用于接合同种和异种材料的电阻焊接紧固件、设备和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年12月15日提交的、名称为"用于接合同种材料和异种材料的电 阻焊接紧固件、设备和方法（Resistance Welding Fastener,Appara1:us and Methods ρ·〇Γ Joining Similar and Dissimilar Materials)"的美国临时专利申请No.62/091,980的权 益，该申请的公开内容在此通过引用整体并入本文。
技术领域
[0003] 本发明设及用于紧固零部件的紧固件、紧固设备和方法，更具体地说，设及用于紧 固包括异种金属的金属材料的紧固件、紧固设备和方法。
【背景技术】
[0004] 已知多种用于连接和装配零件或子组件的紧固件、设备和方法，诸如焊接、馴接、 螺纹紧固件等。在一些情况中，会需要经济有效地将侣质零件、子组件、薄层等连接至由其 他材料制成的其他零件、子组件、薄层等上，所述其他材料诸如钢(无涂层的，带涂层的，低 碳的，高强度的，超高强度的，不诱的）、铁合金、铜合金、儀、塑料等，和/或连接至由侣制成 的其他零件、子组件、薄层上。用于解决运些紧固问题的方案包括与粘结剂和/或阻挡层相 结合的机械紧固件/馴钉，从而例如由于在异种金属的接合处存在原电池效应来维持足够 的接头强度，并同时使腐蚀最小化。由于由侣和其他材料生成的金属间化合物会对机械强 度和耐腐蚀性产生不利影响，所W通常不在侣和其他材料之间采取直接焊接。在采用直接 焊接的情况下，通常是某种类型的固态焊接(摩擦焊、电阻对焊、超声焊等)或者铜焊/针焊 技术，W便最大限度地减少金属间化合物，但是，运种接头的机械性能有时很差或者仅适用 于特定的接头几何形状。
[0005] 在汽车工业中，出于成本和生产周期的考虑(每个单独的接头少于3秒钟且可W由 机械手自动地执行），用于将钢与钢连接起来的当前技术是电阻点焊(RSW)。在某些情况下， 通过连接由除了钢之外的同种金属制成的子部件来制造金属结构。
[0006] 用于将侣连接至钢上和用于连接同种金属或相同有色金属的已知紧固件和方法 包括：通孔馴接/紧固件、自冲馴接（SPR)，热融自攻丝流钻螺钉（FDS或者商标名称为 EJOTS)、揽拌摩擦点焊/连接(FSJ)、摩擦位连接(FBJ)，W及使用粘结剂。运些工艺中的每一 种可能都比钢与钢的电阻点焊（RSW)更具有挑战性。例如，当采用SH?将高强度侣（超过 240M化)连接至钢或其他侣板上时，侣可能在馴接过程中破裂。FSJ在汽车工业中并没有得 到广泛的应用，运是因为接头性能(主要是剥离和交叉张力)相比SH?较差。另外，FSJ要求非 常精确的对准和装配。对于FBJ和FDS也存在着类似的考虑，例如，抑S通常从一侧进行，并且 要求与待被固定的钢板中的定位孔对准，装配复杂且增加了成本。因此，一直希望有用于连 接和装配零件或子组件的替代的紧固件、设备和方法。
【发明内容】
[0007] 本发明的主题设及一种用于通过W下步骤而使用电阻焊接来将第一导电层紧固 到第二导电层上的方法，即，所述步骤包括：
[0008] 将第一层和第二层W物理和电接触的方式放置在一起；
[0009] W与第一层形成物理和电接触的方式放置一导电紧固件，该导电紧固件具有高于 第一层的烙点，从而形成包括紧固件、第一层和第二层的导电堆叠体；
[0010] 将电压施加到堆叠体上，感应出流经堆叠体的电流，并产生电阻热，该电阻热使得 第一层被软化；
[0011] 促使紧固件朝向第二层地通过软化的第一层，形成烙融的焊接区，该焊接区延伸 到并包括至少一部分第二层；
[0012] 使得焊接区冷却并固化，从而连接第一层和第二层。
[0013] 根据本公开内容的另一个方面，在经过使得焊接区冷却并固化的步骤之后，紧固 件被保持在焊接区中。
[0014] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件包括含有突起部的轴，该突起部从该轴的 表面延伸，在促使和冷却步骤期间延伸到焊接区中，该突起部增加了在冷却步骤后从焊接 区收回的紧固件的电阻。
[0015] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件包括含有凹陷部的轴，该凹陷部延伸到该 轴的表面，在促使和冷却步骤期间该凹陷部使得焊接区中的烙融金属在其中延伸，该凹陷 部增加了从焊接区收回的紧固件的电阻。
[0016] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件包括含有向下悬垂的唇部的帽盖，该唇部 能够在促使步骤期间接纳从第一层上涌的材料，该上涌材料在冷却步骤与唇部接合，在帽 盖和第一层之间提供机械连接。
