用于增强的粘合剂结合的系统和方法与流程

本技术涉及用于基底材料的粘合剂结合。更具体地，本技术通过使用焊料球以多种方式提供增强的粘合剂结合。

背景技术：

结构粘合剂在许多应用中替代焊接接头和机械紧固件，原因是结构粘合剂减少了通常在焊缝接头和紧固件周围发现的疲劳和失效。在需要抵抗弯曲和振动的情况下，结构粘合剂也可以优于焊接接头和机械紧固件。

粘合剂结合使用结构粘合剂以将一种材料的基底表面连接到相同材料或不同材料的另一基底表面。粘合剂结合广泛地用于需要具有低结合温度的材料的应用中或者需要不存在电压和电流的应用中。另外，通过消除基底材料与紧固件和其他腐蚀性元件的接触，粘合剂结合可有助于提高抗腐蚀性。

当将结构粘合剂施加到基底表面时，在基底表面的汇合处形成结合线。结合线内的均匀性对于最佳粘合剂性能是一个重要因素，因此规定在设计结合接头中结合线厚度是关键的。

当存在相当大的力时，用于粘合剂结合中的结构粘合剂可以（1）沿结合线的法线被加载，这产生导致基底材料在不同平面上的剥离效应（即剥离断裂），或（2）垂直于断裂的前缘被加载，无论是在平面内还是在平面外，这在基底材料保持在相同平面上的情况下产生剪切效应（即剪切断裂）。虽然通常避免了断裂，但是如果存在断裂，那么剪切断裂优于剥离断裂，原因是剪切断裂需要的外部加载大于剥离断裂需要的外部加载以产生失效。

粘合剂就其本质而言显示出在结合过程期间用于粘结基底的类似流体特性和用于在成品组件中维持载荷的固体特性（通常称为固化的粘合剂）。粘合剂的固化可以是在粘合剂内或粘合剂和环境之间发生物理或化学能量交换时在确定时间段期间发生的物理转化和/或化学转化的过程。在能量交换时段期间，需要外部力以在粘合剂固化并获得强度之前将基底和粘合剂保持在一起。

与在基底之间形成金属合金结合时的焊接接头中不同，固化的粘合剂通过在粘合剂-基底界面处的静电或范德华力和粘合剂内的聚合物结合将基底保持在一起。由于粘合剂接头内的结合在遭受激活能量水平时可能变得不稳定，所以粘合剂接头通常通过焊接和机械紧固件来补充以实现长期稳定性。

电阻点焊（rsw），在固化之前的过程，其中在用粘合剂组装基底之后，通过来自电流的热量将金属基底接合。可以使用rsw以在处理粘合剂结合的组件、固化粘合剂以获得结合强度期间以及在成品产品的使用期间促进基底之间的结构稳定性。传送到点的热量（能量）的量由电极之间的电阻和电流的量级和持续时间确定。熔融结合金属（例如，钢和铝）所需的热量可导致引起粘合剂蒸发或粘合剂化学降解的高温。

技术实现要素：

存在对产生结合线均匀性并在随后的处理和使用期间提供足够的强度和稳定性的结构粘合剂的需求。本公开涉及用于建立结构粘合剂的系统和方法，所述结构粘合剂产生结合线均匀性并提供强度和尺寸稳定性，直到结构粘合剂在随后的处理期间固化。另外，本公开涉及提供结构粘合剂结合线的在线过程监控的方法。

在一个方面中，本技术包括在第一基底上分配焊料增强的粘合剂的方法，包括（i）使用第一分配喷嘴在第一基底的第一接触表面上施加粘合剂，（ii）使用第二分配喷嘴施加多个焊料球，使得多个焊料球中的至少一个在粘合剂内，以及（iii）通过导电涂布器分配多个焊料球，使得多个焊料球中的至少一个接触第一接触表面。

在另一个方面中，本技术包括在第一基底上分配焊料增强的粘合剂的方法，包括（i）定位第一基底以接收粘合剂复合物，粘合剂复合物包括在第一基底的第一接触表面上的粘合剂和多个焊料球，（ii）通过分配喷嘴在第一接触表面上施加粘合剂复合物，并且通过导电涂布器分配粘合剂复合物，使得多个焊料球中的至少一个与第一接触表面接触，以及（iii）通过导电涂布器分配粘合剂复合物，使得多个焊料球中的至少一个与第一接触表面接触。

