用于自冲摩擦铆焊的铆钉及其自冲摩擦铆焊连接系统的制作方法

本发明涉及的是一种汽车板材连接领域的技术，具体是一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉及其自冲摩擦铆焊连接系统。

背景技术：

随着汽车车身轻量化发展的趋势，高强钢、铝合金、镁合金等轻合金以及复合材料正在得到越来越广泛的应用。然而，铝、镁等轻合金因其具有极强的氧化能力、较小的电阻率、较大的导热系数、比热容和线膨胀系数以及易形成气孔等特性，使其难以用传统电阻点焊工艺进行连接。而复合材料和塑料因为不导电，根本无法采用焊接方法实现连接。

针对上述轻量化材料的连接问题，国内外提出了自冲铆接(Self-Piercing Riveting，简称SPR)，搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，简称FSSW)以及搅拌摩擦塞铆(Friction Bit Joining,简称FBJ)等机械或固相连接方法。其中SPR可以有效避免异种材料熔化焊时的一系列问题，但是在铆接高强钢等高强度难变形材料时，由于材料的变形抗力大，铆钉易发生镦粗甚至断裂现象，难以穿透板材形成有效的机械自锁，从而使连接失效。在铆接铸铝、镁、复合材料等低韧性的材料时容易产生裂纹甚至脆裂，致使连接失效，严重影响接头的动静态力学性能。FSSW是通过搅拌头的搅拌运动产生摩擦热导致连接板件之间分子扩散从而实现固相连接的一种工艺，可以有效控制金属间化合物的厚度。然而，该工艺会在接头中残留工艺孔，大大影响接头强度。FBJ方法通过铆钉的高速旋转软化难变形材料并穿透上层板，从而与下层板间实现摩擦焊连接，将上层板材料锁在铆钉盖和下层板的摩擦焊界面间实现机械连接。通过实心刚性铆钉替代搅拌摩擦点焊的搅拌针，可以消除搅拌摩擦点焊的工艺孔，而且具有较好的柔性。然而，作为一种实心铆钉，其重量相对较大，同时因为要完全排开顶层金属，会产生较大的局部变形，需要更大的铆接力、更长的铆接时间，对设备提出了较高的要求，增加了设备成本，并导致连接效率降低。同时，摩擦焊过程中需要较多的摩擦热以保证铆钉与下层高熔点、高强度板之间产生足够的结合强度，容易使接头附近温度过高，导致接头中轻金属材料软化严重，降低接头力学性能。

针对SPR和FBJ工艺面临的问题，国内提出了自冲摩擦铆焊(Friction-SelfPiercing Riveting，简称F-SPR)方法，该方法通过使半空心铆钉在轴向运动的同时沿周向做高速旋转运动，从而产生摩擦热软化有色合金或高强钢等材料，提高被铆材料的塑性，通过铆钉切断上层工件并与下层工件形成机械自锁连接的同时，铆钉高速旋转产生的摩擦热在铆钉和被铆材料之间形成固相连接，实现机械-固相双重连接。

然而，现有的F-SPR方法采用半空心铆钉，对铆钉及工艺过程提出了更高要求。在自冲摩擦铆焊过程中，高速旋转的铆钉与板材间的接触面为环形，在摩擦力与铆钉几何形貌制造偏差的共同作用下，铆钉易产生旋转失稳现象，导致接头失效。同时，在铆钉高速旋转过程中，钉体半空心圆筒轴线与铆钉旋转轴线的不重合会导致接头内铆钉与板材间存在间隙，影响接头的静动态力学性能。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉及其自冲摩擦铆焊连接系统，通过铆钉与连接系统配合使用可以提高自冲摩擦铆焊过程中铆钉的驱动刚度与定位精度，解决半空心铆钉高速旋转过程中稳定性差以及铆钉轴线与旋转轴线不重合的问题，降低接头失效概率，避免铆钉与板材之间产生间隙等问题，保证自冲摩擦铆焊工艺的可靠性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉，包括：半空心铆钉体以及铆钉盖，其中：铆钉盖的下表面与半空心铆钉体相连，半空心铆钉体的底端设有楔形锥角，铆钉盖上端边缘设有用于装卸的倒角及旋转驱动结构，铆钉盖的中心设有定位结构。

