结合异质材料的方法
【专利摘要】本发明提供了一种通过施加较低的压力和热以使材料变形和热影响区最小来结合异质材料——诸如将铝结合至钢——的方法。该方法包括：向焊接元件施加电流、利用加热的焊接元件使第一材料的一部分至少部分地熔化、以及利用焊接元件穿过第一材料的至少部分地熔化的部分。该方法还包括：使第二材料与加热的焊接元件接触以及使彼此接触的焊接元件的一部分和第二材料的一部分熔化以形成焊接部。焊接元件设计有头部以将第一材料限制在该头部与第二材料之间，并且焊接元件设计有用于在焊接元件穿过时接纳至少部分地熔化的第一材料的孔口。
【专利说明】
结合异质材料的方法[0001]现有申请的交叉引用[0002]本PCT专利申请要求于2014年2月11日提交的名称为“Method Of Joining Dissimilar Materials(结合异质材料的方法)”的美国临时专利申请序列号N0.61/938， 367的权益，该申请的全部公开内容被看作是本申请的公开内容的一部分并且在此通过参 引而并入。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及结合异质材料的方法、用于结合异质材料的系统以及包括已结合的异质材料的结构。【背景技术】
[0004]用于机动车辆的结构部件一一诸如横梁、立柱和纵梁一一通常包括异质材料，例如具有较高强度的第一材料和具有较高韧性的第二材料。可以利用例如焊接或铆接等各种方法来将异质材料结合在一起。用于结合异质材料的一种焊接技术是插入式焊接(insert welding)。该技术包括迫使铆钉穿过第一材料并且将铆钉焊接至第二材料。
[0005]然而，用于结合异质材料的已知方法具有与处理时间、可靠性、质量和/或成本有关的缺点。例如，当材料具有明显不同的熔点和热膨胀系数时，诸如铝和钢，焊接会成为一种挑战。嵌入件焊接还需要高负载，这意味着昂贵的设备以及对正结合材料的可能的严重损害。另外，许多焊接技术需要触及待结合材料的相对侧面，这在某些情况下是不可能的。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种在减小的压力和热并且因而使材料的变形最小且花费降低的情况下，利用焊接元件来结合异质材料的方法。该方法包括沿着第二材料布置第一材料，第一材料和第二材料是异质的。该方法还包括:沿着第一材料布置焊接元件，其中，焊接元件包括从第一端部延伸至第二端部的孔口；以及向焊接元件施加电流以对焊接元件进行加热。该方法接下来包括利用加热的焊接元件使第一材料的一部分至少部分地熔化并且穿过第一材料的至少部分地熔化的部分。第一材料的至少部分地熔化的部分可以在加热的焊接元件穿过第一材料时进入孔口的第二端部并且朝向孔口的第一端部流动。在穿过第一材料的至少部分地熔化的部分之后，该方法包括:使第二材料与加热的焊接元件接触；以及使彼此接触的焊接元件的一部分和第二材料的一部分熔化以形成焊接部。
[0007]本发明还提供了一种用于结合异质材料的系统。该系统包括沿着第二材料布置的第一材料以及沿着第一材料布置的包括孔口的焊接元件。能量源连接至主电极，并且能量源在主电极接合焊接元件的同时向主电极施加电流。加热的焊接元件使第一材料的一部分至少部分地熔化、穿过第一材料的至少部分地熔化的部分并且接触第二材料。彼此接触的焊接元件的一部分和第二材料的一部分恪化以形成焊接部。
[0008]本发明还提供了一种包括利用焊接元件结合在一起的异质材料的结构。第一材料沿着第二材料布置，并且焊接元件延伸穿过第一材料。焊接元件沿着中央轴线从第一端部延伸至第二端部，并且第二端部焊接至第二材料。焊接元件还包括沿着中央轴线从第一端部延伸至第二端部的孔口，并且该孔口可以容置第一材料的再凝固的部分。【附图说明】
[0009]图1示出了用于利用焊接元件结合异质材料的示例性方法的五个阶段；
[0010]图1A是图1中所示的第二阶段至第四阶段期间的异质材料和焊接元件的侧视截面图；
[0011]图2是另一实施方式的侧视截面图，其中，利用焊接元件结合多于两种的异质材料；
[0012]图3是根据示例性实施方式的焊接元件的俯视图，其中，焊接元件的外表面呈圆形，并且焊接元件的头部有键(keyed);