在一些实施例中，导电涂布器以垂直于第一接触表面的方向横越结合线以在整个粘合剂中分配多个焊料球。

在一些实施例中，喷嘴控制器通过粘合剂复合物测量导电涂布器和第一基底之间的电阻差。

在一些实施例中，方法还包括通过与导电涂布器相关联的喷嘴控制器识别结合线。

在另外的实施例中，方法进一步包括使用与导电涂布器相关联的喷嘴控制器检验结合线内的故障状况，并且通过喷嘴控制器将故障状况传送到分配喷嘴外部的系统。

在又一方面中，本技术包括确定第一基底和第二基底之间的焊料增强的粘合剂的电阻的方法，包括（i）通过分配喷嘴在第一基底的第一接触表面上施加包括粘合剂和多个焊料球的粘合剂复合物，粘合剂复合物通过导电涂布器分配，使得多个焊料球中的至少一个与第一接触表面接触，（ii）将第二基底的第二接触表面定位到粘合剂复合物的与第一接触表面相反的一部分，以及（iii）将由能量存储元件通电的至少一个电阻检测器附接到第一基底和第二基底，以及（iv）向第一基底和第二基底施加电流，使得多个焊料球中的每一个产生电阻。

在一些实施例中，方法包括将电阻与由电阻控制器存储的预定电阻值比较。

在一些实施例中，方法还包括向第一基底施加热量，使得至少一个焊料球达到焊料球结合温度。

在一些实施例中，方法还包括向第一基底和第二基底施加电流，使得多个焊料球中的每一个产生电阻。

在一些实施例中，方法还包括将电阻与由电阻控制器存储的预定电阻值比较。

在一些实施例中，方法还包括向第一基底和第二基底施加电流，使得多个焊料球中的每一个产生电阻。

本技术的其它方面将在下文中部分地显而易见并部分地指出。

附图说明

图1示出具有集中在局部加热元件下面的焊料球的结合系统的侧视图。

图2示出了具有分配在整个结合线中的焊料球的结合系统的侧视图。

图3示出了图2的示例性实施例的分解透视图，含有随机分配的焊料球和局部加热元件。

图4是示出与分配工序和电阻工序相关联的方法的流程图的流程图。

图5示出了图4中的分配工序的示例性实施例。

图6示出了图4中的电阻工序的示例性实施例。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本公开的详细实施例。所公开的实施例仅仅是可以以多种和替代形式及其组合来体现的示例。如本文所使用的，例如、示例性、说明性和类似术语，扩展地涉及用作图示、样本、模式或典范的实施例。

在本说明书的精神内，将宽泛地考虑描述。例如，本文中任意两个部分之间的连接的引用旨在包括两个部分直接或间接地彼此连接。作为另一示例，本文中诸如与一个或多个功能有关地描述的单个部件，将被解释为涵盖其中替代地使用多于一个部件来执行该（多个）功能的实施例。并且反之亦然-即，本文中与一个或多个功能有关地描述的多个部件的描述将被解释为涵盖其中单个部件执行该（多个）功能的实施例。

在一些实例中，未详细描述公知的部件、系统、材料或方法，以避免使本公开变得模糊。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅作为权利要求的基础，以及作为教导本领域技术人员以使用本公开的代表性基础。

尽管本技术主要与制造汽车形式的车辆的部件有关地来描述，但是可以想到的是，本技术可以与制造其他车辆（诸如船舶和航空器以及非车辆装置）的部件有关地来实施。

i.结合系统。

现在转向附图，并且具体转向第一个图，图1示出了由附图标记100标识的结合系统。结合系统100包括用于将第一基底110接合到第二基底120的结构粘合剂200和焊料球300。

基底110，120是需要结合到彼此的材料。基底110，120可以由相同或不同的材料成分组成。典型的基底材料可以包括诸如铝、钢、镁、复合物、陶瓷等材料。

粘合剂200是用于将第一基底110的接触表面115结合到第二基底120的接触表面125的结构材料。粘合剂200在接触表面115，125之间形成结合线210。在图1和图2中，结合线210在基底110，120之间横向地延伸并且具有厚度212。

