電阻焊接緊固件、裝置和方法
【專利摘要】用于緊固像鋼和鋁的異種金屬的裝置和方法采用鋼鉚釘和點焊機。將鉚釘和金屬堆疊并且來自焊接器電流的加熱使低熔點的鋁變軟以允許鉚釘穿透鋁并焊接到鋼的薄層上。緊固件可以用于接合具有不同材料的若干薄層的堆疊體并且可以用于將由鋼或者鈦制成的帶螺紋的套管或者螺桿應用到鋁或者鎂合金結(jié)構(gòu)。還可以利用延伸通過定位孔的、由可兼容材料制成的緊固件將像塑料和陶瓷的非導電材料的薄層黏結(jié)到導電薄層上。
【專利說明】電阻焊接緊固件、裝置和方法
[0001] 相關(guān)申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求2013年6月26日提交的、名稱為"電阻焊接緊固件、裝置和方法 (Resistance Welding Fastener, Apparatus and Method)"的美國臨時申請 No. 61/839,473 的權(quán)益，該申請的公開內(nèi)容在此通過引用整體并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及用于緊固零部件的緊固件、緊固裝置和方法，更具體地說，涉及用于緊 固包括異種金屬的金屬材料的緊固件、緊固裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0004] 已知多種用于連接和裝配零件或子組件的緊固件、裝置和方法，諸如焊接、鉚接、 螺紋緊固件等。在一些情況中，會需要經(jīng)濟有效地將鋁質(zhì)零件、子組件、薄層等連接至由其 他材料制成的其他零件、子組件、薄層等上，所述其他材料諸如鋼（無涂飾的，帶涂層的，低 碳，高強度，超高強度，不銹的）、鈦合金、銅合金、鎂、塑料等。用于解決這些緊固問題的方案 包括與粘結(jié)劑和/或阻擋層相結(jié)合的機械緊固件/鉚釘，從而例如由于在異種金屬的接合 處存在原電池效應來維持足夠的接頭強度，并同時使腐蝕最小化。由于由鋁和其他材料生 成的金屬間化合物會對機械強度和耐腐蝕性產(chǎn)生不利影響，所以通常不在鋁和其他材料之 間采取直接焊接。在采用直接焊接的情況下，通常是某種類型的固態(tài)焊接（摩擦焊、電阻對 焊、超聲焊等）或者銅焊/釬焊技術(shù)，以便最大限度地減少金屬間化合物，但是，這種接頭的 機械性能有時很差或者僅適用于特定的接頭幾何形狀。
[0005] 在汽車工業(yè)中，出于成本和生產(chǎn)周期的考慮（每個單獨的接頭少于3秒鐘且可以 由機械手自動地執(zhí)行），用于將鋼與鋼連接起來的當前技術(shù)是電阻點焊（RSW)。用于將鋁連 接至鋼上的已知方法包括：使用普通的通孔鉚接/緊固件、自沖鉚接（SPR)，使用熱融自攻 絲流鉆螺釘（FDS或者商標名稱為EJ0TS)、攪拌摩擦點焊/連接（FSJ)、摩擦位連接（FBJ)， 以及使用粘結(jié)劑。這些工藝中的每一種都比鋼與鋼的電阻點焊（RSW)更具有挑戰(zhàn)性。例如， 當采用SPR將高強度鋁（超過240MPa)連接至鋼上時，鋁可能在鉚接過程中破裂。此外，高 強度鋼（>590MPa)很難穿透，需要由大型的重型鉚槍施加高等級的作用力。FSJ在汽車工 業(yè)中并沒有得到廣泛的應用，這是因為接頭性能（主要是剝離和交叉張力）相比SPR較差。 另外，F(xiàn)SJ要求非常精確的對準和裝配。當接頭的厚度增加時，該工藝的周期時間可急劇增 力口，其中，5mm到6mm的接頭堆疊可能需要7到9秒的總加工時間，這遠遠超過了制造鋼結(jié) 構(gòu)時RSW2到3秒的周期時間。FBJ使用消耗性的焊頭（bit)并使其旋轉(zhuǎn)通過鋁，然后被焊 接到鋼上。該工藝要求類似于FSJ的非常準確的對準和裝配，而且需要大的頂鍛力來焊接 至鋼上。FDS包括將螺釘旋擰到工件上，塑化多個板中的一個，其隨后變成與螺釘?shù)穆菁y互 鎖。FDS通常從一側(cè)進行，并且要求與鋼板中的定位孔對準，裝配復雜且增加了成本。因此， 一直希望有用于連接和裝配零件或子組件的替代的緊固件、裝置和方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的主題涉及一種用于通過以下步驟而使用電阻焊接來將第一導電材料緊 固到第二導電材料上的方法，即，所述步驟包括：將第一和第二材料以物理和電接觸的方式 放置在一起，第一材料具有比第二材料低的熔點；以與第一材料形成物理和電接觸的方式 放置一導電緊固件，該導電緊固件可被焊接到第二材料上且具有高于第一材料的熔點，從 而形成包括緊固件、第一材料和第二材料的導電堆疊體；將電壓施加到堆疊體上，感應出流 經(jīng)堆疊體的電流，并產(chǎn)生電阻熱，該電阻熱使得第一材料被軟化；以及促使緊固件朝向第二 材料地通過軟化的第一材料。在緊固件接觸第二材料之后，將緊固件焊接在第二材料上。
[0007] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，第一材料包括鋁、銅和鎂及其合金中的至少一種。
