CN110076438A - 一种钢铝异质件连接结构以及连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢铝异质件连接结构以及连接方法，属于车身轻量化材料的技术领域。本发明的钢铝异质件连接结构包括铝合金板、铆钉结构和钢质零件，铆钉结构的材料为钢；铝合金板上设置有开孔，铆钉结构包括定位底座以及啮合部，定位底座与啮合部之间设置有缩颈部，缩颈部的直径小于定位底座与啮合部的外径，定位底座设置在开孔上通过挤压使得啮合部与缩颈部与铝合金板形成机械互锁连接，而钢质零件与定位底座通过电阻焊连接。本发明的连接结构和方法无需增加SPR设备、MIG/CMT焊接设备投入成本，直接借用现有电阻焊机器人焊接系统，无需进行线体主线改造；连接质量好，有效避免了常规钢铝混合连接工艺的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及车身轻量化材料的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种钢铝异质件连接结构以及连接方法。
背景技术
随着车身轻量化趋势的影响，采用新型材料越来越多，使用普通的焊接技术将不能满足需求。从目前的研究大部分车企应用情况来看，比较适用于钢铝混合车身的连接工艺有：自冲铆接工艺(SPR、TOX)、热熔自攻丝(FDS)工艺等。其中使用频率最高的主要为SPR工艺连接形式。
①SPR工艺连接形式需要投入SPR焊接设备，并且需要对车身主焊线进行改造，投入成本较大，对于钢铝混合比例大于50％的车身设备利用率较高，而针对钢铝混合比例小于30％时设备利用率较低，投入和产出比失衡，同时SPR设备铆钳型式均为C型铆钳，部分铆接点无法实现，需采用MIG/CMT焊接工艺，又增加一部分额外成本；
②TOX工艺连接强度较低，可靠性较差，不适用于车身连接；
③热熔自攻丝(FDS)工艺设备系统成本高于电阻点焊，铆钉成本高，操作时间长，大量使用会影响主线节拍，工艺完成后材料正反面均有较大凸起，螺钉尺寸较长，如果大量使用会增加车身自重，同时过长的露出部分也会对车身的设计与制造产生影响。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种钢铝异质件连接结构以及安装方法。
本发明的钢铝异质件连接结构，包括铝合金板、铆钉结构和钢质零件，所述铆钉结构的材料为钢；所述铝合金板上设置有开孔，所述铆钉结构包括定位底座以及位于所述定位底座上的啮合部，在所述定位底座与所述啮合部之间设置有缩颈部，所述缩颈部的直径小于所述定位底座与所述啮合部的外径，所述啮合部的外径大于所述定位底座的外径；所述定位底座设置在所述开孔上通过挤压使得所述啮合部与所述缩颈部与所述铝合金板形成机械互锁连接，而所述钢质零件与所述定位底座通过电阻焊连接。
其中，所述啮合部的外围设置有连续排布的凸齿，所述的凸齿沿着所述啮合部的中心向外具有逐渐变窄的宽度。
其中，所述钢铝异质件连接结构为汽车零部件结构或车身结构。
其中，所述铆钉结构为中心轴对称结构。
其中，所述铝合金为Al-Mg合金。
其中，所述铆钉结构和钢质零件的材料为碳钢或低合金钢等。
本发明的第二方面还涉及一种钢铝异质件连接结构的连接方法。
本发明的连接方法包括以下步骤：
(1)在铝合金待连接位置开孔；
(2)将铆钉结构设置在开孔位置，并利用铆接设备上模施加压力将铆钉结构挤压至所述铝合金板内，所述铆钉结构与所述铝合金形成机械互锁结构；所述铆钉结构的材料为钢；
(3)将钢质零件与所述铆钉结构定位搭接；
(4)将钢质零件与所述铆钉结构采用电阻焊焊接。
其中，所述铆钉结构包括定位底座以及位于所述定位底座上的啮合部，在所述定位底座与所述啮合部之间设置有缩颈部，所述缩颈部的直径小于所述定位底座与所述啮合部的外径，并且所述定位底座与所述开孔过盈配合。
