[發(fā)明專利]面向超高強(qiáng)度鋼與輕金屬的自沖鉚接裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410546467.6
• 申請日: 2014-10-15
• 公開（公告）號(hào): CN104384422B
• 公開（公告）日: 2016-10-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧琳;樓銘;李永兵;趙亦希;來新民
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): B21J15/02
• 分類號(hào): B21J15/02;B21J15/38;B21J15/22
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種鉚接技術(shù)領(lǐng)域的裝置及方法，具體是一種面向超高強(qiáng)度鋼(即超高強(qiáng)度鋼)與輕金屬的感應(yīng)加熱輔助自沖膠鉚復(fù)合連接裝置及方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著石油資源的日益減少和環(huán)境污染的不斷加劇，以提升汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性能為目標(biāo)的汽車車身輕量化成為汽車工業(yè)發(fā)展的大勢所趨。鎂、鋁等有色合金材料以及先進(jìn)超高強(qiáng)度鋼等高質(zhì)強(qiáng)比材料的混合應(yīng)用自然成為車身輕量化的重要手段。然而鎂、鋁等有色合金材料導(dǎo)熱性好、導(dǎo)電率高且易與銅發(fā)生合金化反應(yīng)，同時(shí)上述有色合金與先進(jìn)超高強(qiáng)度鋼的熔點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)差異巨大以及熔焊時(shí)易形成硬而脆的金屬間化合物，因此，采用傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊方法難以形成有效接頭。

針對上述問題，國外提出了一種利用材料的塑性大變形而在鉚釘與待連接工件之間形成牢固互鎖的機(jī)械冷成形工藝——半空心鉚釘自沖鉚接(Self-piercingriveting，簡稱SPR)。該工藝切實(shí)有效地避免了因熔化焊時(shí)大量熱量的輸入而引發(fā)的一系列問題，同時(shí)其沖、鉚一體化的特點(diǎn)為快速生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)大批量流水線制造創(chuàng)造了有利條件。然而，這種連接工藝的接頭成形性能及其綜合連接質(zhì)量大多取決于下層板的延伸率和強(qiáng)度，在鉚接上述有色合金與超高強(qiáng)度鋼時(shí)這種特點(diǎn)尤為突出。當(dāng)上層板為先進(jìn)超高強(qiáng)度鋼時(shí)，由于材料強(qiáng)度高(一些先進(jìn)超高強(qiáng)度鋼的拉伸強(qiáng)度甚至大于1000Mpa)，鉚接后鉚釘易墩粗影響接頭力學(xué)性能，有的鉚釘甚至產(chǎn)生裂紋，直接導(dǎo)致接頭失效；而當(dāng)下層板為超高強(qiáng)度鋼時(shí)，由于鉚接時(shí)材料的變形抗力較大，塑性變形困難，一方面增加了對設(shè)備沖鉚能力、鉚槍C型框架剛度以及鉚釘強(qiáng)度的要求，增加了生產(chǎn)成本；另一方面，變形困難的先進(jìn)超高強(qiáng)度鋼板使得接頭成形性能較差，直接導(dǎo)致接頭連接質(zhì)量不高。

針對半空心鉚釘自沖鉚接的問題，澳大利亞Monash大學(xué)的研究人員提出在鉚接前采用激光加熱先進(jìn)超高強(qiáng)度鋼板材，以提高板材的塑性，同時(shí)降低塑性變形抗力以減小鉚接力和提高成形性能。但是激光加熱設(shè)備非常昂貴，功耗很大，且必須在激光發(fā)射器與鋼板間無阻礙，如果要鉚接雙層鋼板，必須上下同時(shí)布置兩個(gè)激光發(fā)射器，使用不便且成本很高。

感應(yīng)加熱是一種有效的加熱方式，已經(jīng)在工業(yè)中普遍應(yīng)用，然而鉚接過程中只需要對擬鉚接的局部區(qū)域(10mm以內(nèi)范圍)進(jìn)行集中加熱，現(xiàn)有的蚊香式感應(yīng)加熱線圈體積大，且無法對大平面上的局部進(jìn)行集中加熱。

