用于接受自冲铆钉的现场制造的嵌入件的制作方法

专利名称：用于接受自冲铆钉的现场制造的嵌入件的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过使用在预定接合(joint)位置置于铸件中的现场浇铸的延展性嵌入件，使用自冲铆钉(self-piercing rivets)来接合(joinng)具有有限延展性的铸件,特别是镁合金铸件。
背景技术：
在车体构造中，越来越多地倾向于使用单一结构，其可以是铸造或者模制优选成为薄片金属部件的组装层叠体(stack)。该铸造或者模制的单一结构在铸造时可以是铸铁，但是更通常的是低密度材料，铝或者镁，其除了简化组装之外，还能够节约车辆质量。模制结构可以是聚合物，最通常的是增强的聚合物。但是，这样的单一体必须整合到所述车体结构的其余部分并与其接合，可能需要铝或者镁合金的非铁铸造或者将模制增强的聚合物接合到钢板(sheet steel )或者铝板上。这样的接合典型的是使用机械固定方法例如自冲铆接或者SPR来进行的。自冲铆接(SPR)是一种机械接合方法，用于将两种或者多种工件彼此接合。不同于许多的铆接方法，它不需要用于容纳铆钉的预钻孔，这是使得灵活的安装零件成为可能并且使它对于车体组装而言成为吸引人的方法的特征。自冲铆钉是中空金属圆柱体，一端通过整体帽(其悬垂(overhang)于该圆柱体直径)闭合。铆钉的开口端被推进到(driven)到层叠工件层叠体中，直到所述帽的下侧接触到该层叠体的表面为止。该SPR方法典型的是冷进行的(performed cold)，S卩，在室温或者大约25°C下进行，并且该层叠体可以包含两个或多个工件。总层叠厚度限制到不大于大约12_左右，并且选择铆钉长度，以使得它完全穿透除该层叠体中的最后工件的全部工件，铆钉仅部分穿透该最后工件。该层叠体是通过与该层叠体的最后工件接触的型模(shaped die)来支撑的。在该模具和施加来将铆钉推进到该层叠体中的压力的影响下，膨径Upset)铆钉，并且铆钉的圆柱形壁放射状膨胀和向外张开，来在铆钉和穿刺腔之间产生机械干涉，这将该层叠体的全部工件锁合在一起。SPR通常用于锻制的延展性片材上，因为在穿透和膨径过程中铆钉的穿刺作用导致了工件明显的局部变形。将SPR施加到更有限的延展性的工件上，例如铸件或者增强聚合物上，和更具体地施加到镁合金铸件上，会导致工件裂纹，其能够降低铆钉的接合强度和保持力。因此这里需要车辆组装采用引入具有降低的延展性的薄的铸造金属或者模制聚合物结构部件，来为车辆组装提供SPR方法。

发明内容
日益增加的单一结构部件被用于取代车体构造中的制造的金属片材的装配。这样的取代的好处包括取消了零件以及降低累积误差的潜力。该结构可以是铸件或者聚合物结构，典型的是增强的聚合物结构。铸件中所用的材料可以包括铸铁，铝合金和镁合金。但是镁和镁合金铸件通常是偏好的，这归因于它们高的强度/重量比，其能够导致显著的质量减少。单一的增强聚合物结构还提供了质量减少的机会。一种这样的结构的例子是交叉车横梁(cross-car beam)或者仪表板横梁(instrument panel beam)。这样的梁可以作为镁铸件或者增强的聚合物制造。为了结构有效，这样的结构必须坚固地连接到其它车体结构元件上。如果用增强的聚合物来制造，则焊接是不合适的。如果用铸造镁合金来制作，将镁焊接到钢上是不可行的，将镁焊接到铝上促进了脆的金属间化合物的形成，其导致了弱的，脆的焊接。因此使用机械固定方法。优选的是使用自冲铆接(SPR)，在其中自冲铆钉(中空金属圆柱体，一端开口，它的另一端用垂悬的整体帽闭合)的开口端被推进到工件层叠体中，并且通过模具膨径或者变形。SPR是吸引人的接合方法，因为它需要最少的接合准备，例如不需要预钻孔。同样SPR方法不在工件层叠体中产生用于流体进入的通孔，并且SPR方法在用于可延展性材料时能够形成良好的接合强度。但是因为该方法需要工件的一些变形，因此该工件必须表现出一些最小程度的延展性，来确保形成良好的接合。这种延展性可以使用拉伸测试来评价， 并且公认的是适于SPR合的工件材料应当表现出大约10%的最小拉伸伸长率。许多铸造合金和增强的聚合物材料表现出较低的拉伸伸长率。通常使用的一些铸造镁合金，例如AZ91 (标称9wt%铝，lwt%锌)在断裂(fracture)之前会具有小于5%的伸长率(在拉伸测试中测量)，并且甚至最具延展性的铸造合金表现出小于15%的断裂伸长率(elongations to fracture)。因此,挑战性的是在宽范围的加工条件(其会是在大量生产中遇到的)下在室温下在至少一些铸造镁合金结构中形成坚固的SPR接合。本发明提供方法，其当组装并入一个或者多个有限延展性的工件的工件层叠体时，利用自冲铆接(SPR)在室温或者大约25°C下形成坚固的接合。它们可以包括含有85重量％或者更高的镁的镁合金工件或者模制的或者铺层的(laid-up)增强聚合物工件。适于接受SPR铆钉和形成坚固的接合的金属塞或者嵌入件可以位于和保持在镁合金铸件或者增强的聚合物中。