分进入第二层的示意性剖视图。
[0127] 图66和图67是根据本公开内容的一个替代实施例的两个不同紧固件的剖视图。
[0128] 图68是根据本公开内容的一个替代实施例的插入双层堆叠体中的紧固件的示意 性剖视图。
[0129] 图69A-C是图60所示插入Ξ个不同双层堆叠体中的紧固件的一系列示意性剖视 图。
[0130] 图70是图60所示插入包括一大块中空构件的双层堆叠体中的紧固件的示意性剖 视图。
[0131] 图71是图60所示插入包括通过间接焊接得到的一大块中空构件的双层堆叠体中 的紧固件的示意性剖视图。
[0132] 图72是根据本公开内容的一个实施例焊接的一对层的剖视面的照片。
[0133] 图73是根据本公开内容的另一个实施例的穿过第一层中的定位孔插入W焊接到 第二层上的紧固件的示意性剖视图。
[0134] 图74是根据本公开内容的另一个实施例的穿过第一层中的定位孔插入W焊接到 第二层上的紧固件的示意性剖视图。
[0135] 图75是根据本公开内容的另一个实施例的穿过第一层中的埋头定位孔插入W焊 接到第二层上的紧固件的示意性剖视图。
[0136] 图76是根据本公开内容的另一个实施例的穿过第一层中的定位孔插入W焊接到 第二层上的紧固件的示意性剖视图。
[0137] 图77是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的透视图。
[0138] 图78是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的透视图。
[0139] 图79是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的透视图。
[0140] 图80是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的透视图。
[0141] 图81是如同图78中所示的那些紧固件相同的一对紧固件的示意性剖视图，其中， 该紧固件在串联焊初始阶段放置在双层堆叠体上。
[0142] 图82是图78和81中所示当被插入到双层堆叠体中的紧固件的一系列示意性剖视 图
[0143] 图83是设置在双层堆叠体中并将被一对焊枪驱动到该双层堆叠体中的一对紧固 件的示意图。
[0144] 图84是一对紧固件的示意图，其中，一个设置在双层堆叠体上并将被一对相对焊 接电极驱动到该双层堆叠体中，另一个已经被驱动到该双层堆叠体中。
[0145] 图85是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的侧视图。
[0146] 图86是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的侧视图。
[0147] 图87是根据本公开内容的另一个实施例的紧固件的透视图。
【具体实施方式】
[0148] 本申请在此通过引用完整将W下内容并入本文，即：2013年6月26日提交的、名称 为"用于连接异种材料的设备和方法(A卵aratus and Method For Joining Dissimilar Materials)"的美国临时申请No. 61/839，478，2014年6月26日提交的、名称为"用于连接异 种材料的设备和方法(Appara1:us and Methods For Joining Dissimilar Materials)"的 美国专利申请No. 14/315,598,2013年6月26日提交的、名称为嘴阻焊接紧固件、设备和方 法（Resistance Welding listener,A邮aratus and Methods)"的美国临时专利申请 No. 61/839,473,2014年6月26日提交的、名称为"电阻焊接紧固件、设备和方法(Resis化nee Welding Fastener,Appara1:us and Methods)"的美国专利申请 No.14/315,698,? 及2014 年2月3日提交的、名称为"电阻焊接紧固件、设备和方法(Resistance Welding Fastener, ApparaUis and MethodsT 的美国临时专利申请No.61/934,951。