所述的半空心铆钉体楔形锥角的顶点可以与半空心铆钉体内壁或外壁重合，也可以位于内壁和外壁之间。

所述的铆钉盖边缘倒角为0～75°。

所述的旋转驱动结构为中心对称的有向凹形面或有向凸形面，所述的有向是指，该凹形面或凸形面为非镜像对阵结构。

所述的旋转驱动结构优选为沿周向均匀分布的若干个楔形缺口、梅花形凸台或梅花形凹槽。

所述的楔形缺口包含两个相交的平面，其中一个平面与所述的铆钉盖上表面垂直，用于承受周向扭矩，另一个平面从所述的钉盖上表面向下端倾斜，用于动态啮合。

所述的两个相交的平面与所述的铆钉盖上表面间交线的夹角呈30～75°。

所述的梅花形凸台包含若干个沿周向均匀分布的花瓣，用于承受周向扭矩。

所述的梅花形凹槽包含若干个沿周向均匀分布的花瓣，用于承受周向扭矩。

所述的定位结构为中心对称且镜像对称的凸形面或凹形面，优选为圆锥台形凹槽或圆锥台形凸台。

所述的圆锥台形凹槽位于铆钉盖的中心，圆锥台形的锥角小于等于120°。

所述的圆锥台形凸台位于铆钉盖的中心，圆锥台形的锥角小于等于120°。

所述的圆锥台形凹槽与半空心铆钉体同轴设置，以确保铆钉受到扭矩后的旋转轴线与几何轴线重合。

所述的圆锥台形凸台与半空心铆钉体同轴设置，以确保铆钉受到扭矩后的旋转轴线与几何轴线重合。

所述的铆钉盖的下表面设有与半空心铆钉体外壁呈60～120°的夹角，控制上层板的材料流动。

本发明涉及上述用于自冲摩擦铆焊的铆钉的自冲摩擦铆焊连接系统，包括：驱动所述铆钉的驱动杆、所述铆钉、模具以及层叠设置于铆钉与模具之间的待连接板件，其中：驱动杆的下表面与所述铆钉的上表面形状相互匹配。

所述的相互匹配，是指：驱动杆底部边缘的旋转驱动结构和中心的定位结构形面分别与所述铆钉的铆钉盖上表面边缘的旋转驱动结构和中心的定位结构形面相匹配。

所述的相互匹配，优选采用：

①当所述旋转驱动结构为沿周向均匀分布的若干个楔形缺口时，所述的驱动杆的底部对应为沿周向均匀分布的若干个楔形凸起，且楔形凸起的数量等于所述的楔形缺口的数量，且楔形凸起的形状与楔形缺口的形状互补。

所述的楔形缺口和楔形凸起各边均设有用于避免产生过定位的倒角。

②当所述的定位结构为圆锥台形凹槽时，所述的驱动杆的底部对应设有定位凸台，且定位凸台与所述的定位凹槽具有相同的锥度，且定位凸台的高度小于定位凹槽的深度。

所述的模具的上表面正对铆钉的位置设有用于配合所述铆钉控制材料流动的固定结构，该固定结构的形状包括但不限于：平底凹槽、中间带凸起的凹槽、平板以及通孔等。

所述的驱动杆具有轴向垂直运动以及周向旋转运动能力。

本发明涉及上述系统的铆钉旋转进给方法，包括如下步骤：

步骤1，将铆钉竖直置于驱动杆下方，并施加适当阻尼，限制铆钉的轴向运动、与周向转动；

步骤2，驱动杆轴向向下快速直线进给至距铆钉上端面2-5毫米处；

步骤3，驱动杆轴向向下慢速进给，并同时慢速旋转，使驱动杆中心的定位凸台与铆钉盖中心的定位凹槽自动啮合，实现铆钉的自对中，同时驱动杆底部边缘的楔形凸起与铆钉盖边缘的楔形缺口相接触，每一对楔形凸起与楔形缺口中与铆钉盖上端面垂直的一对平面相接触，驱动杆下端面与铆钉上端面相接触，驱动杆与铆钉啮合过程中，当驱动杆对铆钉施加的轴向压力或周向扭矩大于铆钉受到的外部阻尼时，铆钉随驱动杆进行轴向运动或周向转动；