在本公开中，厚度212大约在约0.05至约0.3毫米（mm）之间。作为示例，如果接触表面115，125是比较平坦的，则结合线210可以具有大约0.2mm的厚度212，以允许最佳剪切和抗拉强度。

在图1中，分配在限定区域中的焊料球300在制造过程（例如固化过程）之前和期间具有在限定区域中结合到基底110，120中的一者或两者的能力。在接触表面115，125之间具有粘合剂200的基底110，120闭合之后，例如在固化过程中形成粘合剂结合之前，焊料球300用于将系统100保持在一起。

在图2中，在粘合剂200的大部分内并入焊料球300还提高了接合基底110，120的结合的抗断裂性。作为示例，在没有焊料球的粘合剂中的断裂阈值可以发生在大约接近1.8n/mm，然而在含有焊料球的粘合剂中的相同断裂可以发生在大约接近11.5n/mm。

本文中提供的实施例和示例示出并描述了焊料球300为球形形状，这促进了在限定区域内或整个粘合剂200中焊料球300与相邻焊料球300的均匀分配。然而，焊料球300可以包括其他形状，诸如但不限于圆柱体、矩形等。

在系统100内焊料球300在型号、形状和尺寸上可以变化。焊料球300应当允许在基底110，120中的任一者或两者上施加的压力下在至少一个焊料球和两个基底110，120之间的接触。例如，如果结合线210具有0.2mm的厚度212，则焊料球300可以具有大约接近0.2mm或更大的尺寸，以确保在结合期间焊料球300的压缩，这将确保适当的接合到接触表面115，125。

焊料球300可由任何可商业获得的材料或定制成分组成。当基底110，120的至少一者至少部分地由金属和/或金属复合物组成时，焊料球300的组成材料可以包括诸如锡（sn）、铅（pb）、银（au）、铜（cu）、锌（zn）、铋（bi）和/或类似物的材料。如果基底110，120中的至少一者至少部分地由聚合物和/或聚合物复合物组成，则焊料球300成分还可以包括聚合物材料，诸如聚碳酸酯（pc）、聚乙烯（pe）、聚丙烯（pp）、二乙烯基苯（dvb）和/或类似物。

在一些实施例中，在粘合剂200固化之前，可以使用点加热元件400（在图3中所见）来执行焊料球300到基底110，120的结合。焊料球300到基底110，120的结合允许结合线212的结构和维数保持其完整性，直到粘合剂200在随后的操作（例如，涂料）期间固化。

热元件400可以是用于将焊料球300结合到一个或两个接触表面115，125的局部加热元件。热元件可以与一个或两个基底110，120大致接触。热元件400可以用于在有利于结合的温度下执行点焊待续特定时间段。例如，当热元件大于200℃持续短持续时间（例如2至5秒）时，可以发生点焊。

热元件400可以包括平坦的或有纹理的并且包括大约1到500mm²的一个或多个圆形或正方形面。热元件400的尖端可以由导热的并且可以承受高达300℃或更高温度的任何材料构成。

在一些实施例中，热元件400可以是具有朝向基底110或基底120（无论哪一个与热元件400接触）传送热量的表面的一件式工具。一件式热元件400还可以用作压缩工具以将第二基底120压靠在粘合剂200和焊料球300上，粘合剂200和焊料球300压靠在第一基底120上，或反之亦然。当用作压缩工具时，热元件400使得焊料球300确保与接触表面115，125的接触和结合。

在一些实施例中，加热元件400可以是处于相反电位、与两个基底110，120从相反方向接触的两个电极的形式。各自具有电传导性的基底110，120和焊料球300产生足够的热量以在基底110和基底120之间形成点焊料，其为基底110，120提供足够的结合力以维持基底110，120的维数直到粘合剂200在随后的处理期间固化。两个电极也可以用作一起作用以压缩系统100以使得焊料球300可以结合到接触表面115，125的压缩工具。

焊料球300的期望特性包括但不限于（1）有利于结合的密度，（2）有利于结合的温度，和（3）超过现有技术的增加的抗拉强度。

密度应当使得焊料球在结合之前并入到粘合剂200中时保持其结构。焊料球300的密度可以是大约在约0.5和约15.00g/cm³之间。例如，包含锡-铅（sn-pb）或锡-银-铜（sb-ag-cu或sac）的焊料球可以具有大约接近7.5g/cm³的密度，其可以在基底110，120中的至少一个至少部分地由金属和/或金属复合物组成时为结合提供适当的密度。作为另一个示例，包含乙烯基苯或二乙烯基苯（dvb）的焊料球可以具有大约接近0.9g/cm³的密度。