[0149] 图1和2示出了具有周边帽盖12和锥形轴14的紧固件10,该锥形轴14具有与帽盖12 相对的圆头的尖端16。内部中空部Η延伸通过帽盖12并伸入轴14内。紧固件10可W由例如钢 或者铁的、能够承受电阻点焊加工的导电金属制成。帽盖12具有从边缘到顶部的尺寸CEW 及直径CD。杆部具有直径SDW及从帽盖12到端部16的长度化。如下所述，运些尺寸可W根据 紧固件10的用途而改变，例如，用紧固件10来进行连接的部件的厚度和类型。在一个实例 中，直径CD可W在大约4mm到16mm的范围内，长度化可W在大约3mm到10mm的范围内，CE可W 在大约0.5mm到3.0mm的范围内，而SD可W在大约2mm到12mm的范围内。图3示出了类似于图1 的紧固件20,但是具有不同的尺寸，即，具有带尖得多的端部26的更细的轴24。
[0150] 图4示出了使根据本公开内容的一个实施例的紧固件10a穿过例如侣合金的第一 层金属11，并且被焊接到例如钢合金的第二层金属13上W形成层状结构L1。运个过程W标 记为A-E的连续阶段示出。如在阶段A中所示，运个加工过程可W在具有相对的电极的传统 点焊工作站上进行，图中示出电极的尖端15a和17a与金属板/层11，13间隔开，允许紧固件 10a被插在尖端15a和层11之间。尖端15a可W具有表面S1，该表面S1具有通过焊接加工来容 纳、支撑、成型和/或保持紧固件10a的形状。在阶段B中，通过传统的焊接设备(未示出）产生 的、W使尖端15b，17b朝向彼此移动的反向作用力F1，F2将紧固件10b和层11，13抓取在其 间，并且通过运些元件的接合部来施加电流I。力F1，F2和电流I在整个阶段B-E中都施加并 且每一个的大小和持续时间可根据每个阶段的要求而发生变化。例如，在阶段B中加热/塑 化侣所需的电流I可W小于在阶段D和E中发生的将钢焊接到钢上时所需的电流。类似地，可 W改变力F1，F2W适应变化的加工要求。
[0151] 电流I将紧固件10b和层11，13中的每一个加热至运样一个溫度，即，在该溫度下， 侣层11发生塑化并且可W由紧固件10b位移/刺穿。侣层11通过电流I并且还通过来自紧固 件10b和层13的传导被电阻性地加热。紧固件10b和层13与侣层11相比具有较低的导热性和 导电性，从而使得可W使用通常用适合于在钢上形成电阻点焊焊缝的电阻点焊机获得的低 电流来产生塑化侣层所需要的热量，并且在层13上形成焊缝，运将在下文中加 W描述。由于 侣具有比钢层13和紧固件10b(在运个示例中也是钢的）低的烙点，侣层11达到允许由紧固 件10b位移并允许紧固件10b的端部16b穿透侣层11的塑性状态。如阶段C所示，将紧固件10c 插入侣层11致使移动的塑化侣的上涌部分11U升高到层11的原始上表面11S之上。如阶段D 所示，紧固件lOd完全刺入层11并且与钢层13相接触，于是，紧固件lOd的端部16d开始烙化 和变平，而且在层13和紧固件的端部16d的界面处开始形成烙化金属的区域Pd。区域Pd为焊 接的金属或者"烙核"，在该处，紧固件lOd和层13的金属烙化并混合。如阶段E所示，连续地 施加集中的作用力F1，F2和电流I导致端部16e和杆部14e长度的一部分随着烙化区域Pe的 扩大而进一步地纯化和烙化。阶段E还示出了帽盖12e已经下降到上表面11S的平面，覆盖并 密封可归因于紧固件lOe完全插入侣层11的上涌部分11U。