[0008] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，第二材料包括鋼、鈦、其合金和鉻鎳鐵合金中的至 少一種。
[0009] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件由鋼、鈦、其合金和鉻鎳鐵合金中的至少一 種材料制成。
[0010] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件的一部分覆蓋當促使緊固件穿過第一材料 時位移的第一材料的上涌部分。
[0011] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，第一材料和第二材料呈層的形式。
[0012] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述層是金屬薄板。
[0013] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，第二材料呈結(jié)構(gòu)件的形式。
[0014] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，在直接電阻焊的過程中施加所述電壓。
[0015] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，在間接電阻焊的過程中施加所述電壓。
[0016] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，在串聯(lián)電阻焊的過程中施加所述電壓。
[0017] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述堆疊體包括多層熔點低于第二材料的熔點并 低于緊固件的熔點的材料。
[0018] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述多層包括多層鋁合金。
[0019] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述多層包括一層鋁合金和一層鎂合金。
[0020] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，第二材料是第二緊固件。
[0021] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件和第二緊固件將第一材料夾緊在其間。
[0022] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，第一材料包括多層，緊固件和第二緊固件將所述 多層夾緊在一起。
[0023] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，第二緊固件具有帶螺紋的套管。
[0024] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述帶螺紋的套管延伸通過第一材料。
[0025] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，第二緊固件具有帶螺紋的螺桿。
[0026] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述緊固件和第二緊固件是相同的。
[0027] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，還包括如下所述步驟，S卩，在施加電壓步驟之前， 在緊固件、第一層和第二層中的至少一個之間施加防腐層。
[0028] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述防腐層是非導電的，并且還包括在該防腐層 上形成一個孔的步驟，電流可以在施加步驟中流過該孔。
[0029] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，通過電極施加所述電壓，至少一個所述電極具有 形狀與緊固件的形狀互補并能夠在其上接納緊固件的末端，還包括在放置步驟之前將緊固 件連接在至少一個末端上的步驟。
[0030] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，同一緊固件具有在焊接步驟期間通過變形到一種 選定的程度而將具有一定厚度的第一材料緊固到第二材料上的能力。
[0031] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述緊固件具有包含初始構(gòu)形和最終構(gòu)形的帽 蓋，并且還包括在所述施加、促使和焊接步驟期間使帽蓋從初始構(gòu)形變形為最終構(gòu)形的步 驟。
