【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械-固相复合连接，具体是一种具有钩状尖端的半空心铆钉及其回填式摩擦铆焊方法。
技术介绍
1、7系铝合金、铸铝和镁合金等轻质合金具有密度小、比强度高等优点，在轻量化汽车车身上的应用呈逐年增长趋势。然而，由于7系铝合金、铸铝和镁合金等材料的延伸率较低，难以通过汽车白车身普遍采用的自冲铆接技术实现高质量连接，铆接时下层板材料会产生严重的裂纹缺陷。
2、为突破自冲铆接工艺局限性，自冲摩擦铆焊技术被提出。申请公布号为cn106112543a,公布日为2016年11月16日的中国专利文献中公开了一种用于自冲摩擦铆焊的铆钉及其自冲摩擦铆焊连接系统，通过铆钉的高速旋转产生摩擦热，提高板材温度来改善其塑性变形能力，解决了低延展性轻合金的铆接开裂难题，钉腔中的上层板截留金属与下层板固相焊合形成金属圆柱结构，显著增强接头的抗剪切性能，接头中最终形成机械-固相复合连接。然而，为确保铆钉腿顺利刺入板材并沿径向张开形成机械锁合，自冲摩擦铆焊工艺既要考虑铆钉与板材的尺寸及材料属性匹配、铆钉与底部凹模尺寸及体积匹配，还需精确控制摩擦热输入量以保证热-力耦合条件下铆钉与板材的强度匹配合理，铆钉和板材的材料属性波动、摩擦热输入波动均会影响接头中机械锁合尺寸，使得接头设计复杂、难度大，接头质量一致性和稳定性难以保证。
3、为解决自冲摩擦铆焊工艺存在的接头设计复杂、机械锁合尺寸受铆钉和板材属性波动、热输入波动影响等问题，申请公布号为cn113458585a，公布日为2021年10月1日的中国专利文献中，公布了一种搅拌套旋转摩擦生
技术实现思路
1、针对现有技术在连接低延展性合金时存在的铆接开裂、热输入调控精度要求高、接头设计难度大、局部变形大、连接效率低等问题，本专利技术提出一种具有钩状尖端的半空心铆钉及其回填式摩擦铆焊方法，采用的半空心铆钉在连接过程中不发生塑性变形，主要用来调控板材材料的流动变形及回填实现机械连接，获得的机械锁合尺寸固定且不受材料属性及热输入波动影响，有效克服铆钉与板材的材料强度匹配难题；采用半空心铆钉与平模的组合实现回填式摩擦铆焊，解决了铆钉与底部支撑模具的几何尺寸及体积匹配难题，接头设计简单、质量稳定；半空心铆钉显著减少排开板材材料体积，有效缓解接头局部变形大、板间间隙和铆接力高等问题。本专利技术适用于不同种类铝、镁合金的连接，还可用于复合材料与轻合金的异质连接。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种具有钩状尖端的半空心铆钉，包括钉帽和与钉帽同轴相连的铆钉腿，所述钉帽的上端面设有与驱动头啮合的凹凸结构；所述铆钉腿设有与铆钉同轴的钉腔，所述钉腔的深度是(0.2～1.5)×铆钉腿的长度、且小于铆钉的长度；所述铆钉腿与所述钉腔的半径差为0.3mm～2.0mm；所述铆钉腿的尖端设有沿径向环状外翻的钩状凸起，所述钩状凸起包括与铆钉腿的外表面相交的凸起上表面和与铆钉腿的下端面相交的凸起下表面，所述的钩状凸起的轴向长度为0.5mm～3.5mm，所述凸起上表面与铆钉轴线的夹角为θ，所述凸起下表面与铆钉轴线的夹角为α，θ的取值范围为45°～170°，α的取值范围为20°～80°，且θ大于α；所述凸起上表面与所述凸起下表面之间为线连接或是面连接，所述面连接为平面连接或是外凸状曲面圆滑连接。
3、进一步讲，本专利技术所述的半空心铆钉，其中：
4、所述钉帽的厚度l1为1.5mm～4.0mm；所述钉帽上端面设有的用于与驱动头啮合的凹凸结构为中心对称的沿周向均匀分布的若干个楔形缺口、正多边形凸台、正多边形凹槽、梅花形凸台或梅花形凹槽。
5、所述钉帽的下端面设有上凹的环形容屑槽，所述环形容屑槽的径向剖面轮廓由多段直线相连或多段不同半径圆弧相连或直线与圆弧相连构成，所述环形容屑槽径向剖面的一侧与所述钉帽的下端面相交，所述环形容屑槽径向剖面的另一侧所述铆钉腿的外表面圆滑过渡相连，所述环形容屑槽的深度为h1，0.0mm＜h1≤1.5mm。
6、所述铆钉腿的长度为l2＝k1tt+k2tb，其中：tt为被焊接的上层板的厚度，tb为被焊接的下层板的厚度，k1＝1.0～1.3，k2＝0.3～0.8；所述的铆钉腿的外径d2为2.5mm～8.0mm。
7、所述钩状凸起的最大外围所在的圆与所述铆钉腿外表面的半径差为0.2mm～1.0mm。
8、在满足铆钉强度的前提下，所述钉腔的容积尽可能与所述铆钉腿的体积接近。
