專利名稱：激光加熱無鉚釘鉚接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的一種汽車制造技術(shù)領(lǐng)域的無鉚釘鉚接裝置，具體是ー種激光加熱無鉚釘鉚接裝置。
背景技術(shù)：
汽車エ業(yè)的發(fā)展與世界能源、環(huán)境問題日益激烈的矛盾促進(jìn)了汽車輕量化理念的發(fā)展，在該理念下，鋁合金、鎂合金由于密度低， 耐腐蝕性好等特點(diǎn)越來越多的應(yīng)用到汽車行業(yè)中，高強(qiáng)鋼、碳纖維材料具有較高的比強(qiáng)度也在車身上得到了廣泛應(yīng)用。鋁鎂合金由于具有較高的導(dǎo)熱性、表面易氧化，因此傳統(tǒng)的點(diǎn)焊連接エ藝很難實(shí)現(xiàn)鋁鎂合金板料之間的連接；而新型結(jié)構(gòu)往往需要對不同材料如鋼與鋁合金之間進(jìn)行連接，此時點(diǎn)焊在焊接不同材料時由于熔點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)差異較大，焊接時焊點(diǎn)出現(xiàn)硬而脆的金屬化合物，難以實(shí)現(xiàn)有效地焊接接頭。新材料的應(yīng)用促進(jìn)了新エ藝的發(fā)展，針對點(diǎn)焊在新型輕質(zhì)材料連接中的缺點(diǎn)國外提出無鉚釘鉚接エ藝，無鉚釘鉚接エ藝屬于機(jī)械壓鉚エ藝，板料在沖頭壓力作用下在凹模內(nèi)發(fā)生塑性變形，由于凹模內(nèi)部的結(jié)構(gòu)使得上下板料在流動過程中在凹模內(nèi)部形成鑲?cè)肓?，?shí)現(xiàn)上下兩塊板料之間的鎖死、連接。因此無鉚釘鉚接過程屬于冷成型過程，沒有點(diǎn)焊板料融化過程中所帯來的應(yīng)カ集中等問題，無鉚釘鉚接接頭在具有較好的靜態(tài)力學(xué)性能外還具有比點(diǎn)焊更加理想的動態(tài)強(qiáng)度。而對于鋁鎂合金材料由于材料成形性能較差在無鉚釘成形過程中經(jīng)常出現(xiàn)鋁合金被沖斷，材料發(fā)生裂紋等現(xiàn)象；此外對于高強(qiáng)鋼，由于材料屈服極限較高，不容易成形，在鉚接成形過程中需要較大的成形抗力，對無鉚釘鉚接設(shè)備提出了更高的要求，增加了鉚接成本。溫控成形技術(shù)能增強(qiáng)材料的成形性能，降低材料屈服、強(qiáng)度極限，増加材料的延展性，成形性能。對于鋁合金材料，隨著成形溫度的升高材料屈服極限降低，材料成形抗カ降低，材料成形極限提高，在沖壓過程中不容易出現(xiàn)裂紋和沖斷。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對目前無鉚釘鉚接技術(shù)的不足，提出一種激光加熱無鉚釘鉚接裝置，通過引入激光加熱溫控成形方法來増加鋁鎂合金金屬成形性能，以解決鋁鎂合金等成形性差材料在鉚接過程中被沖斷的問題；同時利用激光加熱溫控成形方法降低材料屈服極限，減小發(fā)生塑性變形時的變形抗力，降低了鉚接高強(qiáng)材料對無鉚釘鉚接設(shè)備鉚接力、框架剛度的要求。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，結(jié)合附圖說明如下—種激光加熱無鉚釘鉚接裝置，主要由復(fù)合沖頭、復(fù)合壓邊圈、復(fù)合凹模和激光控制系統(tǒng)組成，所述復(fù)合沖頭⑴內(nèi)套于復(fù)合壓邊圈(5)中，并與エ件、復(fù)合凹模(11)由上而下同軸布置；所述的復(fù)合沖頭(I)為空心圓臺結(jié)構(gòu)，空心圓孔1(4)內(nèi)部螺紋裝配光纖管
