4突 出，与凹槽4414G相对应。在轴4414上可W多种凹口或凸起构型，与焊接区4410W的烙融金属 互锁或键入其中，W提高紧固件4410的阻力，防止在插入片11A和11B后被从中拉出来。紧固 件4410还可具有唇部4412L(图59)/4412L2(图60)，围绕帽盖4412的周边设置，当施加电流I 来软化片11A和11B时促使唇部进入片11A和/或11B的表面，并在力F1和F2的作用下进入软 化的表面11AS。在推动紧固件4410穿过片11A和11B时，烙融金属4410E可能会从片11A和11B 中溢出，在唇部441化下方流动，从而当金属4410E冷却硬化后将紧固件4410锁定到片llA 和/或11B中。焊接区4410W为环形，在片材11A和11B之间产生环形焊接，同时与凹槽4414G形 成环形互锁关系。溢出/软化的金属4410E也"勾住"帽盖4412边缘周围的唇部4412L2或与其 互锁，而在唇部4412L2与溢出/软化的金属4410E之间形成环形互锁关系。在膨胀和/或烙融 和随后的固化过程之后，片11A和11B收缩，同时勾住的唇部4414L2保持紧固件4410为压缩 状态。烙接的焊接区4410W将侣片11A和11B接合，连带着紧固件4410与片11A和11B桥接。运 样所得到的接合部4410J在搭接剪切和交叉拉伸载荷方向均具有强度。
[0223] 从上述实施例的论述中可W获知，可W驱动紧固件4410穿过一对侣片11A和11B而 焊接到第Ξ片上，例如钢片，如图11所示。尽管仅示出一个环形凹槽4412G，沿着轴4414也可 W形成适当定位的多个凹槽或其它构型，W便在紧固件穿透选定的深度时，与侣片11A和 11B的不同层交互。尽管图中仅示出两片11A和11B，紧固件4410可W固定更多片。
[0224] 图61示出力F1和F2与电流I施加期间（图60)，可W将紧固件4410推入片11A和11B (可将之统称为"层叠"S1、S2)中的不同穿透程度。取决于层叠 S1和S2的取向和片11A和11B 的厚度，紧固件4410可W全部或部分地穿入片11A和11B中的其中一片或两片中。如果紧固 件4410穿过两个厚度（图61A)，在接合部4410J1处，剪切载荷路径将同时穿过焊接区4410W1 和钢紧固件4410。如果紧固件4410仅穿过其中一个厚度（图61B)，在接合部4410J2,剪切强 度可W完全穿过焊接区44101W2。由于接合部4410J2可W完全在层叠 S2中的多片11A、11B等 之间形成，即使紧固件没有完全穿过每一片11A和11B，运也会提供很高的晓性。通过调整施 加的力F1和F2和电流I的强度（图60)，可W控制穿透的深度。通过调整加热电流的强度和持 续时间，试用装可W提高片11A和11B内紧固件4410周围的焊接量（烙融焊接区4410W1和 4410W2的体积）。通过调整电流I和/或力F1和F2的施加强度和持续时间，使用者借助运些控 制因素使用一个紧固件4410即可将层叠 S1、S2中的多种片11A和11B接合在一起。在某些应 用中，施加的力F1和F2可W是恒力，运样通过调整电流I的施加强度和施加时间即可实现控 制。
[0225] 图62为由3片/3层11A、11B和11C所构成的层叠 S3(也被称为"：3Τ层叠"）的剖面图， 紧固件4410从一个方向将该3片/3层接合在一起。当层叠为两层结构（2Τ)时，例如如图61Α (S1)和61B(S2)所示，紧固件4410可W不穿透片11Α、11Β和11C，或者穿透其中的一片或多 片。在图62中，选择焊接电流的强度和持续时间，W便沿着紧固件4410的轴4414和根部 4414R来烙融片11Α、11Β和11C，形成接合Ξ片11Α、11Β和11C的焊接区4410W3。图中示出Ξ片 结构被接合在一起，但是，紧固件4410还可W用来接合四片/四层11Α、11Β和11C等或更多的 层叠，从而形成4Τ接合等。