目的是使得这样的嵌入件能够现场浇铸或者现场模制或者利用其他类似的方法。术语“现场制造的”目的是包括全部的特定的，依赖于方法和材料的程序，例如现场浇铸或者现场模制，其能够用于将嵌入件牢固地布置和保持在这样的单一结构中。该嵌入件是预先布置在设定的接合位置中。在接合的形成中，该工件可以以任何合适的次序来层叠、布置和固定。相对的(opposing) SPR嵌入工具和型模然后可以布置在接合位置处，并且用于将层叠体中的工件夹到一起。最后，将SPR铆钉推进到工件层叠体中，并且由型模通膨径来固定到该层叠体中。利用这样的延展性嵌入件，有限延展性的制品，例如镁合金铸件，可以容易地进行SPR铆接，如同整个铸件是由该嵌入件材料制作的那样。因此不需要对常规的SPR实施采取另外的预防措施或者调整。例如有限延展性制品可以位于层叠体的顶部、底部或者中部。在本发明的一种实施方案中，将镁围绕延展性塞或者嵌入件浇铸，设计成使得该固化的镁将嵌入件至少机械地锁定和保持在最终铸件中。优选的，为了更好的保持该嵌入件，该嵌入件还将形成与镁铸件的冶金接合。预先布置在接合位置并且合适宽范围的提供在SPR铆钉放置方面的一些期望的可变性的嵌入件用于接受铆钉。使用这样的接受铆钉的嵌入件能够在工件层叠中提供灵活性，条件是嵌入件厚度与铸件的壁厚相匹配并且嵌入件表面与铸件壁表面齐平(flush)或者超出该壁表面突出。嵌入件通常是片或者板形式的，具有两个相对的、通常平行的面，并且被周长所限定(bound)。该嵌入件的厚度应当在嵌入位置处基本上等于铸件的厚度，以使得嵌入件的相对表面将与模腔的相对表面接触。这会需要铸件厚度在嵌入件的附近减小。如果不曝露于含水电解质(其会在使用中，在嵌入件和镁合金之间形成原电池)，宽范围的金属和合金可以用于该嵌入件。这些金属和合金可以包括例如铁及其合金，包括碳和不锈钢，钛及其合金，铜及其合金和铝及其合金。但是，铝(其是镁合金中通常的合金元素)是用于嵌入件的优选的材料，因为它会形成期望的冶金接合，并且使得镁合金较不易于原电池腐蚀。特别优选的招合金可以包 括(Aluminium Ass°C iation)AA6061,AA6063,AA5052和AA5056级以及AAlxxx “纯铝”级，优选具有低铁含量的等级。该延展性嵌入件通常可以布置在铸件中已知的和预定的接合位置处，来接受自冲铆钉。如果使用模铸(die casting), —个或者另外的(one or other)钢模部分可以凹进，成形或者另外适于在装模(die filling)过程中将嵌入件保持在原位。在砂铸(sandcasting)中，可以依照进行类似的实践或者该嵌入件可以与芯相关联(associated with)。可以选择嵌入件的侧面区域，来包括任何的车辆与车间(vehicle-to-vehicle)的者铆钉位置的不精确或变化。嵌入件的厚度可以大于或者基本上等于它包含在其中的镁的厚度，并且该嵌入件可以例如通过冲压成形，来与接合位置处的铸件的一般形式相符合。因为纯镁的熔点(650°C )和纯铝的熔点(660°C )类似，因此铸造合金和嵌入件的选择将部分地通过这样的要求来获得信息，即，铝不熔融和溶解到镁合金中。这种要求还可以为所选择的铸造方法提供信息。铸造合金典型地是，在大于它们变成液体的温度——它们的液相线温度的温度下，倾倒或者在高压模铸的情况中在压力下推进到(浇铸)模具中，来确保合金保持为流体直到模具被充满为止。这个温度超过数(temperature excess)进一步挑战了合适的招合金嵌入件的选择。当然，嵌入件的强力冷却(aggressive cooling)可以通过使用冷却(在砂铸模具中)或者方案性设置的冷却管线(在模铸模具中)来促进。因为嵌入件的熔融将不立即发生，因此这些方案可以用于限制嵌入件所经历的高温曝露的持续时间，由此限制或者抑制任何的熔融。AAlxxx合金是用于嵌入件的合适的选择，因为它具有全部的市售铝合金最高的熔点，并且它在室温下具有极大的延展性，并且因此在SPR过程中将不会裂纹或者断裂。但是，与它的高延展性一致，AAlxxx合金表现出比用更高度合金化组成例如镁-娃合金化的AA6XXX合金例如AA6061或者AA5xxx合金例如AA5052所获得的强度更低的强度。在需要较高强度的接合之处，可以增加嵌入件的厚度或者可以使用更高度合金化的铝合金。但是，更高度合金化的铝合金将表现出较低的液相线温度，并且会需要可替代的铸造方法。半固体金属(SSM)铸造是一种类似于塑料注塑的方法，其中将半固体镁合金注入到温度介于它的液相线温度和固相线温度之间的温度的模具中。该固相线温度是标称的合金为固体的最高温度，忽略任何由局部分离(local segregation)所形成的初熔。在这个温度范围内，合金是半固体，含有液体和固体二者。当固体的体积分数是大约30-60体积％时，可以进行SSM铸造。半固体合金的机械剪切产生了可流动的触变结构，其允许将合金在压力下推进到模具中，在这里它将固化。因为SSM方法是在比常规的铸造方法低的温度进行的，因此它提供了在选择用于嵌入件的铝合金方面更大的灵活性。