I(2)和凹透鏡I (3)，凹透鏡I (3)裝在光纖光管I (2)底部，凹透鏡I (3)距復(fù)合沖頭(I)下端面有一微小距離，復(fù)合沖頭(I)下端面直徑小于上端面直徑，即外表面設(shè)有一定的拔模斜角，以方便沖頭退模，下端面邊緣設(shè)有圓形倒角。所述復(fù)合壓邊圈(5)為用于施加壓邊カ的環(huán)形柱體，其下表面靠近中心孔處環(huán)向至少開設(shè)ー對矩形凹槽出)，每個凹槽與沿著直徑方向的方形凹槽(8)連接，(矩形凹槽(6)內(nèi)固定有熱敏電阻(7)，熱敏電阻的外表面高于復(fù)合壓邊圈(5)的下表面，以確保熱敏電阻能充分接觸到鉚接板料上，與熱敏電阻相連的導(dǎo)線布置在方形凹槽(8)內(nèi)，并與激光控制系統(tǒng)相連。)所述復(fù)合凹模(11)頂部設(shè)有空腔，空腔底部圓周處設(shè)有截面為半圓形的環(huán)形凹槽(12)，空腔底部中心處設(shè)有空心圓孔II (14)，空心圓孔11(14)內(nèi)部螺紋 裝配光纖管
II(16)和凹透鏡II (15)，凹透鏡II (15)設(shè)在光纖管II (16)的上部，凹透鏡II (15)上表面低于復(fù)合凹模(11)上表面。所述復(fù)合凹模(11)上表面靠近空腔處環(huán)向開設(shè)有矩形凹槽￠)，每個凹槽與沿著直徑方向的方形凹槽(8)連接，熱敏電阻(7)布置在復(fù)合凹模(11)上的矩形凹槽(6)內(nèi)，并且熱敏電阻(7)的外表面高于復(fù)合凹模(11)的上表面，以確保熱敏電阻(7)能充分接觸到鉚接板料上，與熱敏電阻(7)相連的導(dǎo)線布置在方形凹槽(8)內(nèi)，并與激光控制系統(tǒng)相連。本實(shí)用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)結(jié)合溫控成形技術(shù)，通過對無鉚釘鉚接材料鉚接區(qū)域進(jìn)行加熱，増加材料成形能力如延展性，流動性，一方面避免了脆性材料在鉚接成形過程中裂紋的產(chǎn)生；另ー方面降低了高強(qiáng)板料發(fā)生塑性變形的變形抗力，提高了高強(qiáng)材料塑性變形能力，能夠鉚接出質(zhì)量更好的接頭。

圖I為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為復(fù)合壓邊圈結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為復(fù)合凹模接頭示意圖。圖4為實(shí)施例エ藝流程圖，其中圖4(a)激光加熱；圖4 (b)停止加熱開始鉚接成形；圖4 (C)沖頭接觸到板料；圖4(d)沖頭運(yùn)動到下止點(diǎn)，鉚接結(jié)束。圖4(e)沖頭復(fù)位。圖中1.復(fù)合沖頭2.光纖管I 3.凹透鏡I 4.空心圓孔I 5.復(fù)合壓邊圈
6.矩形凹槽7.導(dǎo)線8.方形凹槽9.上板料10.下板料11.復(fù)合凹模12.半圓形環(huán)形凹槽13.圓柱形凸起14.空心圓孔II 15.凹透鏡II 16.光纖管II
具體實(shí)施方式
以下為對實(shí)用新型的實(shí)施例做詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。本實(shí)用新型包括復(fù)合沖頭(I)、復(fù)合壓邊圈(5)和復(fù)合凹模(11)和激光發(fā)射控制部分。其中復(fù)合沖頭(I)內(nèi)套于復(fù)合壓邊圈(5)中，并與上下板料(9)、(10)和復(fù)合凹模(11)由上而下依次同軸布置。復(fù)合沖頭(I)為圓臺結(jié)構(gòu)，中心設(shè)有空心圓孔I (4)，復(fù)合沖頭(I)下表面直徑小于上表面直徑，復(fù)合沖頭(I)外表面設(shè)有一定的拔模斜角，以方便沖頭退模。復(fù)合沖頭(I)空心圓孔I (4)內(nèi)布置光纖管I (2)和凹透鏡I (3)。光纖管I (2)在復(fù)合沖頭的空心圓孔I (4)內(nèi)通過螺紋固定，光纖管I (2)下設(shè)有凹透鏡I (3)，凹透鏡I (3)距復(fù)合沖頭I下表面有ー很小距離，光纖管I (2)輸出的點(diǎn)光源通過凹透鏡1(3)的透射作用以一定的角度發(fā)散照射到要加熱的上下鉚接板料(9)、(10)表面。