[发明专利]机械-固相复合连接装置及其连接方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻量化材料单点连接技术领域的方法，具体是一种机械-固相复合连接装置及其连接方法。

背景技术

汽车工业中使用最广泛的车身板件装配工艺是电阻点焊，这种连接工艺具有生产效率高、操作简便、不需填充材料、易于实现自动化等优点。然而，铝、镁等轻合金因其具有极强的氧化能力、较小的电阻率、较大的导热系数和比热容、较大的线膨胀系数以及易形成气孔等特性，使其难以用传统电阻点焊工艺进行连接。而复合材料和塑料因为不导电，根本无法采用焊接方法实现连接。

针对上述轻量化材料的连接问题，国内外提出了无铆钉铆接(Clinching)、半空心铆钉自冲铆接(Self-Piercing Riveting，简称SPR)以及搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，简称FSSW)等自动化程度较高的方法。其中clinching与SPR是车身制造中应用最广泛的机械冷连接技术，可以有效避免异质材料熔化焊时的一系列问题，可实现冲孔和铆接工艺的一体化。但是clinching接头的静动态强度较低，只能应用于对强度要求不高的发动机罩和后行李箱盖等非承载构件的连接，适用范围小。SPR方法在连接韧性材料时可以获得静动态力学性能良好的接头，然而在铆接铸铝、镁、复合材料等韧性差的轻合金材料时容易产生裂纹甚至脆裂，致使接头失效。FSSW是通过搅拌头的搅拌运动和摩擦生热导致连接板件之间分子扩散和再结晶而实现固相连接的一种焊接工艺，由于接头形成温度低，可以有效控制金属间化合物的厚度。然而，该工艺完成后残留的工艺孔会削弱接头强度，同时相较于电阻点焊，其工艺耗时长，降低了车身板件批量化生产的效率，从而影响了该工艺在汽车工业中的规模应用。

经过对现有技术的检索发现，中国发明专利，公开号：CN101468421，名称：一种搅拌摩擦铆接装置和铆接方法，该方法通过实心刚性铆钉替代搅拌摩擦点焊的搅拌针，从而消除搅拌摩擦点焊的工艺孔；通过钉颈小于钉盖和钉底使得软化的金属可以流入钉颈部分实现铆钉与工件的机械连接。然而，作为一种实心铆钉，为了软化和排开金属，需要更大的铆接力和更长的铆接时间，对设备提出了较高的要求，增加了设备成本，并导致连接效率显著降低，从而限制了该工艺的规模应用。欧洲发明专利，公开号：EP2329905A1，名称：Method for joining metal and plastic workpieces，由德国GKSS研究中心的Sergio Amancio教授提出，该方法采用一个实心的金属棒旋转插入拟连接的材料，通过高温摩擦热使棒料在铆入过程中产生墩粗大变形，从而在材料中形成自锁。然而，这种方法难以实现对棒料变形的引导和控制。另有美国专利，公开号：US2011073634-A1，由美国杨百瀚大学的M.P.Miles教授提出的Friction bit joining工艺，该方法通过一个带有轴肩的实心钉子插入上层板，钉子与下层板之间形成固相连接，然后通过把上层板卡在轴肩之下形成机械连接。其存在的主要问题是实心铆钉在排开上层金属时，需要较大的铆接力和较长的时间。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种机械-固相复合连接装置及其连接方法，该机械-固相复合连接装置及其连接方法，以自冲铆接工艺的机械连接为基础，引入搅拌摩擦点焊工艺的固相连接机制，通过铆钉高速旋转产生摩擦热，降低铆接力的同时大大提高材料延伸率，解决了脆性金属铆接裂纹的问题；通过半空心铆钉替代实心搅拌针，降低进给阻力，加速工艺过程，解决了摩擦点焊效率低和残留工艺孔问题，并最终实现接头的机械-固相双重连接。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种机械-固相复合连接装置，包括驱动针、压边圈、若干个弹簧圆片定位机构、半空心铆钉和凹模，所述压边圈和凹模由上而下设置，板件设置在压边圈和凹模之间，所述压边圈内套接驱动针，所述若干个弹簧圆片定位机构径向水平分布于压边圈内，所述半空心铆钉竖直置于压边圈内并与弹簧圆片定位机构相接触，所述驱动针、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置；

所述弹簧圆片定位机构包括：定位圆片、弹簧和筒体，其中筒体设置于压边圈内，弹簧的一端与简体的内底相连，弹簧的另一端与定位圆片相接触，所述定位圆片与压边圈铰接，所述定位圆片上半部分设有内滑槽；

所述半空心铆钉包括：铆钉头和铆钉腿，其中：铆钉头的中心设有螺纹凹槽，驱动针末端的螺柱凸台和铆钉头的螺纹凹槽相啮合；铆钉头下端设有铆钉腿，铆钉头的直径大于铆钉腿外径，铆钉腿的末端是具有圆弧倒角的楔形；

所述铆钉头的外侧设有与定位圆片上半部分的内滑槽相啮合的外滑槽。