将延展性嵌入件铸造成脆的铸件的实施不局限于镁和镁合金铸件，而是还可以适用于铝铸件，例如铝-硅铸件例如A309或者A356，以及铸铁，包括灰口铸铁或者延性铁。同样，适于将延展性嵌入件嵌入到铸件中的实施通常适于将类似延展性嵌入件嵌入到增强的聚合物制品中，包括铺叠结构，但是特别包括可以是纤维增强的注塑部件。可模制的聚合物材料能够在比铸造低的温度下赋予可流动性，因此可以使用任何的被建议与铸造合金一起使用的可能的延展性金属，而不用考虑模制温度对于该嵌入件的影响。当使用铸件时，冷却到大约室温或者大约25°C下，将在聚合物中形成所需的结构特征。、可以依照用于嵌入件的类似的设计实践，通过模制部件或者单一车体来实现铆钉良好的保持性。这样的嵌入件在将增强的聚合物制品接合到钢或者铝车体部件方面将带来益处，其与铸造中所获得的那些相当。本发明包括以下方面
I.接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，在该接合区域中，该第一制品具有现场制造的延展性金属嵌入件，该嵌入件是合适地可延展的以通过自冲铆钉穿透和变形以便形成铆接接合，该第二制品具有与其第一表面相对的第二表面用于形成该铆接接合，并且该现场制造的嵌入件具有处于该第一制品的第一接合表面处的第一表面以及与该第一表面相对的第二表面用于形成铆接接合，该嵌入件的所述第一和第二表面是该第一制品在该接合区域中的该第一和第二接合表面；该自冲铆钉具有中空圆柱体，该圆柱体具有封闭端、开口端和外部直径，该铆钉的该封闭端是用直径大于所述圆柱体直径的帽封闭的；该方法包括
组装该第二制品和该第一制品，并且该第二制品的接合表面区域的该第一表面与该第一制品的该第一表面是表面对表面接触的；和
在该接合表面区域中，将自冲铆钉的开口端推进到所述制品之一的该第二表面中，同时支撑另一制品的该第二表面，使得该铆钉被推进穿过所述制品之一并且进入到另一制品中，使得该铆钉的该帽被推进与所述制品之一的下面的第二表面接合，并且该铆钉的该开口端在另一制品中沿直径膨胀以在该接合区域中接合所述制品。2.方面I的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该现场制造的延展性嵌入件引了用于与所述制品机械接合来将该嵌入件固定到所述制品上的特征。3.方面I的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该延展性金属是铁合金，招合金，钛合金和铜合金中的一种。4.方面I的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该现场制造的延展性嵌入件的至少一个表面是与该第一制品的邻近所述接合区域的该第一表面的那部分共面的。5.方面2的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该现场制造的延展性嵌入件的至少一个表面突出于该第一制品的邻近所述接合区域的该第一表面的那部分。6.方面I的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该第一制品是增强的聚合物。7.方面I的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该第一制品是铸造镁合金。8.方面7的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该镁合金是AZ91，AM60和AM50中的一种。9.方面7的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该现场制造的延展性嵌入件是下面之一铝合金 AA1050，AAl 100，AA5052, AA5056, AA6061 和 AA6063。
10.制品，其具有至少表面并且适于在该制品中形成无裂纹的自冲铆接(SPR)的接合，该接合用于在该制品的接合区域中将该制品与至少第二制品接合该制品包含大的现场制造的嵌入件，该嵌入件是合适地可延展金属以通过自冲铆钉穿透和变形以便形成铆接接合，该嵌入件具有周长并且位于该制品的接合区域中来接受SPR铆钉。11.方面10的制品，其中该现场制造的延展性嵌入件的至少一个表面是与邻近所述接合区域的该制品表面共面的。12.方面10的制品，其中该现场制造的延展性嵌入件的至少一个表面突出超出邻近所述接合区域的该制品表面。13.方面10的制品，其中该制品是增强的聚合物。14.方面10的制品，其中该制品是选自下面之一的铸造镁合金AZ91，AM60和AM50。15.方面14的铸造镁制品，其中该现场制造的延展性嵌入件引入了用于与所述铸件机械接合来将该嵌入件固定到所述铸件上的特征。16.方面14的铸造镁制品，其中该嵌入件是下面之一铝合金AA1050，AA1100，AA5052, AA5056, AA6061 和 AA6063。17.方法，该方法采用铸造或者模制方法来制备铸件或者模制制品以接受自冲铆钉，并由此形成用于将铸件连接到工件的接合，该铸件或者模制制品是在具有相对的表面且位于模具的内部的模腔中形成；该方法包括
