阅读说明：本技术 一种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法 (Rivet welding process method for in-situ friction stir forming of composite rivet ) 是由 姬书得 熊需海 李鸣申 马琳 张利国 吕赞 杨康 胡为 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：一种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法,步骤1,将待连接上下板材的预制孔对中定位,将复合材料铆钉插入预制孔内,复合材料铆钉背部用刚性约束衬垫固定；步骤2,选用轴肩直径合适且轴肩内凹槽符合工艺要求的搅拌头,将选好的搅拌头安装到搅拌摩擦焊机上,将搅拌头与铆钉对中定位,并设定焊接工艺参数及搅拌头行走路径；步骤3,搅拌头以预定转速和下扎速度移动到指定位置并维持一段停留时间后,随后搅拌头回抽,待铆焊部位冷却后即完成复合材料铆钉的成型,得到铆焊接头。该方法解决了长纤维增强复合材料铆钉无法通过传统压铆及冲击铆接进行成型、高分子聚合物铆钉热铆成型过程中铆钉端部流动性差等问题。(A rivet welding process method of friction stir forming in situ of composite rivet, step 1, position the prefabricated hole of upper and lower boards to be connected in the centering, insert the composite rivet in the prefabricated hole, the back of the composite rivet is fixed with the rigid restraint liner; step 2, selecting a stirring head with a proper shaft shoulder diameter and a shaft shoulder inner groove meeting the process requirements, installing the selected stirring head on a friction stir welding machine, centering and positioning the stirring head and a rivet, and setting welding process parameters and a stirring head walking path; and 3, moving the stirring head to a specified position at a preset rotating speed and a rolling speed, maintaining for a certain retention time, then pumping back the stirring head, and cooling the rivet welding part to finish the forming of the composite rivet to obtain the rivet welding joint. The method solves the problems that the long fiber reinforced composite material rivet can not be formed by the traditional press riveting and impact riveting, the flowability of the end part of the rivet is poor in the hot riveting forming process of the high polymer rivet, and the like.)

一种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法

技术领域

本发明属于复合材料与金属连接技术领域，具体涉及一种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法。

背景技术

复合材料铆钉具有质量轻、比强度高、不易腐蚀等特点，综合性能优于金属铆钉，在目前结构轻量化设计的趋势下，其应用潜力巨大。特别地，长纤维增强的树脂基复合材料铆钉，其抗剪能力较高，适用于如机械结构之间及钢筋混凝土梁之间的连接场合。由于复合材料铆钉脆性高、易崩裂的特点，传统冲击锤铆、基于抽芯铆钉的拉铆以及新型的电磁铆接等压力铆接方式均不再适合其铆接过程。目前复合材料铆钉的成型加工主要有两种：一是现场组装方式，即在生产现场完成复材铆钉的浸渍、纤维排布和成型固化，复材铆钉固化成型后即完成结构的铆接；二是对铆钉待成型端进行热铆加工。这两种工艺均耗时费力，且生产效率较低。同时，现场铆钉固化成型的铆接组装方式对环境适用性较窄，只能在车间生产现场对结构进行铆接组装。对于热铆加工方式，由于复材铆钉中的纤维无法缠绕或重新排布，导致其热铆接头强度较低；该方式只适用于熔点较低的纯树脂类材料，而对于耐高温复合材料的连接较为困难且持续较高的温度也会对结构性能造成不利影响；由于塑料热导率较低，塑料铆钉与孔壁及板材上表面之间无材料混合行为，铆接接头的密封性无法进一步提升。如申请号为201580003629.4的中国专利申请所公开的热铆方式中，采用中心加热棒的方式对塑料铆钉进行加热，另用热铆装置端部的金属片对塑料铆钉进行按压，以保证铆钉成形。在整个铆钉头加热按压成型的过程中，其内部的塑料材料未发生较好流动，因此该技术不适用于内部带有长纤维增强的复合材料铆钉成型。综上所述，寻找一种广泛适用于复合材料铆钉加工成型的高效便捷的连接工艺能有效提高复合材料铆钉的应用范围，对于工业行业实现结构轻量化的目标具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现复合材料铆钉高效便捷的原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法，它是将复合材料铆钉以背部装夹的方式固定在预制铆钉孔中，使用高速旋转并下压的搅拌头对铆钉待成型端的树脂进行摩擦产热和顶锻按压，以此来促进复材铆钉头的基体软化流动以及其内部增强纤维的旋转交缠与重新分布，最终完成铆钉的原位搅拌摩擦成型及其作用下的金属与复合材料板材间的铆焊连接。