[0152] 在完成阶段E后，可W移除力F1，F2和电流I并且收回尖端lf5e和17e。上述处理过程 可W在带有阻挡层的情况下进行，例如，施加到表面11S和/或在层11，13之间的表面预处理 或者涂料/底涂层(未示出）的粘结剂层，只要阻挡层不会妨碍电流I流动W产生电阻热。运 样，可W减少异种金属层11，13之间的接触W及不希望有的电化学相互作用和腐蚀。紧固件 10在穿透过程和处理的焊接阶段的部分烙化允许紧固件10a适应层11的厚度范围。
[0153] 紧固件10a的帽盖12a形成了一个环形凹槽，其可W接收、抓取W及密封由于穿透 (阶段B和C)和焊接(阶段D和E)而在帽盖12a在侣层11的表面11S上"触底"时所产生的侣和 金属间化合物。对侣和金属间化合物的运种约束可W显著提高归因于紧固件10a的腐蚀性 能和连接强度。帽盖12a可W在焊接过程之前形成在紧固件10a上，或者可W在焊接过程中 就地形成。如下面参考图8更加详细地描述的那样，紧固件10a的几何形状和其与尖端15a和 表面S1的相互作用/通过尖端15a和表面S1的保持能够实施单面焊接(从一侧进行焊接且没 有与电极尖端15a直接相对的电极接触构件13来提供反作用力）。尖端15a可W被成型为通 过紧固件10a的弹力或者弹黃载荷而由紧固件10a抓紧、但是一旦焊接已经完成就脱离开的 形状，所述紧固件10a的弹力或者弹黃载荷在焊接期间将紧固件10a保持在尖端15a上。例 如，尖端15可W具有周边突缘或凹形结构，其可由紧固件10a的上缘弹性地且可移除地抓 紧。
[0154] 紧固件10可W由例如大约1mm至4mm厚的薄板钢制成，但是也可W按根据层11的厚 度确定的任意给定厚度制成，并且层的厚度越大则要求有更大的紧固件厚度。或者，紧固件 12的轴14可W为实屯、的或者半实屯、的。无论紧固件的厚度/空屯、度(针对给定表面积的密 度)如何，当将端部16焊接至板13上时，轴14可W相称地损毁，使得帽盖在完成焊接时(阶段 E)接触板11的上表面11S和/或封闭任何金属间化合物和上涌区11U。
[0155] 焊接区域Pe的最终尺寸将取决于紧固件轴14e的初始和最终尺寸，即，轴壁的直 径、长度和厚度。紧固件轴He的尺寸越大，焊接区域化的尺寸越大。在一个实例中，连接由 0.5mm至4.0mm厚度的侣制成的板11与由0.5mm至3.0mm厚度的钢制成的板13时，处于2mm至 8mm范围内的焊缝直径将会表现出有益的剪切和剥离强度性能。
[0156] 为了最大限度地减小具有本公开内容的紧固件10的成品焊接产品的重量，可W减 小用于制作紧固件10的薄板的规格。结果，紧固件轴14的减少的侧壁强度可W导致其在焊 接加工期间过早地塌陷。为了支撑轴14,可W将电极15a形成为延伸进中空部H，W在中空部 Η内部分地或者完全地接合轴14的内表面。图5示出了在焊接过程中处于两阶段的替代紧固 件110,即，在穿过层11伸出之前的阶段B5W及在焊接之后的阶段Ε5。具有支撑紧固件110的 端部116的表面S2的电极尖端115允许端部116在端部116或者轴(侧壁)114不发生变形的情 况下被推动穿过层11。该尖端115具有凹陷的环形表面S3,当将紧固件完全挤压穿过层11W 形成如阶段Ε5所示的焊接区域Pg时，响应于紧固件110被压靠在上涌部分11U上，该凹陷的 环形表面S3可W接收并形成/成形紧固件周边的对应区域11化。