将具有固相线温度和两个相对表面的延展性金属嵌入件置于该模腔中，并且每个该相对的嵌入件表面与该相对的模腔表面之一接触，该嵌入件具有用于与所述铸件机械接合来将该嵌入件固定到所述铸件上的特征，和；
用可流动的铸造合金或者可模制的聚合物材料在小于该嵌入件的固相线温度的温度下填充该模腔；和
将该铸造合金或者可模制的聚合物材料冷却到大约室温。18.方面17所述的采用铸造方法制备铸件来接受至少自冲铆钉的方法，其中该铸件是由包含至少85重量％的镁的镁合金来制造的，和该合金是AZ91，AM60和AM50中的一种。19.方面18所述的采用铸造方法制备铸件来接受至少自冲铆钉的方法，该铸件是由包含至少85重量％的镁的镁合金制造的，其中该可流动的镁铸造合金是液体。
20.方面18所述的采用铸造方法制备铸件来接受至少自冲铆钉的方法，该铸件是由包含至少85重量％的镁的镁合金制造的，其中该可流动的镁。本发明的其他目标和优点将从下 面的优选的实施方案的说明中而变得显而易见。


图I表示了用于铸造镁或者增强聚合物交叉车横梁的代表性设计的透视图，说明了 SPR接受铆钉的嵌入件可浇铸到所述横梁中的可能位置。图2是自冲铆钉的横截面的放大图示。图3是示意图，表示了用于在铆钉穿透层叠体之前将自冲铆钉嵌入到两个工件层叠体中的装置的一部分的横截面视图。图4是在两个工件层叠体中完全嵌入的自冲铆钉的横截面视图，其表示了铆钉和工件的变形。图5是光学显微图，表示了在嵌入到镁工件中之后SPR铆钉的横截面和表示了该镁工件中的断裂。图6以俯视图(plan view)表示了代表性的嵌入件几何形状。图7表示了当浇铸到铸件中时图6的嵌入件的横截面片段视图，这里该嵌入件厚度和铸件壁厚度是相当的。图8表示了当浇铸到铸件中时类似于图6的平面图中所示的嵌入件的横截面片段视图，这里嵌入件厚度远小于铸件壁厚度。图9以俯视图表示了嵌入件坯体。图10以截面视图表示了在形成嵌入件之后，图8的嵌入件坯体。图11以横截面片段表示了一部分的铸件和它相关的适于设置图9的嵌入件的模具。
具体实施例方式下面的实施方案的说明仅仅是示例性的，目的并非限制本发明，它的应用或者用途。一种降低组装复杂性和汽车车体中尺寸变化的方案是用单一结构来代替焊接到一起的片材金属组件，该单一结构可以是增强的聚合物或者铸件。如果是铸件，则这样的单一结构可以由汽车应用中通常使用的任何铸造合金来制造，包括铸铁、铝合金和镁合金的任何变体。通常镁合金是优选的，这归因于它们吸引人的强度/重量比和质量减少的潜力。如果是增强的聚合物，则该聚合物可以是通常汽车应用中任何这样的聚合物和增强体，并且使用常用的基于纤维、织造或者垫的增强体，包括玻璃纤维、芳酰胺纤维和碳纤维。图I表示了用于这样的单一结构设计的例子，交叉车横梁2。在随后的讨论中，将假定它是镁铸件，但是它也能够由增强聚合物来模制。横梁2引入了用于仪表板群(instrument panel cluster)支撑 3、用于转向柱(steering column) 4 通道的特征，和用于容纳手套箱5等等通常与汽车仪表盘有关的其他特征。这种方案，用单一结构代替组合的片材金属组件，继续受到将这些单一结构组装成车体的困难的挑战，特别是在所述结构和钢或者铝之间形成坚固的、负荷的接合的挑战。例如图I的交叉车横梁2的侧凸缘(side flanges)6必须接合到汽车车体侧上(未示出)。当制作成镁铸件时，将交叉车横梁2焊接到所述车体侧是不可行的方案。镁不能焊接到钢上，并且镁-铝焊点是脆弱的，具有有限的负荷能力。在机械固定方案中，自冲铆接(SPR)是吸引人的接合方法，因为它需要最少的接合准备，并且当用于延展性材料例如汽车车体构造中通常使用的铝板和钢合金时，能够形成良好的接合强度。自冲铆接(SPR)的实践可以参考图2-4来进行最好的理解。图2以横截面形式表示了自冲铆钉10，其具有布置在中心线18周围的环形圆柱体14。在环形圆柱体14的一端16，壁是锥形的，以使得工件容易穿透，同时环形体14的另一端在盘形帽12中终止，该帽的直径延伸超过环形体14的外径。自冲铆钉10可以用于固定工件32和34，如图3所示。将用相反箭头36和38表示的相对的压力P通过安装工具20的相对元件一端部(nose)22和模具24施加到工件32和34上。铆钉10是在箭头28的方向上定向嵌入力F的施加下，通过冲头30的作用导入 工件32中，并且通过位于端部22中心的腔42的壁40来引导。模具24具有成型腔26，其具有通常位于铆钉10的中心线18(图2)上的中心凸出体(protrusions) 27。图4中表示了通过嵌入的铆钉10’所形成的接合。当铆钉10被向下推进时，位于模腔26边界内的工件32和34的部分被铆钉10的锥形端16穿透。另外，工件32和34处于模腔26的边界内的那些部分将在箭头28的方向上整体位移与模具24的凸出体27接触。凸出体27将用于张开环形体14的壁。将铆钉10选择为这样的长度L(图2)，其将仅仅部分地穿透工件(这里是工件34)，与模具24接触。