[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

说明书

一种基于半空心铆钉的两段式机械‑固相复合连接方法，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；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，本发明能够显著提升机械连接的干涉互锁效果，并在铆钉与工件、工件与工件之间形成固相连接，获得机械‑固相复合接头。

技术领域

本发明涉及的是一种材料连接领域的技术，具体是一种基于半空心铆钉的两段式机械-固相复合连接方法。

背景技术

轻质合金构件的点连接以铆接和搅拌摩擦点焊为主。铆接工艺采用冲压的方式，使铆钉和/或待连接工件发生塑性变形，形成干涉互锁，实现机械连接。铆接过程通常在室温下进行，为了获得理想的干涉互锁效果，需要施加较大冲压力，对铆接设备的结构强度和刚度、冲压驱动机构的可靠性以及铆钉自身的强度要求极高且冲头和模具损耗严重。此外，对于室温下延展性较低的轻合金，如7系铝合金、镁合金、铸铝等，铆接过程中的大塑性变形容易使材料发生开裂，严重影响接头性能。搅拌摩擦点焊工艺通过工具头的旋转、插入和回抽等运动在待连接工件中产热，并在工具头产生的压力和搅拌运动的共同作用下使待连接工件形成固相连接。对于可热处理强化的轻合金，如2系、6系、7系铝合金等，受摩擦热软化的影响，接头强度损失严重。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于半空心铆钉的两段式机械-固相复合连接方法，通过协调控制铆钉在不同工艺阶段的旋转运动和进给运动，提升机械连接的干涉互锁效果，并在铆钉与工件、工件与工件之间形成固相连接，获得机械-固相复合接头。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明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。

所述的第二阶段完成固相连接，即当铆钉进给至预定深度时，驱动头反向进给，回至原位。

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。

所述的待连接工件包含至少两层工件。

所述的下层工件是指：位于固连模具上方且与固连模具相接触的工件

所述的充分软化，采用以下任一一种操作或其组合以确定：