[发明专利]单边自冲摩擦螺柱铆焊装置及其连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种汽车制造技术领域的装置及方法，具体是一种单边自冲摩擦螺柱铆焊装置及其连接方法。

背景技术

电弧螺柱焊是钢制汽车车身装配中常用的一种单边连接方式，其连接原理是螺柱一端与板件(或管件)表面接触，通电引弧，待接触面熔化后，给螺柱一定压力使其压入熔池最终完成焊接的方法。作为一种单边连接工艺，电弧螺柱焊具有极大的优势，可以在狭窄和较深的空间区域里实施焊接。随着汽车车身轻量化趋势的发展，有色合金与高强钢等轻质材料日益受到各大汽车厂商的青睐。然而，铝、镁等有色合金热导率较高，熔焊时能耗大，接头易产生氢脆，且热影响区金属软化严重，因此不宜采用螺柱焊工艺进行连接；而当连接对象为有色合金与高强钢等异质金属时，则由于两者热物理属性的巨大差异以及熔焊时易形成硬脆相——金属间化合物而难以形成有效连接。

针对上述问题，国外在半空心铆钉自冲铆接(Self-Piercing Riveting，简称SPR)的基础上演化出了一种特殊的铆接工艺，即自冲螺柱铆接。自冲螺柱铆接属于机械冷连接技术，可以有效避免有色合金螺柱焊时存在的一系列问题。然而，自冲螺柱铆接为一种双边连接方法，连接时板件需放置于自冲螺柱和模具之间，而白车身结构复杂，往往需要在一些具有复杂几何形貌和狭小空间的结构件上布置螺柱，作为双边连接方法的自冲螺柱铆接在这些工况下则无法实现正常连接；而且在双边连接高强钢材料时，铆枪臂在大的铆接力下不可避免会产生变形，使得铆接精度和接头质量难以保障，同时在铆接铸铝、镁等韧性较差的有色合金时，单纯依赖机械连接容易产生铆接裂纹甚至脆裂，致使接头失效。

经过对现有技术的检索发现，美国专利号7267736的“Method of Joining DissimilarMaterials”(连接相异材料的方法)提出了一种薄板与空心方形厚管的单边连接方法。该方法首先通过半空心铆钉以单边方式连接薄板和方管，然后通过电阻点焊方式使铆钉腿部与方管接触部位形成熔核以增强连接强度。但是该现有技术因为铆接力过大，为了防止下板或管件变形，只能用于薄板与厚板的连接。同时该方法需要用到自冲铆接和电阻点焊两种设备，工艺复杂且成本极高，无法规模应用于生产。

为了降低铆接力，文献“Modeling of Single-Sided Piercing Riveting Process”(单边穿刺铆钉成型工艺)(Transactions of the ASME，Journal of Manufacturing Science andEngineering，2010，Vol.132，No.4)通过“订书钉”形状的铆钉实现了薄板的单边连接，但是该方法接头强度低，而且因为铆钉必须刺穿下层板，导致接头的耐腐蚀性大大降低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种单边自冲摩擦螺柱铆焊装置及其连接方法，以自冲螺柱铆接工艺的机械连接为基础，使半空心自冲螺柱铆钉在轴向运动的同时沿周向做高速旋转运动，利用自冲螺柱铆钉高速旋转所产生的摩擦热软化有色合金或高强钢等材料，从而提高被铆材料的塑性，大大降低铆接高强钢时的铆接力，避免有色合金的铆接裂纹、脆裂以及铆钉的墩粗变形；同时通过螺柱铆钉切断上层工件并与下层工件形成机械自锁连接，通过铆钉高速旋转产生的摩擦热在铆钉和被铆材料之间形成固相连接，最终通过单边方式实现自冲螺柱的机械-固相双重连接。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种单边自冲摩擦螺柱铆焊装置，包括：驱动套杆、定位导套、定位机构和半空心自冲螺柱铆钉，其中：定位导套内由上而下依次套接驱动套杆和半空心自冲螺柱铆钉，定位机构沿周向水平分布于定位导套内，半空心自冲螺柱铆钉正对驱动套杆，待连接工件通过远端夹持机构固定于半空心自冲螺柱铆钉下方。

所述的半空心自冲螺柱铆钉为以下两种结构中的任意一种：

a)所述的半空心自冲螺柱铆钉由螺柱杆、法兰和螺钉腿构成，其中：法兰的上端和下端分别与螺柱杆和螺钉腿固定连接。

b)所述的半空心自冲螺柱铆钉由法兰和螺钉腿构成，其中：法兰的上端与驱动套杆相接触，下端则与螺钉腿固定连接。

所述的法兰上表面边缘沿周向均布有方形半开口凹槽，所述的驱动套杆的底部端面设有对应法兰的方形半开口凹槽相啮合的凸台。

所述的法兰下表面与螺钉腿相连设有与螺钉腿外壁成小于等于90°的夹角，该法兰的直径大于等于螺钉腿的外径的2倍。

所述的铆钉腿下端是光滑过度的楔形，楔形角度为30～60度。