一种热成形与轻质合金的机械连接方法

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查; 授权;
专利有效性 有效专利 当前状态 授权
申请号 CN202210690487.5 申请日 2022-06-17
公开(公告)号 CN115213304A 公开(公告)日 2022-10-21
申请人 首钢集团有限公司; 申请人类型 企业
发明人 张永强; 朱国森; 王松涛; 王鹏博; 付参; 李学涛; 伊日贵; 鞠建斌; 陈炜煊; 第一发明人 张永强
权利人 首钢集团有限公司 权利人类型 企业
当前权利人 首钢集团有限公司 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份:北京市 城市 当前专利权人所在城市:北京市石景山区
具体地址 当前专利权人所在详细地址:北京市石景山区石景山路68号 邮编 当前专利权人邮编:100041
主IPC国际分类 B21D39/00 所有IPC国际分类 B21D39/00B21D37/16F16B5/04F16B5/08
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 10 专利文献类型 A
专利代理机构 北京华沛德权律师事务所 专利代理人 马苗苗;
摘要 本 发明 公开一种热成形 钢 与轻质 合金 的机械连接方法,涉及车辆异种材料连接技术领域,解决了相关技术中热成形零件硬度大导致通过连接件机械连接时存在刺穿困难、影响连接件结构强度的技术问题。包括:通 过冷 却装置作用于钢料的预设 位置 ,通过加热装置作用于钢料除预设位置外的其它位置;将钢料移至热成形装置,以获得热成形钢;将热成形钢中对应预设位置的部位与轻质合金的待连接部位重合并通过连接件机械连接。通过本方法顺利进行热成形零件与轻质合金的机械连接,连接件穿透热成形零件过程中不发生镦粗破坏,具有良好的接头 力 学性能和吸能特性。
权利要求

1.一种热成形与轻质合金的机械连接方法,其特征在于,所述机械连接方法包括:
过冷却装置作用于钢料的预设位置,通过加热装置作用于所述钢料除所述预设位置外的其它位置;
将经所述冷却装置和所述加热装置作用后的所述钢料移至热成形装置,以获得所述热成形钢;
将所述热成形钢中对应所述预设位置的部位与所述轻质合金的待连接部位重合并通过连接件机械连接。
2.如权利要求1所述的机械连接方法,其特征在于,所述轻质合金包括合金。
3.如权利要求1所述的机械连接方法,其特征在于,所述将所述钢料移至热成形装置,包括:
将所述钢料从所述加热装置移出,所述冷却装置随所述钢料从所述加热装置移至所述热成形装置,临近所述热成形装置将所述冷却装置从所述钢料移出,将所述钢料移入所述热成形装置内。
4.如权利要求1所述的机械连接方法,其特征在于,所述通过冷却装置作用于钢料的预设位置,通过加热装置作用于所述钢料除所述预设位置外的其它位置,包括以在所述钢料形成所述预设位置处的冷却区、邻近所述冷却区的过渡区以及所述过渡区外的加热区;
所述冷却区的温度小于奥氏体化温度AC1,所述加热区的温度大于等于奥氏体化温度AC3。
5.如权利要求4所述的机械连接方法,其特征在于,所述冷却区的温度小于等于400℃。
6.如权利要求1所述的机械连接方法,其特征在于,所述冷却装置包括:
冷却头,与所述钢料的所述预设位置处接触
冷却管,管内壁形成进液通道;
冷却壳,间隔地套设于所述冷却管外,所述冷却壳的壳体与所述冷却管的管外壁围合形成回液通道,所述回液通道与所述进液通道连通于所述冷却头远离所述钢料的侧面处;
冷却池,与所述冷却管和所述冷却壳连通;和
,用于将所述冷却池的冷却液泵送入所述冷却管的进液通道。
7.如权利要求6所述的机械连接方法,其特征在于,所述冷却头远离所述钢料的侧面呈凹陷设置。
8.如权利要求6所述的机械连接方法,其特征在于,所述通过冷却装置作用于钢料的预设位置,包括:
将所述冷却头与所述钢料的所述预设位置处接触,并施加压力,所述压力以使得所述冷却头与所述钢料间的压强大于等于10MPa。
9.如权利要求1所述的机械连接方法,其特征在于,所述通过连接件机械连接中的机械连接包括自冲铆接或热熔自攻丝连接。
10.如权利要求1或4所述的机械连接方法,其特征在于,所述通过冷却装置作用于钢料的预设位置,通过加热装置作用于所述钢料除所述预设位置外的其它位置,包括:
将所述冷却装置与所述钢料连接,将安装有所述冷却装置的所述钢料置入所述加热装置并保温。