[0017] 根据本公开内容的另一个方面，帽盖能够接纳在所述促使步骤期间从焊接区挤出 的材料。
[0018] 根据本公开内容的另一个方面，第一层和第二层由侣、儀、铜或其合金中的至少一 种材料制成。
[0019] 根据本公开内容的另一个方面，第一层和第二层由侣合金制成。
[0020] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件由钢或铁合金中的至少一种材料制成。
[0021] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件由侣合金制成。
[0022] 根据本公开内容的另一个方面，在放置步骤期间，将钢合金的第Ξ层与远离第一 层的第二层处接触，其中，促使紧固件在促使步骤期间通过第一层和第二层，还包括将紧固 件焊接到第Ξ层上的步骤。
[0023] 根据本公开内容的另一个方面，还包括将至少一层有色金属的附加层W电接触的 方式与远离第一层的第二层处接触，焊接区在促使步骤期间延伸到附加层并冷却W将附加 层和第一层和第二层连接起来。
[0024] 根据本公开内容的另一个方面，所述层是金属片。
[0025] 根据本公开内容的另一个方面，第二层是部分结构件。
[0026] 根据本公开内容的另一个方面，还包括在施加和促使步骤之前在堆叠体中将第二 紧固件相对第一紧固件放置的步骤，从而使得在第一紧固件和第二紧固件中间的堆叠体中 形成至少一个焊接区，并且在施加步骤期间促使第二紧固件通过软化的第二层。
[0027] 根据本公开内容的另一个方面，焊接区延伸通过第一紧固件和第二紧固件之间的 第一层和第二层。
[0028] 根据本公开内容的另一个方面，还包括在放置步骤期间在第一层和第二层之间插 入第Ξ层的步骤，该至少一个焊接区延伸通过第一层和第二层而延伸到第Ξ层的一部分。
[0029] 根据本公开内容的另一个方面，焊接区延伸通过第Ξ层。
[0030] 根据本公开内容的另一个方面，使用电阻焊接将第一导电层紧固到第二导电层上 的紧固件包括:帽盖和轴，该轴从帽盖延伸并具有远离帽盖的端部。当紧固件被放置在堆叠 体中并在经受施加于堆叠体的电压时，紧固件能够传导流经堆叠体的电流，其中，该堆叠体 包括W电接触方式放置的第一导电层和第二导电层。紧固件具有高于第一层和第二层的烙 点，所述电流促使电阻加热并软化第一层，该轴能够穿透第一层并构建在紧固件和第二层 之间延伸的焊接区。
[0031] 根据本公开内容的另一个方面，该轴包括从该轴表面延伸的突起部，该突起部能 够延伸到焊接区中，并且增加了在固化后从焊接区收回的紧固件的电阻。
[0032] 根据本公开内容的另一个方面，该轴包括延伸到该轴中的凹陷部，该凹陷能够使 得焊接区中的烙融金属在其中延伸，并且增加了当冷却时从焊接区收回的紧固件的电阻。
[0033] 根据本公开内容的另一个方面，该轴包括延伸到该轴中的凹陷部，该凹陷能够使 得焊接区中的烙融金属在其中延伸，并且增加了当冷却时从焊接区收回的紧固件的电阻。
[0034] 根据本公开内容的另一个方面，该轴包括多个突起部，该轴上的凹陷部设置在所 述多个突起部中的至少两个突起部之间。
[0035] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件包括含有向下悬垂的唇部的帽盖，该唇部 能够接纳从第一层上涌的材料和从焊接区挤出的材料。
[0036] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件关于旋转轴线对称并具有横截面为U形的 空屯、轴，所述帽盖从所述轴延伸出，在U形的开口端处形成一反向弯曲的周边唇部，该周边 唇部能够接合从第一层上涌的材料，从而当上涌材料凝固时连接帽盖和第一层。
[0037] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件能够连接具有不同厚度的层不同堆叠体。
[0038] 根据本公开内容的另一个方面，轴上的突起部在焊接过程中由于变形而形成。
[0039] 根据本公开内容的另一个方面，一个结构包括多层有色金属层，含铁的导电紧固 件具有高于所述多层中的第一层的烙点，当通过电阻热软化所述第一层时该紧固件能够被 压入到所述多层中的至少第一层，形成延伸到并包括至少一部分第二层的焊接区。该紧固 件包括轴，所述轴具有与焊接区相间错杂的表面粗糖度，W抵抗焊接区固化后紧固件从焊 接区中移除。
[0040] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件包括帽盖，所述帽盖能够压靠在第一层上 并覆盖一部分第一层，并能够接纳从第一层上涌的材料和从焊接区中挤出的材料。