当环形体14的壁通过凸出体27移动到构造14’中时，工件32和34通过铆钉帽12和壁14’限制来形成坚固的接合。在产生这样的接合的过程中形成了可感知的工件变形。例如，如图4所示，模具接触的工件34在铆钉的帽12下面的区域中表现出明显的变薄，而工件32在盘形帽12的直径和环形体14的外径之间的环形“悬垂”区域中明显弯曲和变薄。在汽车车体制作中通常所用的钢和铝合金的延展性足以在SPR铆接过程中保持这种变形存在而无裂纹。但是，镁合金的室温延展性明显小于钢或者铝，并且在室温SPR铆接过程中会发生镁合金裂纹。例如，图5表示了这样的嵌入到工件层叠体(包含叠置到铝工件134上的镁合金工件132)中的SPR铆钉的近视剖视图。在该镁合金工件中的几个位置上能够观察到裂纹46，而更大延展性的铝工件没有表现出裂纹迹象。应当理解工件层34中的变形(图4)甚至大于工件层32所经历的变形(图4)。因此镁合金工件132所表现出来的裂纹趋势将无法通过颠倒层叠次序，即，通过将图5中工件132替代134和将工件134替代132，来减轻。为此原因，通常推荐的是在进行SPR接合之前，将镁加热到大约300°C来提高它的延展性，来使得镁合金中发生裂纹和缺陷的任何趋势最小化。加热镁合金来提高它的延展性对于铸造镁合金部件来说甚至是更重要的，因为铸造产品通常表现出比锻制产品更低的延展性。但是镁结构这样的加热，甚至在进行SPR的情况中仅仅对所述部件的一部分进行局部加热，是不方便的和昂贵的。本发明人因此开发了方法，其能够将SPR用于在室温下接合铸造镁合金结构。本发明人已经认识到延展性材料的嵌入件可以在拟接受SPR铆钉的位置处并入铸造镁合金制品中。现在，在SPR方法过程中，取决于嵌入件在工件层叠体中的布置，SPR铆钉将完全或者部分地穿透延展性嵌入件而非镁合金，由此形成无裂纹SPR接合。例如在图I的铸造镁交叉车横梁2的端部凸缘6处并入这样的可延展性嵌入件8将能够容易的将所述横梁接合到所述车体侧(未示出)。对于嵌入件的要求分为三类它必须适于接受SPR铆钉和形成结实的接合；它必须在使用过程中与镁铸件相容；和它必须与用 于制作镁铸件的铸造方法相容。在不曝露于含水电解质的接合中，可以使用多种延展性嵌入件。它们可以包括例如钢和其他铁合金，包括不锈钢，铝合金，钛合金和铜合金等等。可以选择嵌入件的具体合金和厚度，来形成期望的接合强度。SPR铆钉会由于断裂而失效，但是在大部分的SPR接合中，接合失效是由于铆钉脱出(pull-out)引起的。脱出需要将接合材料的严重变形，并且这样，当工件强度低于铆钉材料的强度时，工件强度越大，脱出强度越大。工件强度可以通过使用更高强度的嵌入件或者通过增加嵌入件厚度来改变。但是应当对嵌入件的厚度进行选择，来确保整体接合厚度不超过大约12mm左右。所推荐的SPR铆钉的硬度取决于工件的强度和厚度二者，并且可以高到大约500 Vickers硬度或者大约1500 MPa拉伸强度。但是，在含水电解质的存在下，许多这些材料将促进镁合金中的原电池腐蚀，并且不应当使用。在发生曝露于腐蚀性环境的情况中，嵌入件优选是招合金例如AAlxxx, AA5xxx或者AA6xxx合金。特别优选的合金是具有非常低的铁含量的AA5052，AA5058，AA6061,AA6063和AAlxxx合金。使用铝嵌入件在将该嵌入件固定到镁合金铸件中是有利的，因为具有铝的镁合金能够在它们之间形成冶金接合。这样的嵌入件是旨在是现场浇铸的。但是因为所述的实施可以适于在聚合物基结构中现场模制嵌入件，因此优选的是可以将该嵌入件表征为现场制造的来表述在任一种材料体系中的嵌入件。嵌入件可以通过至少机械干涉来保持在铸件中，并因此可以包括这样的特征(features):能够通过液体烧铸金属来填充或者渗透,但是在铸件固化时将机械干扰该铸件原位保持嵌入件。这样的嵌入件的一个例子以俯视图表示在图6中。嵌入件50通常是盘形的，具有外向延伸的垂片(tab) 54和具有贯穿厚度的中间凹槽52的成形端，最佳参见图7。当如图7的截面片段视图所示，当浇铸到镁铸件56中时，垂片54限制了嵌入件旋转，凹槽52限制了嵌入件脱出。当然可以使用具有许多其他俯视图形状的嵌入件，并且在具有更少俯视图对称性例如多边形的嵌入件中，垂片54在不必要时可以取消。类似的，可以使用除凹槽52和垂片54之外的特征来机械限制嵌入件50。例如可以使用中间脊或者凹槽和脊的组合来限制脱出和使用狭缝或者凹口来限制旋转。如图4所示，相邻工件的面必须接触来形成坚固的SPR接合，以使得参与了该SPR接合的任何嵌入件表面不会凹进到铸体表面下。至少一个嵌入件表面(这里是表面58)必须是与通过模具部分57的表面所限定的铸件表面62至少共面。可接受的是嵌入件，如在嵌入件表面60和通过模具部分61的表面所限定的铸件表面64处所示，突出超过铸件表面。这样的构造，通过模具部分61的表面中的凹进59体现，还用于在熔融金属的涌入下，促进嵌入件50在模具中的安置和临时保持。在不存在通过嵌入件凸出体和模具部分61的模具凹进59的相互作用所施加的限制的情况下，嵌入件50能够横向移动。