[0013]图4是根据另一示例性实施方式的焊接元件的俯视图，其中，外表面呈六边形；
[0014]图5是根据又一实施方式的焊接元件的俯视图，其中，外表面呈矩形；
[0015]图6是根据另一实施方式的带有斜切的第一端部以及孔口宽度从第一端部至第二端部减小的焊接元件的侧视截面图；
[0016]图7是根据又一实施方式的带有尖锐的第一端部以及孔口宽度从第一端部至第二端部减小的焊接元件的侧视截面图；
[0017]图8是根据另一实施方式的异质材料和焊接元件的侧视截面图，其中，焊接元件布置在第一材料的边缘处；
[0018]图8A是图8的异质材料和焊接元件的俯视图；以及
[0019]图9是根据又一实施方式的异质材料和焊接元件的侧视截面图，其中，焊接元件的头部被按压入第一材料中。【具体实施方式】
[0020]本发明提供了一种通过施加较低的压力和热并且因此使花费较低且使材料20、22 的变形最小来结合异质的第一材料20和第二材料22—一比如结合铝与钢一一的改进方法。 该方法包括至少部分地熔透第一材料20并且使第二材料22与加热的焊接元件24接触。在焊接元件24与第一材料20之间形成连接部28,并且在焊接元件24与第二材料22之间形成冶金结合部，即，焊接部26。优选地，焊接元件24的几何结构设计成在焊接部26就位以后将第一材料20限制在焊接元件24与第二材料22之间，S卩，形成原位机械结合。
[0021]图1中总体上示出了该方法的示例性实施方式。该方法首先包括提供第一材料20 和第二材料22。通常，材料20、22两者都以管或板的形式提供。材料20、22还可以是各种不同形状的铸件。材料20、22的大小和尺寸可根据产品的预期应用而改变。在示例性实施方式中，两种材料20、22都以厚度。、。不大于2mm的板的形式提供。然而，对可利用焊接元件24结合的异质材料20、22的厚度七42没有限制，原因在于焊接元件24的大小和尺寸可以被相应地设计。例如，在材料20、22具有较大厚度^山的情况下，可以将焊接元件24的长度加大。 [〇〇22]各种不同的材料组成物可以通过焊接元件24结合，但与第二材料22相比，第一材料20通常具有较低的熔点和较低的电阻率。第一材料20是非铁基金属和/或碳纤维复合材料。在示例性实施方式中，第一材料20是铝合金或其他的铝基材料，例如以标号5182出售的铝合金。第二材料22是铁基金属。在示例性实施方式中，第二材料22是钢，例如以名称 60G60G出售的类型的钢。
[0023]尽管图1和图1A的示例性实施方式示出了仅结合两种异质材料20、22的焊接元件 24,但该方法可替代性地包括结合多于两种的异质材料。图2示出了通过焊接元件24将四种材料20、22、30、32结合在一起的示例，其中，第三材料30和第四材料32布置在第一材料20与第二材料22之间。在该示例中，第三材料30由镁形成，并且第四材料32由铝形成。
[0024]该方法也以提供焊接元件24开始。在图1和图1A中所示的示例性实施方式中，焊接元件24为沿着中央轴线A从第一端部34纵向地延伸至第二端部36的铆钉。该焊接元件24包括头部38和轴40，头部38从中央轴线A向外且垂直于中央轴线A延伸，轴40沿着中央轴线A从头部38延伸至第二端部36。焊接元件24还包括外表面42，该外表面42背向中央轴线A并且具有垂直于中央轴线A延伸的外宽度Wo。第一端部34处的外宽度Wo通常大于第二端部36处的外宽度Wo。在示例性实施方式中，沿着头部38的外宽度Wo大于沿着轴40的外宽度Wo。沿着整个头部38从第一端部34至轴40的外宽度Wo恒定，并且沿着整个轴40从头部38至第二端部36 的外宽度Wo也恒定。替代性地，外宽度Wo可以在第一端部34与第二端部36之间连续地渐缩， 如图2中所示。在另一实施方式中，焊接元件24的头部38有键，如图3中所示。头部38上的有键特征可以用于进行非破坏性扭矩测试并且因此确定将材料20、22结合在一起的焊接元件 24的强度。例如，可以使用扳手来接合有键的头部38并且向焊接元件24施加扭矩以测量材料20、22之间的连接部的强度。