9、所述钉腔内表面一般为圆滑面即钉腔为光孔，为了增强截留上层板与下层板的摩擦强度，在所述钉腔内可沿周向均布纵向肋板，所述纵向肋板的高度是自所述钉腔的上端向下至所述钉腔深度的1/3～1/2处。
10、所述钉腔内设有所述纵向肋板处的内表面为凹凸形圆柱齿面。同时，本专利技术还提供了采用上述具有钩状尖端的半空心铆钉和平模的组合实现回填式摩擦铆焊方法，主要包括：利用驱动头带动所述的半空心铆钉高速旋转下压刺穿上层板、刺入下层板，在铆钉挤压和搅拌摩擦作用下，板材间形成固相焊合，与此同时，通过钉帽将向上隆起的板材挤压回填至铆钉腿外侧、位于所述铆钉腿和所述钩状凸起之间形成的凹槽内，形成固定尺寸机械锁合，所述驱动头回退至初始位置，板材和铆钉经历回弹形成最终接头；具体步骤如下：
11、步骤一、将具有钩状尖端的半空心铆钉竖直置于驱动头下方并使钉帽上端面与驱动头下端相互啮合；
12、步骤二、将待连接的上层板和下层板层叠并充分接触后置于平模上，利用压边圈压紧板材；
13、步骤三、驱动头快速向下运动使所述半空心铆钉的尖端与上层板接触，当接触压力达到预设的压力值时，驱动头停止运动；
14、步骤四、驱动头带动所述半空心铆钉高速旋转的同时向下运动，铆钉穿透上层板后刺入下层板，当铆钉达到预设的下压深度时，驱动头停止运动；所述下压深度等于所述铆钉腿的长度，以实现铆钉刺入下层板且板材充分回填至所述铆钉腿外侧的凹槽内，形成固定尺寸的机械锁合；
15、步骤五、驱动头和压边圈向上运动回退至初始位置，板材和铆钉经历回弹形成最终接头，至此完成回填式摩擦铆焊。
16、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
17、(1)本专利技术的回填式摩擦铆焊方法，通过采用具有钩状尖端的半空心铆钉调控板材的塑性变形行为，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有钩状尖端的半空心铆钉，包括钉帽(301)和与钉帽(301)同轴相连的铆钉腿(302)，所述钉帽(301)的上端面设有用于与驱动头啮合的凹凸结构，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的半空心铆钉，其特征在于，所述铆钉腿的长度为L2＝k1Tt+k2Tb，其中：Tt为被焊接的上层板(4)的厚度，Tb为被焊接的下层板(5)的厚度，k1＝1.0～1.3，k2＝0.3～0.8，所述的铆钉腿(302)的外径为2.5mm～8.0mm。
3.根据权利要求1所述的半空心铆钉，其特征在于，所述钉帽(301)的厚度为1.5mm～4.0mm；所述钩状凸起(306)的最大外围所在的圆与所述铆钉腿(302)外表面的半径差为0.2mm～1.0mm。
4.根据权利要求1所述的半空心铆钉，其特征在于，在满足铆钉强度的前提下，所述钉腔(303)的容积尽可能与所述铆钉腿(302)的体积接近；所述的铆钉腿(302)的外径为2.5mm～8.0mm。
5.根据权利要求1所述的半空心铆钉，其特征在于，所述钉帽(301)的下端面设有上凹的环形容屑槽(304)。
<...【技术特征摘要】
1.一种具有钩状尖端的半空心铆钉，包括钉帽(301)和与钉帽(301)同轴相连的铆钉腿(302)，所述钉帽(301)的上端面设有用于与驱动头啮合的凹凸结构，其特征在于，
2.根据权利要求1所述的半空心铆钉，其特征在于，所述铆钉腿的长度为l2＝k1tt+k2tb，其中：tt为被焊接的上层板(4)的厚度，tb为被焊接的下层板(5)的厚度，k1＝1.0～1.3，k2＝0.3～0.8，所述的铆钉腿(302)的外径为2.5mm～8.0mm。
3.根据权利要求1所述的半空心铆钉，其特征在于，所述钉帽(301)的厚度为1.5mm～4.0mm；所述钩状凸起(306)的最大外围所在的圆与所述铆钉腿(302)外表面的半径差为0.2mm～1.0mm。
4.根据权利要求1所述的半空心铆钉，其特征在于，在满足铆钉强度的前提下，所述钉腔(303)的容积尽可能与所述铆钉腿(302)的体积接近；所述的铆钉腿(302)的外径为2.5mm～8.0mm。
5.根据权利要求1所述的半空心铆钉，其特征在于，所述钉帽(301)的下端面设有上凹的环形容屑槽(304)。
6.根据权利要求5所述的半空心铆钉，其特征在于，所述环形容屑槽(304)的径向剖面轮廓由多段直线相连或多段不同半径圆弧相连或...
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