其中，所述啮合部的外围设置有连续排布的凸齿，所述的凸齿沿着所述啮合部的中心向外具有逐渐变窄的宽度。
与现有技术相比，本发明的钢铝异质件连接结构具有以下有益效果：
①无需增加SPR设备、MIG/CMT焊接设备投入成本；
②直接借用现有电阻焊机器人焊接系统，无需进行线体主线改造；
③连接质量好，有效避免了常规钢铝混合连接工艺的缺点；
④适用性广泛，适用于所有钢铝混合连接工艺。
附图说明
图1为本发明的钢铝异质件连接结构的结构示意图。
图2为钢铝异质件连接结构中的铆钉结构的结构示意图。
图3为铆钉结构与铝合金板的铆接过程示意图。
图4为本发明的钢铝异质件连接方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的钢铝异质件连接结构以及连接方法做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1-3所示，本实施例的钢铝异质件连接结构包括铝合金板20、铆钉结构30和钢质零件10，所述铆钉结构30的材料为钢；所述铝合金板20上设置有开孔21，所述铆钉结构30包括定位底座32以及位于所述定位底座32上的啮合部31，在所述定位底座32与所述啮合部31之间设置有缩颈部33。缩颈部33的直径小于定位底座32以及啮合部31的外径，并且啮合部31的外径大于定位底座32的外径，定位底座32与铝合金板20上的开孔21过盈配合；定位底座32设置在开孔21上，并分别将铆接设备的上模1和下模2分别设置在啮合部31的上方和铝合金板20的下方，然后通过铆接设备的上模1施加压力，使得啮合部31逐渐被挤压至铝合金板20，同时也使得铝合金被挤入缩颈部33周围，并且最终使得定位底座32的下表面与铆接设备的下模2完全贴合，并且通过挤压使得所述啮合部31与所述缩颈部32与所述铝合金板20形成机械互锁连接，而最终所述钢质零件10与定位底座32的连接转变为钢材料之间的连接，其可以通过常规的电阻焊来连接，而这可直接借用现有汽车生产线中的电阻焊机器人焊接系统，无需进行线体主线改造，从而无需增加SPR设备、MIG/CMT焊接设备投入成本。在本发明中，所述铆钉结构可设计为中心轴对称结构，以便于铆接操作，所述铆接结构具有与铝合金板20基本相同的厚度，所述铆钉结构30中，所述定位底座32的直径为10～50mm，而所述啮合部31的外径为15～75mm，所述铆钉结构可采用碳钢或低合金钢等，例如Q235、35、45、40CrMo等碳钢或低合金钢，即可满足强度和锁定要求，材料成本较低。具体来说，所述啮合部31的外围设置有连续排布的凸齿，凸齿沿着啮合部31的中心向外具有逐渐变窄的宽度，以有利于在挤压时使得被挤压的铝合金通过塑性挤压填满所述相邻的凸齿之间的空间形成稳定的机械互锁结构，同时部分被挤压的铝合金会被挤入所述啮合部与所述定位底座之间的锁颈部的周围。
在本发明中，所述铝合金为用于汽车车身的Al-Mg合金，例如Al-Mg-Si、Al-Mg-Cu、Al-Mg-Zn、Al-Mg-Zn-Cu合金等，当然本发明并不限于此。通常汽车车身是用材量及重量最大的部件，汽车车身的设计对于汽车的轻量化设计具有重要的意义。目前用于汽车车身板的铝合金主要有2XXX系铝合金、5XXX系铝合金和6XXX系铝合金。2XXX合金属于Al-Cu-Mg系，是一种热处理可强化的铝合金，其具有优良的锻造性、较高的强度和良好的焊接性能，强化相为CuMgAl2和CuAl2。5XXX系铝合金中Mg是主要的合金元素，固溶于铝基体中，形成固溶强化效应。6XXX铝合金中主要的合金元素是Mg和Si，并形成Mg2Si相，Al-Mg-Si合金具有较高的强度、较好的塑性和优良的耐腐蚀性。上述不仅具有质量轻、强度高和抗冲击性好等特点，而且具有很好的挤压成形性能，因而容易通过挤压形成机械性互锁结构。作为钢质零件的材质，根据零件的用途可以选择Q235、20、45、40Mn、65Mn、08F等，另外对于关键部位或者对防腐等级要求较高的场合和应用，也可以采用低合金钢以及不锈钢，采用低合金钢或不锈钢也不明显影响铆接过程，同时在本发明中，由于铆钉结构嵌入铝合金板中，在电阻点焊操作时更有利于散热，从而可以提高点焊的质量。
