[發明專利]用于自沖摩擦鉚焊的鉚釘及其自沖摩擦鉚焊連接系統

有效

• 申請號: 201610566456.3
• 申請日: 2016-07-19
• 公開（公告）號: CN106112543B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 李永兵;馬運五;樓銘;林忠欽
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B23P23/04
• 分類號: B23P23/04
• 代理公司: 上海交達專利事務所31201
• 代理人: 王毓理,王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種汽車板材連接領域的技術，具體是一種用于自沖摩擦鉚焊的鉚釘及其自沖摩擦鉚焊連接系統。

背景技術

隨著汽車車身輕量化發展的趨勢，高強鋼、鋁合金、鎂合金等輕合金以及復合材料正在得到越來越廣泛的應用。然而，鋁、鎂等輕合金因其具有極強的氧化能力、較小的電阻率、較大的導熱系數、比熱容和線膨脹系數以及易形成氣孔等特性，使其難以用傳統電阻點焊工藝進行連接。而復合材料和塑料因為不導電，根本無法采用焊接方法實現連接。

針對上述輕量化材料的連接問題，國內外提出了自沖鉚接(Self-Piercing Riveting，簡稱SPR)，攪拌摩擦點焊(Friction Stir Spot Welding，簡稱FSSW)以及攪拌摩擦塞鉚(Friction Bit Joining,簡稱FBJ)等機械或固相連接方法。其中SPR可以有效避免異種材料熔化焊時的一系列問題，但是在鉚接高強鋼等高強度難變形材料時，由于材料的變形抗力大，鉚釘易發生鐓粗甚至斷裂現象，難以穿透板材形成有效的機械自鎖，從而使連接失效。在鉚接鑄鋁、鎂、復合材料等低韌性的材料時容易產生裂紋甚至脆裂，致使連接失效，嚴重影響接頭的動靜態力學性能。FSSW是通過攪拌頭的攪拌運動產生摩擦熱導致連接板件之間分子擴散從而實現固相連接的一種工藝，可以有效控制金屬間化合物的厚度。然而，該工藝會在接頭中殘留工藝孔，大大影響接頭強度。FBJ方法通過鉚釘的高速旋轉軟化難變形材料并穿透上層板，從而與下層板間實現摩擦焊連接，將上層板材料鎖在鉚釘蓋和下層板的摩擦焊界面間實現機械連接。通過實心剛性鉚釘替代攪拌摩擦點焊的攪拌針，可以消除攪拌摩擦點焊的工藝孔，而且具有較好的柔性。然而，作為一種實心鉚釘，其重量相對較大，同時因為要完全排開頂層金屬，會產生較大的局部變形，需要更大的鉚接力、更長的鉚接時間，對設備提出了較高的要求，增加了設備成本，并導致連接效率降低。同時，摩擦焊過程中需要較多的摩擦熱以保證鉚釘與下層高熔點、高強度板之間產生足夠的結合強度，容易使接頭附近溫度過高，導致接頭中輕金屬材料軟化嚴重，降低接頭力學性能。

針對SPR和FBJ工藝面臨的問題，國內提出了自沖摩擦鉚焊(Friction-SelfPiercing Riveting，簡稱F-SPR)方法，該方法通過使半空心鉚釘在軸向運動的同時沿周向做高速旋轉運動，從而產生摩擦熱軟化有色合金或高強鋼等材料，提高被鉚材料的塑性，通過鉚釘切斷上層工件并與下層工件形成機械自鎖連接的同時，鉚釘高速旋轉產生的摩擦熱在鉚釘和被鉚材料之間形成固相連接，實現機械-固相雙重連接。

然而，現有的F-SPR方法采用半空心鉚釘，對鉚釘及工藝過程提出了更高要求。在自沖摩擦鉚焊過程中，高速旋轉的鉚釘與板材間的接觸面為環形，在摩擦力與鉚釘幾何形貌制造偏差的共同作用下，鉚釘易產生旋轉失穩現象，導致接頭失效。同時，在鉚釘高速旋轉過程中，釘體半空心圓筒軸線與鉚釘旋轉軸線的不重合會導致接頭內鉚釘與板材間存在間隙，影響接頭的靜動態力學性能。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種用于自沖摩擦鉚焊的鉚釘及其自沖摩擦鉚焊連接系統，通過鉚釘與連接系統配合使用可以提高自沖摩擦鉚焊過程中鉚釘的驅動剛度與定位精度，解決半空心鉚釘高速旋轉過程中穩定性差以及鉚釘軸線與旋轉軸線不重合的問題，降低接頭失效概率，避免鉚釘與板材之間產生間隙等問題，保證自沖摩擦鉚焊工藝的可靠性。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種用于自沖摩擦鉚焊的鉚釘，包括：半空心鉚釘體以及鉚釘蓋，其中：鉚釘蓋的下表面與半空心鉚釘體相連，半空心鉚釘體的底端設有楔形錐角，鉚釘蓋上端邊緣設有用于裝卸的倒角及旋轉驅動結構，鉚釘蓋的中心設有定位結構。

所述的半空心鉚釘體楔形錐角的頂點可以與半空心鉚釘體內壁或外壁重合，也可以位于內壁和外壁之間。

所述的鉚釘蓋邊緣倒角為0～75°。

所述的旋轉驅動結構為中心對稱的有向凹形面或有向凸形面，所述的有向是指，該凹形面或凸形面為非鏡像對陣結構。

所述的旋轉驅動結構優選為沿周向均勻分布的若干個楔形缺口、梅花形凸臺或梅花形凹槽。

所述的楔形缺口包含兩個相交的平面，其中一個平面與所述的鉚釘蓋上表面垂直，用于承受周向扭矩，另一個平面從所述的釘蓋上表面向下端傾斜，用于動態嚙合。

所述的兩個相交的平面與所述的鉚釘蓋上表面間交線的夾角呈30～75°。

所述的梅花形凸臺包含若干個沿周向均勻分布的花瓣，用于承受周向扭矩。