[0。6]图63示出由一对紧固件4410Α和4410Β焊接在一起的Ξ层的层叠 S3。在某些工业 中，如汽车制造业，用于传统的侣接合的层叠通常不超过10mm厚（参照图63的标号Τ)，更普 遍地是在4-8mm之间。如果层叠(接合)比较厚，如超过10mm，使用两个紧固件4410A和4410B， 分别从层叠 S3的相对两侧来进行接合，则是比较有益的。可W从相对的方向来应用紧固件 4410A和4410B，运样来自两个紧固件的热量会烙化片11A、11B和11C。在图63中示出Ξ层结 构的层叠 S3(接合）。两个紧固件4410A和4410B烙化了片11A、11B和11C，使得运Ξ片汇成一 体。在图63中，每个紧固件4410A和4410B均没有完全穿透外部的两片11A和11C，但是焊接过 程中产生的热量所形成的焊接区4410W4延伸穿过片11A、11B和11C并将Ξ者接合在一起。在 另一个可选方式中，紧固件4410A和4410B完全穿过片11A、11B和lie,彼此接触并焊接在一 起，如图46-48所示的实施例那样，但是，如果紧固件4410A和4410B具有例如凹槽4410G运样 的构型，允许紧固件与焊接区4410W4形成互锁，则不需要完全穿过运些片，也可W实现预定 的目标接合强度。
[0227] 图64示出另一个方式，采用如图63所示的两个紧固件4410A和4410B，但是控制电 流I的强度和持续时间，在外部的两片11A和lie与内片11B之间分别形成独立的两个焊接区 4410W5和4410W6。与形成一个贯穿Ξ片11A、11B和lie的焊接区4410W4(图3)相比，形成两个 独立焊接区4410W5和4410W6需要的电流少。降低的电流需求可W节省能源，减少焊接引起 的崎变，并改善生产周期。
[0。引图65示出的紧固件具有帽盖4512和轴4514,与前述的紧固件4410类似，但是没有 凹槽4414G，而是在靠近根部4514R的位置形成有一圈凸珠4514B，作为"键入"焊接区4510W6 的构型，而将紧固件锁定到焊接区4510W6处，该焊接区4510W6在片11A和11B之间延伸并将 二者接合。在此实施例中，烙融的溢出金属被收集在唇部451化和凸珠圈4514B之间，形成区 域R。
[0229] 图66示出的紧固件4610中，其根部4614R具有略呈冠形的形状，可便于将紧固件 4610推入到一个片中，例如片11A。与紧固件4510类似，紧固件4610具有一圈凸珠4514B。
[0230] 图67示出的紧固件4710与紧固件4610类似，但是除了在根部4714R附近形成有凸 珠圈4714B1之外，还在轴4714上形成有第二圈凸珠4714B2。该根部4714R具有略呈冠形的形 状或者向外的弧度。
[0231] 图68示出的紧固件4810具有沿着轴4814的连续曲线（类似于沙漏的底部）而形成 的一圈凸珠4814B。相对于轴4814的更睹峭的发散式互锁构型，该"沙漏"形状可W减少穿透 片11A和/或片11B所需要的全部插入力。在一个可选方案中，可W将紧固件设计成在穿入期 间发生变形，而形成环状凸珠4814B，用W提高因与焊接区4810W互锁而形成的接合部的强 度。轴4814的直径DW小于凸珠4814B的直径DB，例如，轴的直径DW可<0.9*DB。在另一可选实 施例中，在轴4814上没有形成类似于凸珠4814B的凸起，而是可形成向内弯曲的构型，W便 与焊接区4810W键合。例如，凸珠4814B没有向外凸起，其形状是向内弯曲的，形成凹槽，与图 59所示的紧固件4410的凹槽4414G类似。
