半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄板結(jié)構(gòu)連接的技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，是一種利用電致塑性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的半空心旋鉚鉚釘摩擦旋鉚技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球汽車工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，國內(nèi)外汽車保有量大幅增長，截至2010年，全球汽車保有量首次超過10億輛。作為一種典型能源消耗及排放載體，汽車已成為當(dāng)前世界石油資源消耗和污染物排放的主要來源之一。
[0003]國內(nèi)外大量研究已經(jīng)表明，汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最有效措施之一。數(shù)據(jù)表明:汽車每減少100kg，可節(jié)省燃油0.3?0.5L/( 100km)，可減少⑶2排放8?I Ig/(100km)。大量使用輕量化材料是實(shí)現(xiàn)車身大幅減重最為有效的手段，“多材料輕量化結(jié)構(gòu)”是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要方法。通過合理設(shè)計(jì)，使不同種類、強(qiáng)度級別的輕合金、鋼材等應(yīng)用于車身不同部位處，是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的有效途徑。
[0004]各種高強(qiáng)度汽車用鋼、鋁合金在焊接性方面的特殊性及不斷提高的車身服役性能要求，不論對傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝、還是先進(jìn)的自沖鉚工藝，均提出了全新的挑戰(zhàn)。為了促進(jìn)可時(shí)效硬化鋁合金、超高強(qiáng)度鋼等輕量化材料在汽車制造中的應(yīng)用，同時(shí)滿足連接質(zhì)量、大規(guī)模自動化批產(chǎn)要求，亟需開發(fā)出一種高效、可靠的新型異種材料連接理論與工藝技方法，加速我國汽車輕量化應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。
[0005]如前所述，輕量化汽車車身制造中，現(xiàn)有連接方法已不能滿足超高強(qiáng)鋼/低碳鋼、超高強(qiáng)度鋼/硬鋁合金異種連接。采用電阻點(diǎn)焊對鋁/鋼異種材料進(jìn)行連接，會出現(xiàn)因承力界面金屬間化合物層脆化導(dǎo)致的接頭強(qiáng)度低、斷裂吸收能低的問題。采用自沖鉚會出現(xiàn)高強(qiáng)鋼變形困難，易出現(xiàn)連接缺陷，而且由于自沖鉚接接頭連接是依靠機(jī)械自鎖實(shí)現(xiàn)的，因此其正拉伸承載能力較低，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的抗沖撞性能下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種利用電致塑性效應(yīng)的摩擦旋鉚裝置和方法，能夠提尚招鋼異種材料的連接質(zhì)量。
[0007 ]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0008]—種半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚裝置，包括半空心旋鉚鉚釘，所述半空心旋鉚鉚釘頂端設(shè)置有十字或一字凹槽;該裝置還包括位于被連接工件上方的旋鉚加壓桿、同軸套設(shè)在所述旋鉚加壓桿外部的壓邊圈、位于被連接工件下方的凹模，所述旋鉚加壓桿和所述凹模同軸設(shè)置;所述壓邊圈通過套裝在所述旋鉚加壓桿外部的彈簧連接于所述旋鉚加壓桿;所述旋鉚加壓桿連接于加壓扭矩裝置和電源;所述旋鉚加壓桿底端設(shè)置有與所述半空心旋鉚鉚釘適配的十字或一字凸臺。
[0009]其中，所述電源能夠提供直流輸出電流和脈沖輸出電流。
[0010]—種利用上述半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚裝置的半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0011](I)準(zhǔn)備階段:
[0012]所述被連接工件放置于所述凹模上，將所述半空心旋鉚鉚釘放置于所述旋鉚加壓桿下方，并使其頂端的十字或一字凹槽與所述旋鉚加壓桿底端的十字或一字凸臺插接，再通過所述旋鉚加壓桿將所述半空心旋鉚鉚釘回縮至所述壓邊圈內(nèi)部；
[0013](2)摩擦沖裁階段:
[0014]所述加壓扭矩裝置驅(qū)動所述旋鉚加壓桿向下移動，所述壓邊圈先與所述被連接工件接觸，而后所述半空心旋鉚鉚釘與所述被連接工件接觸，此時(shí)所述電源通過所述旋鉚加壓桿向所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加高頻直流脈沖電流，同時(shí)所述加壓扭矩裝置驅(qū)動所述旋鉚加壓桿帶動所述半空心旋鉚鉚釘高速旋轉(zhuǎn)并下壓；由于所述被連接工件有效軟化，所述半空心旋鉚鉚釘在不產(chǎn)生裂紋的條件下刺穿所述被連接工件；
[0015](3)鉚釘變形階段:
[0016]所述旋鉚加壓桿停止高速旋轉(zhuǎn)，并繼續(xù)保持對所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加的高頻直流脈沖電流和壓力，實(shí)現(xiàn)對所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘?shù)乃苄哉{(diào)控，使所述被連接工件鉚接完成后實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖；
[0017](4)電阻點(diǎn)焊階段:
[0018]所述旋鉚加壓桿停止對所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加的高頻直流脈沖電流，并繼續(xù)保持對所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加的壓力，同時(shí)所述電源通過所述旋鉚加壓桿向所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加直流電流，在所述半空心旋鉚鉚釘與所述被連接工件之間形成冶金連接，最終形成“冶金-機(jī)械”復(fù)合連接接頭；
[0019](5)分離階段:
[0020]所述旋鉚加壓桿停止對所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加的壓力和直流電流，所述旋鉚加壓桿與所述壓邊圈先后離開所述被連接工件，回到原位準(zhǔn)備下一連接點(diǎn)循環(huán)。
[0021]優(yōu)選地，
[0022]步驟(2)中，所述高頻直流脈沖電流的峰值為2?4kA，頻率范圍為500?5000Hz ；所述旋鉚加壓桿的旋轉(zhuǎn)速度為500-1000r/min;所述旋鉚加壓桿施加的壓力為10KN-30KN;
[0023]步驟(3)中，所述高頻直流脈沖電流的峰值為2?4kA，頻率范圍為500?5000Hz ；所述旋鉚加壓桿施加的壓力為10KN-30KN;所述旋鉚加壓桿保持施加高頻直流脈沖電流和壓力的時(shí)間為200-400ms;
[0024]步驟(4)中，所述旋鉚加壓桿施加的壓力為10kN_30kN;所述旋鉚加壓桿施加的直流電流為2?20kA;所述旋鉚加壓桿保持施加壓力和直流電流的時(shí)間為200-400ms。
[0025]—種利用上述半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚裝置的半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚方法，包括如下步驟:
[0026](I)準(zhǔn)備階段:
[0027]所述被連接工件放置于所述凹模上，將所述半空心旋鉚鉚釘放置于所述旋鉚加壓桿下方，并使其頂端的十字或一字凹槽與所述旋鉚加壓桿底端的十字或一字凸臺插接，再通過所述旋鉚加壓桿將所述半空心旋鉚鉚釘回縮至所述壓邊圈內(nèi)部；
[0028](2)摩擦沖裁階段:
[0029]所述加壓扭矩裝置驅(qū)動所述旋鉚加壓桿向下移動，所述壓邊圈先與所述被連接工件接觸，而后所述半空心旋鉚鉚釘與所述被連接工件接觸，此時(shí)所述電源通過所述旋鉚加壓桿向所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加高頻直流脈沖電流，同時(shí)所述加壓扭矩裝置驅(qū)動所述旋鉚加壓桿帶動所述半空心旋鉚鉚釘高速旋轉(zhuǎn)并下壓；由于所述被連接工件有效軟化，所述半空心旋鉚鉚釘在不產(chǎn)生裂紋的條件下刺穿所述被連接工件；
[0030](3)鉚釘變形階段:
[0031]所述旋鉚加壓桿停止高速旋轉(zhuǎn)，并繼續(xù)保持對所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加的高頻直流脈沖電流和壓力，實(shí)現(xiàn)對所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘?shù)乃苄哉{(diào)控，使所述被連接工件鉚接完成后實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖；