在铸件的厚区域中，不可能满足这样的需要，S卩，如果使用厚度等于铸件厚度的嵌入件，工件层叠体不超过大约12_。当出现这种情形时，铸件的局部厚度可以通过在面对的模具表面之一上引入隆起(boss)、柱(post)或者凸出体来减小。该嵌入件然后可以通过将它置于隆起或者柱上来布置。示例性设计表示在图8中，在其中嵌入件50’的表面58接触上部模具66的底面72，以使得它与铸体56’的表面74共面(在片段视图中表示)。嵌入件50’的表面60支撑在下部模具68的隆起70上。因此，薄的嵌入件50’能够位于铸件56’中，该铸件具有合适布置的腔用于进入端部22(图3)或者模具24(图3)。当然所示的机械限制可以通过使用嵌入件材料(其与镁成合金)的冶金接合来补充。应当理解图7的嵌入件50可以使用和通过在模具部分66和(优选)68之一中提供类似的凹进来坚固的固定到图8的构造中。图11中表示了布置和固定不同的惰性设计的替代的手段。图9表示了冲压的圆形嵌入件坯体150，其具有多个(圆形)开口 152。图10表示了在冲压来产生半球形帽150’之后的坯体150的截面视图，帽150’具有包括开口152的成角度的边缘(skirt ) 154。边缘154是这样成角度和尺寸化以使得它牢固地固定到隆起70上。当模具封闭时，边缘154和隆起70之间的干涉将嵌入件固定和保持在原位，并且熔融的金属将渗透开口 152以将嵌入件150”固定到铸件中。 嵌入件150’略微成半球形或者成盘形的内部区域(图9)可以用于容许较小的公差问题。标称厚度的片或者板产品具有一些可允许的厚度变化。钢铸造模具被设计成具有最小的弹性变形(compliance)，以使得过厚的嵌入件将干涉模具的闭合和过薄的嵌入件将具有在上面的脆的镁合金涂层，其会影响接合质量。通过将嵌入件厚度设定为稍小于(所谓的不超出3%)模具66和68之间的间隙(G)，但是将该嵌入件略微成半球形或者成盘形，它将弹性弯曲(flex)来将模具表面74与嵌入件接触，而不抑制模具部分的完全闭合。当然，将稍微减小厚度的嵌入件成半球形的类似方案也可以适用于嵌入件50(图7)和50’(图8)，即使在它们各自的图中表示为平面的。优选的是如图中所示，嵌入件位于通常平面的铸件表面上。但是，任选地，则该嵌入件在嵌入到模具中之前可以例如通过冲压来成形，以通常符合铸件的任何期望的任意表面，在这里需要连接其他工件。可以使用三种备选的铸造方法来制作铸造镁制品。它们是砂铸(使用压实砂模)；模铸(使用水冷钢模)；和半固体金属浇铸(也使用水冷钢模)。砂铸和拉模铸使用液体合金，通常超热到大于它们液相线温度的温度，而半固体金属铸造使用在较低温度下为可流动的液体-固体混合物的合金。高熔点嵌入件例如钢、钛合金和铜合金是与全部三种方法相容的。但是纯镁和纯铝具有类似的熔点镁为650°C ;和纯铝是660°C (660°C )，并且这能够使得某些镁_铝合金组合比其他组合更加可行。通常较高强度的合金是比较低强度的铝合金更高度合金化的，并且这些更高度合金化的合金典型地具有比较低合金化的铝合金更低的液相线温度。纯金属表现出熔融温度；低于该熔点，该金属是固体；高于该熔点，该金属是液体。合金的行为是更复杂的，因为合金表现出熔融温度范围。高于液相线温度，合金是液体；低于固相线温度，该合金是固体；和在固相线和液相线温度之间，液体和固体共存。在常规的(液体)铸造方法中，优选的是将镁合金保持在至少等于它的液相线温度的温度。作为实际问题，铸造合金的倾倒温度(即，它倾倒或者注入到模具中时的温度)通常大于它的液相线温度。这个温度超过了液相线温度或者是过热的，来帮助确保第一倾倒的合金不过早凝固。该模具具有通过相对表面所限定的模腔，其设定了最终铸件的形状，并且是通过至少一个流动通路或者流道(runner)供料，来将液体浇铸金属引入到模腔中。流入的液体金属的过早固化将在模腔充满之前封闭所述流动通路和产生缺陷零件。优选的是镁铸造合金的倾倒温度小于嵌入件的固相线温度，来确保嵌入件不溶解在液体镁合金中。对于薄铸件来说，特别是通过模铸所制造的那些来说，浇铸金属的快速冷却将限制嵌入件的熔融和溶解，并且因此在这种情况中，铸造合金和嵌入件的液相线温度可以是相当的，特别是如果嵌入件是厚的或比该铸件厚时更是如此。一些有限的溶解甚至会有助于促进铸件和嵌入件之间的冶金接合的形成，来增强嵌入件在铸件中的保持。纯镁(650°C )和纯铝(660°C )的熔点是类似的。但是镁合金的液相线温度将降低到低于650°C，这归因于它们的合金化添加物。因此如果将市售的纯铝合金用于嵌入件，则这种组合会确保嵌入件不溶解在镁合金中。例如，AZ91镁合金中的合金化添加物将降低它的液相线温度到大约595°C，并且推荐的倾倒温度是640°C -675°C。AA1050铝合金(99. 5重量％的铝)的固相线温度是大约646°C;和AAllOO铝合金(99重量％的铝)的固相线温度是大约643°C。对于镁合金AM50来说，液相线温度是620°C，推荐的倾倒温度是655°C -690°C。 具有显著量的合金添加物的铝合金具有较低的固相线温度，这会使得它们与一些镁铸造合金不相容。