一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置及铆焊方法
阅读说明：本技术 一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置及铆焊方法 (Self-filling friction rivet welding device with rotation direction limiting function and rivet welding method ) 是由 黄永宪 谢聿铭 于江祥 孟祥晨 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置及铆焊方法,属于摩擦铆焊技术领域。解决了金属基复合材料难以通过传统焊接的方式实现与其他材料的有效连接的问题。铆焊装置包括铆焊工具、上铆接板、下铆接板、非回旋体铆孔和铆钉,所述上铆接板和下铆接板内均设有非回旋体铆孔,所述铆钉置于非回旋体铆孔中并贯穿上铆接板和下铆接板,所述铆焊工具设置在非回旋体铆孔和铆钉的正上方并与铆钉相连。它主要用于自填充摩擦铆焊。(The invention provides a self-filling friction rivet welding device with rotation direction limiting function and a rivet welding method, and belongs to the technical field of friction rivet welding. The problem of metal matrix composite be difficult to realize through traditional welded mode with other material's effective connection is solved. The rivet welding device comprises a rivet welding tool, an upper riveting plate, a lower riveting plate, a non-convolution body riveting hole and a rivet, wherein the non-convolution body riveting hole is formed in the upper riveting plate and the lower riveting plate, the rivet is arranged in the non-convolution body riveting hole and penetrates through the upper riveting plate and the lower riveting plate, and the rivet welding tool is arranged right above the non-convolution body riveting hole and the rivet and is connected with the rivet. It is mainly used for self-filling friction rivet welding.)
技术领域
本发明属于摩擦铆焊技术领域，特别是涉及一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置及铆焊方法。
背景技术