[0157] 图6示出了步骤A6-F6的更加完整的顺序，其中使用紧固件110W通过上层11(例如 侣板)进行点焊，从而将上层11紧固到下层13(例如钢板)上。可W理解的是，该过程还可W 被称为"电阻点固定"或者"电阻点馴接"，其中紧固件110可W被描述为馴钉，该馴钉被钻入 层11，在层11上形成孔并通过焊接与层13连接，紧固件的帽盖112将层11夹紧在层13上。当 紧固件110穿透顶层11并接合底层13时，在电极尖端115上的凹陷的环形表面S3封装且抵靠 着层11，更具体地说是上涌部分liu密封。在一个示例中，阶段B6和C6可w具有大小例如从 100至2000磅的关联力FHW及大小例如从2500至24000安培的电流水平IH，运对于塑化由侣 形成的、具有2mm厚度的第一层11并且通过如下所述的紧固件焊接至厚度为1.0mm的780MPa 锻锋钢的第二层13上是恰当的，所述紧固件由低碳钢制成，整体直径为16mm，总高度为3mm， 且平均壁厚为1.0mm。运些力和电流的大小仅仅是示例性的并且取决于紧固件now及层11 和13的尺寸和成分。从阶段B6转变到C6的持续时间可W大约为0.2至6.0秒。在一个示例中， 可W使用例如100磅的力，2500安培的电流W及6秒的周期时间。力和电流的增加可能导致 较短的周期时间。通过继续实施该实例并使用相同尺寸和特性的紧固件110及层11，13,阶 段D6可W采用大小例如从400至800磅的关联力FWW及大小例如从6000至18000安培的电流 水平IW，运对于开始烙化紧固件110和底层13W形成烙化的焊接区域Pd是合适的。力FW的大 小可W变化成在阶段E6中的大小例如从400至1000磅的力FT和大小例如从3000至12000安 培的电流水平IT，W形成扩大的焊接区域，从而回火处理该焊缝并使之具有4mm至6mm的平 均横截面直径。阶段D6的完成可能耗费例如0.1至0.5秒。在阶段F6中，可W收回第一和第二 电极尖端115,117。可W理解的是，由于上涌部分11U迫使帽盖112与表面S3相符，构建出一 个紧密的相对配合，所W在阶段F6从紧固件IlOf上收回第一尖端115时可能会有一些阻力。 在某些应用中，还可W优选地采用预成形的紧固件来减小收回力、周期时间并且减小成形 帽盖112 W使之与表面S3和上涌部分11U相符所需的焊接力FW的量。
[0158] 图7示出了步骤A7-巧的顺序，其中使用紧固件210 W实施通过过上层11(例如侣 板)的点焊，从而将上层11紧固到下层13(例如钢板)上。对紧固件210进行预成型，从而使之 在由图6的阶段D6和E6中所示的焊接力成形之后具有类似于紧固件110的形状，从而使得上 部可W封装和密封顶部表面，无需在焊接过程中由电极形成。由于紧固件210是预成型的， 电极尖端215不需要凹陷的环形表面S3来成型帽盖212, W在紧邻由紧固件210穿透之处的 地方容纳并抵靠着第一层11的上涌部分11U密封。结果，电极尖端215可W逐渐变细(在表面 S4，S5通过圆弧过渡至支撑紧固件210的端部216的表面S2)。运允许集中加热、焊接和回火 力FH，FW，FT W及在较小的区域上加热、焊接和回火电流化IW，IT，从而允许减小完成穿透、 焊接和回火任务的力和电流。
[0159] 图4-7描述了直接接触焊接，其中，例如15a，17a的电阻焊电极从相对侧夹紧工件/ 焊接堆叠体1〇3，11，13。如图8所示，使用根据本公开内容的紧固件12,20，110,210的点焊接 可W利用间接焊接从一侧来进行。像钢梁或者任何其它类型结构的结构S8可W被连接到用 于进行焊接的电压源的一个电极上。另一个电极将电能提供给焊接尖端215, W供应用于在 阶段B8和C8进行加热、在阶段D8进行焊接W及在阶段E8进行回火的电能。间接焊接通常在 钢上完成，但是很难在侣至侣的连接点上进行。由于本公开内容允许利用由不同于侣的材 料制成的紧固件进行焊接，运有助于使例如侣板的侣层11与例如钢管的钢结构S8相结合。
