] 由于复合片5011C具有非传导性的聚合物的中间层，它在穿过其厚度上不是导电 性的，因此需要定位孔(pilot hole)5010H来通过电阻焊将紧固件5010附接(attach)到片 5013。与图73的孔4910H不同（孔4910H直通穿过层4911P，在紧固件轴（fastener shaft) 4914和片4911P之间留下间隙（clearance))，图74的孔5010H具有与紧固件轴5014接近的锥 形（taper)，从而在完成焊接5010W时建立密配合（close-fit)(或称接触配合（contact fit))。粘合剂或密封剂5028被示出在帽盖kap)5012的左侧，密封帽盖5012和片501 IP之间 的连接（junction)。此密封剂5028通常会被应用在帽盖5012的整个周边，但只在紧固件 5010的左侧被示出，W做说明。
[0248] 图75示出了根据本发明又一个实施例的紧固件5110,其被插入穿过第一层5111中 的定位孔5110H，W焊接到第二层5113。图75示出了包括紧固件5110及第一、第二层5111、 5113的层叠(s1:ack-up) 5130，其在焊接前定位在电极5115和5117之间。定位孔5110H具有埋 头孔(countersunk)形式的部分5110HC，W使得紧固件5110的帽盖5112在焊接完成时坐落 成与上表面5111US大致齐平。可W使用具有各种埋头孔形式的各种形状的定位孔5110H，W 适应紧固件10……5110的各种帽盖12……5112。借助于使用具有埋头孔部分5110肥的定位 孔5110H的紧固件5110而接合的片5111、5113可包括一个传导性或非传导性的上片5111或 多个上片。
[0249] 图76示出了根据本发明又一个实施例的紧固件5210,其被插入穿过形成在第一层 5211D中的定位孔5210H，W焊接到第二层5213。层5211D在其表面上具有涂层（coating) 5211D1，涂层5211D1可W是油漆、粘结剂或金属化的涂层。主要部分5211D2被示出为塑料 的，但也可W替代性地使用任何非传导性材料，例如陶瓷、塑料合成物、玻璃或塑料叠层 (plastic laminate)。层5211D2也可W是传导性材料，例如涂覆了非传导性涂层5211D1 (例 如油漆、粘结剂、抗腐蚀包覆/层例如底漆(primer)、抗诱涂层和阳极化处理的层）的侣、儀 或钢。在一个替代方案中，可W在表面5211DS上提供另一非传导性的油漆、粘结性等的层， 即中间层5211D和5213,只要定位孔延伸穿过所述油漆，W使得紧固件5210和层5213之间形 成电接触。在又一个替代方案中，层5213可W涂覆有非传导性或油漆层中间层521 ID和 5213，只要在片5213上有开口（apedure)或清洁区，W使得紧固件5210建立与片5213的电 连接。图76描绘的方式可适用于要被接合到层5213的层(或多层)5211D是被预刷漆的行业、 工艺和制造过程。接合不相似的材料(例如侣和钢)时预刷漆是常见的，W防止电锻腐蚀。在 组装之前使两个片5211D、5213中之一被涂覆，与两个片都不被涂覆或作为裸片相比，能改 善腐蚀保护。
[0250]延伸穿过片5211D的定位孔5210H使得紧固件5210延伸穿过并接合到传导层5213。 如图76所示的接合类型可W是W上相对于图59-72描述的类型，其中当被电流软化时，具有 比层5213更高烙点的紧固件5210(例如钢紧固件5210)被驱动进到层5213(例如由侣制成）。 在又一个替代方案中，层5213可W由具有与紧固件5210相当的烙点的传导性材料制成。前 述方式可使得使用电阻焊，经由紧固件5210将被刷漆的或包覆有非传导性涂层(例如阳极 化处理的涂层）的各种材料接合到传导性材料。例如，使用钢紧固件5210,由侣、儀、铁制成 的，被刷漆的或被非传导性包覆的层5211D可被接合到钢层5213。使用复合钢-侣紧固件 5210,由儀、钢、铁制成的，被刷漆的或被非传导性包覆的层5211D可被接合到侣层5213。使 用复合钢-侣紧固件5210,由侣、钢或儀制成的，被刷漆的或被非传导性包覆的层5211D可被 接合到铁层5213。