[0032] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述緊固件具有中空部分，并且還包括在放置步 驟期間將電極末端的一部分插入該中空部分的步驟。
[0033] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述緊固件具有帽蓋部和軸部，所述軸部在促使 步驟期間延伸通過所述第一層。
[0034] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述帽蓋能夠在促使和焊接步驟期間抓取從所述 第一層擠出的材料。
[0035] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述帽蓋在焊接步驟完成之后抵靠著所述第一 層。
[0036] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，電流在施加、促使和焊接步驟期間是變化的。
[0037] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，電流流動的時間周期在施加、促使和焊接步驟期 間是變化的。
[0038] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，還包括在放置緊固件的步驟之前用薄板沖壓成形 緊固件。
[0039] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件是鍍鋅、電鍍、鋅電鍍、鍍鋁或者鋅鍍層擴 散退火處理中的至少一種。
[0040] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件是不銹鋼、鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金 和鉻鎳鐵合金中的至少一種。
[0041] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，一種利用電阻焊將第一材料緊固到第二導電材料 上的方法包括：在所述第一材料上形成定位孔；以物理接觸的方式將第一和第二材料放置 在一起；通過使緊固件延伸通過所述定位孔而以與第二材料電接觸的方式放置可焊接到第 二材料上的導電緊固件；在緊固件和第二材料上施加電壓，感應出流經(jīng)所述緊固件和第二 材料的電流，產(chǎn)生電阻熱，該電阻熱使得緊固件焊接至第二材料上。
[0042] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件和第二材料是鋼、鋁、鎂、鈦和其合金中的 至少一種，而第一材料是塑料、塑性復合材料、金屬-塑料層壓材料、陶瓷、涂覆金屬、鋁、 鋼、鈦、鎂、其合金和鉻鎳鐵合金中的至少一種。
[0043] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，用于利用電阻焊而將第一導電材料緊固到第二導 電材料上的緊固件具有帽蓋、從帽蓋延伸出且具有遠離帽蓋的端部的軸身。當將緊固件放 置在包括被設(shè)置成電接觸的第一和第二導電材料的堆疊體中時，第一材料具有低于第二材 料的熔點且經(jīng)受施加到堆疊體上的電壓，所述緊固件能夠傳導流經(jīng)該堆疊體的電流，該電 流產(chǎn)生電阻熱，軟化第一材料，所述軸身能夠穿過第一材料并在遠離帽蓋的端部處焊接到 第二材料上，第一材料在所述端部被焊接到第二材料上之后被抓取在帽蓋和第二材料之 間。
[0044] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具有橫截面為U形的 空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一反向彎曲的周邊唇部。
[0045] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具有橫截面為直角U 形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一反向彎曲的周邊唇 部。
[0046] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具有橫截面為發(fā)散的 U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一反向彎曲的周邊唇 部，緊固件的壁厚在帽蓋、軸身和端部基本不變，所述端部形成一平面。
[0047]根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具有橫截面為發(fā)散的 U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一反向彎曲的周邊唇 部，所述端部形成一平面，該端部的壁厚大于軸身和帽蓋的厚度。