金属基复合材料因为优异的尺寸稳定性、良好的高温力学性能在航空航天关键叶片结构、精密测量机构中具有广泛应用，然而这一类材料往往焊接性极差，难以通过传统焊接的方式实现与其他材料的有效连接。摩擦铆焊作为一个结合铆接机械互锁与焊接冶金连接双重优势的固相连接方法，其过程中铆接冲击力小不易引发开裂，焊接温度低残余应力小，在应用于金属基复合材料等高比强度低延展性材料方面具有显著的优势。此外，由于摩擦铆焊过程中存在大塑性形变及其形变自发热效应，铆钉材料可充分热塑化镦粗充满铆孔以提高界面强度。据此设想，如将铆孔设计为非回旋体结构，使铆钉塑化充满铆孔，以带来旋转自锁特性，可使得铆焊结构承受一定的扭矩，拥有导向性优良，传递能量、变形平稳性好等一系列优点，从而进一步提高其结构整体尺寸稳定性，这将大大拓展摩擦铆焊在高尺寸稳定性要求构件领域的应用广度和深度。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置及铆焊方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置，它包括铆焊工具、上铆接板、下铆接板、非回旋体铆孔和铆钉，所述上铆接板和下铆接板内均设有非回旋体铆孔，所述铆钉置于非回旋体铆孔中并贯穿上铆接板和下铆接板，所述铆焊工具设置在非回旋体铆孔和铆钉的正上方并与铆钉相连。
更进一步的，所述铆焊工具包括夹持部、过渡部和轴肩部，所述夹持部上设置有定位平面，所述过渡部连接夹持部和轴肩部，所述过渡部上设置有多个同心圆槽结构的散热槽，所述轴肩部上设置有圆角，轴肩部底面开设有凹孔，所述凹孔内设置有凸点。
更进一步的，所述非回旋体铆孔为二次旋转对称铆孔、四次旋转对称铆孔或六次旋转对称铆孔。
更进一步的，所述铆钉包括铆钉柱体和下铆钉帽，所述铆钉柱体与下铆钉帽相连，所述铆钉柱体端面中心设置有定位凹槽。
更进一步的，所述铆焊工具的材质为高速工具钢、硬质合金、钨铼合金或聚晶立方氮化硼，所述铆焊工具的材料硬度不低于铆钉的材料硬度。
更进一步的，所述铆钉的材质为镍基高温合金，所述上铆接板和下铆接板的材质为金属基复合材料。
更进一步的，所述铆钉的长度大于非回旋体铆孔的深度，所述铆钉的直径小于非回旋体铆孔内径，所述铆钉凸出上铆接板的体积不小于非回旋体铆孔的未填充体积。
本发明还公开了一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置的铆焊方法，它包括以下步骤：
步骤1：将铆钉预置于非回旋体铆孔中并贯穿上铆接板和下铆接板；
步骤2：将铆焊工具置于非回旋体铆孔及铆钉正上方，铆焊工具轴线对准非回旋体铆孔轴线，将铆焊工具与铆钉相连；
步骤3：铆焊工具旋转并以一定速度下压，直到轴肩部距上铆接板上表面一定距离位置；
步骤4：铆焊工具与铆钉发生旋转摩擦并产生形变热，使得铆钉热塑化并在铆焊工具挤压作用下自动填充非回旋体铆孔，从而形成旋转自锁结构；
步骤5：铆焊工具回抽，上铆接板、下铆接板、非回旋体铆孔和变形后的铆钉共同构成具有旋向限位作用的铆焊结构。
更进一步的，所述铆焊工具的旋转速度为50～20000rpm，下压速度为0.1～1000mm/min，铆焊终止条件为轴肩部距上铆接板上表面距离为0.01～2mm。
更进一步的，铆焊过程中使用氩气或氦气作为气体保护措施，铆焊过程中可采用火焰炙烤或电磁感应加热的方法辅助加热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了金属基复合材料难以通过传统焊接的方式实现与其他材料的有效连接的问题。本发明利用大塑性形变及其形变自发热效应促进铆钉充分热塑软化，结合铆焊工具下压使铆钉填充入具有旋向限位作用的铆孔，获得优质摩擦铆焊接头并形成旋转自锁结构。
本发明通过铆焊工具高速旋转提供形变热并缓慢下压形成铆焊接头，接头兼顾铆接机械互锁与焊接冶金连接双重优势，其过程冲击力小不易引发开裂，且峰值温度较低，不存在熔化过程，接头残余应力小，可有效地加工金属基复合材料连接件；
本发明通过非回旋体铆孔设计，使铆钉热塑化自填充至铆孔内，形成旋转自锁结构，可使得铆焊结构承受一定的扭矩，拥有导向性优良，传递能量、变形平稳性好等一系列优点，从而进一步提高其结构整体尺寸稳定性；
本发明适用范围广，不仅可应用于金属基复合材料等高熔点低塑性材料的连接，也可应用于包括但不限于铝及铝合金、钢等传统合金材料的带有旋向限位的自填充摩擦铆焊。
附图说明
图1为本发明所述的一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置的铆焊方法示意图；
图2为本发明所述的铆焊工具结构示意图；
图3为本发明所述的非回旋体铆孔结构示意图；
图4为本发明所述的铆钉结构示意图。