[〇〇25]焊接元件24的外表面42在以截面观察时呈各种不同形状。在一个实施方式中，头部38的外表面42和轴40的外表面42都呈圆形，如图3中所示。焊接元件24的外表面42可替代性地呈六边形，如图4中所示，或者焊接元件24的外表面42可替代性地呈矩形，如图5中所示。此外，头部38和轴40可以呈彼此不同的形状。[〇〇26]焊接元件24还优选地包括呈现为沿着中央轴线A从第一端部34连续地延伸至第二端部36的孔口的内表面44，如图1、图2、图6和图7中所示，使得在熔透或部分地熔透第一材料20的情况下，第一材料20的至少部分地熔化的部分可以在第二端部36处进入孔口并且朝向焊接元件24的第一端部34流动。焊接元件24的外表面42在焊接元件24穿过至少部分地恪化的第一材料20时产生切割线，从而引导至少部分地熔化的第一材料20通过孔口。焊接元件24的内表面44具有垂直于中央轴线A延伸的孔口宽度Wv，该孔口宽度Wv可以根据至少部分地熔化的第一材料20期望的流动来改变。在图1和图2中所示的实施方式中，孔口宽度Wv从第一端部34至第二端部36恒定。在图6和图7中的实施方式中，第一端部34处的孔口宽度Wv 大于第二端部36处的孔口宽度Wv。在另一实施方式中，焊接元件24的内表面44包括沿着孔口的用于附接另一部件的螺纹。[〇〇27]此外，焊接元件24的端部34、36可以是平坦的或尖锐的。例如，在图1的实施方式中，第一端部34和第二端部36两者都包括平坦表面。在图2的实施方式中，第一端部34是平坦的，而第二端部36是尖锐的。在图6的实施方式中，第一端部34被开槽而呈现为平坦表面， 并且第二端部36也是平坦的。在图7中，第一端部34是尖锐的，而第二端部36是平坦的。 [〇〇28]焊接元件24可由各种不同的材料形成，但焊接元件24通常由与第一材料20相比具有更高熔点和更大电阻率并且与第二材料22相似的材料——例如钢或另一铁基材料——形成。在示例性实施方式中，焊接元件24由以名称1018钢出售的钢形成。在另一实施方式中，焊接元件24由多种不同的材料形成。例如，焊接元件24可以包括沿着第二端部36布置的不锈钢层，而焊接元件24的剩余部分由与不锈钢相比具有更高熔点和更大电阻率的铁基材料形成。可选地，可以向焊接元件24施加涂层。在一个实施方式中，焊接元件24电涂覆有不锈钢层或者错基材料例如4000系列的错合金的层。[〇〇29] 一旦已获得材料20、22和焊接元件24,该方法包括沿着第二材料22的接触表面47 并以平行于第二材料22的接触表面47的方式布置第一材料20的接触表面46。该方法还可以包括利用焊接元件24结合多于两种的异质材料。当结合额外的材料时，额外的材料30、32同样沿着第一材料20和第二材料22布置，如图2中所示。在图1和图1A中所示的示例性实施方式中，该方法包括将第二材料22布置在第一材料20上。这种位置有助于使至少部分地熔化的第一材料20流动穿过孔口，并且因此允许向焊接元件24施加较低压力。
[0030]该方法还包括在准备结合材料20、22时将焊接元件24的第二端部36布置在第一材料20的与接触表面46相反的暴露表面48上。该方法所提供的优势在于该方法仅需要触及待结合的材料20、22的一侧而非像在其他结合方法中那样触及两侧。在图1中所示的示例性实施方式中，带有保持装置52的焊接设备50将焊接元件24放置在第一材料20上。焊接元件24 通常沿着第一材料20定位，使得焊接元件24的整个外表面42在焊接元件24恪透或至少部分地熔透第一材料20之后由第一材料20包围，如图1和图2中所示。然而，焊接元件24可以沿着第一材料20的边缘布置，如图8和图8A中所示。[〇〇31]如上面提及的，该方法接下来包括:利用焊接元件24使第一材料的一部分熔化或至少部分地熔化;利用较低的力穿过第一材料20的至少部分地熔化的部分；以及在焊接元件24与第二材料22之间形成焊接部26。该步骤包括:向焊接元件24施加电流以加热焊接元件24,同时向加热的焊接元件24施加较小的压力。在示例性实施方式中，焊接设备50包括接触焊接元件24的主电极58以及向主电极58和焊接元件24提供电流的能量源54。