[0232] 图69示出不同的层叠 S7、S8和S9,图69A中示出片11A1和11B1，图69B中示出片11A2 和11B2,图69C中示出片11A3和11B3,运些层叠的厚度(规格)不同，可W为具有一个空间/几 何形状的一种类型的紧固件4410所接合。该紧固件的同样的多用途特征也适用于上述其它 紧固件，如4510,4610,4710,4810等。更特别的是，紧固件4410等可^用于类似图694中层叠 S7运样的薄层叠中，其中，紧固件4410的根部4414R可W穿透或者几乎穿透所有的片11A和 11B。同样的紧固件4410也可用于层叠 S8中，其中仅部分穿透片11B2,如图69B所示。在仅需 少量穿透的情况下(仅部分穿透片11A3)也可适用同样的紧固件4410,如图69C所示的层叠 S9,但是如果施加强度和时长足够的焊接电流I，所形成的焊接区4410W3可延伸穿过根部 4414R，桥接在片11A3和11B3之间。本发明的一个方面是将同一类型的紧固件，如紧固件 4410,应用在具有不同厚度的各种全侣层叠上，如层叠 S7、S8、S9等。图69中，ΤΚΤ2<Τ3,且例 如TDlmm。此外，同一类型的紧固件4410也可W用于包括除侣之外的其它非铁片层11Α、11Β 和lie的层叠组合中，该层叠可W有选择地与前述的钢材或其它材料接合，如参考本申请图 4-11所示内容或美国专利申请No. 61/839，478中图1-45所示内容，运些内容通过参考方式 引入本文。因此，与如自冲馴接(SPR)等其它接合技术中所采用的紧固件相比，因为运些其 它接合技术要求馴钉具有不同的长度，并且需要采用不同的工具W便与不同的层叠厚度相 适应，所W本发明的紧固件4410具有更广泛的应用。
[0233] 通过电阻焊接，图70示出的紧固件4410将一个片11A接合到一个密封的中空部件Μ 的壁11BW上，其中，片11Α例如为侣或其它非铁合金制成，部件Μ例如可W是侣或其它非铁合 金制成的中空且挤制的支梁。图70中，可通过直接方式实现焊接工艺，即，在力F1的作用下 将第一电极15与片11A接触，在相对的力F2的作用下将相对的电极17与密封部件Μ相接触， 并且将电流I回路到未示出的变压器。依照前述将两片或多片11Α和11Β进行接合的同样方 式，例如参照图59-69所阐释的，应用紧固件4410和焊接工艺，但是将焊接接合部4410W8形 成在片11Α和密封部件Μ的壁11BW之间。运样类型的接合与其它接合技术，如EJOTs不同， EJOTs-般要求在片11A中形成定位孔。例如SH?运样的技术通常要求将工具放在接合部的 背面一侧，运对于具有密封剖面的部件Μ通常是不容易实现的。传统的电阻电焊(RSW)在图 70所示的应用中也是比较有挑战的，因为对焊接电流的要求是，在高强度热量的作用下电 极将击破焊接接合部。
[0234] 图71示出图70中电极的另一种可选电极设置，采用间接电阻焊接工艺，形成焊接 区4410W9,通过紧固件4410将片11Α焊接到密封部件Μ的壁11BW上。如果在图70所示部位不 能使用相对的电极17,也可W通过间接方式来进行焊接工艺，即，如图71所示，通过信号电 极(pick-up e 1 ectrode) 17Ρ在没有与馴接电极15直接排成一列的位置将返回的电流I拾 获。
[0235] 图72示出在片11A和11B中由图2所示的紧固件10所形成的焊接接合部4410J的剖 面，片11A和11B均为1.6mm厚的7015-T6侣合金，在焊接完成后移除了紧固件10,并且没有在 图中示出。在此实施例中，将紧固件10朝向支撑钢片推挤，穿透片11A，穿过片11B的大部分， (该钢片图中未示出，但是靠近片11B，距离片11A较远）。紧固件10的长度不足W完全穿透片 11A和11B，因此不会焊接到钢片上。该实施例证实，紧固件10能够烙融并将侣片11A和11B在 焊接区4410W10焊接在一起。由于紧固件10没有前述的互锁构型，如441化，4414G，4414B等， 可W在片11A和11B焊接后将紧固件10移除，但是，如果紧固件10具有运种构型，与焊接区 4410W10发生相互交错，则不会很容易地将其移除。