選取適當(dāng)曲率的凹透鏡I (3)，使得照射上下鉚接板料(9)、(10)表面的激光圓形區(qū)域?yàn)殂T接板料成形區(qū)域。復(fù)合壓邊圈(5)底部靠近中心孔處環(huán)向至少設(shè)有ー對矩形凹槽(6)，并與沿著直徑方向的小凹槽方形凹槽(8)連接。矩形凹槽(6)中布置熱敏電阻，與熱敏電阻連接的導(dǎo) 線(7)布置在方形凹槽(8)中。熱敏電阻凸出于復(fù)合壓邊圈(5)下表面，以確保熱敏電阻與上板料(9)接觸良好。復(fù)合凹模(11)頂部設(shè)有中心空腔，中心空腔底部圓周處設(shè)有截面為半圓形的環(huán)形凹槽(12)，并在中心空腔中心設(shè)有圓柱形凸起(13)。圓柱形凸起(13)直徑小于凹模中心空腔直徑，并在兩直徑之間開有截面為半圓形環(huán)形凹槽(12)。在中心空腔圓心處開有空心圓孔II (14)，其內(nèi)布置光纖管11(16)和凹透鏡11(15)?？招膱A孔II (14)內(nèi)壁設(shè)有螺紋，光纖管11(16)和凹透鏡II (15)進(jìn)行螺紋固定，凹透鏡11(15)距復(fù)合凹模(11)上表面有ー很小距離，光纖管II (16)輸出的點(diǎn)光源通過凹透鏡11(15)的透射作用以一定的角度發(fā)散照射到要加熱的下鉚接板料(10)表面。選取適當(dāng)曲率的凹透鏡，使得照射鉚接板料表面的激光圓形區(qū)域?yàn)殂T接板料成形區(qū)域。在復(fù)合凹模(11)上表面靠近空腔壁處環(huán)向至少設(shè)有ー對矩形凹槽(6)，并與沿著直徑方向的發(fā)方形凹槽(8)連接。矩形凹槽(6)中布置熱敏電阻，與熱敏電阻連接的導(dǎo)線布置在方形凹槽(8)中。熱敏電阻凸出于凹模上表面，以確保熱敏電阻與下鉚接板料(10)接觸良好。復(fù)合凹模(11)、復(fù)合沖頭(I)均為硬度很高的模具鋼，如Crl2MoV等。激光控制系統(tǒng)由電源,主板,激光驅(qū)動板，溫度控制板，系統(tǒng)控制板，光纖激光輸出模塊，光纖管等組成，屬于常規(guī)設(shè)計(jì)，激光控制模塊可由市場選購。光纖輸出激光模塊安裝在散熱制冷模塊中，以確保激光輸出模塊連續(xù)工作時溫度正常。輸出激光通過光纖連接器與光纖連接，并通過復(fù)合沖頭和復(fù)合凹模中的光纖管、凹透鏡入射到鉚接板料上。設(shè)備在復(fù)合壓邊圈(5)和復(fù)合凹模(11)上的熱敏電阻能即時監(jiān)測加熱板料溫度，當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時通過與之相連的控制系統(tǒng)終止激光加熱，并啟動復(fù)合沖頭(I)進(jìn)行鉚接成形。本實(shí)用新型裝置工作時，先將待鉚接エ件放置于復(fù)合凹模(11)上，然后驅(qū)動復(fù)合壓邊圈(5)壓緊板料，此時控制激光輸出模塊輸出激光，激光通過光纖管、凹透鏡照射在上下板料成形區(qū)域上。上下板料成形區(qū)域在激光照射下瞬間升溫，通過復(fù)合壓邊圈(5)和復(fù)合凹模(11)上的熱敏電阻即時探測出板料溫度，當(dāng)板料溫度達(dá)到最佳鉚接溫度時停止加熱，并啟動復(fù)合沖頭(I)進(jìn)行鉚接。處于高溫下板料具有較好的延展性，因此在鉚接過程中避免了脆性材料鉚接時裂紋的產(chǎn)生，同時還減小了鉚接高強(qiáng)鋼時的鉚接力。鉚接完成后，恢復(fù)沖頭最初エ位，激光加熱無鉚釘鉚接エ藝完成。參閱圖(I)所示，本例包括復(fù)合沖頭(I)、復(fù)合壓邊圈(5)、上下鉚接板料(9)，
(10)、復(fù)合凹模(11)。復(fù)合沖頭(I)、復(fù)合壓邊圈(5)、上下鉚接板料(9)、(10)及復(fù)合凹模