一种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法，包括以下步骤：

步骤1，将待连接上板材和下板材的预制孔对中定位，将复合材料铆钉***预制孔内，露出待成型端部，复合材料铆钉背部用与之形状配合的刚性约束衬垫固定；

步骤2，选用轴肩直径与上板材及下板材的板厚之和配套，且轴肩内凹槽符合工艺要求的搅拌头，将选好的搅拌头安装到搅拌摩擦焊机上，将搅拌头与铆钉对中定位，通过搅拌摩擦焊机的控制面板设定焊接工艺参数及搅拌头行走路径；

步骤3，搅拌头在搅拌摩擦焊机主轴带动下以预定转速和下扎速度移动到指定位置，并维持一段预设的停留时间后；搅拌头在搅拌摩擦焊机主轴带动下旋转回抽，待冷却后即完成复合材料铆钉的成型，得到铆焊接头。

所述的上板材为聚合物材料，所述的下板材为金属材料，上板材和下板材的厚度均为1～50mm，上、下板材采用等厚或不等厚设置；上板材与下板材的层数之和为1～10层；上、下板材为平面板材、曲面板材或平面与曲面结合的复杂结构板材。特别地，所述上板材和下板材亦可选用同种材料或异种材料。

所述的预制孔为圆柱形、圆台形、多棱柱或棱台形孔，直径为2～40mm。

所述的预制孔为与螺纹铆钉配合的螺纹孔、与阶梯型或锥型变径铆钉相配合的异型孔或适用于埋头铆钉且两端带有锪窝的预制孔。

所述的复合材料铆钉采用长纤维增强的树脂基、短碳纤维增强树脂基、颗粒增强树脂基、金属或金属基复合材料制成。

所述的复合材料铆钉的铆钉杆伸出板材部分为待成型端，且待成型端直径不大于铆钉杆直径，复合材料铆钉的非成型端的铆钉头直径大于复合材料铆钉的铆钉杆的直径，其铆钉头为半圆形、扁圆形、锥形、方形或多边形；复合材料铆钉非成型端的铆钉头中心加工有与刚性约束的衬垫配合的锥孔、“一”字形凹槽或“十”字形凹槽。

所述的刚性约束的衬垫，其与复合材料铆钉的铆钉头接触的端面开设有圆形、方形、矩形或多边形凹槽；刚性约束的衬垫与复合材料铆钉的铆钉头接触的端面中心加工有锥状凸起、“一”字形凸起或“十”字形凸起。

所述的搅拌头采用端面带有球形凹槽的搅拌头、端面带有圆柱形凹槽且凹槽底部带有倒角的搅拌头、端面带有球形凹槽且凹槽内带有导流锥形凸起的搅拌头、端面带有球形凹槽且凹槽内带有导流螺旋弧形槽的搅拌头、适用于埋头铆钉成型的平面轴肩搅拌头或外侧装有非接触式感应加热线圈的搅拌头；所述搅拌头轴肩直径为4～80mm。其端部分为平面、球形凹槽，根据需要可制成带有倒角的柱形凹槽或带有倒流锥状凸起的凹槽。

搅拌头轴肩外表面有一层或多层涂层，当上板为硬质合金时，为防止搅拌头轴肩磨损，喷涂耐磨涂层；当上板为高熔点金属时，为防止搅拌头轴肩软化变形，喷涂隔热涂层；当上板为树脂基复合材料时，为防止搅拌头轴肩粘连材料，喷涂脱模涂层。

