一種超聲輔助的自沖鉚接方法
【專利摘要】一種超聲輔助的自沖鉚接方法，通過自沖鉚接系統(tǒng)實現，其具體步驟如下：上層板材和下層板材組對并充分靠近或者接觸，放置在凹模上方；超聲波發(fā)生裝置與鉚釘夾具之間的夾角α為0°～180°，輸出超聲波的功率為1～90kW,超聲波的振幅為3～60μm；半空心鉚釘在超聲波輔助下向下運動插入被焊的上層板材和下層板材，直至凹模被填充滿，之后超聲振動繼續(xù)保持0～2秒。本發(fā)明解決了現有的自沖鉚接難變形材料時存在的開裂、變形困難問題和無冶金結合問題，同時也解決了異種材料電阻點焊時脆性化合物大量生成的問題，通過施加超聲振動減小了鉚釘下壓阻力，實現了機械-冶金雙重連接，提高了接頭的力學性能。
【專利說明】一種超聲輔助的自沖鉚接方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機械固相復合連接方法，具體是一種超聲波輔助的自沖鉚接方法，屬于焊接【技術領域】。

【背景技術】
[0002]當前交通工具車身裝配中使用的主要連接方法有電阻點焊和自沖鉚接。
[0003]電阻點焊在焊接單一材料的傳統(tǒng)鋼制車身時具有不可替代的優(yōu)勢，已經在工業(yè)界大規(guī)模成功地應用了幾十年。然而隨著交通工具減重需求的不斷增加，車身材料向輕質的方向迅速發(fā)展，電阻點焊在焊接高強鋼與輕質合金異種材料組成的車身時，存在著巨大問題，具體表現為，電阻點焊時焊接溫度極高，焊接界面產生大量的脆性金屬間化合物，極大地降低了接頭力學性能。
[0004]自沖鉚接技術是一種從90年代開始在工業(yè)界大量使用的機械連接方法。自沖鉚接具有工序周期短、不刺穿底層板材、可連接異種材料、鉚接時無煙塵火花等優(yōu)點，特別適用于鋁合金等塑性良好的材料。然而，自沖鉚接方法在焊接鎂合金、高強鋼等塑性差、強度高的材料時，存在著下層鎂合金開裂、高強鋼變形困難等嚴重問題；同時，自沖鉚接在焊接金屬板材時，如:鋁-鋼異種材料接頭，由于連接溫度極低(小于150攝氏度)，在被連接材料之間僅僅形成了單一的機械連接，沒有任何冶金連接形成，使得接頭力學性能處在較低水平。


【發(fā)明內容】

[0005]為了解決自沖鉚接難變形材料時存在的開裂、變形困難問題和無冶金結合問題，同時也為了解決電阻點焊時溫度過高、脆性化合物大量生成的問題，本發(fā)明提供一種超聲輔助的自沖鉚焊方法，以自沖鉚接技術為基礎，向自沖鉚釘上施加功率超聲，從而達到減小鉚釘下壓阻力、軟化難變形材料、形成機械-冶金雙重連接的效果。
[0006]本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:
[0007]一種超聲輔助的自沖鉚接方法，其通過自沖鉚接系統(tǒng)實現，該自沖鉚接系統(tǒng)包括半空心鉚釘、鉚釘夾具、凹模和超聲波發(fā)生裝置，所述自沖鉚接方法的具體步驟如下:
[0008]步驟一、將被焊的上層板材和下層板材組對，使兩者充分靠近或者接觸；
[0009]步驟二、將組對在一起的上層板材和下層板材放置在所述凹模上方；
[0010]步驟三、設定所述超聲波發(fā)生裝置與所述鉚釘夾具之間的夾角α ；
[0011]步驟四、打開所述超聲波發(fā)生裝置的電源，使該超聲波發(fā)生裝置開始輸出超聲波；
[0012]步驟五、所述半空心鉚釘在所述鉚釘夾具的帶動下向下運動，壓入并穿透上層板材，然后扎入下層板材使其發(fā)生變形，直至所述凹模被填充滿，該半空心鉚釘停止向下運動；
[0013]步驟六、所述半空心鉚釘停留在所述凹模中，保持超聲振動O?2秒；
[0014]步驟七、所述半空心鉚釘脫離所述鉚釘夾具，并保留在被焊材料中，所述鉚釘夾具向上運動到指定位置，焊接過程完成。
