一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接装置及连接方法与流程

本发明涉及异种金属无铆钉铆接技术领域，具体涉及一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接的装置和一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接方法。

背景技术：

随着汽车工业的发展，对于汽车轻量化的要求日益凸显。除了使用轻质高强材料替代传统的钢铁以外，加工和连接技术也在不断更新换代。无铆钉铆接采用冲压设备和专用的标准连接模具，利用材料本身的塑性变形，通过一个冲压过程，即可在连接处形成一个互相镶嵌的圆点，由此将板件连接起来。对比传统加工方法，例如焊接和胶粘，无铆钉铆接具有不需要原料、连接质量轻、可连接不同材料、连接牢固、操作简单、成本低廉等优点，且随着技术发展的不断成熟，无铆钉铆接已经成为薄板材料连接的主流方式。

然而，在进行铆接时，塑性较差的金属在铆接接头处容易产生金属疲劳，严重的可能产生裂纹，甚至断裂，影响接头性能。在异种金属材料铆接接头处，也有可能因为空气湿度较大等影响，产生电化学腐蚀。因此，需要使用新技术，来解决接头处的这些问题，并且进一步提高接头的性能。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接装置，采用激光熔覆装置在铆接金属之间形成熔覆夹层，避免电化学腐蚀的产生，再结合超声振动装置带动冲头实现翻铆，降低了铆接过程中产生的残余应力，有效提高了铆接接头处的表面强度。

本发明还提供了一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接方法，给钢板和铝板之间熔覆层的形成方法和翻铆过程，有效改善了接头裂纹的问题，对设备的动力和压力要求低，节省了加工时间，降低了加工成本。

