专利名称：突出件焊接-粘接工件系统及方法
技术领域：
电阻点压焊接(例如，传统的点焊或缝焊)仍然是在各
种工业(包括汽车制造和建造)中连接金属工件的最常见的方法。在 这种方法中，工件l、 2通常牢固在固定情形中，并然后由两个电极3、 4接合，如图1所示。电极3、 4用以同时传送持续的力和电流通过工 件，直到在工件连接面处的合成电阻产生足够的热能以在工件间产生 熔焊池为止。然而，不合期望地是，还经常遭受外部不规则和美观性 问题。例如，由发散在工件上的力引起的凹陷5 (图la)、金属须(即 通过焊缝接头处的根部侧粘着的短材料件)和焊接飞'减(即在焊接 期间由熔化材料的松散小滴形成的伴生物)仅仅是电阻焊接过程的常 见副产物中的一部分。 这些美观性问题通常在精整过程期间解决，其中，在涂 漆之前填补凹陷并且碾磨表面活性剂。然而，不变地是这些精整过程 导致增加的成本，包括但不限于额外的材料和劳动。解决美观性问题 的要求还导致更长的制造周期，从而损害生产率。甚至在提供过精整 过程的情况下，仍有外部不规则的痕迹并且通常经过喷漆易于发现。
最后，与熔焊有关的另一问题涉及当相异材料(例如铝 和钢)的工件焊接在 一起时在接头内形成的相对脆弱的金属间区域的 产生。与同质的接头区域相比，这些区域通常呈现更低的承载强度。 因此，在现有技术中，对于便捷地实施连接多个工件的 方法仍然有需求，所述方法组合了焊接和粘合剂粘接应用的优点，且 更具体地减少了外部表面不规则和美观性问题，同时保持优良的焊接 强度和保护性的粘合剂粘接密封。
发明内容
本方法进一步用于提供密封的接头，其对于外部的污染
物(如油、油脂、水和颗粒物质)形成阻挡物。与单独地焊接或粘合 剂粘接相比，本发明方法提供呈现更大结构强度的组合的焊接和粘合 地约束的接头。在汽车装配(例如车顶板建造)中使用的情况下，还 应当知道，本发明产生较好的焊接质量，其中实现更大的粘接面积并 能够减小车顶槽宽度。最后，应当知道，将多个突出件嵌入在粘合剂 材料层中的本发明过程消除了制作突出件所需要的时间耗费，并因此 消除了对制造站和/或硬件的需要。 本发明的第一方面涉及焊接-粘接限定有相反的最外部 表面的多个工件的方法，所述方法使用包括粘合剂材料和多个嵌入在 所述粘合剂材料中的多个突出件的至少 一个连续粘合剂层。所述方法 包括以下步骤相对于工件中的一个工件，将层牢固在焊接位置中； 然后，相对于层和工件，牢固其余工件，以便呈现固定的相对情形。 在这种情形下，每一突出件和(多个)层被居中地定位在相邻的工件 之间，使得每一突出件和相邻的工件协同地限定至少 一个初始接合轴 线。所述方法这样结束，即使用电阻焊接装置沿轴线适当地接合表面， 从而使所述突出件变形并熔化，并且将粘合剂材料加热超过最低温度， 以便协同地形成接头。因此，本发明的第二方面涉及一种制造件，所述制造件适 于用于本发明焊接-粘接过程。所述制造件包括粘合剂材料层和多个嵌 入在粘合剂材料层中的、间隔开的金属突出件。本发明(包括优选的突出件构造)的其他方面和优点， 和执行相关联的焊接-粘接的方法将从下面对优选的(多个)实施例的 详细描述和附图变得显而易见。
本发明的优选实施例在下面参考附图纟皮详细地描述，其
中
图1是处于焊接之前情形下的现有技术电阻点焊装置和多个工件 的正一见图la是在图1中示出的、处于焊接之后情形下的现有技术装置和 多个工件的正4见图，特别地示出外表面凹陷；图lb是具有C形结构架的现有技术的焊接装置的正视图2是根据本发明优选实施例的电阻焊接系统的正视图，其中，
呈现圆形截面构造的自由体突出件被居中定位在第一和第二工件之
间；
图2a是图2中示出的系统在焊接力被应用到工件和突出件之后和 电流负栽被应用到工件和突出件之前的正视图2b是图2中示出的系统在焊接力和电流负载被应用到工件和突 出件之后的正视图3是根据本发明优选实施例的具有间隔的顶部和底部弯曲表面 的自由体突出件的正视图4是根据本发明优选实施例的具有带倒角边的菱形横截面的自 由体突出件的正视图，所述自由体突出件通过双电极焊接装置(以局 部视图示出)接合，具体地示出突出件-工件和电极-工件接合面；