1：铆焊工具，1-1：夹持部，1-1-1：定位平面，1-2：过渡部，1-2-1：散热槽，1-3：轴肩部，1-3-1：圆角，1-3-2：凹孔，1-3-3：凸点，2：上铆接板，3：下铆接板，4：非回旋体铆孔，4-A：二次旋转对称铆孔，4-B：四次旋转对称铆孔，4-C：六次旋转对称铆孔，5：铆钉，5-1：铆钉柱体，5-1-1：定位凹槽，5-2：下铆钉帽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-4说明本实施方式，一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置，它包括铆焊工具1、上铆接板2、下铆接板3、非回旋体铆孔4和铆钉5，所述上铆接板2和下铆接板3内均设有非回旋体铆孔4，所述铆钉5置于非回旋体铆孔4中并贯穿上铆接板2和下铆接板3，所述铆焊工具1设置在非回旋体铆孔4和铆钉5的正上方并与铆钉5相连。
如图1和2所示，铆焊工具1包括夹持部1-1、过渡部1-2和轴肩部1-3，所述夹持部1-1上设置有定位平面1-1-1，可连接于包括但不限于车床、铣床、钻床、搅拌摩擦焊机等结构上，具有结构可根据机床夹持要求加工的特性。所述过渡部1-2连接夹持部1-1和轴肩部1-3，所述过渡部1-2上设置有多个同心圆槽结构的散热槽1-2-1，以避免铆焊工具1过热失效。轴肩部1-3用于直接与铆钉5接触摩擦并促使铆钉5变形填充至非回旋体铆孔4内，所述轴肩部1-3上设置有圆角1-3-1，以避免铆焊工具1对上铆接板2产生损伤，轴肩部1-3底面开设有凹孔1-3-2，容纳部分铆钉5材料形成上铆钉帽，所述凹孔1-3-2内设置有凸点1-3-3，避免铆钉5偏离轴线。
如图1和3所示，铆接板2和下铆接板3均设有非回转体铆孔4，非回旋体铆孔4为二次旋转对称铆孔4-A、四次旋转对称铆孔4-B或六次旋转对称铆孔4-C，或其他类型旋转对称结构，该回转结构用于限制铆钉5与非回转体铆孔4之间相对转动，起到旋转自锁作用。
如图2和4所示，铆钉5包括铆钉柱体5-1和下铆钉帽5-2，铆钉柱体5-1与下铆钉帽5-2相连，铆钉柱体5-1端面中心设置有定位凹槽5-1-1，定位凹槽5-1-1与轴肩部1-3的凸点1-3-3相配合以避免铆钉5偏离轴线。
铆焊工具1的材质包括但不限于高速工具钢、硬质合金、钨铼合金或聚晶立方氮化硼等材料，铆焊工具1的材料硬度不低于铆钉5的材料硬度。铆钉5的材质包括但不限于镍基高温合金等材料，上铆接板2和下铆接板3的材质包括但不限于金属基复合材料等材料，上铆接板2和下铆接板3的材质与铆钉5相同或不相同。铆钉5的长度大于非回旋体铆孔4的深度，铆钉5的直径略小于非回旋体铆孔4内径，铆钉5凸出上铆接板2的体积不小于非回旋体铆孔4的未填充体积。
本实施例为一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置的铆焊方法，它包括以下步骤：
步骤1：将铆钉5预置于非回旋体铆孔4中并贯穿上铆接板2和下铆接板3；
步骤2：将铆焊工具1置于非回旋体铆孔4及铆钉5正上方，铆焊工具1轴线对准非回旋体铆孔4轴线，将铆焊工具1与铆钉5相连；
步骤3：铆焊工具1旋转并以一定速度下压，直到轴肩部1-3距上铆接板2上表面一定距离位置；
步骤4：铆焊工具1与铆钉5发生旋转摩擦并产生形变热，使得铆钉5热塑化并在铆焊工具1挤压作用下自动填充非回旋体铆孔4，从而形成旋转自锁结构；
步骤5：铆焊工具1回抽，上铆接板2、下铆接板3、非回旋体铆孔4和变形后的铆钉5共同构成具有旋向限位作用的铆焊结构。
铆焊工具1的旋转速度为50～20000rpm，下压速度为0.1～1000mm/min，铆焊终止条件为轴肩部1-3距上铆接板2上表面距离为0.01～2mm。若铆钉5、上铆接板2和下铆接板3材质高温下对空气敏感，铆焊过程中可选择采取气体保护措施，如氩气、氦气保护等措施。若铆钉5软化温度过高，难以单纯通过铆焊工具1高速旋转摩擦带来的热量软化时，可采用火焰炙烤、高频电磁感应加热等方法辅助加热。
以上对本发明所提供的一种带有旋向限位的自填充摩擦铆焊装置及铆焊方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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