(11)從上到下依次布置，復(fù)合沖頭(I)套接于復(fù)合壓邊圈(5)內(nèi)，復(fù)合凹模(11)與復(fù)合沖頭⑴同軸布置。復(fù)合沖頭(I)、空心圓孔I (4)與光纖管I (2)通過螺紋進(jìn)行連接，光纖管I (2)外布置凹透鏡I (3)，凹透鏡I (3)下表面距復(fù)合沖頭(I)下表面距離為1mm。復(fù)合沖頭⑴為空心圓臺結(jié)構(gòu)，復(fù)合沖頭⑴底部直徑為5. 2mm，空心圓孔I (4)與光纖管I (2)直徑相同為3mm,復(fù)合沖頭I外壁拔模角度為5° ,復(fù)合沖頭(I)底部邊緣圓角·半徑為O. 5mm。復(fù)合沖頭(I)初始位置下表面距上鉚接材料9距離為9mm，選用的凹透鏡I (3)的焦距f = 6mm。參閱圖(2)所示，復(fù)合壓邊圈(5)在下表面上沿著兩條互相垂直直徑方向上設(shè)有寬度為2mm方形凹槽(8)，并在靠近內(nèi)圓柱表面處分別設(shè)有寬度和高度為4mm，長度為6mm的矩形槽(17)。矩形槽內(nèi)布置熱敏電阻，為確保熱敏電阻能夠充分接觸到鉚接材料，熱敏電阻上表面高出壓邊圈1mm，與熱敏電阻連接的導(dǎo)線布置在方形凹槽(8)中。參閱圖(3)所示，復(fù)合凹模(11)圓柱形空腔直徑為8mm，在空腔底部設(shè)有圓柱形凸起(13)，圓柱形凸起上表面距凹模上表面距離為I. 4mm，在圓柱形凸起與空腔之間設(shè)有截面直徑為Imm的半圓形環(huán)形凹槽(12)。參閱圖(3)所示，在復(fù)合凹模(11)空腔中心處開有空心圓孔II (14)，空心圓孔11(14)直徑與光纖管II (16)直徑相同，為3_，并通過螺紋將光纖管II (16)固定在空心圓孔II (14)中，光纖管11(16)外布置凹透鏡II (15)，凹透鏡上表面距圓柱形凸起(13)上表面距離為1mm。選用的凹透鏡II (15)的焦距f = I. 44mm。參閱圖3所示，在復(fù)合凹模(11)上表面上沿著兩條互相垂直直徑方向上設(shè)有寬度為2mm方形凹槽(8)，并在靠近內(nèi)圓柱表面處分別設(shè)有寬度和高度為4mm，長度為6mm的矩形凹槽出)。矩形凹槽出)內(nèi)布置熱敏電阻，為確保熱敏電阻能夠充分接觸到鉚接材料，熱敏電阻上表面高出復(fù)合壓邊圈1mm，與熱敏電阻連接的導(dǎo)線7布置在方形凹槽(8)中。復(fù)合沖頭(I)、復(fù)合壓邊圈(5)、復(fù)合凹槽(11)都采用為硬度很高的模具鋼，如Crl2MoV 等。本實(shí)施例所用的上下鉚接材料(9)、(10)為5083鋁合金材料，上下鉚接板料厚度均為Imnin在鉚接過程中復(fù)合沖頭(I)沖壓速度為100mm/min，復(fù)合沖頭(I)行程距離為復(fù)合沖頭(I)下表面距板料距離、兩板料厚度、復(fù)合沖頭(I)侵入復(fù)合凹模(11)深度三個距離總和，本例中復(fù)合沖頭(I)行程為11. 7_。本實(shí)施例中調(diào)節(jié)光纖激光輸出模塊激光輸出功率為lKw。[0050]本實(shí)施例實(shí)施流程如圖4(a_e)所示，將上下鉚接板料(9)、(10)放置于復(fù)合凹模
(11)模具上，驅(qū)動復(fù)合壓邊圈(11)，壓緊上鉚接板料(9);光纖輸出激光模塊輸出激光，并通過光纖管、凹透鏡，入射到板料鉚接區(qū)域處，光纖輸出激光模塊輸出功率為lKw，入射到板料鉚接區(qū)域的激光功率密度為103W/cm2 ;通過布置于復(fù)合壓邊圈(5)底部、復(fù)合凹模(11)上表面處的熱敏電阻即時測量加熱板料溫度，當(dāng)溫度加熱到300°時，通過激光控制系統(tǒng)終止加熱，并啟動復(fù)合沖頭(I)開始鉚接成形；復(fù)合沖頭(I)向下沖壓鉚接板料，直到達(dá)到?jīng)_頭下止點(diǎn)，此時鉚接結(jié)束，上下板料鉚接在復(fù)合沖頭(I)壓カ作用下在復(fù)合凹模(11)內(nèi)行程自鎖接頭；保持沖頭在下止點(diǎn)位置，防止退模后板料回頭進(jìn)行鐓鍛保壓；退回初始エ位， 激光加熱無鉚釘鉚接完成。