[0巧1]图77、78、79和80是分别根据本发明各替代性实施例的紧固件5310、5410、5510和 5610的立体图，分别示出了端5316、5416、5516、5616上的不同突起5316P、5416P、5516P、 5616P。突起5316P是半球形的。虽然示出了 3个突起5316P，也可采用比3更多或更少的数量。 半球形突起5316P被相对于一个表面置放时，如果被焊接电极相对于该表面压迫，会形成一 个小的面接触5316PP，因为运一面接触5316PP，在进行焊接时，突起5316P聚集向下的力和 与流过紧固件5310的电流相关联的电阻加热。即，该力和经过紧固件5310的电流必须经过 突起5316P与焊接层叠的第一表面形成的小接触面5316PP，下面将更详细地描述。在半球形 的突起5316P的情形中，一组3个定义了一个参考面，W(例如在焊接前)相对于紧固件5310 所压靠的表面来定向紧固件，从而将紧固件5310保持在相对于该表面具有所期望的朝向 (例如垂直）。图78所示的突起5416P是圆锥形，可具有尖锐或扁平的点5416PP。图79所示的 突起5516P是环形，从紧固件5510的端5516突出。在图80中，突起的形式是从紧固件5610的 端5616突出的按钮5616P。按钮5616P可具有相对于端5616的直径而选择的直径。例如，单个 按钮5616P的尺寸范围在直径上可W是从0.5到1.0mm，或者上至端5616的下侧的四分之Ξ。 对于帽盖部分 5312、5412、5512 和 5612W 及轴 5314、5414、5514 和 5614,紧固件 5310、5410、 5510和5610与上面例如在图14A、17A-20、28-37中所描述的类似，但很明显地，其中描述的 任何紧固件（例如1〇、20、30……5610)可包括类似于突起5316?、5416?、5516?、5616?的突 起。对于给定的应用，突起5316?、5416?、5516?、5616?相对于光滑的或圆角的端可提供一些 优点，例如:i)与具有较大的单一接触面的紧固件相比，可W较低的电流启动焊接;ii)较低 的电流降低了总体的接合热，并使得高强度合金可维持更高的机械和腐蚀属性；iii)突起 5316?、5416?、5516?、5616?还有助于将塑料接合到复合材料，运是因为较低的工艺电流在 紧固件5310、5410、5510、5610中引发较少的热。在紧固件中生成过量的热的紧固工艺可能 会损害复合物中的树脂；iv)与具有光滑或圆角的端16的紧固件（例如图1的紧固件10)相 比，突起5316?、5416?、5516?、5616?使得紧固件与它相对定位的（例如层11的）表面具有更 好的对齐;V)具有尖点端的突起(例如图78所示的5416PP)可用来在初始装配期间突破/刺 穿非传导性涂层(油漆、电涂层(e-coat)、粉末涂层、转化涂层(conversion coating)和多 聚膜），W建立与层叠中的底层金属的电接触，从而引发加热、穿刺和焊接。可选地，紧固件 5310、5410、5510、5610可与带或不带定位孔巧01(^)的要被接合的材料片/层(例如图4的层 11或图74的5011P)结合使用，并且可由多种材料制成，例如钢、铁、Inconel、铜、侣或儀，取 决于应用和要被接合的材料。
[0252] 图81示出了像图18所示那样的一对紧固件5410A、5410B的示意性截面图，紧固件 5410A、5410B在系列焊接的初始阶段被置于层叠 S4上，层叠 S4具有第一金属层5411和第二 金属层5413。在系列焊接期间，两个紧固件5410A、5410B从层叠 S4的相同侧在同一周期内被 同时驱动。在层5411具有涂层C(例如油漆的（如虚线所示））的情形中，当向下的力F1、F2被 应用到电极15、17P时，紧固件5410A、5410B突破片5411上的涂层C，使得电流I流过被包覆的 片5411。一旦紧固件5410A、5410B完全刺过该涂层，片5411的底部被包覆的表面（即与下部 片5413接触的表面)就被打破，并且电流能流进并穿过底片5413。在此图中，上部的被包覆 的片5411可W是侣或儀。底片5413也可W是侣、儀、钢或铁。可提供由多种材料例如铜、侣和 钢制成的支撑件5424S，W支撑柔软层541U5413。如果底层5413由于部件几何结构(例如管 形或厚度)而足够坚硬，支撑件5415S也可能不需要。穿过被包覆的上层5411和底层5413的 电流I随着紧固件5410A、5410B刺过上层5411而随时间改变，如图82所示。
[0253] 图82示出了当图78的紧固件5410A被插入到层5411、5413的双层层叠54中时的一 系列示意性截面图。层5411可W被包覆有非传导性涂层C(例如油漆），或者是未被包覆的。 图82假定了类似图81那样的设置，即具有电流IA、IB、IC流进其中的拾取电极17P，但为了简 化图示，拾取电极17P未被示出。随着紧固件5410A从层5411上部的位置（如阶段A所示)过 渡，并在阶段B开始穿刺层5411，然后在阶段C最终焊接到层5413,每一个阶段的电流水平都 有相应的变化。电流水平IA、IB和1C可W表达为电极15和拾取电极17P之间的距离的函数， 但也可W是穿过紧固件5410A和层叠 S4的路径的函数。在阶段A，电流IA被限制为流经紧固 件5410A的尖端，然后穿过第一层5411，直到拾取电极17P。