图4示出了本发明的钢铝异质件连接结构的连接方法，其主要包括开孔、铆接、定位和电阻点焊四个工艺步骤。首先，在铝合金板待连接位置进行开孔；然后，将上述铆钉结构如图3所示的方法铆接至预开孔的铝合金板；然后，将铆接完毕的铝合金板与钢质零件定位搭接；最后，待焊接部位已由钢铝混合连接转化为普通碳钢连接，可直接进行普通电阻焊焊接即可。在本发明中，所述铝合金为用于汽车车身的Al-Mg合金，例如Al-Mg-Si、Al-Mg-Cu、Al-Mg-Zn、Al-Mg-Zn-Cu合金等，而且所述铝合金可为经过固溶处理的铝合金(T4热处理)，或者固溶+时效处理的铝合金(T6热处理)，经过T4和T6热处理的铝合金，通过实验验证采用上述铆接过程能够形成机械性互锁结构，通过适当的加压操作，不会出现分离、裂纹等缺陷，而且机械性互锁结构的疲劳寿命显著优于电阻点焊焊接处的疲劳寿命，显示出本发明的连接方法具有良好的可靠性，能够广泛应用于汽车车身或零件等的钢铝混合连接。
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种钢铝异质件连接结构，其特征在于：包括铝合金板、铆钉结构和钢质零件，所述铆钉结构的材料为钢；所述铝合金板上设置有开孔，所述铆钉结构包括定位底座以及位于所述定位底座上的啮合部，在所述定位底座与所述啮合部之间设置有缩颈部，所述缩颈部的直径小于所述定位底座与所述啮合部的外径，所述啮合部的外径大于所述定位底座的外径；所述定位底座设置在所述开孔上通过挤压使得所述啮合部与所述缩颈部与所述铝合金板形成机械互锁连接，而所述钢质零件与所述定位底座通过电阻焊连接。
2.根据权利要求1所述的钢铝异质件连接结构，其特征在于：所述钢铝异质件连接结构为汽车零部件结构或车身结构。
3.根据权利要求1所述的钢铝异质件连接结构，其特征在于：所述啮合部的外围设置有连续排布的凸齿，所述的凸齿沿着所述啮合部的中心向外具有逐渐变窄的宽度。
4.根据权利要求1所述的钢铝异质件连接结构，其特征在于：所述铆钉结构为中心轴对称结构。
5.根据权利要求1所述的钢铝异质件连接结构，其特征在于：所述铝合金为Al-Mg合金。
6.根据权利要求1所述的钢铝异质件连接结构，其特征在于：所述铆钉结构和钢质零件的材料为碳钢或低合金钢。
7.一种钢铝异质件连接结构的连接方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在铝合金待连接位置开孔；
(2)将铆钉结构设置在开孔位置，并利用铆接设备上模施加压力将铆钉结构挤压至所述铝合金板内，所述铆钉结构与所述铝合金形成机械互锁结构；所述铆钉结构的材料为钢；
(3)将钢质零件与所述铆钉结构定位搭接；
(4)将钢质零件与所述铆钉结构采用电阻焊焊接。
8.根据权利要求7所述的钢铝异质件连接结构的连接方法，其特征在于：所述铆钉结构包括定位底座以及位于所述定位底座上的啮合部，在所述定位底座与所述啮合部之间设置有缩颈部，所述缩颈部的直径小于所述定位底座与所述啮合部的外径，并且所述定位底座与所述开孔过盈配合。
9.根据权利要求8所述的钢铝异质件连接结构的连接方法，其特征在于：所述啮合部的外围设置有连续排布的凸齿，所述的凸齿沿着所述啮合部的中心向外具有逐渐变窄的宽度。
10.根据权利要求7所述的钢铝异质件连接结构的连接方法，其特征在于：所述铝合金为Al-Mg合金，所述铆钉结构和钢质零件的材料为碳钢或低合金钢。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190802 |
|
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