步骤4，驱动杆与铆钉共同运动至距铆钉空行程末端2-5毫米处，驱动杆轴向与周向运动加速至自冲摩擦铆焊工艺所需参数，并驱动铆钉以所需工艺参数完成自冲摩擦铆焊过程。

技术效果

与现有技术相比，本发明利用铆钉盖上的旋转驱动结构提供铆钉旋转所需扭矩，楔形缺口有利于铆钉的快速装夹与自动啮合，铆钉盖上的几何特征与驱动杆对应互补结构相接触，保证旋转稳定性；利用铆钉盖的定位凹槽或凸台与驱动杆的定位凸台或凹槽相配合进行铆钉自对中，保证铆钉旋转轴线与钉体圆筒轴线重合；同时铆钉盖处各几何特征通过去除材料制造，有利于减小铆钉重量，达到轻量化的目的；工艺根据需求可以做成单边连接或者双边连接。

附图说明

图1是本发明铆钉示意图；

图2是本发明铆钉的俯视图与截面视图；

其中：a为铆钉的俯视图，b为铆钉的A-A面视图；

图3是本发明自冲摩擦铆焊连接系统中的驱动杆立体图；

图4是具有梅花形凸台的旋转驱动结构及圆锥台形凹槽的定位结构的铆钉盖示意图；

图5是具有梅花形凹槽的旋转驱动结构及圆锥台形凸台的定位结构的铆钉盖示意图；

图6是实施例1示意图；

其中：a-c为本发明铆钉与驱动系统的啮合过程，d为自冲摩擦铆焊过程结束后铆钉与驱动杆的相对位置关系，e为通过本发明铆钉与驱动系统得到的自冲摩擦铆焊接头；

图7是实施例2示意图；

其中：a-c为本发明铆钉与驱动系统的啮合过程，d为自冲摩擦铆焊过程结束后铆钉与驱动杆的相对位置关系，e为通过本发明铆钉与驱动系统得到的自冲摩擦铆焊接头；

图8是实施例3示意图；

其中：a-c为本发明铆钉与驱动系统的啮合过程，d为自冲摩擦铆焊过程结束后铆钉与驱动杆的相对位置关系，e为通过本发明铆钉与驱动系统得到的自冲摩擦铆焊接头；

图9是实施例4示意图；

其中：a-c为本发明铆钉与驱动系统的啮合过程，d为自冲摩擦铆焊过程结束后铆钉与驱动杆的相对位置关系，e为通过本发明铆钉与驱动系统得到的自冲摩擦铆焊接头。

具体实施方式

实施例1

如图1-图2所示，本实施例涉及一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉101，包括：半空心铆钉体103和具有六个楔形缺口105及定位凹槽106的铆钉盖104。

所述的半空心铆钉体103的内径为4mm，外径为6mm，深度为5mm。

所述的铆钉盖104的直径为8mm，高度为2mm。

所述的半空心铆钉体103底端的楔形锥角110的顶点109位于内壁和外壁之间，距内壁的径向距离为0.4mm，距外壁的径向距离为0.6mm。

所述的铆钉盖104上端边缘设置有便于装卸的圆锥台111，锥角为60°。

所述的六个楔形缺口105沿周向均匀分布于所述的铆钉盖104边缘，且均包含两个相交的平面112和113，其中：平面112与铆钉盖104上表面垂直，平面113从铆钉盖104上表面向下端倾斜，平面112和113与铆钉盖104上表面间交线的夹角呈75°。

所述的定位凹槽106位于铆钉盖104中心，该定位凹槽106为圆锥台形，锥角为20°，深度为1.5mm。

所述的定位凹槽106与半空心铆钉3的同轴度小于0.0014mm。

所述的铆钉盖104下表面与所述的半空心铆钉体103之间的夹角为80°。

所述的铆钉盖104与所述的半空心铆钉体103之间的过渡圆角半径0.5mm。

如图4和图5所示，所述的旋转驱动结构为中心对称的有向凹形面或有向凸形面，所述的定位结构为中心对称且镜像对称的凸形面或凹形面，其中：图4所示的铆钉盖具有梅花形凸台的旋转驱动结构及圆锥台形凹槽的定位结构，图5所示的铆钉盖具有梅花形凹槽的旋转驱动结构及圆锥台形凸台的定位结构。

如图6所示，本发明涉及上述铆钉的自冲摩擦铆焊连接系统，包括：正对所述铆钉的驱动杆102、模具15以及设置于模具15上的两块依次层叠的待固定板件14，其中：驱动杆102的下表面与所述铆钉101的上表面形状相互匹配。

