CN104384422B - 面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置及方法 - Google Patents

Abstract

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、硅钢片增强感应加热系统以及低热导率结构胶。铆接前将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系统移入铆接位置，通过感应加热系统对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。

Description

面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置及方法

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。

优选地，硅钢片增强线圈位于超高强度钢侧，聚磁硅钢片与超高强度钢板相邻且平行，硅钢片增强线圈与超高强度钢之间的间隙为1～2mm。

优选地，硅钢片增强线圈的运动由传送系统控制，传送系统由机器人夹持或者由齿轮齿条机构驱动。

优选地，铆接执行机构包括驱动杆、压边圈、凹模以及多个弹簧珠子定位机构；

其中：压边圈位于凹模上方，压边圈与凹模之间用于放置待连接板件，驱动杆套接于压边圈内，各个弹簧珠子定位机构沿径向水平分布于压边圈内，半空心铆钉竖直置于压边圈设置有半空心铆钉容纳腔，当半空心铆钉位于内半空心铆钉容纳腔时，半空心铆钉与弹簧珠子定位机构相接触，驱动杆、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置；

压边圈的底部自外缘而内设有环形凸台，以确保压边圈下压时待连接板件与凹模接触良好；

弹簧珠子定位机构分别沿径向以等分角均布设置于距压边圈下表面，弹簧珠子定位机构包括：内六角沉孔、弹簧和定位珠子，其中：弹簧的两端分别与内六角沉孔和定位珠子相连接，沿径向方向定位珠子位于内六角沉孔的内侧；定位珠子为一端呈半球状的圆柱体；

凹模为中央凸起的空腔结构，空腔中央凸起为圆锥台状结构，空腔的四周设有圆弧倒角；驱动杆、压边圈均由高强度钢材制成；凹模由高强度耐热钢材制成，并做表面硬化处理。

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方法，利用上述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，执行如下工序：

(1)准备阶段：在待连接板件中间涂覆低热导率胶粘剂，并将半空心铆钉放置于铆接执行机构的弹簧珠子定位机构上；

(2)线圈移入阶段：接收到铆接指令和位置信息后，硅钢片增强线圈快速移入拟铆接位置，时间控制在0.5s以内；

(3)加热阶段：感应加热线圈到位后，感应加热电源开始工作，对待连接板件加热0.2-0.4s；

(4)铆枪移入阶段：加热结束后，传送系统将感应加热线圈迅速移出铆接位置，与此同时，铆接执行机构移入已加热好的铆接位置；线圈的移出与铆接系统的移入同步进行，时间控制在0.5s以内；

(5)铆接阶段：铆枪移入到位后压边圈快速向下将待连接板件压紧，驱动杆向下推动半空心铆钉压入待连接板件，使待连接板料进入凹模空腔并与张开的半空心铆钉腿部形成机械互锁，铆接过程时间控制在0.5s以内；

(6)冲铆完成阶段：驱动杆与压边圈移开铆接工位，感应加热自冲胶铆连接工艺完成。

优选地，线圈移入、加热、线圈移出及铆枪移入、铆接四个环节时序紧密相连，使得整个过程的时间控制在2s以内。

优选地，铆接前低热导率结构胶均匀涂覆于超高强度钢与轻金属之间，胶层热导率在0.05～0.1Wm^-1K^-1之间，胶层厚度在0.2～0.3mm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用硅钢片聚磁线圈对大平面局部位置进行集中加热，解决先进超高强度钢铆接时铆钉严重墩粗、接头底切量小、超高强度钢底部易产生裂纹的问题，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。

2、针对热量向高热导率轻金属传递的问题，提出在两板材间加入低热导率结构胶以抑制感应加热时热量从钢侧向铝侧的热传导，同时通过热辅助自冲铆接过程中时序的精确控制减小热量的传导时间，避免了铆接过程中轻金属变形抗力降低引起的铆钉扩张变形降低问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明总体结构示意图。

