基于半空心铆钉的两段式机械-固相复合连接方法与流程

本发明涉及的是一种材料连接领域的技术，具体是一种基于半空心铆钉的两段式机械-固相复合连接方法。

背景技术：

轻质合金构件的点连接以铆接和搅拌摩擦点焊为主。铆接工艺采用冲压的方式，使铆钉和/或待连接工件发生塑性变形，形成干涉互锁，实现机械连接。铆接过程通常在室温下进行，为了获得理想的干涉互锁效果，需要施加较大冲压力，对铆接设备的结构强度和刚度、冲压驱动机构的可靠性以及铆钉自身的强度要求极高且冲头和模具损耗严重。此外，对于室温下延展性较低的轻合金，如7系铝合金、镁合金、铸铝等，铆接过程中的大塑性变形容易使材料发生开裂，严重影响接头性能。搅拌摩擦点焊工艺通过工具头的旋转、插入和回抽等运动在待连接工件中产热，并在工具头产生的压力和搅拌运动的共同作用下使待连接工件形成固相连接。对于可热处理强化的轻合金，如2系、6系、7系铝合金等，受摩擦热软化的影响，接头强度损失严重。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于半空心铆钉的两段式机械-固相复合连接方法，通过协调控制铆钉在不同工艺阶段的旋转运动和进给运动，提升机械连接的干涉互锁效果，并在铆钉与工件、工件与工件之间形成固相连接，获得机械-固相复合接头。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明通过将半空心铆钉与固连模具的驱动头同轴设置且铆钉盖上凹槽与驱动头的凸台相啮合，设置驱动头驱动铆钉在工艺第一阶段以高速旋转、低速进给的方式铆入待连接材料，通过铆钉旋转产生摩擦热，提升待连接工件温度，避免低延展性材料开裂，同时降低铆钉的铆入阻力以使得铆钉达到待连接工件中的转换深度；当完成第一阶段后，在第二阶段内停止旋转铆钉，并以较高速率进给，避免热量在铆钉附近过度累积，提升铆接力，使铆钉底端在待连接材料变形阻力的作用下向外撑开，形成机械互锁，同时在铆钉快速进给的挤压作用下，接头中铆钉-工件、工件-工件之间各界面间隙被消除，界面在高温下通过热扩散形成固相连接。

所述的第二阶段完成固相连接，即当铆钉进给至预定深度时，驱动头反向进给，回至原位。

所述的固相连接是指：铆钉附近各界面间隙被消除，实现以下至少一个界面处两侧材料的固相连接：

①铆钉内侧截留金属与下层工件的界面；

②铆钉外侧工件与工件材料的界面；

③铆钉内侧截留金属与铆钉内壁的界面；

④铆钉外侧工件材料与铆钉外壁的界面。

所述的第一阶段的完成，根据待连接工件厚度和材料特性确定，具体需要同时满足：铆钉已经穿透除下层工件以外的所有工件，即：其中：hi为第i层工件的厚度，n为被连接工件的层数且n≥2，d为转换深度，并且摩擦热对待连接工件充分软化。

所述的待连接工件包含至少两层工件。

所述的下层工件是指：位于固连模具上方且与固连模具相接触的工件

所述的充分软化，采用以下任一一种操作或其组合以确定：

a)采用红外测温仪或热电偶等方式测量待连接工件上表面距离铆钉边缘3-10mm处的温度，当该点温度升高至待连接工件熔点的20％-50％时，判定材料充分软化；

b)采用嵌入热电偶等方式测量固连模具上表面中心的温度，当温度升高至待连接工件熔点的15％-30％时，判定材料充分软化；

c)测量驱动头受到的反作用力，记录反作用力的第一个峰值f1，当反作用力在第一个峰值后下降至0.3～0.6f1时，判定材料充分软化；

d)测量驱动头受到的反作用扭矩，记录反作用扭矩的第一个峰值m1，当反作用扭矩在第一个峰值后下降至0.3～0.6m1时，判定材料充分软化；

e)测量驱动头受到的反作用力、反作用扭矩，并记录工艺时间，对总能量输入e进行计算，当总能量输入e大于预先设定值e0时，判定材料充分软化，其中：f为驱动头受到的反作用力，m为驱动头受到的反作用扭矩，f为工艺过程第一阶段的铆钉进给速率，ω为工艺过程第一阶段的铆钉旋转速度，δt为工艺时间，e0通过材料的厚度和物理特性进行估算：e0＝c×ρ×h×4πrrivet²×δt，其中：c为待连接工件比热容，ρ为待连接工件密度，h为被连接工件的总厚度，n为被连接工件的层数，rrivet为铆钉体的半径，δt为铆钉附近2rrivet范围内待连接工件的平均温升，δt＝0.2～0.5tm，tm为待连接工件的熔点；

f)根据试验结果和经验设定一个固定的转换深度。

进一步地，可以将工艺第一阶段分为若干个不同的进给速率和/或转速的子阶段，实现对热输入的精细调控，从而获得最佳的机械-固相复合连接效果，所有子阶段的进给深度之和为转换深度d。