在阶段B，紧固件5411a非常大的 部分与层5411接触，由于紧固件5410a穿入层5411，因此减少了紧固件5410a和层5411交界 处的电阻。运相对于IA增加了电流IB。如果层5411被涂覆，在阶段B发生的加热足W损坏在 层5411上的涂层，W至于在层5411和5413之间的导电通路被打开，由于第二层5413与第一 层5411接触，从而使电流IB的一部分通过第二层5413。电流IB从而具有两个部分，IB1流过 5411并且IB2流过层5413。由于第一层具有实质的断面区域并且与紧固件5410a密切接触， IB1在阶段B比IB2大的多。最终，当紧固件5410a在阶段C进展到与层5413接触时，在紧固件 5410a和两层5411,5413之间的接触是全面的，W至于结合起来的电流通路IC1和IC2使电流 1C比电流IB大的多，其中IC1保持大于IC2,但1C化klB2增长的快。随着在电极15和使用电极 17U之间的电阻在阶段A和B上的减少，在紧固件5410a和层5413的结合处形成焊接。如图81 所示，衬料支架5415S的使用或缺失还将影响在阶段B和C上的电流的量。由于支架代表另一 电流通路，因此由诸如铜或铜合金等材料制成高导电性的支架5415S将支持更大的电流IB、 1C，从而减少了对电流的整体电阻。采用较差的导体(例如钢铁)的支架5415S将具有较小的 效果。
[0254] 图83展示了带有一对紧固件5810a，5810b的焊接结构5800,类似于在具有层5811， 5813的双层叠层S5上被定位的并且被通过一对焊接枪/变压器5851，5853驱动到双层叠层 S4上的紧固件5410a，5410b-样。焊接枪5851，5853可^同时开火^加热各个层5811，5813， 它们分别与各层接触并通过各层驱动电流环路11，12。在结构5800中，焊接枪5851W图81和 82所示出的焊接方式起作用。即，在电极15A和17A之间的电流环11执行如上所述的关于图 81和82的连续焊接。焊接枪5853可W被用于加热层5813W促进处理过程。例如，如果层5811 和/或5813在一个或多个表面上被涂覆有非导电性涂层，加热层5813可W促使涂层的分布 W使电流、加热、穿入和焊接更快地发送。
[02W]图84展示了定位在双层叠层5730上的紧固件5710并且将要通过一对相对的焊接 电极5715,5717驱动到该双层叠层5730上。紧固件5710D已经通过上述的电阻焊接处理被驱 动到双层叠层5730上，从而生成了焊接区5710W。如果焊接处与传统的铜合金电极5715， 5717导通，非铁薄板5711,5713的焊接较厚的堆积5730,例如高于1.5mm厚，需要过大电路W 达到烙化/焊接阶段。由薄规格铁片或其他相对低导电性材料制成的处理带5717T可W被利 用W增加电阻和对于给定焊接电流所产生的热。商业上可获得的焊接系统，诸如从奥地利 化ttenbach的Fronius International公司获得的DeltaSpot电阻焊接枪能够供给和处理 处理带。处理带5717T的使用可W使结合电流被保持在20kAW下，该电流与由传统的铁质电 阻焊接的焊接装备的电流水平相似。
[0256] 图85展示了带有卷曲帽部5812轴5814的紧固件5810,轴5812具有直部5814S。类似 地，图86展示了带有卷曲帽部5912轴5914的紧固件5910,轴5912具有直部5914S，可W看出， 直部5814S和5914S是不同长度的，导致对于紧固件5810,5910的紧握范围的不同，其中较长 的直部5914S提供较长的紧握范围，使得其能够被用于与较厚的堆积结合。轴5814,5914上 各自的直部5814S，5915S的结合的一个优点在于其考虑到更简单的工具作业W产生各个紧 固件5810,5910。更具体地，类似于图15和16,工具和模具的布置可W利用带有第一部分和 第二部分的复合模具，其中第一部分用于对帽部5812,5912塑形，第二部分用于对轴5814， 5914塑形。由于紧固件5810,5910的帽部5812和5912是相同的，工具作业可W使用同样的模 具部用于帽部5812和5912并且仅用于对直部5814S，5914S塑形的模具部需要独立配置。
[0257] 图87展示了根据本发明公开的另一个实施例的紧固件6010,其具有加强帽部6012 的多个肋6012R。肋6012R可-个选择的厚度和宽度形成W控制用于给定应用的帽部 6012的弹性和可变形性。肋6012R还可W为接头扭曲或旋转提供电阻。在一个实施例中，肋 6012R可W与上涌的材料5711U(参见图84)相互作用W阻止旋转。轴6014还具有直部6014S。