考虑到这个，例如铝合金AA6061 (标称lwt%的镁和0. 6wt%的硅)的固相线温度是582°C，明显低于镁合金AM50的大约615°C的液相线温度。当然，冷却(在砂铸模具中)或者方案性布置的冷却管线(在模铸模具中)可以用于更快的冷却铸件，至少在局部区域中。并且如果邻近嵌入件布置，则这些冷却特征能够限制嵌入件所经历的高温曝露的持续时间，并且限制熔融程度。但是应当理解嵌入件的组成必须通过被浇铸的镁合金的热性能来给出信息，并且需要对铸造方法精确控制来确保铝嵌入件在铸造方法过程中不熔融和溶解在镁合金中。AAlxxx合金是用于嵌入件的合适的选择，因为它在室温具有极大的延展性，并因此在SPR过程中将不发生裂纹或者破裂。但是，与它的高延展性一致，AAlxxx合金表现出低于用更高度合金化组合例如镁-硅合金化的AA6XXX合金例如AA6061所能够获得的强度更低的强度。在需要较高强度接合之处，可以增大嵌入件的厚度。如果归因于接合厚度的限制，嵌入件的厚度不能增加，则可以使用更高度合金化的铝合金。如果使用更高度合金化的低熔点铝合金，则可以使用可替代的铸造方法例如半固体金属铸造。半固体金属(SSM)铸造是类似于塑料注塑的方法，其中将半固体镁合金注入到温度处于它的液相线温度和固相线温度之间的模具中。该固相线温度是标称的最高温度，在该温度时合金是固体，忽略由局部分离所形成的任何初熔。在这个温度范围内，所述合金是半固体，含有液体和固体二者。当固体的体积分数是大约30-50体积％时，可以实施SSM铸造。半固体合金的机械剪切产生了可流动的触变结构，其允许合金在压力下被推进入模具中，在这里它固化。当然，这是在最大程度的向前流动时可接受的固体体积分数。因此，进入模具的半固体加料的固体体积分数必须明显地较低，即10%左右，来适应该加料进入模具时的冷却。因为SSM方法是在比常规的铸造方法低的温度下进行的，因此它在选择用于嵌入件的铝合金方面提供了更大的灵活性。用于触变模制的合适的镁合金包括合金AZ91和AM50。用于AM50的合适的SSM温度可以是大约614°C _620°C，与使用AA6061嵌入件相容。表I中表示了不同的铸造镁合金和可能的铝嵌入件合金的相容性。对于每个镁合金来说，列出了优选的倾倒温度范围，例如对于AZ91合金来说它的范围是640 0C-675 0C o对于铝合金来说，固相线和液化是作为(固相线/液相线)来列出的，这样对于AA1050合金来说，固相线是646°C，液相线温度是657°C。镁合金-铝合金组合，其至少一部分的(镁合金)倾倒温度范围小于铝合金的液相线温度范围或者与之相当，是用符号“？”来表示的。这些组合甚至在不存在旨在最小化铝合金曝露于这些高的倾倒温度的时间的强力冷却方案时也是可行的。用符号“x”表示这样的组合，其中(镁合金)倾倒温度范围大于铝合金的液相线温度范围。这些组合会是可行的，但是将需要强力冷却。表2中表示了不同的半固体金属铸造镁合金和可能的铝嵌入件合金的相容性。对于每种镁合金来说，列出了 SSM温度范围，例如对于AZ91合金来说它的范围是5900C -600°C。如表I中所示，铝合金的固相线和液相线是作为(固相线/液化)来列出的。镁合金-铝合金组合(对于其来说，(镁合金)SSM温度范围在引入到模具中时小于铝合金的固相线温度)是用符号“
”来表示的。镁合金-铝合金组合物(对于其来说，(镁合金)SSM温度范围在引入到模具中时大于铝合金的固相线温度)是用符号“x”来表示的。当然，与模具流道入口(entry)间 隔开的嵌入件在加料的部分冷却之后将遇到半固体合金，并且该加料会低于嵌入件固相线温度。表I
i s六金
WmMJk 8 1100ICCi §娜1 6 I3
W |S46/iS | {UitmT)<568 3崎{S8H851J {61 854|
AZS1 640-675 7 x.77
AMSO 55-6tO f7^kxK
AMiO xf 表2
f!合金
SSM Temp. IiSO I Ifll 52 SCI56 61 §063 范(644/65 ) <643/657》 #07/64 ( 8/6J8 (582/651} (616*54)
AZtI 5W-M) < Z^
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<二 AMS! 61W-§2f ^IxxI
SS
AMM 6i5-615^%xxZ本领域技术人员将理解虽然本发明在镁合金铸件的上下文中进行了描述，但是这样的描述是示例性的而非限制性的。应当认可本发明的实践可应用于铁和非铁的其他铸造材料。例如，一些铸造铝合金，例如用5重量％或者更高的硅来合金化的那些例如A356(6. 5-7. 5重量％的硅)或者A319(5. 5-6. 5重量％的硅)表现出非常有限的延展性，并且不适于浇铸时的SPR接合。但是，按照刚刚所述的实践，在这样的铸件中引入延展性嵌入件将使得它们能够参与SPR接合方法。同样该方法容易地适于铸铁铸件，其可以由白口铁，灰口铁，蠕墨铸铁或者延性铁来制造。同样，模制方法(其可以用于制造聚合物和增强的聚合物结构)类似于铸造，特别是模铸或者半固体金属铸造中所用的那些。因此所述的实践和方法能够容易的用于将现场模制的，或者更通常的现场制造的延展性嵌入件并入到降低延展性的聚合物和增强的聚合物模制结构和单一车体中。已经讨论的嵌入件材料也可以用于增强的聚合物单一结构中。但是，其他备选的材料也可以考虑，因为原电池腐蚀问题将不会给出增强的聚合物复合材料中嵌入件材料选择的信息。虽然已经描述和说明了本发明优选的实施方案，但是它们的目的并非限制本发明的范围。权利要求