本发明还有一个目的是使用超声波振动冲击了接头孔的内壁，细化了壁面上的金属晶粒，降低甚至消除翻铆产生的残余应力，提高了接头的连接强度和使用寿命。

本发明提供的技术方案为：

一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接装置，包括：

底座，其具有第一贯穿孔；

下翻铆冲头，其同轴弹性支撑在所述第一贯穿孔内；

超声振动装置，其连接所述下翻铆冲头底部，并能够带动所述下翻铆冲头沿所述第一贯穿孔滑动；

压边圈，其同轴设置在所述底座上方，并具有第二贯穿孔；

上翻铆冲头，其同轴设在所述第二贯穿孔内，并能够沿所述第二贯穿孔上下滑动；

第一激光熔覆装置，其可旋转支撑在所述第二贯穿孔内，能够使位于其下方的铆接金属表面形成第一环形熔覆层；

第二激光熔覆装置，其可旋转支撑在所述第二贯穿孔底部，位于所述第一激光熔覆装置下方，能够使位于其中心位置的铆接金属表面形成第二环形熔覆层。

优选的是，所述第一激光熔覆装置包括：

第一圆环，其可旋转支撑在所述第二贯穿孔内；

至少一个第一铰接杆，其一端与所述第一圆环铰接，并能够随所述第一圆环旋转；

纵向激光发射器，其可拆卸连接所述第一铰接杆另一端；

第一送粉盒，其设置在所述第一铰接杆另一端，位于所述纵向激光发射器一侧，并具有喷头，能够向其下方喷射粉末。

优选的是，所述第一激光熔覆装置包括：

第一环形滑轨，其可拆卸固定在所述第二贯穿孔内；

至少一个第一铰接杆，其一端连接所述第一环形滑轨，并能够沿所述第一环形滑轨滑动；

纵向激光发射器，其可拆卸连接所述第一铰接杆另一端；

第一送粉盒，其设置在所述第一铰接杆另一端，位于所述纵向激光发射器一侧，并具有喷头，能够向其下方喷射粉末。

优选的是，所述第一铰接杆为伸缩杆。

优选的是，所述第二激光熔覆装置包括：

第二圆环，其可旋转支撑在所述第二贯穿孔底部；

至少一个横向激光发射器，其可拆卸连接所述第二圆环，并能够随所述第二圆环旋转；

第二送粉盒，其设置在所述横向激光发射器一侧，随所述横向激光发射器旋转，所述第二送粉盒具有第二喷头，能够向中心喷射粉末。

优选的是，所述第二激光熔覆装置包括：

第二环形滑轨，其可拆卸固定在所述第二贯穿底部；

至少一个横向激光发射器，其可拆卸连接所述第二环形轨道，并能够沿所述第二环形滑轨滑动；

第二送粉盒，其设置在所述横向激光发射器一侧，随所述横向激光发射器旋转，所述第二送粉盒具有第二喷头，能够向中心喷射粉末。

一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接方法，包括：

步骤一、制备出带有通孔的钢板和铝板，将铝板放置在所述底座上方，然后将所述钢板叠放在所述铝板上方，并驱动压边圈使钢板和铝板压紧；

步骤二、开启第一激光熔覆装置，所述纵向激光发射器和所述第一送粉盒以速度v同步旋转，喷洒熔覆粉末的同时，采用激光器照射，在所述钢板上形成环形第一熔覆区；

步骤三、启动超声震动装置带动下翻铆冲头向所述铝板冲击，完全钻透铝板的同时形成具有一定厚度的衬套；

步骤四、开启第二激光熔覆装置，所述横向激光发射器和所述第二送粉盒以速度v′同步旋转，喷洒熔覆粉末的同时，采用激光器照射，在所述衬套外侧形成环形第二熔覆区；

步骤五、推动所述上翻铆冲头下行，将衬套向两侧翻出，形成翻铆结构。

优选的是，所述纵向激光发射器和所述第一送粉盒的旋转速度计算公式为：

其中，v为纵向激光发射器和所述第一送粉盒的旋转速度，π为弧度，n为第一激光熔覆装置中包含的纵向激光发射器数量，t为激光熔覆层凝固时间；

所述横向激光发射器和所述第二送粉盒的旋转速度计算公式为：

其中，v′为所述横向激光发射器和所述第二送粉盒的旋转速度，π为弧度，n′为第二激光熔覆装置中包含的纵向激光发射器数量，t为激光熔覆层凝固时间。

优选的是，所述步骤三中还包括衬套内部冲击过程，其包括：

固定下翻铆冲头，启动超声振动装置，以频率f带动冲头横向冲击铝板的衬套圆孔内壁；其中，所述频率f的计算公式为：

其中，f为超声振动装置的频率，g为下翻铆冲头的弹性模量，ip为下翻铆冲头的极惯性矩，j为振动惯量，λ为冲击振幅，取值为0.08～0.1mm，u为响应时间，cn为响应系数，σh为振动系数，d为衬套孔径。

优选的是，所述熔覆粉末为nicrbsi粉末，喷涂厚度为0.2～0.6mm。

本发明所述的有益效果

本发明设计开发了一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接装置，采用激光熔覆装置在铆接金属之间形成熔覆夹层，避免电化学腐蚀的产生，再结合超声振动装置带动冲头实现翻铆，降低了铆接过程中产生的残余应力，有效提高了铆接接头处的表面强度，没有使用铆钉和其他的附加件，依靠铝板的变形形成自锁，减轻了接头处的质量。

本发明所述的激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接方法是预先冲好孔，再进行翻铆加工，过程中钢板没有变形，只有塑性较好硬度较低的铝板发生变形，避免了在铆接过程中可能出现的接头裂纹、应力集中甚至产生接头断裂的情况。且钢板没有变形，避免了高强钢变形难的问题，对设备的动力和压力要求也较小，节省能源，降低成本。

本发明使用超声波振动冲击了接头孔的内壁，细化了壁面上的金属晶粒，降低甚至消除翻铆产生的残余应力，提高了接头的连接强度和使用寿命。

本发明使用激光熔覆来在钢板和铝板接头处之间添加镍基熔覆层，熔覆层凝固保压的同时，不仅提高了铝板变形后的强度，而且能够有效避免钢板和铝板之间容易产生的电化学腐蚀。

相对于现有的粘铆等添加胶粘剂的铆接方式而言，激光熔覆熔化和凝固的时间都很短，可以省去铆接前粘胶固化的工艺和时间，提高了工作效率。激光熔覆层厚度在0.2-0.6mm之间，薄而均匀，可以避免粘铆时容易出现的胶层断裂以及胶层分布不均的问题。