说明书全文

一种热成形与轻质合金的机械连接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及车辆异种材料连接技术领域,尤其涉及一种热成形钢与轻质合金的机械连接方法。

背景技术

[0002] 为了满足车身轻量化的需要,高强钢与轻质材料的应用成为发展趋势,高强钢包括热成形钢板。在车身制造中,为连接汽车用钢和合金等轻质材料,由于异种金属之间生成了金属间化合物,传统的电阻点焊方法难以实现;选择通过机械连接方法实现车身异种材料的有效连接,如自冲铆接SPR、热熔自攻丝FDS等方式。
[0003] 机械连接例如钢铝,由于热成形后的零件强度与连接件接近,刺穿热成形钢变得十分困难。例如,在SPR工艺中利用高强铆钉刺穿热成形钢的过程中,会出现铆钉腿镦粗、铆钉开裂等质量问题。

发明内容

[0004] 本申请提供一种热成形钢与轻质合金的机械连接方法,解决了相关技术中热成形零件硬度大导致通过连接件机械连接时存在刺穿困难、影响连接件结构强度的技术问题。
[0005] 本申请提供一种热成形钢与轻质合金的机械连接方法,包括:通过冷却装置作用于钢料的预设位置,通过加热装置作用于钢料除预设位置外的其它位置;将经冷却装置和加热装置作用后的钢料移至热成形装置,以获得热成形钢;将热成形钢中对应预设位置的部位与轻质合金的待连接部位重合并通过连接件机械连接。
[0006] 可选地,轻质合金包括铝合金
[0007] 可选地,将钢料移至热成形装置,包括:将钢料从加热装置移出,冷却装置随钢料从加热装置移至热成形装置,临近热成形装置将冷却装置从钢料移出,将钢料移入热成形装置内。
[0008] 可选地,通过冷却装置作用于钢料的预设位置,通过加热装置作用于钢料除预设位置外的其它位置,包括以在钢料形成预设位置处的冷却区、邻近冷却区的过渡区以及过渡区外的加热区;
[0009] 冷却区的温度小于奥氏体化温度AC1,加热区的温度大于等于奥氏体化温度AC3。
[0010] 可选地,冷却区的温度小于等于400℃。
[0011] 可选地,冷却装置包括:
[0012] 冷却头,与钢料的预设位置处接触
[0013] 冷却管,管内壁形成进液通道;
[0014] 冷却壳,间隔地套设于冷却管外,冷却壳的壳体与冷却管的管外壁围合形成回液通道,回液通道与进液通道连通于冷却头远离钢料的侧面处;
[0015] 冷却池,与冷却管和冷却壳连通;和
[0016] 动,用于将冷却池的冷却液泵送入冷却管的进液通道。
[0017] 可选地,冷却头远离钢料的侧面呈凹陷设置。
[0018] 可选地,通过冷却装置作用于钢料的预设位置,包括:
[0019] 将冷却头与钢料的预设位置处接触,并施加压力,压力以使得冷却头与钢料间的压强大于等于10MPa。
[0020] 可选地,通过连接件机械连接中的机械连接包括自冲铆接或热熔自攻丝连接。
[0021] 可选地,通过冷却装置作用于钢料的预设位置,通过加热装置作用于钢料除预设位置外的其它位置,包括:将冷却装置与钢料连接,将安装有冷却装置的钢料置入加热装置并保温。
[0022] 本申请有益效果如下:本申请提供一种热成形钢与轻质合金的机械连接方法,通过冷却装置配合加热装置,实现加热后钢料的区域温度差异化,后再送入热成形装置进行热成形,得到的热成型钢在预设位置的硬度显著小于其他位置,利用该预设位置处有利于连接件刺穿,有利于通过连接件与轻质合金机械连接;通过本方法顺利进行热成形零件与轻质合金的机械连接,连接件穿透热成形零件过程中不发生镦粗破坏,具有良好的接头力学性能和吸能特性,解决了热成形钢强度高而与其它铝合金机械连接困难的问题。附图说明
[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例现有技术中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
[0024] 图1为本申请提供的一种热成形钢与轻质合金的机械连接方法的流程示意框图
[0025] 图2为本申请提供的机械连接方法涉及的一种冷却装置的结构示意图;
[0026] 图3为本申请提供的机械连接方法中冷却装置和加热装置作用于钢料的示意图;
[0027] 图4为本申请提供的机械连接方法涉及的一种热成形装置的结构示意图;
[0028] 图5为本申请提供的机械连接方法涉及的连接件连接热成形钢与轻质合金的示意图。
[0029] 附图标注:100‑热成形钢,110‑冷却区,120‑过渡区,130‑加热区,200‑轻质合金,300‑连接件,310‑铆杆,320‑铆模,400‑冷却装置,410‑冷却头,420‑冷却管,421‑进液通道,
430‑冷却壳,431‑回液通道,500‑加热装置,600‑热成形装置,610‑上模具,611‑上模具冷却管路,620‑下模具,621‑下模具冷却管路。