[0258] 可W理解的是，在此所描述的实施例仅仅是示例性的，在不脱离本发明所公开的 主题和权利要求的精神和范围下，本领域的技术人员可W做出多种变形和修改。例如，具有 突起部5461的紧固件5410a还可W具有类似紧固件4410的凹槽4414G(图59)的紧握部件，用 于紧固两片侣或儀合金。所有的运些变形和修改都旨在包括在本公开和权利要求书所限定 的范围内。
【主权项】
1. 一种用于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，所述步骤包 括： 将第一层和第二层以物理和电接触的方式放置在一起； 以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 层的熔点，从而形成包括所述紧固件、第一层和第二层的导电堆叠体； 将电压施加到所述堆叠体上，感应出流经所述堆叠体的电流，并产生电阻热，该电阻热 使得第一层被软化； 促使所述紧固件朝向第二层地通过所述被软化的第一层，形成熔融的焊接区，该焊接 区延伸到并包括所述第二层的至少一部分； 使得所述焊接区冷却并固化，从而连接所述第一层和第二层。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在经过使得所述焊接区冷却并固化的步骤之 后，所述紧固件被保持在所述焊接区中。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述紧固件包括含有突起部的轴，该突起部 从该轴的表面延伸并在促使和冷却步骤期间延伸到所述焊接区中，该突起部增加了在所述 冷却步骤后被从所述焊接区收回的所述紧固件的电阻。4. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述紧固件包括含有凹陷部的轴，该凹陷部 延伸到该轴的表面并在促使和冷却步骤期间使得所述焊接区中的熔融金属在其中延伸，该 凹陷部增加了从所述焊接区收回的所述紧固件的电阻。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述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所述第一层上涌的材料，该上涌材料在所述冷却步 骤中与所述唇部接合，在所述帽盖和第一层之间提供机械连接。6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述帽盖能够接纳在所述促使步骤期间从所 述焊接区挤出的材料。7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层和第二层由铝、镁、铜或其合金中 的至少一种材料制成。8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一层和第二层由铝合金制成。9. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紧固件由钢或钛合金中的至少一种材料 制成。10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紧固件由铝合金制成。11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在放置步骤期间，将钢合金的第三层与远离 所述第一层的所述第二层处接触，其中，促使所述紧固件在促使步骤期间通过所述第一层 和第二层，并且还包括将所述紧固件焊接到所述第三层上的步骤。12. 如权利要求1所述的方法，还包括将至少一层有色金属的附加层以电接触的方式与 远离所述第一层的所述第二层处接触，所述焊接区在促使步骤期间延伸到所述附加层并冷 却以将所述附加层和所述第一层和第二层连接起来。13. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述层是金属片。14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二层是部分结构件。15. 如权利要求1所述的方法，还包括在施加和促使步骤之前在所述堆叠体中将第二紧 固件相对第一紧固件放置的步骤，从而使得在所述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所述第二紧固件通过所述被软化的第二 层。16. 如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述焊接区延伸通过所述第一紧固件和第 二紧固件之间的所述第一层和第二层。17. 如权利要求15所述的方法，还包括在放置步骤期间在所述第一层和第二层之间插 入第三层的步骤，该至少一个焊接区延伸通过所述第一层和第二层而延伸到所述第三层的 一部分。