[0041] 根据本公开内容的另一个方面，一种利用电阻焊将第一材料紧固到第二导电材料 上的方法包括:在所述第一材料上形成定位孔；W物理接触的方式将第一和第二材料放置 在一起;通过使紧固件延伸通过所述定位孔而W与第二材料电接触的方式放置可焊接到第 二材料上的导电紧固件;在紧固件和第二材料上施加电压，感应出流经所述紧固件和第二 材料的电流，产生电阻热，该电阻热使得紧固件焊接至第二材料上。
[0042] 根据本公开内容的另一个方面，紧固件和第二材料是钢、侣、儀、铁和其合金中的 至少一种，而第一材料是塑料、塑性复合材料、金属-塑料层压材料、陶瓷和涂覆非导电涂层 的金属中的至少一种。
[0043] 根据本公开内容的另一个方面，非导电涂层是涂料。
[0044] 根据本公开内容的另一个方面，非导电涂层是阳极氧化层。
[0045] 根据本公开内容的另一个方面，涂覆有非导电涂层的金属是侣、钢、铁、儀、其合金 和Inconnel (铭儀铁合金）。
[0046] 根据本公开内容的另一个方面，形成定位孔的步骤包括形成定位孔的埋头部分。
[0047] 根据本公开内容的另一个方面，用于利用电阻焊而将其上具有定位孔的第一非导 电材料紧固到第二导电材料上的紧固件具有帽盖和从帽盖延伸且具有远离帽盖的端部的 轴，该紧固件能够在将第一和第二材料放置成堆叠体时通过定位孔插入。该紧固件由导电 材料制成，并且能够在经受施加于紧固件和堆叠体上的电压时传导通过堆叠体的电流，该 电流产生电阻热，将紧固件在远离帽盖的端部处焊接到第二材料上，并在所述端部被焊接 到第二材料上之后抓取位于帽盖和第二材料之间的第一材料。
[0048] 根据本公开内容的另一个方面，一种利用电阻焊将第一材料紧固到第二导电材料 上的方法，其特征在于:在所述第一材料上形成定位孔；W物理接触的方式将第一和第二材 料放置在一起;通过使紧固件延伸通过所述定位孔而W与第二材料电接触的方式放置具有 高于第二材料的烙点的导电紧固件;在紧固件和第二材料上施加电压，感应出流经所述紧 固件和第二材料的电流，产生电阻热，该电阻热使得第二材料软化;促使紧固件进入软化的 第二材料，在靠近紧固件的第二材料中形成烙融区，并进入到紧固件延伸到的地方;使得焊 接区冷却并固化，将紧固件保持在固化的烙融区。
[0049] 根据本公开内容的另一个方面，用于利用电阻焊而将第一层紧固到第二层上的紧 固件的特征是帽盖和从帽盖延伸且具有远离帽盖的端部的轴，该轴具有至少一个从其延伸 的突起部，并具有一个表面面积少于该轴远端的表面面积的末端，当将该紧固件放置在包 括第一导电层和第二导电层的堆叠体中并在经受施加于堆叠体上的电压时，该紧固件能够 传导通过堆叠体的电流，该电流产生电阻热，该轴能够穿透第一层并构建在紧固件和第二 层之间延伸的焊接区。
[0050] 根据本公开内容的另一个方面，该紧固件包括多个突起部。
[0051] 根据本公开内容的另一个方面，该紧固件突起部呈半球形。
[0052] 根据本公开内容的另一个方面，该紧固件突起部呈圆锥体。
[0053] 根据本公开内容的另一个方面，该紧固件突起部呈环形。
[0054] 根据本公开内容的另一个方面，该紧固件突起部呈板的形式，该板的直径小于该 轴远端直径。
[0055] 根据本公开内容的另一个方面，相对于远端的接触面积，该紧固件突起部能够减 少紧固件与堆叠体的接触面积。
[0056] 根据本公开内容的另一个方面，该紧固件突起部能够进入施加到第一层和第二层 中至少一层上的非导电涂层。
[0057] 根据本公开内容的另一个方面，该紧固件突起部能够经由对非导电涂层的局部加 热而破坏施加到第一层和第二层中至少一层上的非导电涂层。
[0058] 根据本公开内容的另一个方面，一种用于将第一构件焊接到第二构件上的焊接设 备的特征在于，具有能够在其中存在电势的第一对电极的第一电焊机，所述第一对电极w 与第一构件的两个间隔区域接触的方式而放置，由此电流在第一对电极间流经第一构件； 具有能够在其中存在电势的第二对电极，所述第二对电极W与第二构件的两个间隔区域接 触的方式而放置，由此电流在第二对电极间流经第二构件，第一构件的两个间隔区域与第 二构件的两个间隔区域相对准。
[0059] 根据本公开内容的另一个方面，电流在第一对电极或第二对电极中的至少一对电 极间流动能够破坏在第一构件或第二构件中的至少一个构件上的非导电涂层。
[0060] 根据本公开内容的另一个方面，帽盖具有至少一个增加帽盖变形阻力的肋。
[0061] 根据本公开内容的另一个方面，轴长的一部分实质上是圆柱形，一部分是非圆柱 形。
[0062] 根据本公开内容的另一个方面，通过焊接电极施加电压，并且进一步包括在至少 一对电极和堆叠体之间插入具有比电极电阻更大的电阻的材料。