[0160] 在串联焊接中，两个或更多的电极从单侧靠近。于是，在焊接电流W串联方式在多 个焊枪之间流动时，形成多条焊缝。图9示出了在进行串联焊接紧固件210a和21化时可W采 用本公开内容的焊接方法和设备W在单个焊接操作中连接薄层/构件11，13。电流IH经过电 极215a，层11，13,然后通过导电的背衬条S9,返回经过层11，13并流到电极21加。如之前所 述，电流IH加热层11W允许由紧固件210a，210b穿过，紧固件W与层13接触的方式焊接在层 13上。整个过程类似于上文描述的过程，但是仅示出了阶段B9，D9和F9。串联焊接一般不在 侣上进行，但是通常使用钢材来完成。由于本公开内容允许用由不同于侣的材料制成的紧 固件进行焊接，运有助于经由串联焊接而使例如侣板的侣层11与例如钢管或者箱结构的钢 层/板13相结合。
[0161] 尽管前面描述的示例设及由钢制成的紧固件10,20,110,210,但是紧固件10,20， 110,210可W由其它材料，例如铁、儀、涂层钢材、电锻钢材或者不诱钢制成，只要例如13的、 将要与之焊接在一起的层是适合焊接的。第一层11和随后的（第二)层13还可W在成分和数 量上有变化。例如，第一层可W是侣、儀、铜或者它们的合金。第一层11还可W是多层任意的 前述成分，例如，两层侣，两层儀，或者Ξ层或更多层的儀、铜或者侣。任选地，可W在多层中 使用多于一种的材料。为了穿透像层11那样的居间层，紧固件10……210应该由烙点比在例 如B6，C6(图6)的加热/穿透阶段期间被穿透的居间层11高的材料制成。为了进行例如D6的 焊接阶段，紧固件110的材料必须与其将要被电阻焊接于其上的例如层13的层相兼容。例 如，如果层13由高强度〇590MPa)锻锋钢制成，那么紧固件110可W由例如标准低碳钢、高强 度钢(〉590MPa)或者不诱钢等级制成。
[0162] 图10示出了紧固件210c可W与一对置的紧固件210d-起使用，从而通过点焊使一 对例如由侣或儀制成的层11日，11b彼此相互结合，使得帽盖212c，212d在其间抓取层11曰， 1化。在阶段A10至F10中所示的过程序与上述过程极为相似，例如，如参考图4-7所述的那 样，将电阻用于加热、层的穿透W及焊接，但是不同于紧固件210c，210d到达其被焊接于其 上的层13，它们中的每一个均沿相反方向穿透中间的层11 a，η b，接触并相互焊接在一起。
[0163] 图11示出了可W根据本公开内容的一个实施例来连接的层的各种组合。如组合G 所示，材料的堆叠体可W是与在阶段B7关于图7所示并进行上述描述的堆叠体类似的侣11A 和钢13S。如上所述，可W将紧固件210推动穿过侣层11A并焊接到钢层13S上。在一个替代方 案中，层11A1，11A2之一或两者可W是儀/儀合金。组合Η示出了两层侣11A1和11A2与钢层 13S的堆叠体。如上文所述，紧固件210可W被推动穿过侣层11Α1和11Α2,然后被焊接到钢层 13S上。组合I示出了一层侣11Α和一层儀11Μ与钢层13S的堆叠体。紧固件210可W被推动穿 过侣层11Α和儀层11Μ，然后被焊接到钢层13S上。组合J示出了儀做外层11Μ、中间是侣层11Α 和钢层13S的堆叠体。紧固件210可W被推动穿过儀层11Μ和侣层11Α，然后被焊接到钢层13S 上。在G、H、I和J所示堆叠体中的每一个上，都可W使用紧固件210来紧固图示的层叠结构。 层的材料、厚度和数量的其他组合也可W由本公开内容的紧固件210，110,20，10来固定。
[0164] 图12示出了焊接电极尖端215,其具有连接器套筒部分215S和带有流线型锥形表 面S4和S5的焊接部分215W。类似的尖端可W从CMW接触金属焊接WWW. cmwinc. com中找到并 且被称为G-帽盖(G-cap)。