图4a是图4中示出的突出件和工件的正视图，具体地示出居中定 位在第 一 和第二工件之间的突出件；
图5是根据本发明优选实施例的具有方形水平横截面的环形突出 件的透视图6是根据本发明优选实施例的具有圆形水平横截面的环形突出 件的透一见图7是根据本发明优选实施例的具有H形竖直横截面的自由体突 出件的透视图8是图7中示出的突出件的正视图9是根据本发明优选实施例的下部工件、新放置在焊接位置中 的突出件、以及包含有分发巻筒、具有多个在其中嵌入的突出件的缠 绕带、突出件弹射器和接收巻筒的滚动分发器的透视图； 图10是图9中示出的带的一部分的侧面正—见图； 图10a是沿图10中示出的带的A-A线所取的其部分的^黄截面； 图11是根据本发明优选实施例的下部工件、新放置在焊接位置中 的突出件和带的环绕部分、以及包含有分发巻筒、具有多个在其中嵌 入的突出件的缠绕带、修改的突出件弹射器和带剪切器、和接收巻筒 的滚动分发器的透视图；图12是根据本发明优选实施例处于焊接-粘接情形之前的多个工 件、具有在其中嵌入的球形突出件的粘合剂层、以及多个电极的示意 性正视图12a是在焊接-粘接后情形中的图12所示工件、层、突出件和 电极的示意性正视图13是根据本发明优选实施例的拉长的层的平面视图，具体示出
了多个球形突出件、粘合剂材料和常量突出件间隔；
图Ba是根据本发明优选实施例的十字形的层的平面视图，该十 字形的层具有相邻于最外的横向边缘的减小的突出件间隔；和
图，具体示出在网格构造中的^个拉长的突出件和^以及在径向带图 形中的不连续的粘合剂材料。
具体实施例方式
如在此所示并且进一步描述的，本发明焊缝12由使用电 阻焊接装置18接合至少一个自由体突出件20而产生，自由体突出件20定位在工件14、 16间。装置18可呈现为单侧焊接装置，以便流水 化组装过程。在这个构造中，导电垫板体(未示出)可被设置以支承 下部的工件16,导电垫板体相邻于焊缝12或与接头隔开的便利位置处 两者之一。如果工件14、 16和突出件20呈现足够的刚度，那么支承 就不必要。 如在现有技术中公知的，在希望缝焊的情况下，装置18 包括滚动地接合工件14、 16的轮电极。突出件宽度优选地比电极轮宽 度更小，但是不限定最大的横向尺寸。在这种构造中，应当知道，可 以产生拉长的和甚至复杂弯曲的焊缝。还应当知道，本发明通过突出 件的放置和构造而不是通过电极轮路径的准确性来确定焊缝形成的精 确性从而提供额外的优点。 工件的内表面14b、 16b由自由体突出件20间隔开并毗 邻自由体突出件20。因此，突出件20和工件14、 16协同地限定顶部 和底部接触点p,以及通过这些点的至少一个接合轴线《 (图2)。如 前面提到的， 一旦突出件20 ^皮适当地定位，以及工件14、 16和突出 件20被牢固在相对固定的情形中(例如，通过夹紧 )，那么外表面14a、 16a由焊接装置18接合，以便与(多个)接合轴线同轴地传递力和电 流。应当知道，粘附到突出件20或工件14、 16的粘合剂20a或磁力 可被用于帮助将突出件保持在焊接位置(在夹紧之前)。
0022] 优选的突出件20和工件14、 16被协同地构造使得在工 件14、 16在其外表面14a、 16a处或靠近其外表面14a、 16a的任何变 形之前，突出件20变形并完全熔化。为了此目的，突出件20由平均 熔化温度比(多种)工件材料的熔化温度更低、且更优选地比工件材料的熔化温度的90%更低的材料组成。 一旦熔化，则突出件20支配性 地形成焊池。然而，应当知道，作为"浸湿"过程的一部分，少量的 工件材料也沿着突出件-工件接合面熔化。浸湿过程使得冶金接头能够 形成在突出件20与工件14、 16之间。 为了进一步防止外表面变形，突出件20构造使得呈现最 小的顶部和底部突出件-工件接合面，这可由突出件20的横向横截面 和深度确定。每一突出件-工件接合面pw/呈现为面积比每一电极-工件 接合面ewi的面积小得多(例如小于75%,且更优选地小于25%)(图 4)。突出件20呈现沿突出件20的高度h测量的宽度轮廓，所述宽度 轮廓在突出件熔化时保持这个比率。应当知道，与电极-工件接合面的 面积相比，更小的突出件-工件接合面的面积导致施加在突出件20上 的更大压力。