温度应当使得焊料球300在不影响（例如，变形）基底110，120的组成材料的情况下结合。在一些实施例中，期望包括具有低于200°c的熔点以防止焊料球300从接触表面115，125剥离（例如，断裂）并提高粘合剂200的抗断裂性的焊料球。

在一些实施例中，焊料球300可以由高强度和在高温（例如高于200℃）下结合的材料组成。高温焊料球300在粘合剂固化之前在点焊中熔化，以在粘合剂固化周期期间确保基底110，120的尺寸。这些高温焊料球用于图1所示的示例中，其中焊料球位于被点焊的特定区域中。

在一些实施例中，焊料球300可以在低温（例如低于200℃）下结合。低温点焊保持系统100的结构和维数，同时粘合剂200在固化期间增强。随着在固化期间温度升高，焊料球300（包括那些先前被点焊的）熔化并与基底110，120中的一者或两者结合。当温度降低（例如，返回到环境温度）时，焊料结合形成在整个结合线212中，其中焊料球300接触基底110和120中的至少一者。

在一些实施例中，焊料球300可由包括低于和高于200℃的不同结合温度的材料组成。使用高温和低温焊料球300的组合，允许在点焊期间在热元件400下面的低温和高温焊料球300结合，同时允许低温焊料球在粘合剂固化过程期间在结合线212内其它位置处结合。

当与没有填充材料的粘合剂或包含非结合填充材料的粘合剂相比时，如在张力下测量的，系统100的抗拉强度应当更大。例如，当焊料球300与粘合剂200结合使用时，整个系统100可以具有大约在约50mpa和150mpa之间的抗拉强度，而汽车用粘合剂本身可以具有大约在约15mpa和35mpa之间的抗拉强度，以及具有玻璃珠的汽车用粘合剂可以具有大约在约15mpa和35mpa之间的抗拉强度。

在一些实施例中，结合线厚度212使得焊料球300可接合到接触表面115，125中的两者（在图1中所见）。将焊料球300接合到两个接触表面115，125具有的优点包括：促进根据需要最大量的断裂能量（即，传播裂纹所需能量的量）的断裂路径在粘合剂200中大约接近焊料球300传播的裂纹。裂纹可以（i）沿着预先识别的断裂路径222（在图1中被描绘为一系列短实线箭头）传播，（ii）沿着预先识别的断裂路径224（在图1中被描绘为一系列虚线箭头）传播，（iii）沿着预先识别的断裂路径226（在图1中被描绘为一系列长实线箭头）传播，或（iv）在粘合剂200和焊料球300的界面处停止。

断裂路径222，224，226通常与对于任何断裂的最大阻力的路径相关联。因为粘合剂200通常比基底110，120和焊料球300更弱，所以断裂路径可能延伸穿过粘合剂200，如由断裂路径222，224所示的，或沿着接触表面之一延伸，如断裂路径226所示的。

当裂纹围绕每个焊料球300传播时，断裂路径222沿着接触表面115，125中的一者形成，如图1所示。虽然图1描绘了围绕每个焊料球300朝向第一接触表面115延伸的断裂路径222，但是可选地，断裂路径222可以围绕球300中的任何一个或多个朝向第二接触表面125延伸。虽然图1将断裂路径描绘为围绕每个随后的焊料球300连续的，但实际上当断裂路径222接近每个随后的焊料球300时，断裂路径222可以（i）围绕焊料球300行进，（ii）行进穿过焊料球300，（iii）沿着接触表面115，125中的一者行进，或（iv）在粘合剂200和焊料球300的界面处停止。

当裂纹穿过焊料球300传播并且然后在到达随后的焊料球300之前传播到粘合剂200中时，形成断裂路径224。类似于断裂路径222，当断裂路径224到达每个随后的焊料球300时，断裂路径224可以（i）围绕焊料球300行进，（ii）行进穿过焊料球300，或（iii）沿着接触表面115，125中的一者行进，或（iv）在粘合剂200和焊料球300的界面处停止。