【附图说明】
[0063] 为了更加全面地理解本公开内容，可参考W下的对示例性实施例所进行的详细描 述并结合附图考虑。
[0064] 图1是根据本公开内容的一个实施例的紧固件的透视图。
[0065] 图2是图1所示紧固件沿着剖面线2-2截取并沿着箭头方向观看的剖视图。
[0066] 图3是紧固件的类似于图2的剖视图，但是具有不同的尺寸。
[0067] 图4是按顺序地示出根据本公开内容的一个实施例的紧固件穿过第一层插入并被 焊接到第二层上的示意图。
[0068] 图5是按顺序地示出根据本公开内容的另一个实施例的紧固件穿过第一层插入并 被焊接到第二层上的示意图。
[0069] 图6是按顺序地示出根据本公开内容的另一个实施例的紧固件穿过第一层插入并 被焊接到第二层上的示意图。
[0070] 图7是按顺序地示出根据本公开内容的另一个实施例的紧固件穿过第一层插入并 被焊接到第二层上的示意图。
[0071] 图8是按顺序地示出与图7所示相同的紧固件穿过第一层插入并经由单侧入口焊 接到管状构件上的示意图。
[0072] 图9是按顺序地示出与图7所示相同的紧固件穿过第一层插入并W系列焊接构成 被焊接到第二层上的示意图。
[0073] 图10是按顺序地示出与图7所示相同的对置的紧固件通过第一层和第二层插入并 被彼此相互地焊接在一起的示意图。
[0074] 图11是表示在插入或者焊接之前的与图7所示相同的那些紧固件的示意图，所述 紧固件位于将要被紧固的材料层的不同堆叠体附近。
[0075] 图12是根据本公开内容的一个实施例的点焊帽盖的侧视图。
[0076] 图13a和13b分别是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的平面图和侧视图。
[0077] 图14a和14b分别是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的侧视图和平面图。
[0078] 图15是根据本公开内容的一个实施例的紧固件冲压工具的侧视图。
[0079] 图16是在施加根据本公开内容的一个实施例的紧固件之前、在点焊设备中的两块 金属板的透视图。
[0080] 图17a-17d是根据本公开内容的替代实施例的紧固件的剖视图。
[0081] 图18-20分别是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的平面图和剖视图。
[0082] 图21是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0083] 图22是穿过第一层插入并被焊接到第二层上的图21所示紧固件的示意性剖视图。
[0084] 图23是穿过第一层插入并被焊接到第二层上的根据本公开内容的一个替代实施 例的紧固件的示意性剖视图。
[0085] 图24是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0086] 图25是穿过第一层插入并被焊接到第二层上的图24所示紧固件的示意性剖视图。
[0087] 图26是根据本公开内容的一个替代实施例的两件式紧固件的示意性剖视图，其 中，第一部分穿过支撑层插入并被焊接到第二部分上。
[0088] 图27是根据本公开内容的一个替代实施例的两件式紧固件的示意性剖视图，其 中，第一部分穿过支撑层插入并被焊接到第二部分上。
[0089] 图28是根据本公开内容的一个替代实施例的具有密封剂的紧固件的剖视图。
[0090] 图29是穿过第一层插入并被焊接到第二层上的图28所示紧固件的示意性剖视图。
[0091] 图30是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0092] 图31是穿过第一层插入用于焊接到第二层上的图30所示紧固件的示意性剖视图。
[0093] 图32是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0094] 图33是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[00%]图34是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0096] 图35是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的示意性剖视图，其中，紧固 件设置在临近焊接电极尖端的位置。