[0165] 图13a和13b示出了重新打算用做根据本公开内容的紧固件310的帽盖螺母。紧固 件310具有帽盖312、轴314和端部316。可W使用用于与匹配工具318相互作用的凸块318来 将紧固件310保持在类似尖端115的电极尖端上，并且还可W用来在将紧固件推动穿过中间 层11时和/或当紧固件被焊接到层13上时扭转该紧固件。
[0166] 图14a和14b分别为根据本公开内容的另一个实施例的紧固件410的侧视图和俯视 图。紧固件410可W被做成一个使用如图15所示的冲压工具和电极台板的冲压件。帽盖412 在曲线C1处过渡到轴414,并且轴414在曲线C2处过渡到端部416。当围绕紧固件410的对称 轴线S旋转并受边缘412e和其在轴414上的突起部限定时，曲线C1限定了一个可W包含并密 封穿透层的、例如如图5中的1 lU所示的上涌部分的体积VI。
[0167] 图15示出了根据本公开内容的一个实施例的紧固件冲压工具505。该冲压工具可 W用于形成由例如薄钢板的巧料520制成的、与紧固件410相似的紧固件。紧固件冲压工具 505具有带成形表面522S(W虚线示出）的鐵锻模具522。由冲头526(用虚线示出的轴巧区动 的成型工具524(虚线）与鐵锻模具522-起动作，W从巧料520上形成紧固件410(图14A， 化）。在图示的实施例中，当成型工具524在被冲头526向下驱动穿过巧料520时，从巧料520 上切下紧固件410并且使之成型。作为一种替代方案，可W通过一个单独的冲头从巧料上剪 切出具有形成紧固件410所需尺寸的盘形巧件(未示出），并且在将冲头526向下驱动靠到鐵 锻模具522上W将巧件定型成紧固件410之前装载到巧件保持架530上。弹黃532可W被插在 固定器帽盖534和巧件保持架530之间，W使冲头526在已经由紧固件冲压工具505冲出紧固 件410后返回到中立位置。冲头526可W被连接到冲头保持架528上，该冲头保持架528W用 于致动冲头和压力机的传统方式被机械地、液压地或者气动地驱动。
[0168] 图16示出了焊接堆叠体605,其中，在穿透或者焊接之前将紧固件610定位成抵靠 第一个和第二层611，613。第一层611可W是侣、儀、或者铜薄板，第二层可W是钢、铁或者 Inconnel(铭儀铁合金)板。层611,613和紧固件610被夹持在第一和第二尖端615,617之间， 所述第一和第二尖端615,617与可从市场上购买到的电点焊机的下和上电极640,642电连 通，上述电点焊机诸如可从Centerline Welding,Ltd.买到的250kVA焊接工作站。
[0169] 在根据本公开内容实施的焊接操作的一个实例中，可W采用市场上可找到的 250kVA AC台式电阻点焊机来加热并将紧固件/馴钉穿过侣板钻入且焊接到钢托板上。上部 电极尖端615为被称为G-帽盖(类似于图12的尖端215)的市场上供应的电极，下部电极尖端 617为标准的平端面设计（16mm直径，RWMA型C-NoSe)。图13a和13b所示的标准帽盖螺母610 用于馴钉。连接的部件为1.5mm 7075-T6侣合金和0.7mm 270MPa锻锋钢。将帽盖螺母610放 置在G-帽盖式电极615上，接着使之抵靠在如图16所示堆叠体中的侣板。在大约1.5秒的持 续时间内产生9000安培的电流脉冲，W使帽盖螺母610穿透侣板611。在穿透之后，利用 0.166的大约15kA的电流脉冲将帽盖螺母610焊接到钢上。在钢帽盖螺母和0.7mm270M化薄 钢板之间获得了一个大约5mm直径的焊接块。
[0170] 本公开内容的各方面包括下部件变形，运是因为例如11，13的所要紧固的层在焊 接期间被保持在压力之下而且受热区主要被限制在紧固件10的帽盖(例如12)的触着部分。 例如10,20，110,210,310,410,610的紧固件相对于第一层11形成一体积^封闭通过使紧固 件刺穿第一层11而位移的金属间化合物或者材料。例如1