具体实施方式

[0030] 本申请实施例通过提供一种热成形钢与轻质合金的机械连接方法,解决了相关技术中热成形零件硬度大导致通过连接件机械连接时存在刺穿困难、影响连接件结构强度的技术问题。
[0031] 本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题,总体思路如下:
[0032] 一种热成形钢与轻质合金的机械连接方法,包括:通过冷却装置作用于钢料的预设位置,通过加热装置作用于钢料除预设位置外的其它位置;将钢料移至热成形装置,以获得热成形钢;将热成形钢中对应预设位置的部位与轻质合金的待连接部位重合并通过连接件机械连接。
[0033] 为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0034] 实施例1
[0035] 请参照图1,本实施例公开一种热成形钢100与轻质合金200的机械连接方法,包括:通过冷却装置400作用于钢料的预设位置,通过加热装置500作用于钢料除预设位置外的其它位置;将钢料移至热成形装置600,以获得热成形钢100;将热成形钢100中对应预设位置的部位与轻质合金200的待连接部位重合并通过连接件300机械连接。
[0036] 具体地,通过冷却装置400配合加热装置500,实现加热后钢料的区域温度差异化,后再送入热成形装置600进行热成形,得到的热成型钢在预设位置的硬度显著小于其他位置,利用该预设位置处有利于连接件300刺穿,有利于通过连接件300与轻质合金200机械连接;通过本方法顺利进行热成形零件与轻质合金200的机械连接,连接件300穿透热成形零件过程中不发生镦粗破坏,具有良好的接头力学性能和吸能特性,解决了热成形钢100强度高而与其它铝合金机械连接困难的问题。
[0037] 本实施例中的热成形钢100包括无层热成形钢100、AlSi镀层热成形钢100和镀锌热成形钢100。
[0038] 本实施例中的轻质合金200包括铝合金、镁合金和合金。
[0039] 关于上述的通过冷却装置400作用于钢料的预设位置,以及通过加热装置500作用于钢料除预设位置外的其它位置,请参照图2和图3,在钢料形成预设位置处的冷却区110、邻近冷却区110的过渡区120以及过渡区120外的加热区130,其中过渡区120的温度在冷却区110温度与加热区130温度之间连续变化。可以理解的是,钢料的冷却区110部分经热成形后用于进行机械连接。
[0040] 关于上述的通过冷却装置400作用于钢料的预设位置,以及通过加热装置500作用于钢料除预设位置外的其它位置,其初步结果是形成冷却区110、过渡区120、加热区130的差异化温度,本方法中广泛理解是不限制冷却和加热的先后顺序。但是,考虑到钢料所有区域全加热后再部分降温冷却,存在影响结构、且调控难的缺陷,本方法优先采用以下方案:先开启冷却装置400,将冷却装置400与钢料连接;然后将安装有冷却装置400的钢料置入加热装置500,如从图2到图3的过程。
[0041] 关于加热装置500作用于钢料除预设位置外的其它位置,包括钢料和冷却装置400在加热装置500内保温一段时间,直至加热区130和冷却区110的温度满足相关要求。
[0042] 关于冷却区110、过渡区120和加热区130,在某些可实施方案中,限制冷却区110的温度小于奥氏体化温度AC1,后续形成低硬度特征的软化区;加热区130的温度大于等于奥氏体化温度AC3,后续形成高硬度特征的硬化区,达到强度提升的目的。从而保证热成形的顺利进行,以及预设位置即冷却区110在热成形钢100中对应的部分具有较小的硬度,为后面的机械连接打下基础
[0043] 可选地,冷却区110的温度小于等于400℃,使得预设位置即冷却区110在热成形钢100中对应部分的硬度,与原始母材的硬度基本相同。
[0044] 在另一方面,通过最大限度地降低冷却区110的温度,实现过渡区120的宽度小于等于5mm,这样既可以实现热成形材料与轻质合金200的机械连接,又将局部软化对整体结构的影响控制在最小平。