[0236] 本发明所公开的特点包括特殊紧固件的用途，如紧固件4410和4510等，通过传统 的电阻电焊工作台将其应用到层叠 S1，S2和S3上。运样的紧固件用于接合层叠，在紧固件与 层叠之间提供机械互锁，同时提供焊接热，使得与紧固件接触的片11A和11B等能够产生局 部烙融，并形成诱铸连接或焊接。紧固件4410和4510等可W用来将单一类型的非铁金属材 料的片层接合在一起，例如侣片与侣片、儀片与儀片和铜片与铜片进行接合，或者将不同类 型的材料片层进行接合，例如侣片与铜片、侣片与儀片等之间的接合。紧固件4410和4510等 还可W通过粘结剂而被应用到片ΙΙΑ,ΙΙΒ和11C等之间的界面上。紧固件4410和4510等还可 用于异类材料片11Α和13之间的接合，如侣片与钢片之间的接合。因此，本发明的公开内容 能够广泛应用于不同材料和规格组合之间的接合。
[0237] 本发明公开的紧固件和工艺方法节省成本，而且与现有的电阻点焊生产基础设施 相容，例如应用在汽车工业生产中，并且与用于钢片电阻焊接的传统RSW设备相容。本发明 公开的紧固件和工艺方法还具有一些理想的特征，例如，在焊接期间片11A、11B和lie被保 持在压缩状态，将热影响区限制在紧固件4410、4610等的帽盖4412、4612等之内，从而使得 部件产生很小的崎变。帽盖4412、4612等与片11A之间形成的空间提供了用于汇聚金属互化 物或位移材料的容纳处，所述的金属互化物或者位移材料在焊接过程中产生或移动。焊接 期间一旦电极15完全停止，即将金属互化物密封在帽盖4412与顶部的片11A之间。如上所 述，紧固件4410和4510等具有预设的几何形状，而紧固件的不同部位也可W具有不同的设 计，例如改变部位的厚度，或允许部位在焊接过程中产生变形。在前面关于图68的凸珠圈 4814B的部分中描述了运一点，但是也可W扩展到帽盖4812和轴4814, W及图1-71所示的其 它紧固件。可变形的紧固件1〇、11〇和4410等可W应用到各种厚度的片11A、11B和lie等，因 为紧固件10、110和4410等在焊接过程中能够变形从而实现预定的穿透厚度。在某些实施例 中，紧固件1〇，11〇,4410,4610,4810等会沿着焊接区连续地巧塌和在直径上发生膨胀，在紧 固件穿透和焊接阶段将金属互化物从焊接区推出。
[0238] 在施加焊接电流I之前，如果通过紧固件导电或者能够被容易地移除，可W通过粘 结剂而将紧固件10,110,4410,4510等应用到层/片11AU1B、lie和13等之间，W及应用到 层/片的表面。紧固件10，110,4410,4510等能够在接合的片1心、118、11(：和13的一侧形成防 水接合，因为紧固件不需要穿过最远端的片，如片lie或13。
[0239] 紧固件10，110,4410,4510等可^由多种材料制成，例如不同等级的钢(如低碳钢、 高强度钢、超高强度钢、不诱钢），铁、侣、儀和铜，并且可W被施加涂层（电锻、锻锋、热浸或 渗侣），W提高抗腐蚀性能，并且可W通过单侧或双侧路径焊接工艺进行应用。紧固件10， 110,4410,4510等不要求在任何层/片11A、11B、11C或13上形成定位孔，尽管也可W在其中 一个或多个非铁材料片材上形成定位孔。
[0240] 可W在焊接后对层叠 S1、S2和S3等中所形成的空腔进行质保测量，例如检测焊接 深度、直径和体积，来对依据本发明公开所形成的焊接进行检测和分类或定级。可W采用超 声波无损检测(NDE)检测技术，对层叠 S1、S2和S3等的一侧进行检测，或者对远离紧固件10、 110、410、4410、4610等的最外钢板侧片层进行检测，来监控焊接质量。