[0032](4)分離階段:
[0033]所述旋鉚加壓桿停止對所述被連接工件及所述半空心旋鉚鉚釘施加的高頻直流脈沖電流和壓力，所述旋鉚加壓桿與所述壓邊圈先后離開所述被連接工件，回到原位準(zhǔn)備下一連接點(diǎn)循環(huán)。
[0034]優(yōu)選地，
[0035]步驟(2)中，所述高頻直流脈沖電流的峰值為2?4kA，頻率范圍為500?5000Hz ；所述旋鉚加壓桿的旋轉(zhuǎn)速度為500-1000r/min;所述旋鉚加壓桿施加的壓力為10KN-30KN;
[0036]步驟(3)中，所述高頻直流脈沖電流的峰值為2?4kA，頻率范圍為500?5000Hz ；所述旋鉚加壓桿施加的壓力為10KN-30KN;所述旋鉚加壓桿保持施加高頻直流脈沖電流和壓力的時(shí)間為200-400ms。
[0037]本發(fā)明的有益效果是:
[0038]本發(fā)明的半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚裝置和方法利用電致塑性效應(yīng)使工件發(fā)生有效軟化，有利于鉚釘?shù)臎_裁穿刺運(yùn)動，減小連接缺陷發(fā)生的概率;并采用摩擦旋鉚方式進(jìn)行工件的連接，其熱輸入較小，可有效控制異種金屬間產(chǎn)生的脆性化合物;通電與鉚釘摩擦同時(shí)作用于工件之上，可以使各自所需工藝參數(shù)數(shù)值較小，用較簡單的電源及加壓機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)，減少設(shè)備成本;在后續(xù)通電階段，兩工件產(chǎn)生冶金結(jié)合，大幅提升接頭承力載荷，最終所形成“冶金-機(jī)械”接頭的正向拉伸性能好于傳統(tǒng)自沖鉚或電阻點(diǎn)焊連接工藝。
【附圖說明】
[0039]圖1是本發(fā)明所提供的半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖2是本發(fā)明所提供的半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚方法過程示意圖；
[0041]其中，(a)為準(zhǔn)備階段；(b)為摩擦沖裁階段；(C)為鉚釘變形階段；(d)為電阻點(diǎn)焊階段;(e)為分離階段。
[0042]圖中:1、旋鉚加壓桿;2、壓邊圈；3、半空心旋鉚鉚釘;4、被連接工件;5、凹模。
【具體實(shí)施方式】
[0043]為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及效果，茲例舉以下實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下:
[0044]如圖1所示，本實(shí)施例公開了一種半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚裝置，主要包括旋鉚加壓桿1、壓邊圈2、半空心旋鉚鉚釘3、被連接工件4、凹模5、加壓扭矩裝置和電源。[0045 ]旋鉚加壓桿I為圓柱體結(jié)構(gòu)，其直徑為6mm，高度為15mm;旋鉚加壓桿I位于被連接工件4上方。
[0046]壓邊圈2同軸套設(shè)在旋鉚加壓桿I外部，其外徑為20mm，內(nèi)徑為7mm，高度為20mm。旋鉚加壓桿I外部套裝有彈簧，彈簧上部固定連接于旋鉚加壓桿I本身或加壓扭矩裝置、下部固定連接于壓邊圈2頂部，使得壓邊圈2可跟隨旋鉚加壓桿I發(fā)生運(yùn)動且由彈簧提供較小的壓力。
[0047]半空心旋鉚鉚釘3頂端設(shè)置有十字或一字凹槽，旋鉚加壓桿I底端設(shè)置有與半空心旋鉚鉚釘3適配的十字或一字凸臺。
[0048]被連接工件4包括上下兩塊板材，板材可以為鋁合金、低碳鋼、高強(qiáng)鋼等材料，利用本發(fā)明的裝置和方法連接時(shí)，硬度較小的板材位于上部，硬度較大的板材位于下部。
[0049]凹模5與普通自沖鉚工藝中的結(jié)構(gòu)相同，位于被連接工件4下方，與旋鉚加壓桿I同軸設(shè)置。
[0050]旋鉚加壓桿I與加壓扭矩裝置和電源分別連接，集加壓、加扭矩與電阻點(diǎn)焊電極功能一體化。加壓扭矩裝置可對旋鉚加壓桿I提供向下的壓力和旋轉(zhuǎn)的扭矩;電源可對旋鉚加壓桿I提供直流輸出電流和脈沖輸出電流，根據(jù)具體工序切換使用。
[0051]如圖2所示，利用上述半空心鉚釘電致塑性摩擦旋鉚裝置的方法，其具體操作步驟如下:
[0052]被連接工件4為6061-T6鋁合金板材和DP980高強(qiáng)鋼