所述的搅拌头的转速为50～10000r/min；下扎速度为0.1～10mm/min，回抽速度为0.1～100mm/min，预设的停留时间为0～200s。

所述复合材料铆钉的成型方式分为单侧加工成型和双侧加工成型两种，当采用单侧加工成型时，即对待成型端使用旋转搅拌头进行加工，背部非成型端为预制形式，铆焊过程中使用背部刚性约束的衬垫进行固定；当采用双侧加工成型时，复合材料铆钉***上板材和下板材的预制孔内，铆钉上下两端露出待加工部位，呈相反旋转方向的两个搅拌头轴肩对铆钉上下两侧进行搅拌摩擦铆焊加工，形成双侧原位加工成型的搅拌摩擦铆焊接头。

适用于复合材料铆钉的铆焊结构根据具体工艺可分为多种不同形式：适用于铆钉头为球形凸起的铆焊结构、适用于铆钉头为圆柱形状凸起的铆焊结构、适用于铆钉头端部带有凹槽的铆焊结构、适用于埋头铆钉的铆焊结构、适用于锪窝铆钉孔的铆焊结构、适用于复合材料板材上置或金属板材上置的铆焊结构，适用于预制纤维增强复合材料铆钉与下置复合材料板一体成型的金属板材上置式铆焊结构以及复合材料铆钉双面加工成型的的铆焊结构。

本发明的有益效果为：

(1)解决了长纤维增强复合材料铆钉无法通过传统压铆及冲击铆接进行成型、高分子聚合物铆钉热铆成型过程中铆钉端部流动性差的问题，可高效便捷地在装配原位对复合材料铆钉进行成型加工或对服役过程中的损坏铆钉进行原位修复性加工。

(2)在工艺过程中，铆钉上部在旋转搅拌头的摩擦热与下扎力的作用下发生软化流动，最终成型的铆钉头内部纤维发生旋转交缠与重新排布，且其排布面积大于铆钉孔的直径，因此该工艺可大幅提升铆钉轴向及径向抗载能力。另若上板材为热塑性树脂基复合材料时，在铆焊过程中铆钉上部的树脂基体与铆钉孔壁的树脂基体发生混合流动，其铆钉与铆钉孔之间界面的结合效果远优于普通铆接方式，由此带来的铆焊接头强度的提高与良好的密封性也优于普通铆接方式。

(3)连接材料适用性广泛、铆焊形式灵活多样，对连接板材的种类(金属与非金属材料)、层数(双层或多层)和形状(平面或曲面)无特殊要求。

(4)复合材料铆钉的材料适应性广泛。根据工艺需要铆钉可选择聚合物材料(含长纤维、短纤维、颗粒增强树脂基复合材料)和金属(含金属基复合材料)。

(5)加工工艺可扩展性强，由于装置方法中与铆钉上下端部接触的旋转搅拌头与背部刚性约束衬垫为分体式设计，其拆卸与换装较为快捷，且针对搅拌头的诸如非接触式加热等辅助工艺的改进也较为方便，有利于该技术后期的工艺扩展。

附图说明

图1是本发明基于复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法的上板材与下板材带焊接及焊接后示意图；

图2是本发明基于复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊的工艺方法流程图；

图3是本发明的搅拌头结构示意图；其中：图3(a)是适用于扁圆头铆钉成型的搅拌头，其轴肩端面带有扁球形凹槽；图3(b)是适用于圆柱头铆钉成型的搅拌头，其端面带圆柱形凹槽且凹槽底部棱边处带有促流倒角；图3(c)是适用于扁圆头铆钉成型的搅拌头，其端面带扁球形凹槽且凹槽底部带有导流锥凸起；图3(d)是适用于扁圆头铆钉成型的搅拌头，其端面带扁球形凹槽且凹槽内带有导流螺旋弧形槽；图3(e)是适合于埋头铆钉成型的平面轴肩搅拌头；图3(f)是搅拌头外侧装有非接触式感应加热线圈的搅拌头；