图2为时序控制图。

图3为感应加热线圈示意图。

图4为铆接执行机构示意图。

图5为工艺实施流程图。

图中：

动力控制柜1、气液增力动力单元2、铆接执行机构3、时间继电器4、传送系统5、感应加热系统6、感应加热电源7、硅钢片增强线圈8、变压器9、凸起10、硅钢片11、驱动杆12、压边圈13、弹簧珠子定位机构14、凹模15、待连接板件16半空心铆钉17、环形凸台18、内六角沉孔19、弹簧20、定位珠子21、低热导率结构胶22。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例中，所述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1、气液增力动力单元2、铆接执行机构3、时间继电器4、传送系统5、感应加热系统6以及低热导率结构胶22，低热导率结构胶22均匀涂覆于作为待连接板件16的轻金属与超高强度钢之间，胶层热导率在0.05～0.1Wm^-1K^-1之间，胶层厚度在0.2～0.3mm。

根据位置信号，传送系统5将硅钢片增强线圈8送至铆接工位，开启交变电流，对作为待连接板件16的先进超高强度钢板进行加热。动力控制柜1通过时间继电器4控制感应加热电源7的通电时间。加热结束后，传送系统5将硅钢片增强线圈8移出铆接工位，同时，将铆接执行机构3移入铆接工位，进行铆接。

感应加热系统6包括感应加热电源7、硅钢片增强线圈8和变压器9，其中硅钢片增强线圈8的两末端通过水冷导电软管分别与感应加热电源7的两极相连。

如图2所示，为此工艺流程的时序控制图，从温度及电流方面，显示了不同工序阶段先进超高强度钢板温度变化曲线和线圈中电流的变化曲线a和b。第一个传送阶段是指，硅钢片增强线圈的移入与铆接执行机构的移出；第二个传送阶段是指，硅钢片增强线圈的移出以及铆接执行机构的移入。

如图3所示，为硅钢片增强线圈8的三视图。作为感应加热线圈的硅钢片增强线圈8由中空外径边长为8mm、内径为4mm的导电方管弯折而成。且在加热区域中心垂直于加热面处弯折出方形凸起10，凸起10中心镶嵌20～25层，厚度为0.5～0.7mm起到聚磁作用的U形硅钢片11，组成的端面形状是边长为10mm的正方形或直径为10mm的圆形。硅钢片增强线圈8由锆铜合金制成。

如图4所示，所述的铆接执行机构3包括驱动杆12、压边圈13、4个弹簧珠子定位机构14以及凹模15。其中：压边圈13、待连接板件16和凹模15依次由上而下设置，驱动杆12套接于压边圈13内，4个弹簧珠子定位机构14沿径向水平分布于压边圈13内，半空心铆钉17竖直置于压边圈8内并与弹簧珠子定位机构14相接触，驱动杆12、压边圈13、半空心铆钉17和凹模15同轴设置。

所述驱动杆12的杆体直径为7.8mm。

所述的压边圈13的底部自外缘而内设有宽度为4.4mm，高度为0.2mm的环形凸台18以确保压边圈13下压时待连接板件16与凹模15接触良好。

所述的弹簧珠子定位机构14共4个且分别沿径向以90°等分均布设置于距压边圈13下表面8mm处，该弹簧珠子定位机构14包括：内六角沉孔19、弹簧20和定位珠子21，其中：弹簧20的两端分别与内六角沉孔19和定位珠子21相连接。

所述的定位珠子21为一端呈半球状的圆柱体，柱体直径(半球直径)1.6mm，长度1.2mm。

所述的凹模15为中央凸起的空腔结构，空腔深度为2mm，空腔中央凸起为圆锥台状结构，底部直径为7.1mm，高度为2mm，该空腔的四周设有半径为1mm的圆弧倒角。凹模直径为20mm，外缘倒圆角半径为0.5mm。

所述的驱动杆12、压边圈13均由高强度钢材制成。

所述的凹模15由高强度耐热钢材制成，并做表面硬化处理。

本实施例中的待连接板件16为：铝合金AA6061-T6与先进超高强度钢DP1000，即铝合金在上，先进超高强度钢在下，板件厚度匹配：2mm+1mm。

本实施例中的半空心铆钉17采用传统自冲铆接的沉头铆钉，头部直径为7.8mm，腿部外径为5.3mm，铆钉长度为7mm，其材质为硼处理中碳钢。

工艺参数：驱动杆12的冲击速度为100mm/min，冲击行程为7mm，可控直流电源的通电功率为18kW。

本实施例的工艺方法流程如图5(a)～(f)所示，分为四个操作阶段：

准备阶段，在板件15中间涂厚度为0.2～0.3mm的胶粘剂，并将半空心铆钉17放置于压边圈13内弹簧珠子定位机构14之上；

接收到开始信号后，传送系统5工作，硅钢片增强线圈8移入拟铆接位置，动力控制柜1根据时间继电器4的信号控制感应加热电源7开启，此时硅钢片增强线圈8通以高频交流电流，在板内形成感应电流，板件升温，加热时间到，加热阶段结束；