[0048] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具有橫截面為發(fā)散的 U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一反向彎曲的周邊 唇部，緊固件的壁厚在帽蓋、軸身和端部基本不變，所述端部形成一流線型表面（radiused surface)〇
[0049] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱，并具有橫截面為發(fā)散 的U形截面的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一反向彎曲的 周邊唇部，所述軸身緊靠具有至少一個從其外表面延伸出的花鍵的端部。
[0050] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線不對稱，其沿垂直于插入方 向測量得到的長度大于沿垂直于插入方向測量得到的寬度，并且具有橫截面為發(fā)散的U形 的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端部形成一反向彎曲的周邊唇部。
[0051] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱，并具有帶有兩個橫截 面為發(fā)散的U形的部分的空心軸身，所述兩個部分在中心朝下的匯接點處相連，所述帽蓋 從所述軸身延伸出，在U形的開口端部形成一反向彎曲的周邊唇部，所述端部是環(huán)形的。
[0052] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱，并具有帶有兩個橫截 面為發(fā)散的U形的部分的空心軸身，所述兩個部分在位于中央的帶螺紋的緊固件部分處相 連，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端部形成一反向彎曲的周邊唇部，所述端部 是環(huán)形的。
[0053] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述帶螺紋的緊固件部分是帶螺紋的套管。
[0054] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述帶螺紋的套管是端部開口的并延伸通過第一 材料上的開口。
[0055] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，所述帶螺紋的緊固件部分具有帶螺紋的螺桿。
[0056] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件包括具有帽蓋、軸身部和端部的上部以及 具有帶螺紋的套管的下部，所述上部穿過第一材料并焊接在所述下部上。
[0057] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件包括具有帽蓋、軸身部和端部的上部以及 具有帶螺紋的螺桿的下部，所述帶螺紋的螺桿從凸緣延伸出，所述上部穿過第一材料并焊 接在所述凸緣上。
[0058] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，至少一部分所述軸身的橫截面是連續(xù)的。
[0059] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，緊固件由鋼、鈦、鎂、鋁、銅、其合金和鉻鎳鐵合金 中的至少一種制成。
[0060] 根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個方面，用于利用電阻焊而將其上具有定位孔的第一非導 電材料緊固到第二導電材料上的緊固件以帽蓋、從帽蓋延伸且具有遠離帽蓋的端部的軸身 為特征。該緊固件能夠在將第一和第二材料放置成堆疊體時通過定位孔插入，該緊固件由 導電材料制成，并且能夠在經(jīng)受施加于緊固件和堆疊體上的電壓時傳導通過堆疊體的電 流，該電流產(chǎn)生電阻熱，將緊固件在遠離帽蓋的端部處焊接到第二材料上，并在所述端部被 焊接到第二材料上之后抓取位于帽蓋和第二材料之間的第一材料。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0061] 為了更加全面地理解本公開內(nèi)容，可參考以下的對示例性實施例所進行的詳細描 述并結(jié)合附圖考慮。
[0062] 圖1是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的緊固件的透視圖。
[0063] 圖2是圖1所示緊固件沿著剖面線2-2截取并沿著箭頭方向觀看的剖視圖。