更优选地，为了进一步增大该比率，使用修改的顶部和 底部电才及24a、 26a (图4a),所述修改的顶部和底部电才及24a、 26a 限定了直径比标准尺寸电极的直径大得多(1.5到3倍)的平坦的工件 接合表面。 在一个合适的构造中，突出件20呈现弯曲的接合表面， 该弯曲的接合表面提供单个接触点p。例如，突出件20可限定纯圓形 的4黄截面，如图2中所示。可替换地，如图3中所示，弯曲表面可一皮 竖直地间隔开或拉长，以便增加突出件体积、保持单个横向的接触点、 并且减小最大横向突出件宽度。应当知道，如在球形或椭圆形突出件 20中，初始的单个接触点使在焊接力处的压力最大化，并因此使突出 件2 0初始变形所需的该焊接力最小化。 突出件20进一步限定总纵向长度/ (图7 ),总纵向长度 /在熔化期间根据突出件的纵向构造与接头的高度比而变化。在这点上， 应当知道， 一段线例如呈现大体常量/,同时球形突出件20将随着其 熔化呈现不断变化的/。突出件20的高度(图8)和长度(图7)被确 定尺寸以产生期望的焊缝尺寸/面积，并且更特别地根据工件材料和应 用来确定。例如，在工件14、 16主要由钢形成的情况下，工件厚度在 0. 6和2隱之间，并且该应用使得有效接头的提供非常地关键，突出件 长度优选地在5到2 0mm的范围内。更优选地，对于在0. 6到1. 2画范 围内的工件厚度来说，突出件长度大约为9mm，而且，对于在1.2到 2mm范围内的工件厚度来说，突出件长度大约为12mm。突出件直径在 0. 6到2mm的范围内，且对于在0. 6到1. 2mm范围内的工件厚度来说， 更优选地突出件直径为0. 9mm，以及对于在1. 2到2mm范围内的工件厚 度来说，更优选地突出件直径为1. 4mm。 在另一实施例中，突出件20可呈现壁厚在1到3mm范围 内的环形纵向构造。图5和6示出这种构造的方形和圆形实施例。在 待实施点焊的情况下，环形突出件20呈现不大于电极-工件接合面的 最小横向尺寸的最大外直径。应当知道，在这种构造中，即使一定量 的突出件材料将被熔化，仍保持了焊缝足迹(即焊缝的有效面积)， 并因此减小了所需的焊接力和电流负载。
0029最后，在图7-9中所示的另一实施例中，突出件20可呈 现由横构件28形成的H形竖直横截面，横构件28分开并互联两个优 选平行的外部构件30、 32。在这种构造中，突出件20被定向使得沿平 行的外部构件30、 32的顶部和底部接合工件14、 16。因此，在这种构 造中，初始的突出件-工件接合面被限制为壁厚r和深度丄如图8中 所示，横构件28呈现宽度/,和高度或厚度/;同时外部构件30、 32 进一步呈现高度/z。更优选地，横构件长度和外部构件高度被协同地构 造，以便/等于h乘以在3到8的范围的倍数。例如，A可在0. 7到2mm 的范围内，r可在0. 5到1. 5mm的范围内，/可在3到8,的范围内，z 可在0. 2到0. 5mm的范围内，以及d可在0. 6到1. 2mm的范围内。[0030在操作中，焊缝12优选地由焊接装置18形成，焊接装 置18可操作以在传送电流负载之前的最小周期(例如300ms)内传送 焊接力(图2-2b)。如居中的图2a所示，应当知道，在纯力负载下， 突出件20可经受如较硬的工件材料所碰到的显著变形。然而，更优选 地，在应用的力负荷下突出件20不显示出变形。应当知道， 一旦应用 电流负载，产生的应力还便于熔化，这从而引起能量节约。然后，在 足以熔化突出件20的持续周期(例如5到50ms )同时施加力和电流负 载。突出件20—完全熔化就立即停止力和电流负载，以便在外表面14a、 16a处没有开始形成变形(图2b)。两个周期优选地通过给定应用(即， 变量组)的反复试验而得到最优化并记录在存储介质中(未示出)。 在操作的第二模式中，优选的系统IO构造成将突出件20 自动定位在组装线装配中；并且为此目的，优选的系统10包括滚动分 发器34，例如在传统的铆接应用期间放置铆钉所使用的类型。如图9-11 所示，滚动分发器34包括分发巻筒36和接收巻筒40,分发巻筒36存 储缠绕带38,缠绕带38具有在其中的多个等间隔的嵌入突出件20。 