權(quán)利要求1.一種激光加熱無鉚釘鉚接裝置，主要由復(fù)合沖頭、復(fù)合壓邊圈、復(fù)合凹模組成，其特征在于，所述復(fù)合沖頭(I)內(nèi)套于復(fù)合壓邊圈(5)中，并與エ件、復(fù)合凹模(11)由上而下同軸布置；所述的復(fù)合沖頭(I)為空心圓臺結(jié)構(gòu)，空心圓孔I (4)內(nèi)部螺紋裝配光纖管I (2)和凹透鏡I (3)，凹透鏡I (3)裝在光纖光管I (2)底部，凹透鏡I (3)距復(fù)合沖頭(I)下端面有一微小距離，復(fù)合沖頭(I)下端面直徑小于上端面直徑，下端面邊緣設(shè)有圓形倒角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種激光加熱無鉚釘鉚接裝置，其特征在于，所述復(fù)合壓邊圈(5)為用于施加壓邊カ的環(huán)形柱體，其下表面靠近中心孔處環(huán)向至少開設(shè)ー對矩形凹槽(6)，每個凹槽與沿著直徑方向的方形凹槽(8)連接，矩形凹槽(6)內(nèi)固定有熱敏電阻(7)，熱敏電阻的外表面高于復(fù)合壓邊圈(5)的下表面，以確保熱敏電阻能充分接觸到鉚接板料上，與熱敏電阻相連的導(dǎo)線布置在方形凹槽(8)內(nèi)，并與激光控制系統(tǒng)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的ー種激光加熱無鉚釘鉚接裝置，其特征在于，所述復(fù)合凹模(11)頂部設(shè)有中心空腔，空腔底部圓周處設(shè)有截面為半圓形的環(huán)形凹槽(12)，空腔底部中心處設(shè)有空心圓孔II (14)，空心圓孔11(14)內(nèi)部螺紋裝配光纖管11(16)和凹透鏡II (15)，凹透鏡II (15)設(shè)在光纖管II (16)的上部，凹透鏡II (15)上表面低于復(fù)合凹模(11)上表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種激光加熱無鉚釘鉚接裝置，其特征在干，所述復(fù)合凹模(11)上表面靠近空腔處環(huán)向開設(shè)有矩形凹槽出)，每個凹槽與沿著直徑方向的方形凹槽(8)連接，熱敏電阻(7)布置在復(fù)合凹模(11)上的矩形凹槽(6)內(nèi)，并且熱敏電阻(7)的外表面高于復(fù)合凹模(11)的上表面，以確保熱敏電阻(7)能充分接觸到鉚接板料上，與熱敏電阻(7)相連的導(dǎo)線布置在方形凹槽(8)內(nèi)，并與激光控制系統(tǒng)相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及的一種汽車制造技術(shù)領(lǐng)域的激光加熱無鉚釘鉚接裝置。該裝置由復(fù)合沖頭、復(fù)合壓邊圈、復(fù)合凹模組成，復(fù)合沖頭內(nèi)套于復(fù)合壓邊圈中，并與工件、凹模由上而下同軸布置；復(fù)合沖頭和復(fù)合凹模中心設(shè)有空心圓孔，空心孔內(nèi)裝有光纖管和凹透鏡；復(fù)合壓邊圈和復(fù)合凹模與板料接觸的表面環(huán)向設(shè)有凹槽，用于布置熱敏電阻即導(dǎo)線與激光控制系統(tǒng)連接。本實(shí)用新型在鉚接成形前通過激光加熱鉚接材料成形區(qū)域，增加材料的成形性能，避免脆性材料在鉚接過程中易于裂紋、斷裂，同時能降低材料的塑性變形抗力，使得板料在成形過程中變形充分，易于得到質(zhì)量更好的鉚接接頭，同時隨著材料的塑性變形抗力的降低，降低了對鉚接設(shè)備鉚接力、剛度的要求。
文檔編號B21D37/16GK202621742SQ20122024068
公開日2012年12月26日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者莊蔚敏, 劉學(xué)成, 陳延紅, 于皖東, 梁麗麗, 曹德闖 申請人:吉林大學(xué)