[0045] 考虑到钢料的温度差异化须保持到进入热成形装置600的前一刻,本实施例的机械连接方法可采用:将钢料移至热成形装置600具体包括,将钢料从加热装置500移出,冷却装置400随钢料从加热装置500移至热成形装置600,临近热成形装置600将冷却装置400从钢料移出,将钢料移入热成形装置600内。通过本方法,改善热成形之前冷却区110被加热区130再次影响而温度升高的不利问题。
[0046] 需要说明的是,本方法涉及对钢料甚至是冷却装置400的移动操作,在某些可实施方案中,配置夹持装置提供移动支持。对夹持装置作广泛理解,既可以是单独的装置设置,也可以是给冷却装置400赋予夹持功能,即将夹持装置与冷却装置400一体化,等等。
[0047] 类似在加热装置500内保温,在热成形装置600作用阶段,例如将钢料从加热装置500中取出,快速随冷却装置400一并移至热成形装置600,在迅速移除冷却装置400后进行热成形,保温一定时间后取出,以达到冷却区110具有低硬度、加热区130具有高硬度热证、且过渡区120较窄的目的。
[0048] 关于热成形装置600,在某些可实施方案中,如图4所示,包括上模和下模,分别设有上模具冷却管路611和下模具冷却管路621,冷却管420路内具有冷却液。更多地,如图4所示,上模、下模的作用面均呈平面设置。
[0049] 关于加热装置500,可选加热炉形式。
[0050] 关于连接件300的机械连接方式,包括自冲铆接或热熔自攻丝连接。如图5所示,展示有将热成形钢100中对应预设位置的部位与轻质合金200的待连接部位重合,并通过连接件300机械连接,连接件300上方配置铆杆310,轻质合金200另一侧配置铆模320,辅助连接件300的顺利安装。
[0051] 铆模320与轻质合金200的相对面,可选平面设置;可选凹槽设置,凹槽适配连接件300伸入轻质合金200并变形导致轻质合金200会有局部体积变化、表面或凸起的情况。
[0052] 实施例2
[0053] 基于实施例1提供的热成形钢100与轻质合金200的机械连接方法,本实施例对机械连接方法中的冷却装置400作进一步说明。广泛地理解,冷却装置400是通过冷却介质带走热量实现降低温度。
[0054] 本实施例提供一种冷却装置400,如图2所示,包括冷却头410、冷却管420、冷却壳430、冷却池和动力泵。冷却头410与钢料的预设位置处接触,冷却管420管内壁形成进液通道421,冷却壳430间隔地套设于冷却管420外,冷却壳430的壳体与冷却管420的管外壁围合形成回液通道431,回液通道431与进液通道421连通于冷却头410远离钢料的侧面处,冷却池与冷却管420和冷却壳430连通,动力泵用于将冷却池的冷却液泵送入冷却管420的进液通道421。
[0055] 详细地,经动力泵将冷却池的冷却液从泵送入冷却管420,经进液通道421直至钢料的预设位置处,实现对钢料预设位置的降温控制;后冷却液沿回液通道431流回冷却池。
[0056] 可以理解的是,加热装置500的温度大于回液通道431内的冷却液温度,回液通道431内的冷却液温度大于进液通道421内的冷却液温度,形成回液通道431将进液通道421与外面的加热装置500隔开的效果,进一步实现对进液通道421的“隔离”,避免冷却液进入至钢料的预设位置之前与高温的加热装置500内进行直接的热交换,提高了制冷效率。
[0057] 冷却液可以由水组成。
[0058] 可选地,冷却壳430外部覆盖隔热材料,和/或冷却管420外部覆盖隔热材料,以减少冷却壳430与外部的热交换。
[0059] 从热能量考虑,可选地,在冷却池安装有散热片;冷却池可根据其中冷却液温度情况,排除原有冷却液或者补充新的冷却液。
[0060] 可选地,冷却池内冷却液的温度控制小于30℃。
[0061] 如图2所示,可选地,冷却头410远离钢料的侧面呈凹陷设置,形成类似凹槽,该凹槽也可以理解为冷却液循环回路的一部分,通过凹陷设置有利于提高冷却液与钢料的接触面积,有利于冷却效率。
[0062] 可选地,冷却头410的凹槽的侧壁为开口端大、中间小的圆台形,包括用于和冷却壳430配合连接。
[0063] 可选地,冷却头410与钢料的接触面呈圆形设置,冷却头410的直径控制在大于等于6mm。冷却头410选用热导率高、熔点高的材料制成,例如CuCrZr合金,其软化温度为550℃、热导率330W/m·k。相应冷却壳430和冷却管420采用导热率低的材料制成,可改善冷却液在输送至冷却头410前被过度加热的不利缺陷。
