一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉及搅拌摩擦铆焊方法技术

一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉及搅拌摩擦铆焊方法，爪型铆钉包括夹持段和铆接段，铆接段由周向均布的多根钉腿构成；夹持段上表面设有装夹凹槽和定位凹槽且下表面设有圆形凹槽；夹持段轴肩端面为内凹圆锥面且其上设有环形导流凹槽；钉腿外/内周侧壁面为圆弧柱面且圆心重合，钉腿厚度为1mm～3mm；钉腿外周侧壁面上设有螺纹凸肋；用于衔接钉腿内外周侧壁面的两处侧立面设为导流面，导流面与壁面夹角为30

【技术实现步骤摘要】
一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉及搅拌摩擦铆焊方法


[0001]本专利技术属于搅拌摩擦铆焊
，特别是涉及一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉及搅拌摩擦铆焊方法。

技术介绍

[0002]随着科技研发速度加快，制造业发展和产业需求多元化，同种金属结构由于性能单一，已经不能满足工业使用需求，而异种金属结构可根据各个材料的物化性质及力学性能结合服役要求进行科学合理搭配，因此在电力工业、汽车制造、船舶轮船、航空航天等领域应用广泛。由于异种金属结构的应用往往由连接质量所决定，因此实现高强度有效连接在科学研究及工程应用上具有广泛而深远的意义。
[0003]由于难连接异种金属的物理特性、化学成分、力学性能差异大，且不同材料之间可能发生化学反应，使得异种金属的连接相对同种金属要复杂的多，异种金属采用焊接实现连接时仍存在诸多问题。
[0004]例如：
①
、焊接连接铝钢时，由于铝钢之间固溶度极低，因此容易形成脆硬的金属间化合物，并且两者热膨胀系数及热导率差异大，会在焊接后产生较大的残余应力，使裂纹在金属间化合物层萌生扩展，导致接头强度降低。
[0005]②
、焊接连接铝铜时，由于铝铜的热物理属性相差较大，在界面处会形成多种脆硬、难溶的金属间化合物，导致焊后易产生气孔、裂纹、氧化等缺陷。
[0006]③
、焊接连接钛钢时，由于钛钢的熔点、热导率差异较大，会在焊后形成极大的残余应力，从而导致焊缝中产生裂纹，并且钛钢之间易产生脆性金属间化合物，这会进一步降低接头的塑性和高温性能。
[0007]因此，目前针对异种金属焊接普遍存在抗拉强度低、焊缝成型差、稳定性低、界面处金属间化合物层难以调控等问题，从而导致异种金属连接时大多仍采用相对成熟的机械铆接方式。但机械铆接接头仍存在疲劳寿命短、密封性能差、易腐蚀等问题。由于机械铆接时需要在板材上预制通孔，但制孔工序不但增加了工艺复杂程度，而且制孔过程产生的毛刺等多余产物还会影响服役性能，导致机械铆接工艺成本大幅度提升。
[0008]由于需要预制通孔的机械铆接工艺已经无法满足高强度异种金属连接要求，因此自冲铆接技术应运而生，尽管自冲铆接可以有效避免预制通孔时带来的问题，但其在铆接材料的适用性上存在局限。当铆接硬度较高的金属时，需要半空心铆钉快速冲压下扎待连接板材，导致铆钉容易发生镦粗、断裂等现象，从而不能形成有效机械互锁。当铆接低韧性、脆性较高的金属时，容易使待连接板材产生裂纹并开裂，从而降低接头强度和疲劳性能。
[0009]为此，针对自冲铆接工艺的局限性，自冲摩擦铆焊技术(Friction Self
‑
piercing Riveting，简称F
‑
SPR)被提出，自冲摩擦铆焊技术实施过程中，需要将高速旋转的半空心铆钉扎入到待连接板材中，铆钉与上下板材形成机械自锁的同时，铆钉在摩擦热作用下与被铆金属实现固相连接。
[0010]例如，申请号为201610566456.3的中国专利申请，公开了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，其虽然可以提高铆钉高速旋转时的稳定性及铆接精度，但其采用的环形空心铆钉在镦铆阶段不易变形，造成钉腿张开不足，导致机械互锁量较小，并且铆钉旋转摩擦产热不足以软化延展性低的金属，也就无法抑制板材开裂，而且不能实现铆钉与待铆接金属的固相连接，最终会降低机械
‑
固相双重连接强度。
[0011]申请号为201911256371.5的中国专利申请，公开了一种去除铝钢搭接钩状缺陷的搅拌摩擦点焊焊铆工具及方法，其通过在常规搅拌头的中下部增加凸起平台，使平台底部与铝钢搭接平面摩擦提供热量，以击破搭接界面，用以实现焊铆接结合的连接方式。但是，凸起平台底部的搅拌针在抬刀时易整体断裂，并且抬刀时极大的拉力易引起接头损伤，从而降低接头的连接强度。

