[发明专利]面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种铆接技术领域的装置及方法，具体是一种面向超高强度钢(即超高强度钢)与轻金属的感应加热辅助自冲胶铆复合连接装置及方法。

背景技术

近年来，随着石油资源的日益减少和环境污染的不断加剧，以提升汽车燃油经济性和环保性能为目标的汽车车身轻量化成为汽车工业发展的大势所趋。镁、铝等有色合金材料以及先进超高强度钢等高质强比材料的混合应用自然成为车身轻量化的重要手段。然而镁、铝等有色合金材料导热性好、导电率高且易与铜发生合金化反应，同时上述有色合金与先进超高强度钢的熔点和热膨胀系数差异巨大以及熔焊时易形成硬而脆的金属间化合物，因此，采用传统电阻点焊方法难以形成有效接头。

针对上述问题，国外提出了一种利用材料的塑性大变形而在铆钉与待连接工件之间形成牢固互锁的机械冷成形工艺——半空心铆钉自冲铆接(Self-piercingriveting，简称SPR)。该工艺切实有效地避免了因熔化焊时大量热量的输入而引发的一系列问题，同时其冲、铆一体化的特点为快速生产和实现大批量流水线制造创造了有利条件。然而，这种连接工艺的接头成形性能及其综合连接质量大多取决于下层板的延伸率和强度，在铆接上述有色合金与超高强度钢时这种特点尤为突出。当上层板为先进超高强度钢时，由于材料强度高(一些先进超高强度钢的拉伸强度甚至大于1000Mpa)，铆接后铆钉易墩粗影响接头力学性能，有的铆钉甚至产生裂纹，直接导致接头失效；而当下层板为超高强度钢时，由于铆接时材料的变形抗力较大，塑性变形困难，一方面增加了对设备冲铆能力、铆枪C型框架刚度以及铆钉强度的要求，增加了生产成本；另一方面，变形困难的先进超高强度钢板使得接头成形性能较差，直接导致接头连接质量不高。

针对半空心铆钉自冲铆接的问题，澳大利亚Monash大学的研究人员提出在铆接前采用激光加热先进超高强度钢板材，以提高板材的塑性，同时降低塑性变形抗力以减小铆接力和提高成形性能。但是激光加热设备非常昂贵，功耗很大，且必须在激光发射器与钢板间无阻碍，如果要铆接双层钢板，必须上下同时布置两个激光发射器，使用不便且成本很高。

感应加热是一种有效的加热方式，已经在工业中普遍应用，然而铆接过程中只需要对拟铆接的局部区域(10mm以内范围)进行集中加热，现有的蚊香式感应加热线圈体积大，且无法对大平面上的局部进行集中加热。

另外，在加热超高强度钢时，热量会通过热传导的方式传递给高热导率的轻金属，导致轻金属侧变形抗力降低，从而降低了铆钉插入阶段铆钉的扩展变形，并最终降低接头的底切量大小和力学性能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置及方法，包括动力控制柜、气液增力动力单元、铆接执行机构、时间继电器、传送系统、感应加热系统以及低热导率结构胶。铆接前将低热导率结构胶涂敷于超高强度钢与轻金属之间，传送系统根据位置信息将感应加热线圈移入拟铆接工位，通过硅钢片增强的感应加热系统对待铆接超高强度钢局部进行快速、集中加热，加热结束后线圈快速移出，同时铆接执行机构快速移入铆接位置，气液增力动力单元推动铆接执行机构对已加热到特定温度的待铆接板材进行快速铆接。本发明通过低热导率结构胶的热抑制效应和热铆过程的时序精确控制解决了先进超高强度钢铆接时铆钉严重墩粗、接头底切量小、超高强度钢易产生裂纹等问题，有效降低了铆接超高强度钢时的塑性变形抗力，提升了接头的综合连接质量，而且与激光加热等手段相比具有很低的成本。

根据本发明提供的一种面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，包括：动力控制柜、气液增力动力单元、铆接执行机构、时间继电器、传送系统、感应加热系统；

感应加热系统包括感应加热电源和硅钢片增强线圈，其中，硅钢片增强线圈的两末端通过水冷导电软管分别与感应加热电源的两极相连；

感应加热系统通过时间继电器与动力控制柜相连；感应加热电源通过接收动力控制柜的开始信号，开启交变电流，时间继电器控制感应加热电源的通电时长；传送系统控制硅钢片增强线圈的移入与移出；

气液增力动力单元用于根据动力控制柜的控制驱动铆接执行机构。

优选地，硅钢片增强线圈在垂直于加热面方向折弯形成方形凸起，凸起部分的中心镶嵌多层U形聚磁硅钢片，所述U形聚磁硅钢片组成的端面外廓形状是正方形或者圆形；作为感应加热线圈的硅钢片增强线圈由锆铜合金、铬铜合金或镍硅铜合金制成。

优选地，凸起高度为5mm，凸起部分的中心镶嵌20～25层U形聚磁硅钢片，所述U形聚磁硅钢片组成的端面的宽度≤10mm。