所述的半空心铆钉包括：一体连接的铆钉盖和铆钉体，其中：铆钉盖的上端设有用于传递扭矩的均匀分布凸起和/或定位凹槽。

所述的铆钉体为空心结构，底端设有楔形锥角，铆钉的内、外壁可以是光滑结构或设有螺纹、凹槽等结构。

所述的固连模具包括：驱动头和模具，其中：驱动头通过凸台与半空心铆钉顶部的凹槽相匹配并共同位于待连接工件上方，模具位于待连接工件下方，该驱动头具有轴向直线运动以及周向旋转运动的能力。

所述的固连模具的上表面正对铆钉的位置设有用于配合所述铆钉控制材料流动的固定结构，该固定结构的形状包括但不限于：平底凹槽、中间带凸起的凹槽、平板以及通孔等。

技术效果

与现有技术相比，本发明在机械连接的基础上实现铆钉与工件、工件与工件之间的固相连接，提高了接头的整体强度与刚度；通过对分段转换深度的合理控制，软化待连接工件，降低铆接力，同时又提升了机械自锁的可靠性；通过对工艺过程中第一阶段的铆钉转速、进给速率和转换深度对热输入进行调控，将热输入控制在所需的范围内，充分降低了轻合金摩擦受热导致的软化，并通过搅拌摩擦过程产生的细晶强化作用、第二阶段快速进给产生的形变强化作用以及固相连接共同强化接头，有效降低了热软化对被连接工件材料性能的负面影响，增强接头的静态强度和动态疲劳寿命。

附图说明

图1为半空心铆钉的结构示意图；

图2为本发明的工艺过程图；

图中：a为驱动头与半空心铆钉同轴配合图；b为工艺第一阶段驱动头驱动半空心铆钉高速旋转低速进给图；c为工艺第二阶段驱动头驱动半空心铆钉高速进给图；d为铆钉进给至最终预定深度形成机械-固相复合接头图；e为驱动头反向进给回位图；

图3为本发明得到的机械-固相复合接头示意图；

图中：半空心铆钉1、驱动头2、固连模具3、待连接板4、机械-固相复合接头5、凹槽101、铆钉盖102、铆钉体103、上层板401、下层板402、铆钉内侧截留金属403。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，为本实施例具体实施环境，包括：半空心铆钉1、驱动头2和固连模具3，其中：驱动头2通过凸台与半空心铆钉1顶部的凹槽101相匹配并共同位于待连接工件4的上方，固连模具3位于待连接工件4的下方。

如图1所示，本实施例中所采用的半空心铆钉1包括：一体连接的铆钉盖102和铆钉体103，其中：铆钉盖102中央的凹槽101与铆钉体103同轴设置。

所述的铆钉体103内、外壁均为光滑结构，其内径为4.3mm，外径为5.3mm，深度为4mm。

所述的铆钉体103的底端设有角度为45°的楔形锥角104。

所述的驱动头2的凸台与铆钉盖102中央的凹槽101具有相同锥度以实现半空心铆钉1的轴向进给运动和旋转运动。

所述的固连模具3为中间带凸起的凹模，其中心凸起顶点的高度与凹模外边缘平齐。

所述的固连模具3中心嵌入热电偶，记录工艺过程中模具上表面中心的温度随时间变化过程。

所述的待连接工件4的上层板401和下层板402均为铝合金aa7075-t6，厚度均为2.0mm。

本实施例具体包括以下步骤：

1)根据待连接工件4的材料熔点确定第一阶段的转换深度d对应的固连模具3上表面中心的目标温度为100℃；

2)通过铆钉盖102上的凹槽101与驱动头2的凸台相啮合，使半空心铆钉1与驱动头2同轴设置；

3)驱动头2在伺服电机的作用下以50mm/s的线速度轴向进给至距离待连接工件4上表面2mm处；

4)驱动头2驱动铆钉1在工艺第一阶段以转速4000r/min，进给速率2.0mm/s铆入待连接工件4，通过铆钉体103与待连接工件4之间的摩擦作用产生热量，使待连接工件4温度升高，软化材料，降低铆入阻力；