弹射器(或"枪")42用于将突出件20从带38移除(图9)。分发 器34构造成一旦底部的工件16被适当地牢固就转移进放置位置，并 且一旦突出件20被适当地弹射和定位，就转移出放置位置。在上部工 件14被牢固在工件20顶上之后，产生焊缝12,移除连接的工件14、 16,并且适当地牢固新的下部工件16,带38前行一个突出件间隔，并 且分发器34重新回到放置位置。在一个示范性构造(图9-11 )中，带 38由利用由接收巻筒40呈现的叉形物46耙住由带38限定的多个外围 孔44而前行。可替换地，应当知道，分发器34可呈现为固定站，其 中工件和新定位的突出件20执行所述转移。带可以是10到15mm宽和 0. 5mm厚。 分发器34和装置18优选地可编程地控制，并且呈现闭 环反馈控制系统IO。例如，在这种构造中，系统10可进一步包括至少 一个传感器48 (图11 ),传感器48可操作并定向为检测工件14、 16 和/或突出件20是否被适当定位。传感器48通过控制器(未示出)可 通讯地耦连(例如，由硬件或短程无线技术连接)到分发器34和装置 18。应当知道，这有利于大量的组装过程，其中，实施隐形的突出件焊接以在焊接周期连接大量的工件组。此外，系统10可编程地构造成 访问存储介质，以便调用为给定应用先前确定的优化周期。 继续，应当知道，后一构造可包括多个突出件120,如图 12中所示。更具体地，图12和12a示出在焊接-粘接情形前后具有多 个嵌入在其中的突出件120的粘合剂层150。层150介于工件14、 16 两者之间，以便沿接头的表面区域切实地接合到工件14、 16两者。优 选的层150由基于环氧树脂的粘合剂材料组成。在焊接位置中，层优 选地呈现为限定纵向轴线与期望接合的纵向轴线相等的拉长形状；然 而，如图13a中所示，对于使用例如平面板或十字形构造的可替换构 造完全在本发明的范围内。 如图12中所示，突出件120优选地对称间隔开，并且， 限定平均直径的情况下，间隔不小于一半该直径的距离，以便每一突 出件120在熔化期间自由地膨胀并且不接合相邻的突出件120 (图 12a)。然而，应当知道，突出件120的间隔可沿层150的纵向长度或 横向宽度改变。例如，间隔可朝向层150的边缘减小以提供更坚固的 接头，该接头最好构造成经受在这些位置处的剥离力(图13a)。
0036突出件120是预先设定的尺寸(与间隔相关)，并且更 优选地呈现0.5到lmm范围内的直径。突出件120由在熔化焊接期间 典型使用的金属形成(例如，电镀锌涂层、铝合金、钢等)，且更优 选地主要由硅青铜合金组成。应当知道，在希望总合接头的情况下突 出件可以相同或者呈现相异的构成。[0037还在图12-13a中示出，每一突出件120优选地为球形， 以便单个初始的接合轴线被限定在突出件120与工件14、 16之间。然 而，如前所述，突出件120可呈现可替换的构造，例如多边形、圆柱 形和椭圆形，其中，多个初始接合轴线被限定。此外，层150呈现平 面板构造的情况下，突出件120可呈现拉长的定向在网格中的线构造， 如图13b所示。在使用网格的情况下，应当知道，平面板层可呈现不 连续的粘合剂材料区域，例如同样在13b中示出的径向带150a。 上面描述的本发明的优选形式仅仅用作示例，并且不应 该用于以限制意义解释本发明的范围。在不偏离本发明精神的情况下， 如在此提出的对示范性实施例和操作模式的显而易见的修改能够容易 地由本领域技术人员做出。据此，发明人声明关于任何装置、系统 或方法，应依据等同原则来评价本发明的保护范围，这实质上并不违 背所附权利要求书界定的本发明字面保护范围。
1权利要求