所述的相互匹配具体是指：驱动杆102底部具有六个楔形凸起107和定位凸台108，其中：楔形凸起107的形状与楔形缺口105的形状互补。

所述的定位凸台108的锥角为20°，深度为1.2mm。

所述的六个楔形缺口105和所述的六个楔形凸起107的各棱角处均设有0.2mm的倒角。

如图6(a)所示，为本实施例中所采用的板件14为：铝合金AA6061-T6+高强钢DP780；板件厚度匹配为：1.2mm+1.6mm。

如图6(a)-(c)所示，本实施例涉及上述系统的自冲摩擦铆焊连接方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将所述的铆钉101竖直放置于驱动杆102下方30mm处，并施加阻尼，限制铆钉101的轴向运动与周向转动；

步骤2，所述的驱动杆102以50mm/s的线速度轴向向下直线进给至距所述的铆钉101上端面3mm处；

步骤3，所述的驱动杆102以2mm/s的线速度轴向向下直线进给，并同时以60r/min的转速旋转，所述的定位凸台108与所述的定位凹槽106自动对中，所述的六个楔形缺口105的平面112与所述的六个楔形凸起107的相应平面相接触，所述的驱动杆102下端面与所述的铆钉101上端面相接触，随着所述的驱动杆102的继续轴向进给与周向旋转，所述的铆钉101突破其受到的外部阻尼，并随所述的驱动杆102同步进行轴向进给与周向转动；

步骤4，所述的驱动杆102与所述的铆钉101共同运动至板件14上表面2mm处，所述的驱动杆102轴向与周向运动加速至自冲摩擦铆焊工艺所需参数，转速900r/min与进给速度20mm/s，并驱动所述的铆钉101完成自冲摩擦铆焊过程。

本实施例中自冲摩擦铆焊过程结束后，所述的铆钉101，驱动杆102，板件14和下模15的相对位置关系如图6(d)所示，最终获得的自冲摩擦铆焊接头如图6(e)所示。

与现有技术相比，本方法连接后的铝合金-高强钢自冲摩擦铆焊接头的平均拉剪强度为9.27kN，与采用螺柱铆钉获得的自冲摩擦铆焊接头平均拉剪强度6.52kN相比增加了42.2％，同时接头内铆钉体与板材间的间隙有了明显的改善，有利于提高接头的疲劳性能。

实施例2

所述的半空心铆钉体103底端的楔形锥角顶点与外壁重合。

如图7(a)所示，本实施例中的板件14为：铝合金AA6061-T6+镁合金AZ31B；板件厚度匹配为：1.2mm+1.6mm。

本实施例中所述的铆钉101、所述的驱动杆102与中间带凸起16的模具15共同实现对板件14的自冲摩擦铆焊连接。

本实施例的其他实施方式和实施例1相同。

本实施例中自冲摩擦铆焊过程结束后，所述的铆钉101，驱动杆102，板件14和中间带凸起凹模15的相对位置关系如图7(d)所示，最终获得的自冲摩擦铆焊接头如图7(e)所示。

与现有技术相比，本方法连接后的铝合金-镁合金自冲摩擦铆焊接头的平均拉剪强度为7.85kN，与采用螺柱铆钉获得的自冲摩擦铆焊接头平均拉剪强度3.98kN相比增加了97.2％，同时接头内铆钉体与板材间的间隙有了明显的改善。

实施例3

如图8(a)所示，本实施例中的板件14为：铝合金AA6061-T6+铸铝Aural-2；板件厚度匹配为：2mm+3mm。

本实施例中所述的铆钉101、所述的驱动杆102与中间设有平底凹形结构17的模具15共同实现对板件14的自冲摩擦铆焊连接。

本实施例的其他实施方式和实施例2相同。

本实施例中自冲摩擦铆焊过程结束后，所述的铆钉101，驱动杆102，板件14和平底凹模15的相对位置关系如图8(d)所示，最终获得的自冲摩擦铆焊接头如图8(e)所示。

实施例4

如图9(a)所示，本实施例中的板件14为：铝合金AA6061-T6+碳纤维复合材料CFRP；板件厚度匹配为：1.2mm+2mm。

本实施例中所述的铆钉101、所述的驱动杆102与中间带通孔18的模具15共同实现对板件14的自冲摩擦铆焊连接。

本实施例的其他实施方式和实施例2相同。

本实施例中自冲摩擦铆焊过程结束后，所述的铆钉101，驱动杆102，板件14和中间带通孔的模具15的相对位置关系如图9(d)所示，最终获得的自冲摩擦铆焊接头如图9(e)所示。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。