5)当固连模具3上表面中心的温度升高至100℃且进给深度大于上层板401的厚度2.0mm时，工艺过程进入第二阶段，铆钉1停止旋转，以20mm/s的速率高速进给，提升铆接力，使铆钉体103底端在待连接工件4变形阻力的作用下向外撑开，形成机械互锁；同时在铆钉1的挤压作用下，铆钉体103内、外侧与待连接工件401和402之间的间隙被消除。

6)当铆钉1进给至预定深度5.3mm时，驱动头反向进给，回至原位。

如图3所示，在最终形成的机械-固相复合接头5中，三个界面处形成了固相连接，包括：①铆钉1内侧截留金属403与下层工件402之间的界面；②铆钉体103与其内侧截留金属403之间的界面；③铆钉体103与其外侧下层工件402之间的界面。

与现有技术相比，本实施例针对2.0mm厚的铝合金7075-t6材料的固连过程中的最大铆接力为27.6kn，与现有采用传统自冲铆接方法的铆接力62.5kn相比，降低了55.8％。

本实施例得到的接头平均拉剪强度为470mpa，与采用传统自冲铆接得到接头的平均拉剪强度225mpa，和采用回填式搅拌摩擦点焊接头的平均拉剪强度357mpa相比，分别增加了109％和31.6％。

实施例2

与实施例1相比，本实施例的待连接工件4的上层板401的厚度为2.2mm，材料为铝合金aa6061-t6，下层板402的厚度为2.0mm，材料为镁合金az31b。

与实施例1相比，本实施例采用的工艺第一阶段的铆钉转速为3600r/min，进给速率为1.0mm/s，第二阶段的进给速率为11mm/s。

与实施例1相比，本实施例中的第一阶段的转换深度d通过红外热像仪测量上层板401上表面距离铆钉边缘4.0mm处的温度确定，当该点温度大于125℃且进给深度大于上层板厚度2.2mm时，工艺过程进入第二阶段。

本实施例中的其他参数与实施例1相同。

与现有技术相比，本实施例针对2.2mm厚的铝合金aa6061-t6和2.0mm厚的镁合金az31b的固连过程中的最大铆接力为14.1kn，与现有采用传统自冲铆接方法的铆接力40.0kn相比，降低了64.8％。

本实施例得到的接头平均拉剪强度为198mpa，与采用传统自冲铆接得到接头的平均拉剪强度124mpa相比，增加了59.7％。

实施例3

与实施例1相比，本实施例的待连接工件4的上层板401为厚度1.5mm的铝合金aa5182-o，下层板402为厚度2.0mm的铝合金aa5182-o。

与实施例1相比，本实施例采用的工艺第一阶段的铆钉转速为3000r/min，进给速率为2.0mm/s，第二阶段的进给速率为10mm/s。

与实施例1相比，本实施例中的转换深度d根据经验设定为2.0mm。

本实施例中的其他参数与实施例1相同。

与现有技术相比，本实施例针对1.5mm厚的铝合金aa5182-o和2.0mm厚的铝合金aa5182-o的固连过程中的最大铆接力为19.9kn，与现有采用传统自冲铆接方法的铆接力40.2kn相比，降低了50.5％。

本实施例得到的接头平均拉剪强度为218mpa，与采用传统自冲铆接得到的接头平均拉剪强度197mpa相比，增加了26.3％；本方法得到的接头在2.3kn载荷下的高周拉-拉疲劳寿命为170万次，在3.5kn载荷下的低周拉-拉疲劳寿命为15万次，与采用传统自冲铆接接头在相同载荷下的疲劳寿命，95万次和4.4万次相比，分别提升了79％和241％。

与现有技术相比本发明的优势在于：(1)降低了工艺过程中需要的铆接力，降低了对设备结构强度、刚度以及驱动系统能力的要求，同时减小了工艺过程对冲头和模具的损耗；(2)在机械连接的基础上实现了铆钉与工件、工件与工件之间多个界面的固相连接，提高了接头的整体强度和刚度；(3)将热输入控制在所需的范围内，实现对材料的适当软化，并通过搅拌摩擦过程产生的细晶强化作用、第二阶段快速进给产生的形变强化作用以及固相连接共同强化接头，有效降低了热软化对被连接工件材料性能的负面影响；(4)机械-固相复合连接提升了接头的疲劳寿命。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。