一种双层金属板材与管材的连接装置及方法

本发明属于材料连接，具体公开了一种双层金属板材与管材的连接装置及方法。

背景技术：

1、复合金属板由于兼具组元金属板的多重优异性能(力学性能或物理及化学性能)，能够克服单一金属板材的性能缺陷，而在航空航天、汽车、化工等行业应用广泛。近年来研究中出现一种仅通过简单的机械叠加，而未牢固结合的多层板材，又被简称叠层板，通过塑性变形后得到特定功能的复合板构件。如低碳钢-不锈钢叠层可以实现耐腐蚀与低成本间的平衡，不锈钢-铝-不锈钢叠层板可以达到耐腐蚀、减重与高热传导率的有益效果。

2、板-管连接构件在换热器、医药、食品等领域应用广泛，双层板与管材的连接结构在减重、耐腐蚀、成本控制等方面具有极大的优势。然而该叠加结构对于传统的连接方式如焊接、螺栓连接、胶接、液压胀接等提出了挑战，如传统的焊接工艺焊缝过多，容易产生焊接缺陷；螺栓连接不适用于震动环境，且增加制造成本及连接件质量；胶接前板材及管材需要复杂的前处理，制造周期长，强度低；液压胀接则设备昂贵，成本高。因此，亟需一种创新的双层板材-管材连接方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种双层金属板材与管材的连接装置及方法，以解决传统连接方法在双层板材-管材连接构件连接中的焊缝多、周期长、强度低、成本高的难题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种双层板材与管材的连接装置，包括上模、辅助件和下模；辅助件为端部加工有倒角的薄壁环形结构；

4、连接时，管材套装在下模内，下板材、辅助件、上板材和上模依次套装在管材外部；辅助件与管材及两板材间形成机械锁扣；

5、辅助件的截面形状为驼峰形、三角形或梯形。

6、进一步，辅助件为端部倒角的角度为30°～60°。

7、进一步，辅助件的高度为h，上板材的厚度为t1，下板材的厚度为t2，0.85(t1+t2)＜h＜1.2(t1+t2)。

8、进一步，辅助件的截面形状为驼峰形时，辅助件的截面由上半段和下半段对称构成，上半段包括依次连接的第一斜面、第一竖直面和第二斜面，第一斜面和第二斜面的倾斜方向均朝向辅助件的中部位置；

9、第一斜面与辅助件的轴线的夹角构成端部倒角，命名为θ1；

10、两个第二斜面组成三角形截面，三角形截面的尖角为θ2；

11、30°≤θ1≤60°，90°≤θ2≤150°。

12、进一步，上模和下模的中心均加工有通孔，上模和下模的上表面和下表面为平面。

13、进一步，辅助件的材质为不锈钢、45钢或高强钢。

14、本发明公开了所述连接装置的一种双层板材与管材的连接方法，包括以下步骤：

15、s1、将管材套装在下模内，下板材、辅助件、上板材和上模依次套装在管材外部；

16、s2、上模以速度v1向下运动，压缩上板材，辅助件的上端面尖角刺入上板材，同时下端面尖角刺入下板材；

17、随着行程进行，辅助件发生弯曲变形，导致管材向内凹陷；

18、s3、辅助件进一步刺入上板材和下板材中，同时进一步向内挤压管材，形成辅助件与管材之间的径缩，直至上板材与下板材接触，管材、辅助件与两板材间形成机械锁扣，得到板管连接件。

19、进一步，0.2mm/s＜v1＜5mm/s。

20、进一步，完成s3后，移除上模，并将板管连接件从下模中取出。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

22、本发明公开了一种双层板材与管材的连接装置，包括上模、下模和辅助件，模具结构简单，易加工，只需设备提供向下的作用力，常规的压力机、液压机等即可满足，对设备要求低，与现有设备适配性强；辅助件为端部加工有倒角的薄壁环形结构，截面可设计为为驼峰形、三角形或梯形，通过辅助件同时刺入上下板材，并弯曲迫使管材颈缩变形，辅助件与管材和板材间形成的机械锁扣，辅助件与管材接头径缩分布均匀，接头强度高，使得其抗拉脱强度高；同时，板材表面和管材表面均无凸起或凹坑，表面美观。