第二材料22 提供用于主电极58的接地部，从而允许在焊接过程期间一侧触及。替代性地，单独的接地电极56可以在电流被施加时接触第二材料22。[〇〇32] 在一个实施方式中，能量源54是正连接至主电极58的AC变压器。AC变压器还提供了至第二材料22的负连接部。在该示例中，正连接部约480VAC，并且负连接部约9VAC至 21VAC。然而，可以使用其他类型的能量源54,诸如DC变压器。[〇〇33]向焊接元件24施加电流的步骤通常包括:在利用焊接元件24熔透或部分地熔透第一材料20时施加较小电流，并且一旦焊接元件24已接触第二材料22时施加相等或更大的电流以在焊接元件24与第二材料22之间形成焊接部26。例如，在示例性实施方式中，该方法包括:在主电极58接合焊接元件24的第一端部34的同时从变压器向主电极58提供电流持续第一时间段以及随后的第二时间段，其中，在第二时间段期间的电流更大。在第一时间段期间进行穿过第一材料20的至少部分地熔化的部分的步骤。在焊接元件24的第二端部36接触第二材料22的接触表面47时结束第一时间段并且开始第二时间段。之后，在第二时间段期间进行在焊接元件24与第二材料22之间形成焊接部26的步骤。[〇〇34] 可以利用传感器60来确定焊接元件24相对于材料20、22的表面中的至少一个表面的位置，并且因此确定焊接元件24的第二端部36何时接合第二材料22的接触表面47。焊接设备50使焊接元件24沿纵向连续地移动到第一材料20的至少部分地熔化的部分中，直到焊接元件24接触第二材料22为止。一旦焊接元件24接触第二材料22,焊接设备50停止按压焊接元件24或者将焊接元件24仅按压到第二材料22的熔化部分中非常短的距离以形成焊接部26。在图1、图8和图9中所示的实施方式中，焊接元件24的头部38将第一材料20限制在头部38与第二材料22之间，并且焊接部26将焊接元件24冶金结合至第二材料22以将焊接元件 24和材料20、22紧固就位。焊接部26具有高的强度和疲劳性，并且因此能够可靠地用于诸如横梁、立柱以及纵梁之类的各种汽车应用中。
[0035]如上所述，在第二时间段期间施加的电流可以大于或等于在第一时间段期间施加的电流。在示例性实施方式中，第一时间段期间的电流达到约13kA至15kA，并且第二时间段的电流更大。电流可在第一时间段结束时急剧增大或者从第一时间段至第二时间段逐渐且连续地增大。另外，电流可以在第一时间段期间和第二时间段期间恒定或变化。在示例性实施方式中，该方法包括在第一时间段期间使电流变化并且贯穿第二时间段保持电流恒定。
[0036]由于施加了不同的电流电平，因而该方法包括:与在第一时间段期间相比，在第二时间段期间将焊接元件24加热至相等或更高的温度。在示例性实施方式中，焊接元件24的温度在第二时间段期间较高。当焊接元件24由铁基材料形成时，焊接元件24的最高温度在该方法期间的任何点处都不应当超过700°C并且在第二时间段期间优选地仅在600°C以上以形成焊接部26。[0〇37]如上所述，在施加电流的同时向焊接元件24施加压力以使加热的焊接元件24移动穿过第一材料20的至少部分地熔化的部分。在示例性实施方式中，该步骤包括在主电极58 接合焊接元件24并向焊接元件24提供电流的情况下向主电极58施加载荷。与通过利用铆钉来结合材料的其他方法相比，向焊接元件24施加的载荷较低。该低压力使变形最小并且防止第一材料20和第二材料22在没有熔化或部分地熔化的部分中明显地变形。优选地，在利用较低的力穿过第一材料20的至少部分地熔化的部分的同时，加热的焊接元件24并未使第一材料20的未被加热的焊接元件24熔化或者部分地熔化的相邻部分变形。换言之，第一材料20和第二材料22并未像在用来结合异质材料的其他方法中那样被强行穿透、刺穿或刺破。通常，除了第一材料20的与焊接元件24相邻的熔化或部分熔化的部分以及第二材料22 与焊接元件24之间的焊接部26之外，第一材料20和第二材料22在整个焊接过程中保持相同形状。在示例性实施方式中，向焊接元件24施加的载荷不大于300镑并且在第一时间段和第二时间段期间保持恒定。替代性地，载荷可以贯穿任一时间段或两个时间段而变化，但仍然保持在较低的值。