铆接阶段，加热结束后，传送系统将硅钢片增强线圈8移开铆接工位，铆接执行机构3移入铆接工位，压边圈13向下将待连接板件16压紧，驱动杆12向下推动半空心铆钉17压入待连接板件16，使板料进入凹模15空腔并与张开的半空心铆钉17腿部形成机械互锁；

冲铆完成阶段，驱动杆13与压边圈14退回初始工位，感应加热自冲胶铆连接工艺完成。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，其特征在于，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。

4.根据权利要求2所述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，其特征在于，硅钢片增强线圈位于超高强度钢侧，聚磁硅钢片与超高强度钢相邻且平行，硅钢片增强线圈与超高强度钢之间的间隙为1～2mm。

5.根据权利要求1所述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，其特征在于，硅钢片增强线圈的运动由传送系统控制，传送系统由机器人夹持或者由齿轮齿条机构驱动。

6.根据权利要求1所述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，其特征在于，铆接执行机构包括驱动杆、压边圈、凹模以及多个弹簧珠子定位机构；

其中：压边圈位于凹模上方，压边圈与凹模之间用于放置待连接板件，驱动杆套接于压边圈内，各个弹簧珠子定位机构沿径向水平分布于压边圈内，半空心铆钉竖直置于压边圈内，压边圈设置有半空心铆钉容纳腔，当半空心铆钉位于半空心铆钉容纳腔时，半空心铆钉与弹簧珠子定位机构相接触，驱动杆、压边圈、半空心铆钉和凹模同轴设置；

压边圈的底部自外缘而内设有环形凸台，以确保压边圈下压时待连接板件与凹模接触良好；

弹簧珠子定位机构分别沿径向以等分角均布设置于距压边圈下表面8mm处，弹簧珠子定位机构包括：内六角沉孔、弹簧和定位珠子，其中：弹簧的两端分别与内六角沉孔和定位珠子相连接，沿压边圈的径向方向定位珠子位于内六角沉孔的内侧；定位珠子为一端呈半球状的圆柱体；

凹模为中央凸起的空腔结构，空腔中央凸起为圆锥台状结构，空腔的四周设有圆弧倒角；驱动杆、压边圈均由高强度钢材制成；凹模由高强度耐热钢材制成，并做表面硬化处理。

7.一种面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接方法，其特征在于，利用权利要求1至6中任一项所述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接装置，执行如下工序：

(1)准备阶段：在待连接板件中间涂覆低热导率胶粘剂，并将半空心铆钉放置于铆接执行机构的弹簧珠子定位机构上；

(2)线圈移入阶段：接收到铆接指令和位置信息后，硅钢片增强线圈快速移入拟铆接位置，时间控制在0.5s以内；

(3)加热阶段：感应加热线圈到位后，感应加热电源开始工作，对待连接板件加热0.2-0.4s；

(4)铆枪移入阶段：加热结束后，传送系统将感应加热线圈迅速移出铆接位置，与此同时，铆接执行机构移入已加热好的铆接位置；线圈的移出与铆接执行机构的移入同步进行，时间控制在0.5s以内；

(5)铆接阶段：铆枪移入到位后压边圈快速向下将待连接板件压紧，驱动杆向下推动半空心铆钉压入待连接板件，使待连接板件进入凹模空腔并与张开的半空心铆钉腿部形成机械互锁，铆接过程时间控制在0.5s以内；

(6)冲铆完成阶段：驱动杆与压边圈移开铆接工位，感应加热自冲胶铆连接工艺完成。

8.根据权利要求7所述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接方法，其特征在于，线圈移入、加热、线圈移出及铆枪移入、铆接四个环节时序紧密相连，使得整个过程的时间控制在2s以内。

9.根据权利要求7所述的面向超高强度钢与轻金属的自冲铆接方法，其特征在于，铆接前低热导率胶粘剂均匀涂覆于超高强度钢与轻金属之间，胶层热导率在0.05～0.1Wm^-1K^-1之间，胶层厚度在0.2～0.3mm。