一种轻量化板材的激光加热平底无铆连接成形装置及工艺的制作方法

本发明属于板材连接技术领域，具体涉及一种轻量化板材的激光加热平底无铆连接成形装置及工艺。

背景技术：

近些年，随着轻量化板材在汽车、飞机等交通工具中的大范围使用，适用于连接汽车轻量化板材的无铆连接工艺得到了迅速的发展。无铆连接工艺是指利用板材的塑性变形能力，采用专用的凸凹模具对被连接的板材进行冲压，使板材之间内嵌实现板材之间的连接。与传统的板材连接方式相比，无铆连接工艺不仅在经济、能耗、工作环境方面具有很大的优势，而且非常适用于异种材质、表面有镀层或油漆等板材的连接。该工艺在连接的过程中不需铆钉等任何辅助材料，是实现铝合金等轻量化板材连接的重要方法之一，对于汽车的轻量化具有重要的意义，但其又不可避免地存在以下缺点：无铆连接所形成的连接点静态强度较低；连接点的一侧为凸起，另一侧为凹坑，严重影响了板材连接的外观，目前汽车板材连接的一个重要指标就是其美观程度，而无铆连接由于存在凸起和凹孔，一定程度上限制了该技术的应用，尤其是板材表面有相对运动的场合；传统无铆连接的凸模和凹模要求严格对中，一旦产生偏移将会严重影响连接点的强度。

为了克服上述传统无铆连接的缺点，有学者提出了平底无铆连接工艺，但该连接方式又存在以下不足：传统的平底无铆连接过程中可调节的参数少，可调节性差；传统平底无铆连接过程中材料沿凸模向上流动，凸模对它的摩擦阻力大，容易形成内部材料的损伤甚至裂纹；传统平底无铆连接的流动是单向的反挤压方式，流动时阻力大，成形时需要的外界载荷大，成形难度大；

激光加热辅助金属塑性成形工艺，是指在传统金属塑性成形工艺中，将高功率激光束聚焦在板材的表面，将板材的局部区域加热到一定的温度，以提高成形质量、改善工艺效果的工艺过程。与传统金属塑性成形工艺相比，激光加热辅助金属塑性工艺具有金属塑性成形能力高、成形力小、金属材料流动性好、产品质量高等优点。

目前还没有发现将激光加热和平底无铆连接相结合的文献报道。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种轻量化板材的激光加热平底无铆连接成形装置及工艺，能有效提高连接点的强度，降低成形力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种轻量化板材的激光加热平底无铆连接成形装置，包括下模具6，下模具6固定不动，下模具6的上表面平整光滑，在下模具6上表面叠放有上板材4和下板材5，在下模具6的外侧布置有激光加热器3和红外测温计7，激光加热器3和红外测温计7能够在下模具6的正上方和侧面之间移动，上板材4正上方设置有压边圈2，压边圈2的中心设置有冲头1，冲头1的中心轴与压边圈2的中心轴重合。

一种轻量化板材的激光加热平底无铆连接成形工艺，包括以下步骤：

连接开始前，下模具6固定不动，下模具6的上表面平整光滑，上板材4和下板材5叠放在下模具6上表面，激光加热器3布置在下模具6的外侧，将激光加热器3移入下模具6的正上方，对上板材4和下板材5被连接的区域进行局部加热，同时将红外测温计7移入下模具6的侧上方测量被加热区域的温度，当被加热区域温度达到材料的塑性变形温度时，将激光加热器3和红外测温计7移出，压边圈2和冲头1向下运动，压边圈2压住上板材4和下板材5，压边2的中心设置有冲头1，冲头1的中心轴与压边圈2的中心轴重合；

连接过程开始，冲头1向下运动，接触上板材4，冲头1向下运动，冲头1挤压上板材4和下板材5，使上板材4和下板材5发生变形，压边圈2限制了上板材4和下板材5的材料向外流动，上板材4和下板材5的材料只能向冲头1和压边圈2之间的间隙流动，从而使上板材4嵌入下板材5中，在上板材4和下板材5之间形成一个机械锁，实现上板材4和下板材5之间的连接，由于下模具6的上表面平整光滑，所以下板材5的下表面始终是平整的，上板材4和下板材5完全成形之后，冲头1和压边圈2向上运动，将上板材4和下板材5，成形结束。