[〇〇38]如以上所讨论的，向加热的焊接元件24施加电流和较低压力使第一材料20的与焊接元件24的第二端部36相邻的部分熔化或部分地熔化。至少部分地熔化的第一材料20可以在第二端部36处流动到孔口中并且朝向焊接元件24的第一端部34流动穿过孔口。然而，在某些情况下，第一材料20并未流动到孔口中。第一材料20的仅较小的部分发生熔化或部分地熔化，并且剩余部分保持为固体。至少部分地熔化的第一材料20在焊接元件24周围及孔口中凝固，这可以防止焊接元件24和沿着焊接元件24布置的材料20、22腐蚀。一旦焊接元件 24的第二端部36接触第二材料22,电流增大以使焊接元件24的沿着第二端部36的部分以及第二材料22的由焊接元件24的第二端部36接触的部分熔化。焊接元件24和第二材料22的仅较小的部分熔化，并且剩余部分保持为固体。熔化的部分凝固并形成焊接部26。[〇〇39]在图1中所示的示例性实施方式中，焊接元件24的头部38压入第一材料20中较短的距离并且在第一材料20与焊接元件24的头部38之间形成连接部28。替代性地，头部38可以接触并搁置在第一材料20的暴露表面48上以形成连接部28。在该情况下，头部38保持在第一材料20外部。头部38可以替代性地被按压超过暴露表面48并且进入第一材料20中以减少沿着焊接元件24的表面的腐蚀。例如，头部38可以埋入第一材料20中。在焊接元件24不包括头部38的实施方式中，焊接元件24的第一端部34可以与第一材料20的暴露表面48齐平、 保持在第一材料20的暴露表面48外部、或者压入第一材料20的暴露表面48内以减少腐蚀。 一旦形成焊接部26,则缩回焊接设备50并且该方法可以重复进行。
[0040]如以上所讨论的，本发明的方法提供了许多优势，这些优势包括:较低的压力和热以及因此较低的花费和第一材料20与第二材料22的最小变形、两种材料20、22之间的较小热影响区、较强的焊接部26以及可能的耐腐蚀性。另外，该方法仅需要触及待结合的材料 20、22的一侧，并且对材料20、22的厚度t没有限制。该方法的另一优势是较快的周期时间。 焊接元件24穿过第一材料20的第一时间段通常少于0.5秒。形成焊接部26的第二时间段通常也少于0.5秒。在示例性实施方式中，从焊接元件24开始使第一材料20至少部分地熔化至形成焊接部26的总时间不多于0.8秒。
[0041]本发明还提供了一种用于根据上述方法结合异质材料20、22—一诸如结合铝与钢一一的系统。图1中示出了该系统的示例。该系统包括第一材料20和第二材料22、焊接元件24、焊接设备50以及能量源54。能量源54连接至焊接设备50的主电极58,并且能量源54在主电极58接合焊接元件24并且向焊接元件24施加较低压力的同时向主电极58施加电流。加热的焊接元件24使第一材料20的一部分至少部分地熔化、利用较低的力穿过第一材料20的至少部分地熔化的部分并且接触第二材料22。之后，彼此接触的焊接元件24的一部分和第二材料22的一部分熔化以形成焊接部26。该系统还可以包括确定焊接元件24何时接触第二材料22的传感器60,使得能量源54可以在焊接元件24接触第二材料22以后施加更大的电流。[〇〇42]本发明还提供了一种包括根据上述方法的通过延伸穿过第一材料20并且焊接至第二材料22的焊接元件24结合的异质材料20、22的结构。图1中示出了该结构的示例。该结构包括沿着第二材料22布置的第一材料20。第一材料20和第二材料22是异质的，例如，第一材料20可以是铝基材料，而第二材料22和焊接元件24可以是铁基材料。焊接元件24沿着中央轴线A从第一端部34延伸至第二端部36。第一端部34沿着第一材料20布置，并且第二端部 36焊接至第二材料22。焊接元件24还包括沿着中央轴线A从第一端部34延伸至第二端部36 的孔口，并且该孔口容置第一材料20的再凝固部分。[〇〇43]显然，根据以上教示，本发明的许多改型和变型都是可能的，并且本发明的这些改型和变型可以在所附权利要求的范围内以除所具体描述的之外的其他方式实施。
【主权项】