[0064] 圖3是緊固件的類似于圖2的剖視圖，但是具有不同的尺寸。
[0065] 圖4是按順序地示出根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的緊固件穿過第一層插入并 被焊接到第二層上的示意圖。
[0066] 圖5是按順序地示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的緊固件穿過第一層插入 并被焊接到第二層上的示意圖。
[0067] 圖6是按順序地示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的緊固件穿過第一層插入 并被焊接到第二層上的示意圖。
[0068] 圖7是按順序地示出根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的緊固件穿過第一層插入 并被焊接到第二層上的示意圖。
[0069] 圖8是按順序地示出與圖7所示相同的緊固件穿過第一層插入并經(jīng)由單側(cè)入口焊 接到管狀構(gòu)件上的示意圖。
[0070] 圖9是按順序地示出與圖7所示相同的緊固件穿過第一層插入并以系列焊接構(gòu)成 被焊接到第二層上的示意圖。
[0071] 圖10是按順序地示出與圖7所示相同的對置的緊固件通過第一層和第二層插入 并被彼此相互地焊接在一起的示意圖。
[0072] 圖11是表示在插入或者焊接之前的與圖7所示相同的那些緊固件的示意圖，所述 緊固件位于將要被緊固的材料層的不同堆疊體附近。
[0073] 圖12是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的點焊帽蓋的側(cè)視圖。
[0074] 圖13a和13b分別是根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的緊固件的平面圖和側(cè)視 圖。
[0075] 圖14a和14b分別是根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的緊固件的側(cè)視圖和平面 圖。
[0076] 圖15是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的緊固件沖壓工具的側(cè)視圖。
[0077] 圖16是在施加根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的緊固件之前、在點焊設(shè)備中的兩 塊金屬板的透視圖。
[0078] 圖17a_17d是根據(jù)本公開內(nèi)容的替代實施例的緊固件的剖視圖。
[0079] 圖18-20分別是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個替代實施例的緊固件的平面圖和剖視圖。
[0080] 圖21是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個替代實施例的緊固件的剖視圖。
[0081] 圖22是穿過第一層插入并被焊接到第二層上的圖21所示緊固件的示意性剖視 圖。
[0082] 圖23是穿過第一層插入并被焊接到第二層上的根據(jù)本公開內(nèi)容的一個替代實施 例的緊固件的示意性剖視圖。
[0083] 圖24是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個替代實施例的緊固件的剖視圖。
[0084] 圖25是穿過第一層插入并被焊接到第二層上的圖24所示緊固件的示意性剖視 圖。
[0085] 圖26是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個替代實施例的兩件式緊固件的示意性剖視圖，其 中，第一部分穿過支撐層插入并被焊接到第二部分上。
[0086] 圖27是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個替代實施例的兩件式緊固件的示意性剖視圖，其 中，第一部分穿過支撐層插入并被焊接到第二部分上。

【具體實施方式】
[0087] 圖1和2示出了具有周邊帽蓋12和錐形軸身14的緊固件10,該錐形軸身14具 有與帽蓋12相對的圓頭的尖端16。內(nèi)部中空部Η延伸通過帽蓋12并伸入軸身14內(nèi)。緊 固件10可以由例如鋼或者鈦的、能夠承受電阻點焊加工的導電金屬制成。帽蓋12具有從 邊緣到頂部的尺寸CE以及直徑⑶。桿部具有直徑SD以及從帽蓋12到端部16的長度SL。 如下所述，這些尺寸可以根據(jù)緊固件10的用途而改變，例如，用緊固件10來進行連接的部 件的厚度和類型。在一個實例中，直徑CD可以在大約4mm到16mm的范圍內(nèi)，長度SL可以 在大約3mm到10mm的范圍內(nèi)，CE可以在大約0· 5mm到3. 0mm的范圍內(nèi)，而SD可以在大約 2mm到12mm的范圍內(nèi)。圖3示出了類似于圖1的緊固件20,但是具有不同的尺寸，即，具有 帶尖得多的端部26的更細的軸身24。