所述的激光加热器3的功率大小根据被连接板材的材质和连接点的成形质量能够进行调节。

所述的压边圈2的位置和压边力根据被连接板材的连接点的成形质量能够进行调节。

所述的冲头1的位置、速度和压力根据被连接板材的连接点的成形质量能够分别进行调节。

本发明具有以下优点：材料流动阻力小，需要的成形力低，接头成形效果好；可有效预防材料内部产生的损伤和裂纹；不需要铆钉等辅助材料；平底无铆连接无需将上下模具对中，提高生产效率；可连接材料的组合广泛，可连接异种材质的板材；连接质量可靠，连接的强度高；形成的连接点表面平整光滑。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是本发明连接结束后的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

参照图1，一种轻量化板材的激光加热平底无铆连接成形装置，包括下模具6，下模具6固定不动，下模具6的上表面平整光滑，在下模具6上表面叠放有上板材4和下板材5，在下模具6的外侧布置有激光加热器3和红外测温计7，激光加热器3和红外测温计7能够在下模具6的正上方和侧面之间移动，只在平底无铆连接之前移入对上板材4和下板材5进行局部加热和测量温度，平底无铆连接过程中和之后激光加热器3和红外测温计7均被移除，上板材4正上方设置有压边圈2，压边圈2压住上板材4和下板材5，压边圈2的中心设置有冲头1，冲头1的中心轴与压边圈2的中心轴重合。

一种轻量化板材的激光加热平底无铆连接成形工艺，包括以下步骤：

参照图1，连接开始前，下模具6固定不动，下模具6的上表面平整光滑，上板材4和下板材5叠放在下模具6上表面，激光加热器3和红外测温计7布置在下模具6的外侧，将激光加热器3移入下模具6的正上方，对上板材4和下板材5被连接的区域进行局部加热，并通过红外测温计7测量被加热区域的温度，当被加热区域温度达到材料的塑性变形温度时，将激光加热器3和红外测温计7移出，压边圈2和冲头1向下运动，压边圈2压住上板材4和下板材5，冲头1的中心轴与压边圈2的中心轴重合；

参照图2，连接过程开始，冲头1向下运动，接触上板材4，冲头1继续向下运动，冲头1挤压上板材4和下板材5，使上板材4和下板材5发生变形，压边圈2限制了上板材4和下板材5的材料向外流动，上板材4和下板材5的材料只能向冲头1和压边圈2之间的间隙流动，从而使上板材4嵌入下板材5中，在上板材4和下板材5之间形成一个机械锁，实现上板材4和下板材5之间的连接，由于下模具6的上表面平整光滑，所以下板材5的下表面始终是平整的，上板材4和下板材5完全成形之后，冲头1和压边圈2向上运动，将上板材4和下板材5，成形结束。

技术特征：

技术总结
一种轻量化板材的激光加热平底无铆连接成形装置及工艺，该装置将激光加热和平底无铆连接相结合，连接开始前，下模具固定不动，将上板材和下板材叠放在下模具上表面，通过激光加热器对上板材和下板材的局部位置进行加热，并通过红外测温仪进行温度的测量，当上、下板材温度达到材料的塑性变形温度时，停止加热，压边圈向下运动压住上板材和下板材；连接过程开始，冲头继续向下运动，冲头挤压上、下板材，使上、下板材发生塑性变形，上板材嵌入下板材，在上、下板材之间形成一个机械锁，实现上板材、下板材之间的连接，上、下板材完全成形之后，冲头和压边圈向上运动，将上、下板材取出，本发明具有成形力小、连接点强度高和连接质量可靠等优点。

技术研发人员：韩晓兰;赵升吨;徐凡;陈超;张海霞
受保护的技术使用者：西安石油大学
技术研发日：2017.09.30
技术公布日：2018.02.16