1.一种结合异质材料的方法，包括下述步骤:沿着第二材料布置第一材料，所述第一材料与所述第二材料是异质的；沿着所述第一材料布置焊接元件，所述焊接元件包括从第一端部延伸至第二端部的孔 P;向所述焊接元件施加电流以对所述焊接元件进行加热；利用加热的所述焊接元件使所述第一材料的一部分至少部分地熔化并且穿过所述第 一材料的至少部分地熔化的所述部分；在穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分之后，使所述第二材料与加热的所 述焊接元件接触；以及使彼此接触的所述焊接元件的一部分和所述第二材料的一部分熔化以形成焊接部。2.根据权利要求1所述的方法，包括将所述第一材料限制在所述焊接元件与所述第二 材料之间。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料为非铁基金属，并且所述第二材料 和所述焊接元件为铁基金属。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加电流的步骤包括施加电流持续第一时间 段以及随后的第二时间段，其中，所述第二时间段期间的电流大于或等于所述第一时间段 期间的电流，所述穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分的步骤发生在所述第一 时间段期间，所述第一时间段在所述焊接元件接触所述第二材料时结束，并且所述在所述 焊接元件与所述第二材料之间形成所述焊接部的步骤发生在所述第二时间段期间。5.根据权利要求4所述的方法，包括在所述第一时间段期间使电流变化，而在所述第二 时间段期间保持电流恒定。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述利用加热的所述焊接元件穿过所述第一材料 的至少部分地熔化的所述部分的步骤包括向加热的所述焊接元件施加不大于300镑的大小 的压力。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接元件包括外表面，所述外表面背向中央 轴线并且具有垂直于所述中央轴线延伸的外宽度，并且所述外宽度在所述第一端部处比在 所述第二端部处大。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接元件包括头部，所述头部从中央轴线向 外且垂直于所述中央轴线延伸，并且所述方法还包括使所述第一材料的暴露表面与所述焊 接元件的所述头部接触的步骤。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接元件包括头部，所述头部在所述第一端 部处从中央轴线向外并且垂直于所述中央轴线延伸，并且所述焊接元件的所述头部有键。10.根据权利要求1所述的方法，包括在向所述焊接元件施加电流的同时将所述第二材 料布置在所述第一材料上。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加电流的步骤包括在主电极接合所述焊 接元件的同时从变压器向所述主电极提供电流，并且还包括在所述主电极接合所述焊接元 件并且向所述焊接元件提供电流的同时向所述主电极施加压力。12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料是铝基的并且包括板、管或铸件，所述第二材料是铁基的并且包括板、管或铸件，所述焊接元件是铁基的并且沿着中央轴线从第一端部纵向地延伸至第二端部，所述焊 接元件包括从所述中央轴线向外且垂直于所述中央轴线延伸的头部，并且所述焊接元件包 括沿着所述中央轴线从所述第一端部连续地延伸至所述第二端部的孔口；并且所述方法还 包括下述步骤:沿着所述第二材料的接触表面且以与所述第二材料的接触表面平行的方式布置所述 第一材料的接触表面；将所述第二材料布置在所述第一材料上；将所述焊接元件的所述第二端部布置在所述第一材料的与所述第一材料的所述接触 表面相反的暴露表面上；所述施加电流的步骤包括在主电极接合所述焊接元件的所述第一端部的同时从变压 器向所述主电极提供电流持续第一时间段以及随后的第二时间段，其中，所述穿过所述第 