当裂纹围绕焊料球300并且沿着接触表面115，125中的一者传播时，形成断裂路径226。与断裂路径222，224不同，当形成断裂路径226时，裂纹继续沿着裂纹开始的接触表面115，125传播。

或者，裂缝可以沿着路径222，224，226停止在粘合剂200同焊料球300的任何界面处。在系统100内可能非常期望停止裂纹，原因是减少或消除裂纹传播可以防止由于断裂导致的系统100的失效。

在一些实施例中，接合线厚度212使得焊料球300仅接合到接触表面115，125中的一者。限制焊料球300接触到一个接触表面115或125的益处是能够将不同的基底材料（例如，金属材料与复合物材料（例如聚合物复合物）接合）接合而不损害任一基底110，120的完整性。

在第一基底110具有与第二基底120不同的成分的情况下，根据本技术结合基底110，120可具有与现有技术相比在结合线210处增强的强度的附加益处。具体地，例如，结合线210在并入焊料球300的情况下更强，原因是引发围绕焊料球300的断裂路径传播所需的能量高于单独在粘合剂中或沿粘合剂/金属界面的断裂路径传播所需的能量。

ii.执行均匀分配的方法-图4和图6(p027926)。

在一些实施例中，焊料球300被包含在粘合剂200中并且从分配喷嘴205分配出。焊料球300的分配可以根据工序400来监控，其可以使用电传导进行监控，如在图4中所见。用于粘合剂和焊料球的涂布和分配监控方法包括分配工序401和电阻工序402。由具有导电性的材料组成的焊料球300可以导电以确保与具有另外的导电性的基底110和/或基底120适当的接触。

在一些实施例中，在将粘合剂200从喷嘴205分配出到第一基底110的接触表面115上之后，焊料球300定位在粘合剂200内。可以根据工序400监控焊料球300的定位，可以使用电传导进行监控，如在图4所见。方法包括分配工序401和电阻工序402。由具有导电性的材料组成的焊料球300可以导电以确保与导电性不同于粘合剂200的基底110和/或基底120的适当接触。

例如，工序可以由机器人分配系统完成。分配系统可以包括下面讨论的控制器207以监控入口阀和出口阀，用于材料流的精确沉积和控制。分配系统可以被设计成准确和快速地分配粘合剂200和焊料球300，以用于诸如但不限于结合的应用。分配系统可以使用存储器等一起来存储所创建的分配程序并且快速地编程以开始生产周期。在每个分配程序中，粘合剂200可以以不同的流速施加，以确保例如粘合剂200的适当流动。

分配工序401在步骤405开始，其中定位第一基底110以单独接收粘合剂200或者接收包括粘合剂200和焊料球300的粘合剂复合物250。

接下来，在步骤410，将能量存储元件510附接到第一基底110以及导电涂布器520，如在图5中所见的。

存储元件510可以是本领域中已知的任何常规存储设备，诸如但不限于电容器、电池等。存储元件510应能够存储足够的能量以操作与测量系统100中的电阻相关联的部件（例如，导电涂布器520）。

接下来，在步骤415，激活能量存储元件510。当元件510被激活时，电流流动通过元件510到达第一基底110和导电抹刀520。

在一些实施例中，存储元件510可以通过包含处理器（未示出）的控制器502来激活。

控制器502可以是微控制器、微处理器、可编程逻辑控制器（plc）、复杂可编程逻辑器件（cpld）、现场可编程门阵列（fpga）等。可以通过使用代码库、静态分析工具、软件、硬件、固件等来发展控制器。硬件或固件的任何使用包括可从fpga获得的一定程度的灵活性和高性能，从而结合单一用途和通用系统的优点。在阅读本说明书之后，对于相关领域的技术人员来说，如何使用其它计算机系统和/或计算机体系结构来实施本技术将变得显而易见。

控制器502可以包括诸如但不限于处理器、数据端口、具有在能量存储器510中使用的软件和数据类别的存储器等的结构。

接下来，在步骤420，在图5中所见的分配喷嘴205被通电。当喷嘴205通电时，允许粘合剂复合物250流到第一基底110的第一接触表面115上。

喷嘴205可以包括适于分配粘合剂复合物250的任何常规喷嘴。例如，喷嘴205可以是机器人粘合剂涂敷装置的一部分。该机器人涂敷装置可以包括配备有处理器（未示出）的控制器，以监控入口阀和出口阀，用于精确沉积和控制材料流。