图4是本发明适用的铆钉与铆焊结构示意图；其中：图4(a)是适合于铆钉头为球形凸起的铆焊结构；图4(b)是适合于铆钉头为圆柱形状凸起的铆焊结构；图4(c)是适合于铆钉头端部带有凹槽的铆焊结构；图4(d)是适合于埋头铆钉的铆焊结构；图4(e)是适合于带有锪窝的铆焊结构；图4(f)是适用于复合材料板材上置或金属板材上置的铆焊结构；图4(g)是适用于预制纤维增强复合材料铆钉与下置复合材料一体成型的金属板材上置铆焊结构；图4(h)是复合材料铆钉双面加工成型的的铆焊结构。

1、上板材，2、下板材，3、预制孔，4、复合材料铆钉，5、刚性约束衬垫，6、搅拌头，7、铆焊接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤1，将待连接上板材1和下板材2的预制孔3对中定位，将复合材料铆钉4从背部***预制孔3内，露出待成型端部，且朝向搅拌头6，复合材料铆钉4背部用与之形状配合的刚性约束衬垫5固定，刚性约束衬垫5与复合材料铆钉4配合，用于固定复合材料铆钉4；

步骤2，选用轴肩直径与上板材1与下板材2的板厚之和配套，且轴肩内凹槽符合工艺要求的搅拌头6，将选好的搅拌头6安装到搅拌摩擦焊机上，将搅拌头6与铆钉对中定位，通过搅拌摩擦焊机的控制面板设定焊接工艺参数及搅拌头6行走路径；

步骤3，搅拌头6在搅拌摩擦焊机主轴带动下以预定转速和下扎速度移动到指定位置，并维持一段预设的停留时间后；搅拌头6在搅拌摩擦焊机主轴带动下旋转回抽，待冷却后即完成复合材料铆钉4的成型，得到铆焊接头7。

所述的上板材1为聚合物材料，所述的下板材2为金属材料，上板材1和下板材2的厚度均为1～50mm，上板材1和下板材2采用等厚设置或不等厚设置；上板材1与下板材2的层数之和为1～10层；上板材1和下板材2为平面板材、曲面板材或平面与曲面结合的复杂结构板材；所述上板材1和下板材2选用同种材料或异种材料。

所述的预制孔3为圆柱形、圆台形、多棱柱或棱台形孔，直径为2～40mm。

所述的预制孔3为与螺纹铆钉配合的螺纹孔、与阶梯型或锥型变径铆钉相配合的异型孔或适用于埋头铆钉且两端带有锪窝的预制孔3，锪窝形式的预制孔3便于成型过程中软化树脂材料的流动。

所述的复合材料铆钉4采用长纤维增强的树脂基、短碳纤维增强树脂基、颗粒增强树脂基、金属或金属基复合材料制成，采用长纤维增强的树脂基的铆钉，其内部有向两侧或周围排布的长纤维，以增强铆钉加固效果。

所述复合材料铆钉4分为铆钉杆和上部的待成型端和背部的非成型端，复合材料铆钉4的铆钉杆伸出板材部分为待成型端，且待成型端直径小于等于铆钉杆直径，复合材料铆钉4非成型端的铆钉头直径大于复合材料铆钉4的铆钉杆直径，其铆钉头为半圆形、扁圆形、锥形、方形或多边形；为了增强复合材料铆钉的定位与夹紧约束效果，复合材料铆钉4非成型端的铆钉头中心加工有与刚性约束的衬垫配合的锥孔、“一”字形凹槽或“十”字形凹槽。

所述的刚性约束的衬垫，其与复合材料铆钉4的铆钉头接触的端面开设有圆形、方形、矩形或多边形凹槽；刚性约束的衬垫与复合材料铆钉4的铆钉头接触的端面中心加工有锥状凸起、“一”字形凸起或“十”字形凸起。