另外，在加熱超高強(qiáng)度鋼時(shí)，熱量會(huì)通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞給高熱導(dǎo)率的輕金屬，導(dǎo)致輕金屬側(cè)變形抗力降低，從而降低了鉚釘插入階段鉚釘?shù)臄U(kuò)展變形，并最終降低接頭的底切量大小和力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種面向超高強(qiáng)度鋼與輕金屬的自沖鉚接裝置及方法，包括動(dòng)力控制柜、氣液增力動(dòng)力單元、鉚接執(zhí)行機(jī)構(gòu)、時(shí)間繼電器、傳送系統(tǒng)、感應(yīng)加熱系統(tǒng)以及低熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)膠。鉚接前將低熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)膠涂敷于超高強(qiáng)度鋼與輕金屬之間，傳送系統(tǒng)根據(jù)位置信息將感應(yīng)加熱線圈移入擬鉚接工位，通過硅鋼片增強(qiáng)的感應(yīng)加熱系統(tǒng)對待鉚接超高強(qiáng)度鋼局部進(jìn)行快速、集中加熱，加熱結(jié)束后線圈快速移出，同時(shí)鉚接執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速移入鉚接位置，氣液增力動(dòng)力單元推動(dòng)鉚接執(zhí)行機(jī)構(gòu)對已加熱到特定溫度的待鉚接板材進(jìn)行快速鉚接。本發(fā)明通過低熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)膠的熱抑制效應(yīng)和熱鉚過程的時(shí)序精確控制解決了先進(jìn)超高強(qiáng)度鋼鉚接時(shí)鉚釘嚴(yán)重墩粗、接頭底切量小、超高強(qiáng)度鋼易產(chǎn)生裂紋等問題，有效降低了鉚接超高強(qiáng)度鋼時(shí)的塑性變形抗力，提升了接頭的綜合連接質(zhì)量，而且與激光加熱等手段相比具有很低的成本。

根據(jù)本發(fā)明提供的一種面向超高強(qiáng)度鋼與輕金屬的自沖鉚接裝置，包括：動(dòng)力控制柜、氣液增力動(dòng)力單元、鉚接執(zhí)行機(jī)構(gòu)、時(shí)間繼電器、傳送系統(tǒng)、感應(yīng)加熱系統(tǒng)；

感應(yīng)加熱系統(tǒng)包括感應(yīng)加熱電源和硅鋼片增強(qiáng)線圈，其中，硅鋼片增強(qiáng)線圈的兩末端通過水冷導(dǎo)電軟管分別與感應(yīng)加熱電源的兩極相連；

感應(yīng)加熱系統(tǒng)通過時(shí)間繼電器與動(dòng)力控制柜相連；感應(yīng)加熱電源通過接收動(dòng)力控制柜的開始信號(hào)，開啟交變電流，時(shí)間繼電器控制感應(yīng)加熱電源的通電時(shí)長；傳送系統(tǒng)控制硅鋼片增強(qiáng)線圈的移入與移出；

氣液增力動(dòng)力單元用于根據(jù)動(dòng)力控制柜的控制驅(qū)動(dòng)鉚接執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

優(yōu)選地，硅鋼片增強(qiáng)線圈在垂直于加熱面方向折彎形成方形凸起，凸起部分的中心鑲嵌多層U形聚磁硅鋼片，所述U形聚磁硅鋼片組成的端面外廓形狀是正方形或者圓形；作為感應(yīng)加熱線圈的硅鋼片增強(qiáng)線圈由鋯銅合金、鉻銅合金或鎳硅銅合金制成。

優(yōu)選地，凸起高度為5mm，凸起部分的中心鑲嵌20～25層U形聚磁硅鋼片，所述U形聚磁硅鋼片組成的端面的寬度≤10mm。