[0088] 圖4示出了使根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的緊固件10a穿過例如鋁合金的第一 層金屬11，并且被焊接到例如鋼合金的第二層金屬13上以形成層狀結(jié)構(gòu)L1。這個過程以 標記為A-E的連續(xù)階段示出。如在階段A中所示，這個加工過程可以在具有相對的電極的 傳統(tǒng)點焊工作站上進行，圖中示出電極的末端15a和17a與金屬板/層11，13間隔開，允許 緊固件10a被插在末端15a和層11之間。末端15a可以具有表面S1，該表面S1具有通過 焊接加工來容納、支撐、成型和/或保持緊固件10a的形狀。在階段B中，通過傳統(tǒng)的焊接 設(shè)備（未示出）產(chǎn)生的、以使末端15b，17b朝向彼此移動的反向作用力FI，F(xiàn)2將緊固件10b 和層11，13抓取在其間，并且通過這些元件的接合部來施加電流I。力Fl，F(xiàn)2和電流I在 整個階段B-E中都施加并且每一個的大小和持續(xù)時間可根據(jù)每個階段的要求而發(fā)生變化。 例如，在階段B中加熱/塑化鋁所需的電流I可以小于在階段D和E中發(fā)生的將鋼焊接到 鋼上時所需的電流。類似地，可以改變力Fl，F(xiàn)2以適應變化的加工要求。
[0089] 電流I將緊固件10b和層11，13中的每一個加熱至這樣一個溫度，S卩，在該溫度 下，鋁層11發(fā)生塑化并且可以由緊固件l〇b位移/刺穿。鋁層11通過電流I并且還通過 來自緊固件l〇b和層13的傳導被電阻性地加熱。緊固件10b和層13與鋁層11相比具有 較低的導熱性和導電性，從而使得可以使用通常用適合于在鋼上形成電阻點焊焊縫的電阻 點焊機獲得的低電流來產(chǎn)生塑化鋁層所需要的熱量，并且在層13上形成焊縫，這將在下文 中加以描述。由于鋁具有比鋼層13和緊固件10b(在這個示例中也是鋼的）低的熔點，鋁 層11達到允許由緊固件l〇b位移并允許緊固件10b的端部16b穿透鋁層11的塑性狀態(tài)。 如階段C所示，將緊固件10c插入鋁層11致使移動的塑化鋁的上涌部分11U升高到層11 的原始上表面11S之上。如階段D所示，緊固件10d完全刺入層11并且與鋼層13相接觸， 于是，緊固件l〇d的端部16d開始熔化和變平，而且在層13和緊固件的端部16d的界面處 開始形成熔化金屬的區(qū)域Pd。區(qū)域Pd為焊接的金屬或者"熔核"，在該處，緊固件10d和層 13的金屬熔化并混合。如階段E所示，連續(xù)地施加集中的作用力F1，F(xiàn)2和電流I導致端部 16e和桿部14e長度的一部分隨著熔化區(qū)域Pe的擴大而進一步地鈍化和熔化。階段E還示 出了帽蓋12e已經(jīng)下降到上表面11S的平面，覆蓋并密封可歸因于緊固件10e完全插入鋁 層11的上涌部分11U。
[0090] 在完成階段E后，可以移除力Fl，F(xiàn)2和電流I并且收回末端15e和17e。上述處 理過程可以在帶有阻擋層的情況下進行，例如，施加到表面11S和/或在層11，13之間的表 面預處理或者涂料/底涂層（未示出）的粘結(jié)劑層，只要阻擋層不會妨礙電流I流動以產(chǎn) 生電阻熱。這樣，可以減少異種金屬層11，13之間的接觸以及不希望有的電化學相互作用 和腐蝕。緊固件10在穿透過程和處理的焊接階段的部分熔化允許緊固件l〇a適應層11的 厚度范圍。
[0091] 緊固件10a的帽蓋12a形成了一個環(huán)形凹槽，其可以接收、抓取以及密封由于穿透 (階段B和C)和焊接（階段D和E)而在帽蓋12a在鋁層11的表面11S上"觸底"時所產(chǎn) 生的鋁和金屬間化合物。對鋁和金屬間化合物的這種約束可以顯著提高歸因于緊固件l〇a 的腐蝕性能和連接強度。帽蓋12a可以在焊接過程之前形成在緊固件10a上，或者可以在 焊接過程中就地形成。如下面參考圖8更加詳細地描述的那樣，緊固件10a的幾何形狀和 其與末端15a和表面S1的相互作用/通過末端15a和表面S1的保持能夠?qū)嵤﹩蚊婧附?(從一側(cè)進行焊接且沒有與電極末端15a直接相對的電極接觸構(gòu)件13來提供反作用力）。 末端15a可以被成型為通過緊固件10a的彈力或者彈簧載荷而由緊固件10a抓緊、但是一 旦焊接已經(jīng)完成就脫離開的形狀，所述緊固件l〇a的彈力或者彈簧載荷在焊接期間將緊固 件10a保持在末端15a上。例如，末端15可以具有周邊突緣或凹形結(jié)構(gòu)，其可由緊固件10a 的上緣彈性地且可移除地抓緊。
