[发明专利]基于半空心铆钉的两段式机械-固相复合连接方法

权利要求书

1.一种基于半空心铆钉的两段式机械-固相复合连接方法，其特征在于，通过将半空心铆钉与固连模具的驱动头同轴设置且铆钉盖上凹槽与驱动头的凸台相啮合，设置驱动头驱动铆钉在工艺第一阶段以高速旋转、低速进给的方式铆入待连接材料，通过铆钉旋转产生摩擦热，提升待连接工件温度，避免低延展性材料开裂，同时降低铆钉的铆入阻力以使得铆钉达到待连接工件中的转换深度；当完成第一阶段后，在第二阶段内停止旋转铆钉，并以较高速率进给，避免热量在铆钉附近过度累积，提升铆接力，使铆钉底端在待连接材料变形阻力的作用下向外撑开，形成机械互锁，同时在铆钉快速进给的挤压作用下，接头中铆钉-工件、工件-工件之间各界面间隙被消除，界面在高温下通过热扩散形成固相连接；

所述的固相连接是指：铆钉附近各界面间隙被消除，实现以下至少一个界面处两侧材料的固相连接：

①铆钉内侧截留金属与下层工件的界面；

②铆钉外侧工件与工件材料的界面；

③铆钉内侧截留金属与铆钉内壁的界面；

④铆钉外侧工件材料与铆钉外壁的界面；

所述的第一阶段的完成，根据待连接工件厚度和材料特性确定，具体需要同时满足：铆钉已经穿透除下层工件以外的所有工件，即：其中：h_i为第i层工件的厚度，n为被连接工件的层数且n≥2，D为转换深度，并且摩擦热对待连接工件充分软化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的充分软化，采用以下任一一种操作或其组合以确定：

a)采用红外测温仪或热电偶测量待连接工件上表面距离铆钉边缘3-10mm处的温度，当该点温度升高至待连接工件熔点的20％-50％时，判定材料充分软化；

b)采用嵌入热电偶测量固连模具上表面中心的温度，当温度升高至待连接工件熔点的15％-30％时，判定材料充分软化；

c)测量驱动头受到的反作用力，记录反作用力的第一个峰值F₁，当反作用力在第一个峰值后下降至0.3～0.6F₁时，判定材料充分软化；

d)测量驱动头受到的反作用扭矩，记录反作用扭矩的第一个峰值M₁，当反作用扭矩在第一个峰值后下降至0.3～0.6M₁时，判定材料充分软化；

e)测量驱动头受到的反作用力、反作用扭矩，并记录工艺时间，对总能量输入E进行计算，当总能量输入E大于预先设定值E₀时，判定材料充分软化，其中：F为驱动头受到的反作用力，M为驱动头受到的反作用扭矩，f为工艺过程第一阶段的铆钉进给速率，ω为工艺过程第一阶段的铆钉旋转速度，Δt为工艺时间，E₀通过材料的厚度和物理特性进行估算：E₀＝C×ρ×H×4πR_rivet²×ΔT，其中：C为待连接工件比热容，ρ为待连接工件密度，H为被连接工件的总厚度，n为被连接工件的层数，R_rivet为铆钉体的半径，ΔT为铆钉附近2R_rivet范围内待连接工件的平均温升，ΔT＝0.2～0.5T_m，T_m为待连接工件的熔点；

f)根据试验结果和经验设定一个固定的转换深度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的第一阶段分为若干个不同的进给速率和/或转速的子阶段，实现对热输入的精细调控，从而获得最佳的机械-固相复合连接效果，所有子阶段的进给深度之和为转换深度D。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的半空心铆钉包括：一体连接的铆钉盖和铆钉体，其中：铆钉盖的上端设有用于传递扭矩的均匀分布凸起和/或定位凹槽。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的铆钉体为空心结构，底端设有楔形锥角，铆钉的内、外壁可以是光滑结构或设有螺纹、凹槽结构。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的固连模具包括：驱动头和模具，其中：驱动头通过凸台与半空心铆钉顶部的凹槽相匹配并共同位于待连接工件上方，模具位于待连接工件下方，该驱动头具有轴向直线运动以及周向旋转运动的能力。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的固连模具的上表面正对铆钉的位置设有用于配合所述铆钉控制材料流动的固定结构。