所述的搅拌头6采用端面带有球形凹槽的搅拌头、端面带有圆柱形凹槽且凹槽底部带有倒角的搅拌头、端面带有球形凹槽且凹槽内带有导流锥形凸起的搅拌头、端面带有球形凹槽且凹槽内带有导流螺旋弧形槽的搅拌头、适用于埋头铆钉成型的平面轴肩搅拌头或外侧装有非接触式感应加热线圈的搅拌头，如图3所示；所述搅拌头6轴肩直径为4～80mm。其端部分为平面、球形凹槽，根据需要可制成带有倒角的柱形凹槽或带有倒流锥状凸起的凹槽，搅拌头6用于提供铆焊过程中的旋转摩擦热与复合材料铆钉4轴向顶锻力，为提高铆钉成型端材料的流动效果，端面带有球形凹槽且凹槽内带有导流锥形凸起的搅拌头，可提高成型过程中树脂基体的流动，且便于内部纤维向周围排布；为在保证充足热输入的条件下降低搅拌头6转速，以防止复合材料铆钉4内部纤维被过大的旋转剪切力折断，外侧装有非接触式感应加热线圈的搅拌头，可在铆焊过程中对搅拌头6进行感应辅助加热，以保证复合材料铆钉4成型部位足够的热输入。

搅拌头6轴肩外表面有一层或多层涂层，当上板为硬质合金时，为防止搅拌头轴肩磨损，喷涂耐磨涂层；当上板为高熔点金属时，为防止搅拌头轴肩软化变形，喷涂隔热涂层；当上板为树脂基复合材料时，为防止搅拌头轴肩粘连材料，喷涂脱模涂层。

所述的搅拌头6的转速为50～10000r/min；下扎速度为0.1～10mm/min，回抽速度为0.1～100mm/min，预设的停留时间为0～200s。

所述复合材料铆钉4的成型方式分为单侧加工成型和双侧加工成型两种，当采用单侧加工成型时，即对待成型端使用旋转搅拌头6进行加工，背部非成型端为预制形式，铆焊过程中使用背部刚性约束的衬垫进行固定；当采用双侧加工成型时，复合材料铆钉4***上板材1和下板材2的预制孔3内，铆钉上下两端露出待加工部位，呈相反旋转方向的两个搅拌头6轴肩对铆钉上下两侧进行搅拌摩擦铆焊加工，形成双侧原位加工成型的搅拌摩擦铆焊接头7。

所述的铆焊结构根据具体工艺可分为多种不同形式：适用于铆钉头为球形凸起的铆焊结构、适用于铆钉头为圆柱形状凸起的铆焊结构、适用于铆钉头端部带有凹槽的铆焊结构、适用于埋头铆钉的铆焊结构、适用于锪窝的铆焊结构、适用于复合材料板材上置或金属板材上置的铆焊结构，适用于预制纤维增强复合材料铆钉4与下置复合材料板一体成型的金属板材上置式铆焊结构以及复合材料铆钉4双面加工成型的的铆焊结构，如图4所示。

实施例1

一种基于复合材料铆钉的原位搅拌摩擦的铆焊工艺方法，适合于铆钉头为球形凸起的铆焊结构，包括以下步骤：

步骤1，将待连接上板材1和下板材2的预制孔3对中定位，其中上板材1由碳纤维增强树脂基复合材料制成，厚度为2.0mm，下板材2采用Ti-6Al-4V合金板，厚度为3.0mm，预制孔3采用圆柱形孔，直径为3.2mm；将复合材料铆钉4***预制孔3内，复合材料铆钉4由碳纤维增强树脂基复合材料制成，且复合材料铆钉4的铆钉杆直径为3.2mm，长度为8.5mm，扁圆形铆钉头的最大直径为4.8mm，露出待成型端部，复合材料铆钉4背部用与之形状配合的刚性约束衬垫5固定；

步骤2，选用轴肩端部带有半球形凹槽的搅拌头6，如图3(a)所示，搅拌头6的轴肩直径为10.0mm，搅拌头6的球形凹槽直径为4.8mm，将选好的搅拌头6安装到搅拌摩擦焊机上，将搅拌头6与铆钉对中定位，通过搅拌摩擦焊机的控制面板设定焊接工艺参数及搅拌头6行走路径，其中焊接工艺参数为：搅拌头6转速为800r/min，下扎速度为1.0mm/min，下扎深度为0.1mm，停留时间为5s，回抽速度为10mm/min；搅拌头6的行走路径为：下扎-停留-回抽；