[0092] 緊固件10可以由例如大約1mm至4mm厚的薄板鋼制成，但是也可以按根據(jù)層11 的厚度確定的任意給定厚度制成，并且層的厚度越大則要求有更大的緊固件厚度?；蛘?，緊 固件12的軸身14可以為實心的或者半實心的。無論緊固件的厚度/空心度（針對給定表 面積的密度）如何，當將端部16焊接至板13上時，軸身14可以相稱地損毀，使得帽蓋在完 成焊接時（階段E)接觸板11的上表面11S和/或封閉任何金屬間化合物和上涌區(qū)11U。
[0093] 焊接區(qū)域Pe的最終尺寸將取決于緊固件軸身14e的初始和最終尺寸，S卩，軸身壁 的直徑、長度和厚度。緊固件軸身14e的尺寸越大，焊接區(qū)域Pe的尺寸越大。在一個實例 中，連接由〇· 5mm至4. 0mm厚度的錯制成的板11與由0· 5mm至3. 0mm厚度的鋼制成的板13 時，處于2_至8_范圍內(nèi)的焊縫直徑將會表現(xiàn)出有益的剪切和剝離強度性能。
[0094] 為了最大限度地減小具有本公開內(nèi)容的緊固件10的成品焊接產(chǎn)品的重量，可以 減小用于制作緊固件10的薄板的規(guī)格。結(jié)果，緊固件軸身14的減少的側(cè)壁強度可以導致 其在焊接加工期間過早地塌陷。為了支撐軸身14,可以將電極15a形成為延伸進中空部H， 以在中空部Η內(nèi)部分地或者完全地接合軸身14的內(nèi)表面。圖5示出了在焊接過程中處于 兩階段的替代緊固件110,即，在穿過層11伸出之前的階段Β5以及在焊接之后的階段Ε5。 具有支撐緊固件110的端部116的表面S2的電極末端115允許端部116在端部116或者 軸身（側(cè)壁）114不發(fā)生變形的情況下被推動穿過層11。該末端115具有凹陷的環(huán)形表面 S3,當將緊固件完全擠壓穿過層11以形成如階段Ε5所示的焊接區(qū)域Pg時，響應于緊固件 110被壓靠在上涌部分11U上，該凹陷的環(huán)形表面S3可以接收并形成/成形緊固件周邊的 對應區(qū)域ll〇P。
[0095] 圖6示出了步驟A6-F6的更加完整的順序，其中使用緊固件110以通過上層11 (例 如鋁板）進行點焊，從而將上層11緊固到下層13(例如鋼板）上。可以理解的是，該過程還 可以被稱為"電阻點固定"或者"電阻點鉚接"，其中緊固件110可以被描述為鉚釘，該鉚釘 被鉆入層11，在層11上形成孔并通過焊接與層13連接，緊固件的帽蓋112將層11夾緊在 層13上。當緊固件110穿透頂層11并接合底層13時，在電極末端115上的凹陷的環(huán)形表 面S3封裝且抵靠著層11，更具體地說是上涌部分11U密封。在一個示例中，階段B6和C6 可以具有大小例如從100至2000磅的關(guān)聯(lián)力F H以及大小例如從2500至24000安培的電流 水平IH，這對于塑化由鋁形成的、具有2_厚度的第一層11并且通過如下所述的緊固件焊 接至厚度為1. 〇mm的780MPa鍍鋅鋼的第二層13上是恰當?shù)模鼍o固件由低碳鋼制成，整 體直徑為16mm，總高度為3mm，且平均壁厚為1. 0mm。這些力和電流的大小僅僅是示例性的 并且取決于緊固件110以及層11和13的尺寸和成分。從階段B6轉(zhuǎn)變到C6的持續(xù)時間可 以大約為〇. 2至6. 0秒。在一個示例中，可以使用例如100磅的力，2500安培的電流以及6 秒的周期時間。力和電流的增加可能導致較短的周期時間。通過繼續(xù)實施該實例并使用相 同尺寸和特性的緊固件110及層11，13,階段D6可以采用大小例如從400至800磅的關(guān)聯(lián) 力F w以及大小例如從6000至18000安培的電流水平Iw，這對于開始熔化緊固件110和底 層13以形成熔化的焊接區(qū)域Pd是合適的。力F w的大小可以變化成在階段E6中的大小例 如從400至1000磅的力FT和大小例如從3000至12000安培的電流水平Ι τ，以形成擴大的 焊接區(qū)域，從而回火處理該焊縫并使之具有4mm至6mm的平均橫截面直徑。階段D6的完成 可能耗費例如0.1至0.5秒。在階段F6中，可以收回第一和第二電極末端115，117。可以 理解的是，由于上涌部分11U迫使帽蓋112與表面S3相符，構(gòu)建出一個緊密的相對配合，所 以在階段F6從緊固件110f上收回第一末端115時可能會有一些阻力。在某些應用中，還 可以優(yōu)選地采用預成形的緊固件來減小收回力、周期時間并且減小成形帽蓋112以使之與 表面S3和上涌部分11U相符所需的焊接力F w的量。
[0096] 圖7示出了步驟A7-F7的順序，其中使用緊固件210以實施通過過上層11 (例如鋁 板）的點焊，從而將上層11緊固到下層13 (例如鋼板）上。對緊固件210進行預成型，從 而使之在由圖6的階段D6和E6中所示的焊接力成形之后具有類似于緊固件110的形狀， 從而使得上部可以封裝和密封頂部表面，無需在焊接過程中由電極形成。由于緊固件210 是預成型的，電極末端215不需要凹陷的環(huán)形表面S3來成型帽蓋212,以在緊鄰由緊固件 210穿透之處的地方容納并抵靠著第一層11的上涌部分11U密封。結(jié)果，電極末端215可 以逐漸變細（在表面S4, S5通過圓弧過渡至支撐緊固件210的端部216的表面S2)。這允 許集中加熱、焊接和回火力FH，F(xiàn) w，F(xiàn)T以及在較小的區(qū)域上加熱、焊接和回火電流IH，Iw，Ι τ， 從而允許減小完成穿透、焊接和回火任務(wù)的力和電流。