1.接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，在该接合区域中，该第一制品具有现场制造的延展性金属嵌入件，该嵌入件是合适地可延展的以通过自冲铆钉穿透和变形以便形成铆接接合，该第二制品具有与其第一表面相对的第二表面用于形成该铆接接合，并且该现场制造的嵌入件具有处于该第一制品的第一接合表面处的第一表面以及与该第一表面相对的第二表面用于形成铆接接合，该嵌入件的所述第一和第二表面是该第一制品在该接合区域中的该第一和第二接合表面；该自冲铆钉具有中空圆柱体，该圆柱体具有封闭端、开口端和外部直径，该铆钉的该封闭端是用直径大于所述圆柱体直径的帽封闭的；该方法包括 组装该第二制品和该第一制品，并且该第二制品的接合表面区域的该第一表面与该第一制品的该第一表面是表面对表面接触的；和· 在该接合表面区域中，将自冲铆钉的开口端推进到所述制品之一的该第二表面中，同时支撑另一制品的该第二表面，使得该铆钉被推进穿过所述制品之一并且进入到另一制品中，使得该铆钉的该帽被推进与所述制品之一的下面的第二表面接合，并且该铆钉的该开口端在另一制品中沿直径膨胀以在该接合区域中接合所述制品。
2.权利要求I的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该现场制造的延展性嵌入件引了用于与所述制品机械接合来将该嵌入件固定到所述制品上的特征。
3.权利要求2的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该现场制造的延展性嵌入件的至少一个表面突出超出于该第一制品的邻近所述接合区域的该第一表面的那部分。
4.权利要求I的接合方法，该方法使用自冲铆钉在接合区域中将第一制品的第一接合表面接合至第二制品的第一接合表面，其中该现场制造的延展性嵌入件是下面之一铝合金 AA1050，AAl 100，AA5052, AA5056, AA6061 和 AA6063。
5.制品，其具有至少表面并且适于在该制品中形成无裂纹的自冲铆接(SPR)的接合，该接合用于在该制品的接合区域中将该制品与至少第二制品接合该制品包含大的现场制造的嵌入件，该嵌入件是合适地可延展金属以通过自冲铆钉穿透和变形以便形成铆接接合，该嵌入件具有周长并且位于该制品的接合区域中来接受SPR铆钉。
6.权利要求5的制品，其中该制品是增强的聚合物。
7.权利要求5的制品，其中该制品是选自下面之一的铸造镁合金AZ91，AM60和AM50。
8.方法，该方法采用铸造或者模制方法来制备铸件或者模制制品以接受自冲铆钉，并由此形成用于将铸件连接到工件的接合，该铸件或者模制制品是在具有相对的表面且位于模具的内部的模腔中形成；该方法包括 将具有固相线温度和两个相对表面的延展性金属嵌入件置于该模腔中，并且每个该相对的嵌入件表面与该相对的模腔表面之一接触，该嵌入件具有用于与所述铸件机械接合来将该嵌入件固定到所述铸件上的特征，和； 用可流动的铸造合金或者可模制的聚合物材料在小于该嵌入件的固相线温度的温度下填充该模腔；和 将该铸造合金或者可模制的聚合物材料冷却到大约室温。
9.权利要求8所述的采用铸造方法制备铸件来接受至少自冲铆钉的方法，其中该铸件是由包含至少85重量％的镁的镁合金来制造的，和该合金是AZ91，AM60和AM50中的一种。
10.权利要求9所述的采用铸造方法制备铸件来接受至少自冲铆钉的方法，该铸件是由包含至少85重量％的镁的镁合金制造的，其中该可流动的镁铸造合金包含分散在液体中的固体。
全文摘要
一种或者多种延展性金属嵌入件可以选择性并入到具有有限延展性的制品中，该制品包括铸件和模制聚合物。该嵌入件位于用于使用自冲铆接(SPR)来将制品与其他制品接合的接合位置处。该嵌入件具有合适的延展性、厚度和强度来接受和保持自冲铆钉，并且在该制品和第二制品之间形成强的铆接接合。在一种实施方案中，该制品是镁合金铸件，其是通过砂铸、模铸和半固体金属铸造中任何一种来形成的。该嵌入件的化学组成可以通过该接合的预期的腐蚀性环境和镁合金的铸造温度来给出信息。对于会曝露于腐蚀性环境的镁合金铸件来说，是铝合金嵌入件的优选的。
文档编号B21J15/00GK102728766SQ20121010050
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者B.E.卡森, P-C.王 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司