[0241] 与抑S化JOTS), SPR和SFJ工艺相比，本发明公开的紧固件10,110,4410和4510等W 及方法采用占地面积小的设备，能够进入待焊接组件所限定的狭窄空间，并且使用的插入 力要小于SH?所需的力，运是因为片/层11A、11B和lie等在紧固件插入阶段得到了加热。本 发明公开的紧固件和工艺提供了一种用于接合高强度侣的方法，所述高强度侣在SH?操作 期间对断裂很敏感;并且，因为紧固件无需穿入钢材中，而是将非铁片材焊接到钢材上，本 发明公开的紧固件和工艺还提供了一种将非铁片材/层11A、11B、11C等与高强度和超高强 度钢材进行接合的方法。
[0242] 本发明公开的工艺方法和设备不需要旋转部件，从部件如何固定的角度而言，其 解决部件组合问题的能力与传统RSW工艺相近似。本发明公开的工艺方法和紧固件10,110， 4410和4510等展现的处理速度与传统RSW工艺类似，并且能够用于锻造和铸造侣产品。本发 明公开的工艺方法和紧固件不会受到低接合强度的双金属焊接的影响，并且适用于接合侣 和其它金属的多片结构，例如，2层侣片与1层钢片接合，1层侣片与2层钢片接合，1层金属片 与一层儀片接合，或者多层侣片11AU1B和lie彼此之间的接合。当紧固件10,110,4410和 4510等穿过时，片ΙΙΑ,ΙΙΒ和lie发生烙融，运样提高了焊接区和整个接合部的强度。
[0243] 例如图32或34中所示的多层紧固件1910、2110可W在高溫条件下应用，W防止穿 过多材料界面的扩散，运些紧固件可W具有也可W不具有如图60和66中分别示出的相互交 错构型，如构型4414F或4614B。此外，可W采用由薄膜、粘结剂或涂层1728(图28、29)或者 4250B、4260B、4270B(图57A-C)或者4382R(图58)所带来的自密封接合，W提高紧固件4410、 4510等的帽盖4412、4512等相对于层叠 S1、S2、S3等中的外片11A的密封效果。可W通过单侧 互锁工艺，将紧固件4410，4510，4610等用于将非铁材料层/片11A、11B等或非铁材料片11A、 11B、11C等与铁片13接合，运样形成的接合不会造成最外侧的片，如片11C或片13,的外表面 产生变形。本发明公开的紧固件4410、4510、4610等通过将额外的材料导入紧固件帽盖 4412、4512等之内，可适用于接合不同厚度范围的片/层11A、11B、11C等，所述紧固件帽盖像 图42所示的紧固件2910那样，在焊接过程期间发生压缩。
[0244] 本发明公开的紧固件4410、4510、4610等可W由侣、侣合金、钢、不诱钢、铜和/或铁 制成。本发明公开的紧固件4410、4510、4610等具有两种或多种材料组分，例如，两种类型的 侣合金，例如如图32-37所示的双层或Ξ层叠层，W实现电阻焊接和较低的热加工，例如电 阻针焊或焊接。所获得的焊接层叠 S1、S2、S3可W展现出提高的抗疲劳性能，运是因为紧固 件4410、4510、4610等和片11A、11B、11C等在焊接过程中被保持在压缩状态。
