[发明专利]一种搅拌摩擦铆接装置和铆接方法

说明书

技术领域：

本发明涉及板材点固连接技术，具体为一种搅拌摩擦铆接装置和铆接方法。

背景技术：

电阻点焊和铆接一直是金属板材点固连接的主要方法，在各工业领域广泛应用。近年国际上能源和环保压力日益增大，汽车行业迫切需要车身轻量化以降低燃油消耗和尾气排放。以铝合金、镁合金等轻质合金代替钢制造车身是一种有效的车身轻量化途径。采用传统的电阻点焊方法进行铝合金、镁合金板材的点固连接存在很大困难。一方面点焊电极粘损严重，很难适应大规模汽车生产的要求，另一方面点焊质量不易控制，经常产生缩孔、裂纹、未焊合等缺陷，而且焊核尺寸不稳定。国外在铝合金车身组装时采用一种新型的连接方法——自穿孔铆接(self-piercing rivet)代替传统的点焊。自穿孔铆接技术不同于传统的铆接，它不需要铆接前钻孔，铆接时两块板材3重叠放置在冲击杆2和模具4中间，冲击杆2沿套筒1向下施加一个力在铆钉I 5的头部，然后铆钉I 5穿过两个重叠板材3的上板31，并且由于下板32的背面模具4作用使铆钉I 5自然在下板32内部分开，从而达到自锁式的机械紧固连接，具体过程见图1(a)-图1(f)。

国外的自铆接技术主要是用汽缸或电力提供给冲击杆冲击力，设备比较复杂。国内近年发明了一种爆炸式自穿孔铆接方法，与国外的自穿孔铆接技术的主要区别在于以爆炸冲击为驱动力，显著简化、轻化了铆接设备系统，使铝合金的点固连接更加高效、廉价，而且接头抗疲劳性能明显提高。

然而，无论是哪一种自穿孔铆接技术，用于镁合金板材点固连接或铝合金与镁合金异质材料点固连接都遇到了巨大的困难，因为镁合金板材冷变形能力不佳，无法承受铆接过程中产生的应变而产生开裂现象。为解决镁板自穿孔铆接开裂问题，国外研究机构尝试了一种以预热成型模具为特征的镁合金自穿孔铆接方法，目的是让镁合金先升高到塑性良好的温度再铆接。这种方法因效率和控制问题很难实用。另外，国内外最近研究的一种摩擦搅拌点焊技术也是一种替代电阻点焊的新方法，它不用铆钉，而是利用高速旋转的搅拌头6下压叠放在刚性衬垫上的两层(或多层)板材3，利用摩擦产生的热量使被焊板材7达到一种热塑性状态，局部热塑性的金属在搅拌头的搅拌作用下，充分流动而混合成一体，最终结果达到了点固连接的效果，如图2(a)-图2(c)所示。这种方法将在点固接头中心留下一个孔洞，对于高强钢板材，点固接头牢固程度尚可，但对于铝合金、镁合金等轻质板材，点固接头不够牢固。

发明内容：

本发明的目的是提供一种搅拌摩擦铆接方法和铆接装置，它是使用铆钉的、利用摩擦热和搅拌作用的点固连接，以铆钉作为临时搅拌头，完成摩擦搅拌过程以后，永久地留在点固接头中，这里称搅拌摩擦铆接。本发明适用于铝合金、镁合金、铜合金、高分子材料以及以它们为基的复合材料板材点固连接，无论是同质材料连接还是异质材料连接。

本发明的技术方案是：

一种搅拌摩擦铆接装置，该装置包括驱动杆、铆钉II和刚性衬垫，铆钉II上方设有可与铆钉II相配合、驱动铆钉II旋转的驱动杆，铆钉II下方设有刚性衬垫，驱动杆与铆钉II相配合，板材置于铆钉II与刚性衬垫之间。

所述的搅拌摩擦铆接装置，驱动杆一端设有可与铆钉II相配合的顶尖，其另一端设轴肩；铆钉II为钉盖、钉颈和钉底上下设置的一体结构，钉盖上表面中心设有与顶尖形成凸凹配合的凹槽I；刚性衬垫为上表面带凹槽的块体。

所述的搅拌摩擦铆接装置，轴肩的直径比钉盖的直径大。

所述的搅拌摩擦铆接装置，顶尖为多棱柱或多棱锥台形；或者，“1”字形螺丝刀头或“十”字花螺丝刀头的形状。

所述的搅拌摩擦铆接装置，钉盖是圆柱或圆台形，其上面是平的或带曲率的；钉底是平的、球面的、圆台的、多棱锥形的、多棱锥台形的或尖的；钉颈位于钉底与钉盖之间，钉颈是圆柱形或圆台形的，其侧面开有0—10条平行沟槽或螺旋沟槽。

所述的搅拌摩擦铆接装置，衬垫上的凹槽II是圆台形、圆柱形、多棱柱或多棱台形，凹槽II的容积与铆钉II的体积相当。

所述的搅拌摩擦铆接装置，铆钉II材质为碳钢、不锈钢、钛合金、钨合金、镍基高温合金、硬质合金、陶瓷颗粒增强铝基复合材料、陶瓷颗粒增强镁基复合材料或陶瓷及陶瓷基复合材料。

所述的搅拌摩擦铆接装置，铆钉表面有0—10层异质涂层，包括：铝及铝合金涂层、锌及锌合金涂层、铜及铜合金涂层、镍及镍合金涂层、铬涂层、钛及钛合金涂层、陶瓷基复合材料涂层或高分子涂层。

一种搅拌摩擦铆接方法，利用上述的搅拌摩擦铆接装置，具体步骤如下：