23、进一步，辅助件端部倒角的角度为θ，若太大，则导致端部刺入板材困难，若太小，则因端部太过纤细导致刺入过程中弯曲变形严重，使得接头机械锁扣高度较低，仍然形成差的接头强度，最终设计为30°≤θ≤60°。

24、进一步，辅助件的高度为h，上板材厚度为t1，下板材厚度为t2，若h太大，辅助件极易刺穿板材，造成板材表面损伤，并且降低接头强度，若太小，则辅助件在复合板之间形成的机械锁扣高度较低，造成复合板之间结合力小，并且对管材的径向挤压作用小，造成管材径缩尺寸较小，形成较低的接头强度，最终设计为0.85(t1+t2)＜h＜1.2(t1+t2)。

25、本发明公开了一种双层板材与管材的连接方法，通过辅助件同时刺入上下板材，并弯曲迫使管材颈缩变形，可以一步实现双层板材间的连接和板材与管材之间的连接，连接在几秒钟完成，效率高于传统的连接方法。相较于板-管板连接件常用的扩胀、液胀工艺，采用该方法可以实现多板材、异种材料及管材的任意部位连接，且不需对板材进行预加工槽等操作，节省前期准备时间；与焊接或胶接相比，本发明方法属于机械连接，不会发生冶金结合，各部分成分不发生改变，在服役期满或失效后，方便拆除，便于回收再利用。

技术特征：

1.一种双层板材与管材的连接装置，其特征在于，包括上模(1)、辅助件(3)和下模(6)；辅助件(3)为端部加工有倒角的薄壁环形结构；

2.根据权利要求1所述的一种双层板材与管材的连接装置，其特征在于，辅助件(3)为端部倒角的角度为30°～60°。

3.根据权利要求1所述的一种双层板材与管材的连接装置，其特征在于，辅助件(3)的高度为h，上板材(2)的厚度为t1，下板材(4)的厚度为t2，0.85(t1+t2)＜h＜1.2(t1+t2)。

4.根据权利要求1所述的一种双层板材与管材的连接装置，其特征在于，辅助件(3)的截面形状为驼峰形时，辅助件(3)的截面由上半段和下半段对称构成，上半段包括依次连接的第一斜面、第一竖直面和第二斜面，第一斜面和第二斜面的倾斜方向均朝向辅助件(3)的中部位置；

5.根据权利要求1所述的一种双层板材与管材的连接装置，其特征在于，上模(1)和下模(6)的中心均加工有通孔，上模(1)和下模(6)的上表面和下表面为平面。

6.根据权利要求1所述的一种双层板材与管材的连接装置，其特征在于，辅助件(3)的材质为不锈钢、45钢或高强钢。

7.基于权利要求1～6任意一项所述连接装置的一种双层板材与管材的连接方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种双层板材与管材的连接方法，其特征在于，0.2mm/s＜v1＜5mm/s。

9.根据权利要求7所述的一种双层板材与管材的连接方法，其特征在于，完成s3后，移除上模(1)，并将板管连接件从下模(6)中取出。

技术总结
本发明属于材料连接技术领域，涉及一种双层板材与管材的连接装置，包括上模、下模和辅助件，辅助件为端部加工有倒角的薄壁环形结构，连接时，辅助件与管材和两板材间形成机械锁扣。还公开了一种双层板材与管材的连接方法，下模固定不动，分别将下板材、辅助件、上板材顺序套装在管材外壁，然后将管材放置在下模内，上模套入管材并以恒定速度对上板材进行挤压，使得辅助件逐渐刺入上板材与下板材内，在板材内发生弯曲变形形成机械锁扣，且在弯曲变形中对接触部分的管材进行径向挤压发生径缩变形，形成辅助件及管材的机械锁扣，当上模运动至预设位置后，完成多板材‑管材连接过程。解决了传统工艺难以实现厚板、多板材及管材的连接问题。

技术研发人员：王朋义,金加庚,王育聪,张昌松,左鹏,万戈辉,韩宝健
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15