[0064] 可选地,通过冷却装置400作用于钢料的预设位置,包括:将冷却头410与钢料的预设位置处接触,并施加压力,压力以使得冷却头410与钢料间的压强大于等于10MPa。从而冷却头410与钢料在一定压力作用下贴合,两者热传导充分,保证冷却效果。
[0065] 可选地,如图2所示,冷却装置400在钢料的预设位置的两侧对称设置,有利于增加冷却效果。
[0066] 结合本实施例提供的冷却装置400,热成形钢100与轻质合金200的机械连接方法中的通过冷却装置400作用于钢料的预设位置,通过加热装置500作用于钢料除预设位置外的其它位置,包括:
[0067] 先开启冷却装置400,冷却液反复循环;再将冷却装置400与钢料的预设位置接触,并施加一定的压力;将安装有冷却装置400的钢料置入加热装置500并保温。
[0068] 实施例3
[0069] 基于实施例1和实施例2的热成形钢100与轻质合金200的机械连接方法,本实施例提供一个对比例,以作说明。
[0070] 试验例:
[0071] 钢料选择22MnB5,厚度1.2mm,上、下两个表面均具有铝镀层。
[0072] 开启冷却装置400,冷却液流速6L/min,冷却液经过冷却管420、冷却头410、冷却壳430后回流至冷却池,反复循环,冷却池内冷却液的温度<30℃;
[0073] 将成对布置的冷却装置400与钢料预设位置接触,并施加一定的压力4kN;
[0074] 冷却装置400也是夹持装置,将安装有冷却装置400的钢料置入加热装置500中并保温5min,直至钢料的加热区130温度≥奥氏体化温度AC3,冷却区110温度<奥氏体化温度AC1,过渡区120温度在冷却区110和加热区130温度之间连续变化;加热装置500为加热炉,炉温设置为930℃;由于冷却装置400的存在,加热过程中冷却区110的温度≤400℃;
[0075] 在冷却装置400的夹持下,将钢料从加热装置500中取出,快速随冷却装置400一并移至热成形装置600的上模和下模之间,由加热装置500到送至模具之间的时间约为10s;迅速移除冷却装置400后进行热成形,保温一定时间后取出;此时,冷却区110具有低硬度、加热区130具有高硬度特征,且过渡区120窄;热成形后加热区130的硬度约为500HV,冷却区110的硬度约为260HV,过渡区120的硬度为500HV至260HV之间逐步变化,过渡区120的宽度为4.5mm;
[0076] 将热成形后的钢料的冷却区110与轻质合金200的待连接部位重合,进行机械连接;轻质合金200为2.0mm厚度的5082铝合金,采用的连接方法为自冲铆接;
[0077] 通过对铆接接头进行拉伸测试,最大拉伸力7.5kN,吸能30J;
[0078] 通过对铆接接头进行金相观察,铆钉无镦粗现象。
[0079] 对比例:
[0080] 钢料仍为1.2mm的22MnB5,与本发明实施例相比除了无冷却装置400,其它均相同;
[0081] 因此,热成形后的钢料无冷却区110和过渡区120,仅有加热区130,其硬度为500HV;
[0082] 同样的,与2.0mm厚度5082铝合金进行自冲铆接,铆接设备相同;
[0083] 通过金相观察,铆钉在铆接过程中发生镦粗现象;
[0084] 通过拉伸试验,接头的最大拉伸力为7.0kN,吸能25J。
[0085] 通过对比试验例与对比例,采用本发明获得的局部软区接头,接头的最大拉伸力、吸能均明显高于直接铆接工艺,并且不会发生铆钉镦粗失效现象。
[0086] 上述实施例中,仅论述了自冲铆接案例,但基于相同的实施原理,对热熔自攻丝等需要刺穿超高强钢的机械连接方法同样适用。
[0087] 尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0088] 显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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