[0245] 图73示出紧固件4910和第二层4913的剖面，该紧固件4910例如由钢、铁或两种或 Ξ种金属制成，和/或具有涂层或者经过电锻，该第二层4913例如由钢、铁、铜或侣合金制 成，该侣合金能够通过电阻焊接方式相容地焊接到紧固件4910上。例如，在第二层4913为钢 片的情况下，可W将钢紧固件4910焊接于其上。另一个例子是，如果第二层4913为侣合金 片，可W将紧固件至少部分地由侣合金制成。可W参照如图1-72所示的方式和形状来形成 紧固件4910。图73示出接合部4910J的层叠结构的剖面，该接合部4910由紧固件4910、第一 片/层4911P和第二导电片/层4913构成，第一片/层4911P例如由非导电的塑料、陶瓷、玻璃、 非导体金属或复合材料制成，第二导电片/层4913由钢、铁、铜、侣、儀或其它可W将紧固件 4910焊接其上的导电合金制成。在片4911P上形成有孔或定位孔4910H，运样，紧固件4910可 W插入孔4910H中，而无需通过电阻加热烙融后才穿过其中。采用运种方式的一个特点是， 能够借助电阻焊接允许导电的可焊接片或部件4913从一侧与非导电的片或部件4911P接 合，定位孔4910H允许紧固件4910与片4913之间产生电接触，电流流过介电/非导电层。电流 可W经过紧固件4910和片4913在电极4915和电极4917之间流动，W便在紧固件4910和片 4913之间产生焊接。此外，介电/绝缘材料可W通过相容金属紧固件10……4910附接到诸如 钢、侣、儀等导电金属上，该紧固件穿过形成于一层运种材料上的定位孔，并被W电阻焊接 的方式焊接到该导电金属层上，其中，该介电/绝缘材料例如为复合塑料，包括碳纤维加强 塑料，如侣、儀或钢与塑料形成的金属-塑料叠层，例如乔治亚州Alcoa Architectural Products of Eastman公司提供的及eynobond廢牌复合塑料，玻璃纤维丝，SMC(玻璃 钢），热固塑料，热塑塑料W及可能会含有玻璃的陶瓷。可W选择制造紧固件4910、导电片 4913和非导电片4911P的材料，用W防止片4911P在焊接期间产生烙化。例如，如果采用塑料 片4911P，通过选择钢-侣双金属紧固件4910和侣片4913组合而实现低溫度焊接。前面的内 容表明，可W使用紧固件4910将多种非导电片4911P固接到导电层4913,其中非导电片 4911P可W为一层或多层的相同或不相同材料，导电层4913可W为多种不同的材料，紧固件 4910由能够相容地焊接到导电层4913的材料制成。例如下面的例子:使用钢紧固件4910,将 塑料/复合物层4911P(包括碳纤维加强塑料、玻璃纤维丝、SMC和热固塑料)与钢层4913相接 合；使用钢紧固件4910,将陶瓷层4911P与钢层4913接合；使用侣或侣钢双金属层紧固件 4910,将塑料/复合物或陶瓷层4911P与侣层4913相接合；使用侣、儀或双层复合紧固件 4910,将塑料/复合物或陶瓷层4911P与儀层4913相接合;使用铁紧固件4910,将将塑料/复 合物或陶瓷层4911P与铁层4913相接合。
[0246] 图74示出焊接到片5013后的紧固件5010,其与图73所示的紧固件4910类似，通过 形成焊接区5010W，将片5011P(左侧)和片5011C(右侧)集获在片5013和紧固件帽盖5012之 间，而实现焊接。为图示方便并且为表明可W采用具有不同横截面构成的片，将左侧的片 5011P和右侧的片5011C显示在同一张图中。典型地，可W在接合部5010J处固接具有一种类 型横截面结构的片，如5011P或者5011C。片5011P为单一厚度的塑料片，如聚碳酸醋片或亚 克力片。片5011C为复合物片，具有一层聚合物层5011C2,其层叠在两个金属外层5011C1和 5011C3之间，例如侣层或钢层。运种类型的复合物板可W商业获得，例如，前述的Alcoa Architectural Products公司提供的Reynobond ?牌复合物。通过全部或部分由相容 材料制成的紧固件10……5010,塑料、塑料复合物和陶瓷也可与导电金属层5013结合，该导 电金属例如为侣、钢、儀、铭儀铁合金和铁。
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