一材料的至少部分地熔化的所述部分的步骤发生在所述第一时间段期间，所述第一时间段 在所述焊接元件接触所述第二材料时结束，并且所述在所述焊接元件与所述第二材料之间 形成所述焊接部的步骤发生在所述第二时间段期间，所述第一时间段少于0.5秒，并且所述 第二时间段少于0.5秒；所述施加电流的步骤包括:与所述第一时间段相比，在所述第二时间段期间施加更大 的电流；所述施加电流的步骤包括:在所述第一时间段期间使电流变化，并且贯穿所述第二时 间段保持电流恒定；所述施加电流的步骤包括:与所述第一时间段相比，在所述第二时间段期间将所述焊 接元件加热至更高的温度；在施加电流的同时使所述第二材料与接地电极接触；在所述焊接元件穿过所述第一材料时确定所述焊接元件相对于所述第一材料和所述 第二材料的表面中的至少一个表面的位置以确定所述焊接元件的所述第二端部何时接触 所述第二材料；一旦所述焊接元件的所述第二端部接触所述第二材料，则开始具有更大的电流的所述 第二时间段；在所述主电极接合所述焊接元件并且向所述焊接元件提供电流的同时通过向所述主 电极施加载荷来向所述焊接元件施加压力；所述向所述焊接元件施加所述压力的步骤包括在所述第一时间段和所述第二时间段 期间保持所述载荷恒定；使所述第一材料的所述暴露表面与所述焊接元件的所述头部接触；以及将所述第一材料限制在所述第二材料与所述焊接元件的所述头部之间。13.—种结合异质材料的方法，包括下述步骤:沿着第二材料布置第一材料，所述第一材料和所述第二材料是异质的；沿着所述第一材料布置焊接元件，所述焊接元件包括从第一端部延伸至第二端部的孔 P;向所述焊接元件施加电流以对所述焊接元件进行加热；利用加热的所述焊接元件使所述第一材料的一部分至少部分地熔化并且穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分；在穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分之后，使所述第二材料与加热的所 述焊接元件接触；使彼此接触的所述焊接元件的一部分和所述第二材料的一部分熔化以形成焊接部；以 及将所述第一材料限制在所述焊接元件与所述第二材料之间以形成机械结合。14.一种用于结合异质材料的系统，包括:沿着第二材料布置的第一材料，所述第一材料和所述第二材料是异质的；沿着所述第一材料布置的焊接元件，所述焊接元件包括从第一端部延伸至第二端部的 孔口；连接至主电极的能量源，其中，所述能量源在所述主电极接合所述焊接元件的同时向 所述主电极施加电流，从而加热所述焊接元件以使所述第一材料的一部分至少部分地恪 化、利用所述焊接元件穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分、使所述第二材料 与所述焊接元件接触、以及使彼此接触的所述焊接元件的一部分和所述第二材料的一部分 熔化以形成焊接部。15.根据权利要求14所述的系统，包括传感器，所述传感器确定所述焊接元件何时接触 所述第二材料，并且一旦所述焊接元件接触所述第二材料则施加更大的电流。16.—种结构，包括:沿着第二材料布置的第一材料，所述第一材料和所述第二材料是异质的；延伸穿过所述第一材料的焊接元件，所述焊接元件沿着中央轴线从第一端部延伸至第 二端部，其中，所述第二端部焊接至所述第二材料，以及所述焊接元件包括从所述第一端部延伸至所述第二端部的孔口。17.根据权利要求16所述的结构，其中，所述第一材料被限制在所述焊接元件与所述第 二材料之间。18.根据权利要求17所述的结构，其中，所述焊接元件包括头部，所述头部从所述中央 轴线向外延伸以用于将所述第一材料限制在所述焊接元件的所述头部与所述第二材料之 间。
【文档编号】B23K11/24GK105980094SQ201580007688
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年2月11日
【发明人】约翰·希尔, 詹弗兰科·加比亚内利, 詹姆斯·伯恩二世, 亚斯温德·辛格, 玛丽·谢尔曼, 兰迪·贝亚尔斯
【申请人】麦格纳国际公司