附图说明

图1为本发明所述的激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接装置的结构示意图。

图2为本发明所述的底座的结构示意图。

图3为本发明所述的下翻铆冲头的结构示意图。

图4为本发明所述的下翻铆冲头和弹性装置的安装示意图。

图5为本发明所述的压边圈的结构示意图。

图6为本发明所述的第一激光熔覆装置的结构示意图。

图7为本发明所述的第一激光熔覆装置的另一实施例结构示意图。

图8为本发明所述的第二激光熔覆装置的结构示意图。

图9为本发明所述的第二激光熔覆装置的另一实施例结构示意图。

图10为本发明所述的翻铆前板材的位置和变形状态示意图。

图11为本发明所述的翻铆前第一熔覆区和第二熔覆区的位置示意图。

图12为本发明所述的经过第一次翻铆和激光熔覆后板材的位置和变形状态示意图。

图13为本发明所述的经过第二次翻铆和激光熔覆后板材的位置和变形状态示意图。

图14为本发明所述的激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接装置，包括：底座110、下翻铆冲头120、超声振动装置130、压边圈140、上翻铆冲头150、第一激光熔覆装置160和第二激光熔覆装置170。

如图2所示，底座110的中心具有阶梯型的第一贯穿孔111，下翻铆冲头120通过弹性装置112支撑在第一贯穿孔111内，超声振动装置130连接下翻铆冲头120底部，并能够带动下翻铆冲头120向底座110的顶部冲击；

如图3所示，在另一实施例中，下翻铆冲头120包括冲头主体121和裙部122，冲头主体121为柱形，底部具有柱形孔121a，柱形孔121a用于容纳超声振动装置130，裙部122为环形，内环一体连接冲头主体121，位于冲头主体121中部。

在另一实施例中，底座110中间开有阶梯状通孔，下方小孔径为7mm，用于连接外部动力设备和控制系统。上方大孔径为15mm，用于安装第一弹簧123和第二弹簧124和下翻铆冲头120。下翻铆冲头12-的裙部直径为14mm，从而约束其左右位移。

在另一实施例中，下翻铆冲头120的基体是直径6mm的圆柱形，其上表面逐渐收缩为一个直径3mm的圆面，在圆面收缩的边缘有1mm圆角，便于翻铆的进行。下翻铆冲头120的内部开有深孔，孔径为4mm，其中紧密安装同直径的超声波振动装置1。在第一次翻铆结束后，动力装置未撤除动力，由超声波振动装置130带动下翻铆冲头120冲击壁面，冲击时间为3s。

如图4所示，弹性装置112包括第一弹簧123和第二弹簧124，第一弹簧123套设在冲头主体121上，位于裙部122下方与第一贯穿孔111底部形成的容纳空间内；第二弹簧124套设在冲头主体121上，位于裙部122上方与第一贯穿孔顶部形成的容纳孔间内，作为一种优选，第一弹簧123和第二弹簧124均为螺旋压缩弹簧，弹性系数为1300～1700n/mm。由于第一弹簧123和和第二弹簧124的弹性系数相同，所以在下翻铆冲头120上行时，两个弹簧的作用力可以相互抵消，动力装置只需提供推动冲头120本身的力即可，而不需要额外提供动力抵消弹簧的弹力。下翻铆冲头120从接触铝板开始后的行程为6mm。

使用时，开启超声振动装置130带动下翻铆冲头120克服弹性装置112的拉力，沿第一贯穿孔111箱底座110的上方冲击，关闭冲击振动装置130，弹性装置112拉动下翻铆冲头120复位。

如图5所示，压边圈140的中心具有阶梯型的第二贯穿孔141，上翻铆冲头150活动设在第二贯穿孔141内，并能够沿第二贯穿孔141上下滑动；作为一种优选，上翻铆冲头150为圆弧过度的变直径圆柱体，作为一种优选上翻铆冲头150上方的直径为15mm，与压边圈5的小孔径配合，下方的直径5mm，小于铝板在第一次翻铆后的孔径，且底面有1mm圆角过度。圆弧面可以在第二次翻铆时，逐渐翻出铝板，避免突然产生较大形变导致铝板破裂，且最终形成的接头外为圆角形状，可以避免应力集中甚至是电化学腐蚀的尖端、边缘放电等问题。上翻铆冲头在接触铝板后的行程为6mm。

如图6所示，第一激光熔覆装置160可旋转支撑在第二贯穿孔141内，第一激光熔覆装置旋转160，能够在位于其下方的铆接金属表面形成环形熔覆层，第一激光熔覆装置160包括第一圆环161、至少一个第一铰接杆162、纵向激光器163和第一送粉盒164。第一圆环161可旋转支撑在第二贯穿孔141内；第一铰接杆162的一端与第一圆环161铰接，并能够随第一圆环161旋转；纵向激光发射器163通过螺栓可拆卸连接第一铰接杆162的另一端，第一送粉盒164其设置在第一铰接杆162的另一端，位于纵向激光发射器163一侧，并具有喷头，能够向其下方喷射粉末。