[0015]進一步地，在步驟三中，所述的超聲波發(fā)生裝置與鉚釘夾具之間的夾角α在O。彡α彡180°的范圍中可變。
[0016]進一步地，在步驟四中，所述的超聲波的功率為I?90 kW。
[0017]進一步地，在步驟四中，所述的超聲波的振幅為3?60 μ m。
[0018]進一步地，所述的超聲波發(fā)生裝置與鉚釘夾具之間通過焊接或者其他機械固定方式連接。
[0019]本發(fā)明的原理是，超聲波振動從超聲波發(fā)生裝置傳遞到鉚釘夾具，進而傳遞到半空心鉚釘上；當半空心鉚釘與上層板材接觸時，在超聲波驅動下兩者發(fā)生高頻摩擦，與此同時，上層板材在超聲振動帶動下與下層被焊板材也發(fā)生高頻摩擦；隨著半空心鉚釘進一步下壓與下層板材接觸，兩者之間發(fā)生高頻摩擦，同時，在超聲作用下，下層板材與凹模之間也發(fā)生高頻摩擦；這四處高頻摩擦一方面軟化了被焊板材，使得它們變形容易，避免開裂，減小半空心鉚釘下壓的阻力，另一方面上、下層板材之間的高頻摩擦使得它們之間生成冶金結合，進而提高接頭的性能。
[0020]與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0021]1、半空心鉚釘與上層板材之間的高頻摩擦軟化上層板材，減小了下壓阻力；
[0022]2、半空心鉚釘與下層板材之間的高頻摩擦軟化下層板材，使之變形容易，避免開裂，同時減小了下壓阻力；
[0023]3、上層板材與下層板材之間的高頻摩擦，使得兩者在界面上發(fā)生冶金結合，實現機械-冶金雙重結合，提高了接頭的力學性能；
[0024]4、下層板材與凹模之間的高頻摩擦，使得下層板材軟化，避免開裂，減小變形阻力，使之更容易填充凹模；
[0025]5、下壓阻力的減小可以使得鉚焊設備輕量化，減小鉚焊設備的體積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0027]圖中，雙向箭頭代表超聲波振動方向，向下箭頭代表鉚焊下壓力方向。

【具體實施方式】
[0028]下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，該實施例以本發(fā)明技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0029]實施例1
[0030]如圖1所示，所述自沖鉚接系統(tǒng)包括半空心鉚釘2、鉚釘夾具1、凹模5和超聲波發(fā)生裝置6，該超聲波發(fā)生裝置6與鉚釘夾具I之間通過焊接或者其他機械固定方式連接，并且兩者成一夾角α。所述超聲輔助的自沖鉚接方法通過所述自沖鉚接系統(tǒng)實現，該自沖鉚接方法的具體步驟如下:
[0031]步驟一、將被焊的上層板材3和下層被焊板材4組對，使兩者充分靠近或者接觸；
[0032]步驟二、將組對在一起的上層板材3和下層板材4放置在所述凹模5上方；
[0033]步驟三、設定所述超聲波發(fā)生裝置6與所述鉚釘夾具I之間的夾角α為0° ；
[0034]步驟四、打開所述超聲波發(fā)生裝置6的電源，使該超聲波發(fā)生裝置6開始輸出超聲波，該超聲波的功率為lkW，超聲波的振幅為3 μ m ;
[0035]步驟五、所述半空心鉚釘2在所述鉚釘夾具I的帶動下向下運動，壓入并穿透上層板材3，然后扎入下層板材4使其發(fā)生變形，直至所述凹模5被填充滿，該半空心鉚釘2停止向下運動；
[0036]步驟六、所述半空心鉚釘2停留在所述凹模5中，保持超聲振動O秒；
[0037]步驟七、所述半空心鉚釘2脫離所述鉚釘夾具1，并保留在被焊材料中，所述鉚釘夾具I向上運動到指定位置，焊接過程完成。