技术实现思路

[0012]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉及搅拌摩擦铆焊方法，通过全新设计的爪型铆钉，可有效减小铆钉变形难度，提高铆钉的机械自锁强度，可引导塑性金属流动改善铆接接头密封性能；通过铆钉与工艺方法的结合，能够合理控制铆接过程中的热输入，解决铆钉产热不足的问题，促进异种金属板材、铆钉与板材之间的冶金连接，提高板材延展性，易于铆钉下扎，避免板材开裂；通过超声振动可有效调控异种金属在热作用下生成的金属间化合物，提高难连接异种金属的连接性能。
[0013]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉，包括夹持段和铆接段，所述夹持段采用圆盘形结构，夹持段的圆盘上表面为装夹定位侧，夹持段的圆盘下表面为轴肩侧；所述铆接段位于夹持段的轴肩侧，铆接段由多根钉腿构成，多根钉腿沿圆周方向均布设置，且钉腿的数量为2～6根。
[0014]在所述夹持段的圆盘上表面沿着圆周方向均布有多处装夹凹槽，在夹持段的圆盘上表面中心处设有定位凹槽，在夹持段的圆盘下表面中心处设置有圆形凹槽。
[0015]所述钉腿外侧的夹持段圆盘轴肩端面为内凹圆锥面，且在钉腿外侧的夹持段圆盘轴肩端面上设置有环形导流凹槽。
[0016]所述钉腿的外周侧壁面和内周侧壁面均为圆弧柱面，且所有钉腿的外周侧壁面和内周内壁面的圆心重合；所述钉腿在径向方向上的厚度为1mm～3mm。
[0017]在所述钉腿的外周侧壁面上设置有螺纹凸肋，且所有钉腿外周侧壁面上的螺纹凸肋互为彼此的螺纹延长。
[0018]用于衔接所述钉腿外周侧壁面与内周侧壁面的两处侧立面分别设为第一导流面和第二导流面，第一导流面与钉腿外周侧壁面和内周侧壁面的夹角为30
°
～160
°
，第二导流面与钉腿外周侧壁面和内周侧壁面的夹角为30
°
～160
°
；所述第一导流面为平面且前倾，所述第二导流面为曲面且后倾。
[0019]所述钉腿的轴侧端面为倾斜平面，且在所述第一导流面与外周侧壁面交汇处的钉腿轴侧端面上设置有切削凸块。
[0020]一种搅拌摩擦铆焊方法，采用了所述的适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉，包括如下步骤：
[0021]步骤一：初始旋转下扎阶段
[0022]控制搅拌摩擦焊机的压紧环下压，直到压紧环与上层待焊材料表面紧密接触，然
后控制搅拌摩擦焊机的夹头旋转并带动爪型铆钉下扎，且爪型铆钉下扎的过程中通过搅拌摩擦焊机的夹头或压紧环施加超声振动；
[0023]步骤二：温度调控阶段
[0024]当爪型铆钉在上层待焊材料的下扎深度达到设定值后，控制旋转的爪型铆钉停止下扎，之后调整爪型铆钉的旋转速度，通过改变爪型铆钉的旋转来调控异种金属材料接头界面处的温度分布，使异种金属材料及爪型铆钉界面获得满足固态焊合需求且均匀的温度分布；
[0025]步骤三：二次旋转下扎阶段
[0026]控制旋转的爪型铆钉继续下扎，直到爪型铆钉的下扎深度达到异种材料接头界面处或下层待焊材料内的设定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉，其特征在于：包括夹持段和铆接段，所述夹持段采用圆盘形结构，夹持段的圆盘上表面为装夹定位侧，夹持段的圆盘下表面为轴肩侧；所述铆接段位于夹持段的轴肩侧，铆接段由多根钉腿构成，多根钉腿沿圆周方向均布设置，且钉腿的数量为2～6根。2.根据权利要求1所述的一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉，其特征在于：在所述夹持段的圆盘上表面沿着圆周方向均布有多处装夹凹槽，在夹持段的圆盘上表面中心处设有定位凹槽，在夹持段的圆盘下表面中心处设置有圆形凹槽。3.根据权利要求1所述的一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉，其特征在于：所述钉腿外侧的夹持段圆盘轴肩端面为内凹圆锥面，且在钉腿外侧的夹持段圆盘轴肩端面上设置有环形导流凹槽。4.根据权利要求1所述的一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉，其特征在于：所述钉腿的外周侧壁面和内周侧壁面均为圆弧柱面，且所有钉腿的外周侧壁面和内周内壁面的圆心重合；所述钉腿在径向方向上的厚度为1mm～3mm。5.根据权利要求4所述的一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉，其特征在于：在所述钉腿的外周侧壁面上设置有螺纹凸肋，且所有钉腿外周侧壁面上的螺纹凸肋互为彼此的螺纹延长。6.根据权利要求4所述的一种适用于搅拌摩擦铆焊的爪型铆钉，其特征在于：用于衔接所述钉腿外周侧壁面与内周侧壁面的两处侧立面分别设为第一导流面和第二导流面，第一导流面与钉腿外周侧壁面和内周侧壁面的夹角为30
°
～160
°
，第二导流面与钉腿外周侧壁面和内周侧壁面的夹角为30
°
～160
°
；所述第一导流面为平面且前倾，所述第二导流面为曲面且后倾。7.根据权利要求6所述的一种适用于搅拌摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琳，宋雨键，杨康，姬书得，崔树彬，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：