如图7所示，在另一实施例中，第一激光熔覆装置160包括：第一环形滑轨161a通过螺栓可拆卸固定在第二贯穿孔141内；至少一个第一铰接杆162，其一端连接第一环形滑轨161a，并能够沿第一环形滑轨161a滑动；纵向激光发射器163通过螺栓可拆卸连接第一铰接杆162的另一端，第一送粉盒164设置在第一铰接杆162另一端，位于纵向激光发射器163一侧，并具有喷头，能够向其下方喷射粉末。

作为一种优选，第一铰接杆162为伸缩杆。纵向激光发射器163和第一铰接杆162的数量为四个，第一送粉盒164内装有nicrbsi粉末。

形成熔覆层时，开启第一激光熔覆装置160，由第一圆环161带动纵向激光发射器163和第一送粉盒164旋转，旋转过程中向下方的熔覆区竖直喷撒nicrbsi粉末，并开启纵向激光器，在熔覆区形成环形第二熔覆层；

或激光发射器163沿着第一环形滑轨161a滑动，旋转过程中向下方的熔覆区竖直喷撒nicrbsi粉末，并开启纵向激光器，在熔覆区形成环形熔覆层，

由于激光熔覆的高温和高效的特点，所以激光熔覆的作用时间在1s左右，凝固时间在3-6s左右。

如图8所示，第二激光熔覆装置170包括：第二圆环171、至少一个横向激光发射器172和第二送粉盒173，第二圆环171可旋转支撑在第二贯穿孔141底部，第二圆环171位于第一圆环161下方，至少一个横向激光发射器172可拆卸连接第二圆环171，并能够随第二圆环171旋转；第二送粉盒173设置在横向激光发射器172一侧，随所述横向激光发射器172旋转，第二送粉盒173具有第二喷头，能够向中心喷射粉末。

如图9所示，第二激光熔覆装置170包括：第二环形滑轨171a、至少一个横向激光发射器172和第二送粉盒173，第二环形滑轨171a通过螺栓可拆卸固定在第二贯穿孔141底部；至少一个横向激光发射器172通过螺栓可拆卸连接第二环形环形滑轨171，并能够沿第二环形滑轨171滑动；第二送粉盒173位于横向激光发射器172一侧，随横向激光发射器172旋转，第二送粉盒172具有第二喷头，能够向中心喷射粉末。

作为一种优选横向激光器172数量为4个，第二送粉盒173内装有nicrbsi粉末，形成熔覆层时，开启第二激光熔覆装置170，由第二圆环171带动横向激光发射器172和第二送粉盒173旋转，旋转过程中向第二圆环171内侧的熔覆区喷撒nicrbsi粉末，并开启横向激光器，在熔覆区形成环形熔覆层。

如图13所示，下翻铆冲头120在弹性装置112作用下回位。在程序控制下，第一圆环161复位，压边圈140内部上方的纵向激光发射器166绕铰接轴旋转90°，贴近压边圈140侧壁，以便于上翻铆冲头150下行。压边圈140底部的横向激光发射器1723以同步送粉的方式向此时已处于竖直状态的第二熔覆区横向喷撒nicrbsi粉末并进行熔覆，同时第二圆环171以30°/s的角速度旋转90°熔覆第二熔覆区的所有面积。在熔覆层尚未凝固的同时，启动动力装置，推动上翻铆冲头150下行，将铝板220竖直部分向两侧翻出。

横向激光发射器172和纵向激光器163采用固体激光器，其具有功率高、效率高、光束质量好、线宽窄、工作稳定且对薄壁熔覆不变形、避免造成铝合金塌陷的特点。由于其可以达到400w功率，且凝聚光斑小。所以可以在1s内熔化表面的熔覆材料，而且激光器尺寸很小，发射器喷头通过压边圈140的内部连接线路连接到外部控制设备，在压边圈140中的喷头尺寸只有3-5mm，光斑直径为3mm。