[0038]實施例2
[0039]本實施例的步驟三中，所述的超聲波發(fā)生裝置6與鉚釘夾具I之間的夾角α設定為90。;所述夾角α可以根據實際焊接需要進行選擇，夾角α越接近90°，橫向分振動越強，越有利于上下板材之間的摩擦，有利于兩者之間形成冶金結合；夾角α越接近0°，縱向分振動越強，越有利于減小半空心鉚釘下壓力；步驟四中，所述的超聲波的功率為2kW，超聲波的振幅為10 μ m ;步驟六中，保持超聲振動的時間為1.5秒；本實施例的其它步驟與實施例1相同。
[0040]實施例3
[0041]本實施例的步驟三中，所述的超聲波發(fā)生裝置6與鉚釘夾具I之間的夾角α設定為30° ;步驟四中，所述的超聲波的功率為3kW，超聲波的振幅為20μπι ;步驟六中，保持超聲振動的時間為0.5秒；所述的超聲波的功率可以根據被焊材料的強度和厚度選擇，以增強接頭的強度；本實施例的其它步驟與實施例1相同。
[0042]實施例4
[0043]本實施例的步驟三中，所述的超聲波發(fā)生裝置6與鉚釘夾具I之間的夾角α設定為60° ;步驟四中，所述的超聲波的功率為70 kW，超聲波的振幅為35μπι;步驟六中，保持超聲振動的時間為I秒；所述的超聲波的振幅可以根據被焊材料的特點選擇，以增強接頭的強度；本實施例的其它步驟與實施例1相同。
[0044]實施例5
[0045]本實施例的步驟三中，所述的超聲波發(fā)生裝置6與鉚釘夾具I之間的夾角α設定為45° ;步驟四中，所述的超聲波的功率為90kW，超聲波的振幅為60 μ m ;步驟六中，保持超聲振動的時間為2秒；所述的超聲振動的保持時間可以根據被焊材料的特點選擇，以增強接頭的強度，保持時間越長，被焊材料之間冶金反應程度越高；本實施例的其它步驟與實施例I相同。
【權利要求】
1.一種超聲輔助的自沖鉚接方法，其特征在于:通過自沖鉚接系統(tǒng)實現，該自沖鉚接系統(tǒng)包括半空心鉚釘、鉚釘夾具、凹模和超聲波發(fā)生裝置，所述自沖鉚接方法的具體步驟如下: 步驟一、將被焊的上層板材和下層板材組對，使兩者充分靠近或者接觸； 步驟二、將組對在一起的上層板材和下層板材放置在所述凹模上方； 步驟三、設定所述超聲波發(fā)生裝置與所述鉚釘夾具之間的夾角α ; 步驟四、打開所述超聲波發(fā)生裝置的電源，使該超聲波發(fā)生裝置開始輸出超聲波； 步驟五、所述半空心鉚釘在所述鉚釘夾具的帶動下向下運動，壓入并穿透上層板材，然后扎入下層板材使其發(fā)生變形，直至所述凹模被填充滿，該半空心鉚釘停止向下運動； 步驟六、所述半空心鉚釘停留在所述凹模中，保持超聲振動O?2秒； 步驟七、所述半空心鉚釘脫離所述鉚釘夾具，并保留在被焊材料中，所述鉚釘夾具向上運動到指定位置，焊接過程完成。
2.根據權利要求1所述的超聲輔助的自沖鉚接方法，其特征在于:在步驟三中，所述的超聲波發(fā)生裝置與鉚釘夾具之間的夾角α在0° < α <180°的范圍中可變。
3.根據權利要求1或2所述的超聲輔助的自沖鉚接方法，其特征在于:在步驟四中，所述的超聲波的功率為I?90kW。
4.根據權利要求1或2所述的超聲輔助的自沖鉚接方法，其特征在于:在步驟四中，所述的超聲波的振幅為3?60 μ m。
5.根據權利要求1或2所述的超聲輔助的自沖鉚接方法，其特征在于:所述的超聲波發(fā)生裝置與鉚釘夾具之間通過焊接或者其他機械固定方式連接。
【文檔編號】B23K20/12GK104439684SQ201410571339
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權日:2014年10月23日
【發(fā)明者】張超群, 李永兵, 樓銘, 趙亦希 申請人:上海交通大學