离为0.5-1.5mm，优选1.5mm；旋转冲压钉材质为高强钢，且表面镀有10μm厚的锌合金镀层。

相应的，该铆钉结构的搅拌头中，楔形凸台的楔形斜面与搅拌头下端平面之间的夹角为30°-45°，优选30°；楔形凸台中的楔形斜边与下部直边之间的夹角为120°-150°，优选120°；圆柱形凸台的高度为1.5mm，且与搅拌头同轴设置，其同轴度误差小于0.012mm；搅拌头材质为高强钢，表面没有镀层。在装配时，旋转冲压钉上端圆柱形凹槽与搅拌头下端圆柱形凸台的同轴度误差小于0.0014mm。

该铆钉结构的模具中，圆台形凹槽的侧面与底面之间的夹角为45°-89°，优选45°，槽深为10-15mm，优选12mm，其上端口直径为30-40mm，优选30mm，其底部倒直径10mm的圆角。

本发明在具体应用时，钢铝叠层板为上层铝合金2024-o板件和下层高强钢dp540板件，板件厚度分别为5mm和7mm，其中下层板件表面镀有10μm厚的锌合金镀层，其包括以下步骤：

s1、通过施加适当的阻尼，将旋转冲压钉正对搅拌头下方放置，两者的几何轴线重合，旋转冲压钉的轴向运动与周向运动均被限制；

s2、通过手动操作结构来调整搅拌头的位置，使定位结构相接合并且搅拌头下端的楔形凸台与旋转冲压钉上端的楔形缺口啮合，实现旋转冲压钉自对中；

s3、然后启动开关，搅拌头开始带动旋转冲压钉克服阻尼转动，转动速度为2000r/min，同时施加5000n的压力；

s4、旋转冲压钉高速旋转，其下端与板材发生摩擦，产生的大量的热使铆接部位产生局部高温，板材被软化，塑性得到极大的提高；

s5、通过搅拌头施加压力，旋转冲压钉将钢铝叠层板高速冲压入带有60°的机械自锁角度的圆台形凹槽中，叠层板形成较大角度的机械自锁，同时旋转冲压钉下端螺纹配合高温和高速旋转，使叠层板间的金属镀层熔化并与连接材料均匀混合，完成冶金结合；

s6、搅拌头继续旋转并下压，旋转冲压钉通过下端螺纹钉轧在钢铝叠层板内，实现叠层板的螺纹连接，同时保证旋转冲压钉上端平面与上板材平面重合；

s7、控制搅拌头减速直至停止旋转后，继续保持施加压力3s，然后反向转动搅拌头，完成退刀；

s8、将模具分开，完成铆接部位的脱模。

本发明在铆接钢铝叠层板时，主要包括四个步骤：1.进行搅拌摩擦铆接时，控制搅拌头逆时针旋转和下压；2.完成铆接后，继续保压1-5s；3.退刀时，控制搅拌头顺时针旋转；4.最后，旋转冲压钉留在铆接接头中。

本发明具有以下优点：(1)通过旋转冲压钉与搅拌头定位结构的接合，能保持旋转冲压钉轴线与旋转轴垂直，保证旋转铆接时的稳定性；(2)通过四个楔形缺口和楔形凸台的啮合，保证搅拌摩擦铆接过程中，旋转冲压钉受力均匀；(3)局部高速旋转摩擦，材料软化塑性提高，有效降低成形力和设备吨位，同时减少旋转冲压钉损耗；(4)高温结合高速冲压，材料塑性好不易破裂可以成形获得较大角度的机械自锁角度；(5)旋转冲压钉下端攻有特殊螺纹，更容易高速旋转以较小的阻力钉轧进入钢铝叠层板内，减少旋转冲压钉被镦粗的现象，提高接头质量；同时螺纹的存在配合高速的旋转和大量热可以实现连接材料以及特殊镀层的均匀混合，避免钢铝脆性相的形成，冶金结合接头强度更高；(6)最后旋转冲压钉钉轧在钢铝叠层板内，其下端螺纹使钢铝叠层板间形成螺纹连接式机械自锁，可以显著提高钢铝连接强度及疲劳性能；(7)通过钢铝叠层板同时高温高速压入凹模形成自锁铆接、钢铝叠层板与镀层间的冶金结合，旋转冲压钉与钢铝叠层板形成螺纹连接式机械自锁，三种连接方式相结合能大大增加接头的工艺可靠性和稳定性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。