1.一种焊接-粘接限定有相反的最外部表面的多个工件的方法，所述方法使用包括粘合剂材料和多个嵌入的自由体突出件的至少一个层，所述方法包括以下步骤a.相对于所述多个工件中的一个工件，将所述至少一个层牢固在焊接位置中；b.相对于所述至少一个层和所述多个工件中的所述一个工件，牢固其余工件，以便呈现固定的相对情形，其中，每一突出件和所述至少一个层被居中地定位在相邻的工件之间，使得每一突出件和相邻的工件协同地限定至少一个初始接合轴线；和c.利用电阻焊接装置沿所述至少一个轴线相反地接合所述表面，从而使所述突出件变形并熔化，并且将粘合剂材料加热超过最低温度，以协同地形成接头。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，每一突出件呈现限定与所述工 件的单个初始接合轴线的球形构造。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，每一突出件呈现具有直径在O. 5 到lmm范围内的球形构造。
4. 如权利要求l所述的方法，其中，每一突出件呈现圆柱形形状， 并且限定与所述工件的多个初始接合轴线。
5. 如权利要求l所述的方法，其中，每一突出件由从主要包括具有 电镀锌涂层的低碳钢、铝合金和硅青铜合金的组中所选择的材料形成。
6. 如权利要求l所述的方法，其中，至少两个突出件由相异材料形成。
7. 如权利要求l所述的方法，其中，每一突出件呈现比所述工件的 平均熔化温度的9 0%更低的平均熔化温度。
8. 如权利要求l所述的方法，其中，所述工件由硬钢形成，并且每 一突出件由具有5到10微米厚电镀锌涂层的低碳钢形成。
9. 如权利要求l所述的方法，其中，所述层呈现横向和纵向尺寸， 每一突出件呈现平均直径，并且所述突出件沿所述层的纵向和横向尺 寸呈现不小于一半所述直径的常量间隔。
10.如权利要求l所述的方法，其中，所述层限定横向边缘，并且所述突出件限定在所述层的中心部分内的第 一 间隔和与所述坤黄向边缘相 邻比第一间隔更小的第二间隔。
11. 如权利要求l所述的方法，其中，所述层限定纵向边缘，并且所 述突出件限定在所述层的中心部分内的第 一 间隔和与所述纵向边缘相 邻比第 一 间隔更小的第二间隔。
12. 如权利要求l所述的方法，其中，所述层呈现横向尺寸，并且所 述电极呈现为宽度比横向尺寸更大并构造成滚动地接合所述工件的电极轮。
13. 如权利要求l所述的方法，其中，所述层呈现为平面板，并且所 述突出件呈现为网格化的线构造。
14. 如权利要求l所述的方法，其中，所述层包括多个不连续的径向 的粘合剂材料带。
15. 如权利要求l所述的方法，其中，所述层呈现为平面十字形构造。
16. —种焊接-粘接限定出相反的最外部表面的多个工件的方法，所 述方法使用至少 一 个连续的基于环氧树脂的粘合剂层和由硅青铜合金 形成的多个球形嵌入的突出件，所述方法包括以下步骤a. 相对于所述多个工件中的一个工件，将所述至少一个层牢固在 焊接位置中；b. 相对于所述至少一个层和所述多个工件中的所述一个工件，牢 固其余工件，以便呈现固定的相对情形，其中，每一突出件和 所述至少 一个层#_居中地定位在相邻的工件之间，使得每一突 出件和相邻的工件协同地限定至少 一 个初始接合轴线；和c. 利用具有电极轮的电阻焊接装置沿所述至少一个轴线相反地接 合所述表面，以及沿所述层的纵向轴线滚动所述轮，以使所述 突出件变形并熔化，并且将所述层加热超过最低温度以协同地 形成接头。
17. —种制造件，所述制造件适于用于焊接-粘接过程，并且包括粘 合剂材料层和多个嵌入在所述层内的、间隔开的金属突出件。
18. 如权利要求17所述的制造件，其中，粘合剂材料基于环氧树脂并 且所述突出件由硅青铜合金形成。
19. 如权利要求17所述的制造件，其中，所述层呈现为平面板，并且 所述突出件呈现为网格化的线构造。
20.如权利要求19所述的制造件，其中，所述层包括多个不连续的径向的粘合剂材料带。
全文摘要
本发明涉及突出件焊接-粘接多个工件的系统及方法，该方法包括步骤将具有嵌入在其中的多个突出件的至少一个粘合剂层牢固在工件间；并且使用电阻焊接装置接合所述工件，使得仅突出件熔化而形成焊池以及所述层固化而围绕焊缝形成粘合剂密封，所述粘合剂层和突出件协同地形成增强的接头。
文档编号B23K11/06GK101579779SQ200910140849
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月14日 优先权日2008年5月14日
发明者A·D·哈哈列夫 申请人:通用汽车环球科技运作公司