步骤3，搅拌头6在搅拌摩擦焊机主轴正转带动下以预定转速800r/min和下扎速度1.0mm/min移动到搅拌头6轴肩端面与上板材1表面平齐，停留时间5s后；搅拌头6在搅拌摩擦焊机主轴反转带动下旋转，以回抽速度10mm/min抽出，待冷却50s后即完成复合材料铆钉4的成型，得到连接良好的铆焊接头7。

实施例2

一种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法，适合于铆钉头为球形凸起的铆焊结构，包括以下步骤：

步骤1，将待连接上板材1和下板材2的预制孔3对中定位，其中上板材由Nylon-6纤维增强复合材料制成，厚度为8.0mm，下板材2采用AZ31镁合金板，厚度为5.0mm，预制孔3直径为5.6mm；将复合材料铆钉4***预制孔3内，复合材料铆钉4由玻璃纤维增强树脂基复合材料制成，且复合材料铆钉4的铆钉杆直径为5.6mm，长度为18.0mm，扁圆形铆钉头的最大直径为10.0mm，露出待成型端部，复合材料铆钉4背部用与之形状配合的刚性约束衬垫5固定；

步骤2，选用轴肩端部带有半球形凹槽且凹槽底部带有导流锥凸起的搅拌头6，如图3(c)所示，搅拌头6的轴肩直径为16.0mm，搅拌头6的球形凹槽直径为10.0mm，导流锥高度为1.8mm，且导流锥母线与轴线夹角为30°，将选好的搅拌头6安装到搅拌摩擦焊机上，将搅拌头6与铆钉对中定位，通过搅拌摩擦焊机的控制面板设定焊接工艺参数及搅拌头6行走路径，其中焊接工艺参数为：搅拌头6转速为1600r/min，下扎速度为1.0mm/min，下扎深度为0.15mm，停留时间为10s，回抽速度为10mm/min；搅拌头6的行走路径为：下扎-停留-回抽；

步骤3，搅拌头6在搅拌摩擦焊机主轴带动下以预定转速1600r/min和下扎速度1.0mm/min移动到搅拌头6轴肩端面与上板材1表面平齐，停留时间10s后；搅拌头6在搅拌摩擦焊机主轴带动下旋转，以回抽速度10mm/min抽出，待冷却70s后即完成复合材料铆钉4的成型，得到连接良好的铆焊接头7。

实施例3

一种复合材料铆钉原位搅拌摩擦成型的铆焊工艺方法，适合于铆钉头为圆柱形且带倒角的铆焊结构，包括以下步骤：

步骤1，将待连接上板材1和下板材2的预制孔3对中定位，其中上板材采用2024铝合金板，厚度为3.0mm，下板材2由纤维增强PEEK复合材料制成，厚度为3.0mm，预制孔3直径为3.0mm；将复合材料铆钉4***预制孔3内，复合材料铆钉4由SiC颗粒增强PEEK复合材料制成，且复合材料铆钉4的铆钉杆直径为3.0mm，长度为9.0mm，圆柱形铆钉头的直径为6.0mm，露出待成型端部，复合材料铆钉4背部用与之形状配合的刚性约束衬垫5固定；

步骤2，选用轴肩端部带有圆柱形凹槽且底部有促流倒角的搅拌头6，如图3(b)所示，搅拌头6的轴肩直径为10.0mm，搅拌头6的圆柱形凹槽直径为6.0mm，将选好的搅拌头6安装到搅拌摩擦焊机上，将搅拌头6与铆钉对中定位，通过搅拌摩擦焊机的控制面板设定焊接工艺参数及搅拌头6行走路径，其中焊接工艺参数为：搅拌头6转速为1000r/min，下扎速度为1.0mm/min，下扎深度为0.15mm，停留时间为6s，回抽速度为10mm/min；搅拌头6的行走路径为：下扎-停留-回抽；

步骤3，搅拌头6在搅拌摩擦焊机主轴带动下以预定转速1000r/min和下扎速度1.0mm/min移动到搅拌头6轴肩端面与上板材1表面平齐，停留时间6s后；搅拌头6在搅拌摩擦焊机主轴带动下旋转，以回抽速度10mm/min抽出，待冷却50s后即完成复合材料铆钉4的成型，得到连接良好的铆焊接头7。