在一些实施例中，分配喷嘴205包括控制器207。控制器207可以具有与控制器502相似的结构和功能。

接下来，在步骤430，涂敷器确定是否存在故障状况。故障状况可以包括例如粘合剂复合物250从喷嘴205不适当地流动或根本不流动。如果粘合剂复合物250不流动（例如，路径422），则工序可以在步骤440显示指示器。指示器可以是任何警告，诸如但不限于提醒、显示、警报等，其被传送到机器人涂敷装置或操作者。

作为另一示例，故障状况可以包括在粘合剂200内存在不足量的焊料球300的情形。如果存在不足量的焊料球300（例如，路径422），则工序可以在步骤440显示指示器。

当在下面的步骤465确定电阻时，可以确定足够量的焊料球300。指示器还可以包括一旦故障状况已被校正则到重新激活检测器550的复位开关。此外，一旦故障状况（例如，粘合剂分配）已被校正，复位开关就重新激活检测器。

如果没有检测到故障（例如，路径424），则在步骤450使用导电涂布器520使粘合剂复合物250平滑。

导电涂布器520包含来自能量存储元件510的电荷，其产生并施加压力以及电传导到复合物混合物，复合物混合物通过焊料球300发送电传导。导电抹刀520仅需要将足够的电力和压力施加到粘合剂复合物250，以确保粘合剂复合物250和第一基底110之间的充分接触，用于保持和适当地将粘合剂复合物250涂布在第一基底110上。

电阻工序在步骤455处开始，其中将第二基底120定位在粘合剂200和焊料球300的复合物的顶部上。

接下来，在步骤460，一个或多个电阻检测器550附接到两个基底110和120，如在图6中所见。

检测器550可以定位在基底110，120的外边缘上，以导致在线电阻570通过第一基底110，通过焊料球300（绕过非导电粘合剂200）并最终与第二基底120对齐。

接下来，在步骤465，测量在检测器550之间产生的电阻270。当检测器550被适当定位并且电阻570通过系统100时，检测电阻值作为结合到两个基底110，120的焊料结合程度的指示器。另外，检测器550可以用作点焊或电阻点焊电极。

接下来，在步骤470，工序402确定对于特定应用电阻是否是足够的。图5示出了由检测器550扫描以确定被扫描的区域内的电阻570的三个区域。区域（1）示出了接合到两个基底110，120的焊料球300；区域（2）示出了结合到仅一个基底（具体地，图4中的基底120）的焊料球300；以及区域（3）示出了没有焊料球或不足量的粘合剂。

在区域（1）中，焊料球300具有与两个基底110，120的结合，这将提供一电阻水平。在区域（2）中，被扫描的区域，焊料球300仅具有与第一基底110的结合，这将提供比情形（1）更大的电阻水平。在区域（3）中，焊料球300不包括由于不存在电流而不提供电阻的焊料球300。

在一些实施例中，期望使被扫描的区域内被提供最低限度电阻。然而，在特定情况下（例如，当基底110和120由不同的材料组成时），较高的电阻水平可能是可以接受的。

如果被扫描的区域中的一个或多个不满足期望的电阻（例如，路径472），则工序400可以在扫描区域（2）和/或区域（3）之后显示指示器，指示器可以在步骤440显示。缺少焊料结合或粘合剂结合可能导致较差的结合强度，因此作为修复的手段，可以使用相同的电阻检测电极通过增加由电极施加在基底110，120上的压力和在基底110，120之间通过大量的电流来建立电阻点焊。

如果被扫描的区域满足期望的电阻（例如，路径474），则在步骤480，工序400将被扫描的区域传送到制造过程中的将来阶段（例如，固化）。

iii.结论。

在本文中公开了本公开的多种实施例。所公开的实施例仅仅是可以以多种和替代形式及其组合来体现的示例。

上述实施例仅仅是为了清楚地理解本公开的原理而提出的实施方式的示例性说明。

在不脱离权利要求的范围的情况下，可以对上述实施例进行改变、修改和组合。在本文中所有这些改变、修改和组合由本公开和随后的权利要求的范围包括。