[发明专利]金属板材旋转摩擦铆接方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料铆焊技术领域，尤其是涉及一种旋转摩擦铆接方法。

背景技术

车身轻量化是降低汽车能源消耗的一条重要途径。为了减轻车体重量，可以在生产汽车时增加轻有色金属合金的使用量，如铝合金、镁合金等。连接技术是金属材料应用中不可缺少的关键技术。金属材料的连接技术已有很多种，如：电焊(Electric welding) 、电阻点焊(Resistance Spot Welding)、旋转磨擦点焊(Friction Stir Spot Welding)、固态铆接(Solid Riveting)、拉铆接(Blind Riveting)、旋转磨擦拉铆接(Friction Stir Blind Riveting) 、自冲铆接(Self-piercing Riveting)以及无铆钉铆接(Clinching)等等（详见参考文献1-2）。对于轻有色金属合金而言，大多都具有高导电、导热性以及在焊接过程中易于形成氧化层等特性，因而传统的电焊技术、点焊技术以及旋转磨擦焊技术并不适用于它们的连接。对于不同质金属材料，由于材料之间性质的巨大差异，使用电焊技术、点焊技术和旋转磨擦焊技术更是难以实现有效连接；固态铆接和拉铆接需要预先打孔才能进行铆接，不适合快速的批量化生产；旋转磨擦拉铆接仍处于研究阶段，目前还难以应用于实际。

自冲铆接技术和无铆钉铆接技术都属机械连接技术，它们能克服传统的熔焊技术在连接轻有色金属合金材料、不同质板材以及涂有保护层板材时存在的不足（详见参考文献3），在汽车生产中已得到广泛应用。自冲铆接是一种冷变形连接工艺，在铆接时，将被铆接板材放在一个内设有锥型凸台的小型模具之上并压紧，由冲头将一个半空心钢质铆钉冲压进入板材，铆钉穿透上层板后进入下层板，并在模具内锥型凸台的作用下使铆钉的空心部分扩张，形成机械互锁（详见参考文献2）。在自冲铆接过程中，铆接处的材料要经受很大的局部变形，特别是在下层板的铆接处更是如此；无铆钉铆接技术也是一种冷变形连接工艺，铆接时引起的局部变形更大。所以，自冲铆接技术和无铆钉铆接技术仅适用于常温下具有良好塑性和变形能力的金属材料。而对于塑性和变形能力较差的金属材料，使用自冲铆接技术和无铆钉铆接技术进行铆接时，铆接处的材料常常会出现开裂而使连接失效。例如，使用自冲铆接技术连接塑性和形能力较差的铸造铝合金和镁合金板材时，铆接处的材料很容易发生脆裂而形成裂纹，致使铆接失败。铆接前，对低塑性金属板材进行加热对改善自冲铆接和无铆钉铆接的铆接效果有一定帮助，但加热过程不仅增加了铆接时间，而且还要配备一套加热设备，增加了铆接成本。

通过检索发现，在已公开的中国发明专利申请中，有一项名称为“自冲磨擦铆焊连接装置”(中国专利公开号:CN101817142A)的发明专利申请。该装置包括：可高速旋转的驱动针、压边圈、环形导槽、环形定位弹簧、半空心铆钉和结构类似于自冲铆接技术中使用的中部带有锥形凸台的空腔圆型模具。其铆焊过程是：通过驱动针插入铆钉头部的凹槽使半空心铆钉旋转进入待铆接板材，铆钉穿透上层板后进入下层板，并在模具内锥型凸台的作用下使铆钉的空心部分向外扩张变形，形成机械互锁，实现铆接，同时，由于摩擦加热的作用，铆钉与被铆接板材之间也有一定的焊接效果。该发明装置对连接低塑性金属板材有一定的效果。但这种铆焊方式存在不足, 从该技术的铆焊过程可以看出：铆钉与被铆接板材之间机械互锁的形成过程（即：铆钉在模具内的扩张变形过程）是在铆钉仍处于高速旋转的过程中进行并完成的，而在此过程中，如果驱动针或铆钉出现微小摆动或者铆钉的轴对称性较差，就将导致铆钉在板材内出现搅动现象，使铆钉与被铆接板材之间形成较大的间隙，从而影响板材与铆钉之间的机械互锁效果和焊接效果，最终影响铆接接头的力学性能。因此，要利用该铆焊方法获得性能稳定的连接接头，对驱动针和铆钉旋转的稳定性以及铆钉的加工精度都有很高的要求。