[0097] 图36是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0098] 图37是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0099] 图38是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的示意性剖视图，其中，紧固 件设置在临近焊接电极尖端的位置。
[0100] 图39是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的示意性剖视图，其中，紧固 件设置在临近焊接电极尖端的位置。
[0101] 图40是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的示意性剖视图，其中，紧固 件设置在临近焊接电极尖端的位置。
[0102] 图41是根据本公开内容的一个替代实施例的一对紧固件的示意性剖视图，其中， 每一个紧固件穿过相关联的外层插入并被焊接到通常的中屯、层。
[0103] 图42是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0104] 图43是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的示意性剖视图，其中，紧固 件穿过一部分J形层插入并被焊接到J形环绕的层中。
[0105] 图44A和44B是根据本公开内容的一个替代实施例的施加时和施加后紧固件和复 合结构的示意性剖视图。
[0106] 图45是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的示意性剖视图，其中，紧固 件穿过一对层插入并被焊接到第Ξ层上。
[0107] 图46是根据本公开内容的一个替代实施例的一对紧固件的示意性剖视图，其中， 紧固件穿过一对具有相似厚度的层插入并相互焊接。
[0108] 图47是根据本公开内容的一个替代实施例的一对紧固件的示意性剖视图，其中， 紧固件穿过一对具有不同厚度的层插入并相互焊接。
[0109] 图48是根据本公开内容的一个替代实施例的一对紧固件的示意性剖视图，其中， 紧固件穿过一Ξ层的组插入并相互焊接。
[0110] 图49是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视面的照片，其中，紧固 件穿过一对层插入并被焊接到第Ξ层上。
[0111] 图50是根据本公开内容的一个替代实施例的一对紧固件的剖视面的照片，其中， 紧固件穿过一对层插入并相互焊接。
[0112] 图51是根据本公开内容的一个替代实施例的设置在一对层上的焊接电极和紧固 件的示意性剖视图。
[0113] 图52是根据本公开内容的一个替代实施例的设置在一对层上的焊接电极尖端和 紧固件的示意性剖视图。
[0114] 图53是根据本公开内容的一个替代实施例的设置在一对层上的焊接电极尖端和 紧固件的示意性剖视图。
[0115] 图54是根据本公开内容的一个替代实施例的设置在一对层上的焊接电极尖端和 紧固件的示意性剖视图。
[0116] 图55是根据本公开内容的一个替代实施例的设置在一对层上的焊接电极尖端和 紧固件的示意性剖视图。
[0117] 图56是根据本公开内容的一个替代实施例的设置在一对层上的焊接电极尖端和 紧固件的示意性剖视图。
[0118] 图57是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件和相关联的材料层的示意性 剖视图。
[0119] 图58是紧固件和用于将紧固件相对于电阻焊尖端和待被紧固的材料层而设置的 相关联载体的示意性剖视图。
[0120] 图59是根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件的剖视图。
[0121] 图60是按顺序地示出根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件穿过第一层插 入并部分进入第二层的示意性剖视图。
[0122] 图61Α和61Β是示出根据图60所示紧固件W不同程度插入到不同厚度的层的堆叠 体中的插入紧固件的示意性剖视图。
[0123] 图62是图60所示的插入Ξ层堆叠体中的紧固件的示意性剖视图。
[0124] 图63是图60所示的一对紧固件的示意性剖视图，其中，该紧固件在会聚方向穿过 与通常焊接区连通的Ξ层堆叠体的相对侧而插入。
[0125] 图64是图60所示的一对紧固件的示意性剖视图，其中，该紧固件在会聚方向穿过 与两个单独的焊接区连通的Ξ层堆叠体的相对侧而插入。
[0126] 图65是按顺序地示出根据本公开内容的一个替代实施例的紧固件穿过第一层插 入并部