如图14所示，一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接方法，包括：

步骤s310、制备出带有通孔的钢板210和铝板220；

步骤s320、将铝板220放置在底座110上方，然后将钢板210叠放在铝板220上方，并驱动压边圈使钢板210和铝板220压紧；

步骤s330、开启第一激光熔覆装置160，纵向激光发射器163和第一送粉盒164以速度同步旋转，喷洒熔覆粉末的同时，采用激光器照射，在钢板上形成环形第一熔覆区；

步骤s340、启动超声震动装置130带动下翻铆冲头120向220铝板冲击，完全钻透铝板220的同时形成具有一定厚度的衬套；

步骤s350、固定下翻铆冲头，启动超声振动装置，以频率f带动冲头横向冲击铝板的衬套圆孔内壁；其中，频率f的计算公式为：

其中，f为超声振动装置的频率，单位为hz，g为下翻铆冲头的弹性模量，单位为n/m2，ip为下翻铆冲头的极惯性矩，单位为m⁴，j为振动惯量，单位为kg·m²，λ为冲击振幅，取值为0.08～0.1mm，u为响应时间，cn为响应系数，其数值为2.69m/s，σh为振动系数，其数值为0.291，d为衬套孔径。

步骤s360、开启第二激光熔覆装置170，横向激光发射器172和第二送粉盒173以速度同步旋转，喷洒熔覆粉末的同时，采用激光器照射，在所述衬套外侧形成环形第二熔覆区；

步骤s370、推动所述上翻铆冲头下行，将衬套向两侧翻出，形成翻铆结构；

其中，v为纵向激光发射器和所述第一送粉盒的旋转速度，π为弧度，n为第一激光熔覆装置中包含的纵向激光发射器数量，t为激光熔覆层凝固时间，取值为3s～6s；v′为所述横向激光发射器和所述第二送粉盒的旋转速度，π为弧度，n′为第二激光熔覆装置中包含的纵向激光发射器数量，t为激光熔覆层凝固时间，取值为3s～6s。

在另一实施例中，熔覆粉末为nicrbsi粉末，喷涂厚度为0.2～0.6mm。

实施以厚度为2mm的钢板和厚度为2mm的铝板铆接为例，作进一步说明

如图10-11所示，步骤一、铆接前先对钢板210和铝板220开孔，并对中放置在底座110和压边圈140之间，钢板210在上，铝板220在下，利用压边圈140将两块板压紧在底座110上。

其中，钢板210孔径为10mm，铝板11孔径为4mm，第一熔覆区与第二熔覆区的边界圆直径7mm，第一熔覆区与第二熔覆区均为宽度3mm的圆环，对应每次翻铆时铝板220的变形区域。

如图12所示，步骤二、安装在开孔上方的纵向激光器163以同步送粉的方式，向第一熔覆区竖直喷撒nicrbsi粉末并进行熔覆。由于激光熔覆的高温和高效的特点，激光熔覆的作用时间在1s左右，凝固时间在3-6s左右。熔覆进行时，通过预先设定好的程序，控制第一圆环161带动铰接装置和激光发射器旋转90°，圆环旋转角速度为30°/s，熔覆第一熔覆区的全部面积。

步骤三、在熔覆层尚未凝固时，启动动力装置，推动下翻铆冲头120上行，将铝板220超出钢板210孔洞的部分向上翻出。翻出后固定下翻铆冲头120，启动超声振动装置130，以20khz的频率带动冲头横向冲击铝板220的圆孔内壁，冲击振幅为0.1mm。

如图13所示，步骤四、上翻铆冲头120在弹性装置112作用下回位。在程序控制下，第一圆环161复位，压边圈140内部上方的纵向激光发射器166绕铰接轴旋转90°，贴近压边圈140侧壁，以便于上翻铆冲头150下行。压边圈140底部的横向激光发射器1723以同步送粉的方式向此时已处于竖直状态的第二熔覆区横向喷撒nicrbsi粉末并进行熔覆，同时第二圆环171以30°/s的角速度旋转90°熔覆第二熔覆区的所有面积。在熔覆层尚未凝固的同时，启动动力装置，推动上翻铆冲头150下行，将铝板220竖直部分向两侧翻出。

保压一定时间，上翻铆冲头150复位，取出连接件。

其中，在翻铆过程中，钢板210的孔、铝板220的孔，上翻铆冲头120、下翻铆冲头150保证对中。

本发明设计开发了一种激光熔覆和超声振动结合辅助无铆钉翻铆连接装置，采用激光熔覆装置在铆接金属之间形成熔覆夹层，避免电化学腐蚀的产生，再结合超声振动装置带动冲头实现翻铆，降低了铆接过程中产生的残余应力，有效提高了铆接接头处的表面强度，没有使用铆钉和其他的附加件，依靠铝板的变形形成自锁，减轻了接头处的质量。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。