18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述焊接区延伸通过所述第三层。19. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过焊接电极施加电压并且还包括插入具 有比至少一个电极和堆叠体之间的电极高的电阻的材料的步骤。20. -种用于使用电阻焊接来将第一导电层紧固到第二导电层上的紧固件，包括： 帽盖， 轴，该轴从所述帽盖延伸并具有远离所述帽盖的端部； 当所述紧固件被放置在堆叠体中并在经受施加于所述堆叠体的电压时，所述紧固件能 够传导流经所述堆叠体的电流，其中，该堆叠体包括以电接触方式放置的第一导电层和第 二导电层;所述紧固件具有高于第一层和第二层的熔点，所述电流促使电阻加热并软化所 述第一层，所述轴能够穿透所述第一层并构建在所述紧固件和所述第二层之间延伸的焊接 区。21. 如权利要求20所述的紧固件，其特征在于，所述轴包括从该轴表面延伸的突起部， 该突起部能够延伸到所述焊接区中，并且增加了在固化后从所述焊接区收回的所述紧固件 的电阻。22. 如权利要求20所述的紧固件，其特征在于，所述轴包括延伸到该轴中的凹陷部，所 述凹陷部能够使得所述焊接区中的熔融金属在其中延伸，并且增加了当冷却时从所述焊接 区收回的紧固件的电阻。23. 如权利要求21所述的紧固件，其特征在于，所述轴包括延伸到该轴中的凹陷部，该 凹陷能够使得所述焊接区中的熔融金属在其中延伸，并且增加了当冷却时从所述焊接区收 回的紧固件的电阻。24. 如权利要求23所述的紧固件，其特征在于，所述轴包括多个突起部，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。25. 如权利要求20所述的紧固件，其特征在于，所述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所述焊接区挤出的材料。26. 如权利要求20所述的紧固件，其特征在于，所述紧固件关于旋转轴线对称并具有横 截面为U形的空心轴，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，从而当上涌的材料凝固时连接所述帽盖 和所述第一层。27. 如权利要求20所述的紧固件，其特征在于，所述紧固件能够连接不同堆叠的层，所 述层具有不同的厚度。28. 如权利要求21所述的紧固件，其特征在于，所述轴上的突起部在焊接过程中由于变 形而形成。29. 如权利要求20所述的紧固件，其特征在于，所述帽盖具有至少一个肋，从而增加了 对所述帽盖形变的抵抗。30. 如权利要求20所述的紧固件，其特征在于，所述轴具有基本上为圆柱体状的长部分 和非圆柱体状的部分。31. 如权利要求20所述的紧固件，还包括从其中延伸的至少一个突起部，该突起部具有 终端，该终端具有比该轴的远端的表面面积小的表面面积。32. 如权利要求31所述的紧固件，还包括多个突起部。33. 如权利要求31所述的紧固件，其特征在于，所述突起部为半球形。34. 如权利要求31所述的紧固件，其特征在于，所述突起部为圆锥形。35. 如权利要求31所述的紧固件，其特征在于，所述突起部是环形。36. 如权利要求31所述的紧固件，其特征在于，所述突起部是板，其直径比所述轴的远 端的直径小。37. -种结构，包括： 多层有色金属层； 导电紧固件具有高于所述多层中的第一层的熔点，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，所述轴具有与所述焊接区相间错杂的表面粗糙度，以抵抗所述焊接 区固化后所述紧固件从所述焊接区中移除。38. 如权利要求37所述的紧固件，其特征在于，所述紧固件包括帽盖，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所述焊接区中挤 出的材料。
【专利摘要】用于紧固像铝、镁和铜的有色金属层的装置和方法采用钢紧固件和点焊机。将紧固件和金属堆叠并且来自焊接器电流的加热使低熔点的铝变软以允许紧固件穿透铝。在紧固件和各种层之间的焊接区产生内部焊接。紧固件具有粗的轴，该轴被熔化的焊接区覆盖并且在凝固过程中难以收回。可以利用延伸通过定位孔并且焊接到货穿过导电层的可兼容材料制成的紧固件，将像塑料和陶瓷的非导电材料的层黏结到导电层上。
【IPC分类】B23K11/11
【公开号】CN105689874
【申请号】CN201510939911
【发明人】唐纳德·J·斯皮内拉, 丹尼尔·伯格斯特龙
【申请人】美铝公司
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2015年12月15日
【公告号】US20160167158, WO2016100179A1