[0097] 圖4-7描述了直接接觸焊接，其中，例如15a，17a的電阻焊電極從相對側(cè)夾緊工件 /焊接堆疊體10a，11，13。如圖8所示，使用根據(jù)本公開內(nèi)容的緊固件12, 20,110, 210的點 焊接可以利用間接焊接從一側(cè)來進行。像鋼梁或者任何其它類型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)S8可以被連 接到用于進行焊接的電壓源的一個電極上。另一個電極將電能提供給焊接末端215,以供應 用于在階段B8和C8進行加熱、在階段D8進行焊接以及在階段E8進行回火的電能。間接 焊接通常在鋼上完成，但是很難在鋁至鋁的連接點上進行。由于本公開內(nèi)容允許利用由不 同于鋁的材料制成的緊固件進行焊接，這有助于使例如鋁板的鋁層11與例如鋼管的鋼結(jié) 構(gòu)S8相結(jié)合。
[0098] 在串聯(lián)焊接中，兩個或更多的電極從單側(cè)靠近。于是，在焊接電流以串聯(lián)方式在多 個焊槍之間流動時，形成多條焊縫。圖9示出了在進行串聯(lián)焊接緊固件210a和210b時可 以采用本公開內(nèi)容的焊接方法和設(shè)備以在單個焊接操作中連接薄層/構(gòu)件11，13。電流I H 經(jīng)過電極215a，層11，13,然后通過導電的背襯條S9,返回經(jīng)過層11，13并流到電極215b。 如之前所述，電流I H加熱層11以允許由緊固件210a，210b穿過，緊固件以與層13接觸的方 式焊接在層13上。整個過程類似于上文描述的過程，但是僅示出了階段B9，D9和F9。串 聯(lián)焊接一般不在鋁上進行，但是通常使用鋼材來完成。由于本公開內(nèi)容允許用由不同于鋁 的材料制成的緊固件進行焊接，這有助于經(jīng)由串聯(lián)焊接而使例如鋁板的鋁層11與例如鋼 管或者箱結(jié)構(gòu)的鋼層/板13相結(jié)合。
[0099] 盡管前面描述的示例涉及由鋼制成的緊固件10, 20,110, 210,但是緊固件10, 20， 110,210可以由其它材料，例如鈦、鎂、涂層鋼材、電鍍鋼材或者不銹鋼制成，只要例如13 的、將要與之焊接在一起的層是適合焊接的。第一層11和隨后的（第二）層13還可以在 成分和數(shù)量上有變化。例如，第一層可以是鋁、鎂、銅或者它們的合金。第一層11還可以是 多層任意的前述成分，例如，兩層鋁，兩層鎂，或者三層或更多層的鎂、銅或者鋁。任選地，可 以在多層中使用多于一種的材料。為了穿透像層11那樣的居間層，緊固件10…210應該由 熔點比在例如B6, C6(圖6)的加熱/穿透階段期間被穿透的居間層11高的材料制成。為 了進行例如D6的焊接階段，緊固件110的材料必須與其將要被電阻焊接于其上的例如層13 的層相兼容。例如，如果層13由高強度（>590MPa)鍍鋅鋼制成，那么緊固件110可以由例 如標準低碳鋼、高強度鋼（>590MPa)或者不銹鋼等級制成。
[0100] 圖10示出了緊固件210c可以與一對置的緊固件210d-起使用，從而通過點焊 使一對例如由鋁或鎂制成的層11a，lib彼此相互結(jié)合，使得帽蓋212c，212d在其間抓取層 11a，lib。在階段A10至F10中所示的過程序與上述過程極為相似，例如，如參考圖4-7所 述的那樣，將電阻用于加熱、層的穿透以及焊接，但是不同于緊固件210c，210d到達其被焊 接于其上的層13,它們中的每一個均沿相反方向穿透中間的層11a，11b，接觸并相互焊接 在一起。
[0101] 圖11示出了可以根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例來連接的層的各種組合。如組合 G所示，材料的堆疊體可以是與在階段B7關(guān)于圖7所示并進行上述描述的堆疊體類似的鋁 11A和鋼13S。如上所述，可以將緊固件210推動穿過鋁層11A并焊接到鋼層13S上。在一 個替代方案中，層11A1，11A2之一或兩者可以是鎂/鎂合金。組合Η示出了兩層鋁11A1和 11Α2與鋼層13S的堆疊體。如上文所述，緊固件210可以被推動穿過鋁層11Α1和11Α2,然 后被焊接到鋼層13S上。組合I示出了一層鋁11Α和一層鎂11Μ與鋼層13S的堆疊體。緊 固件210可以被推動穿過鋁層11A和鎂層11M，然后被焊接到鋼層13S上。組合J示出了 鎂做外層11M、中間是鋁層11A和鋼層13S的堆疊體。緊固件210可以被推動穿過鎂層11M 和鋁層11A，然后被焊接到鋼層13S上。在G、H、I和J所示堆疊體中的每一個上，都可以使 用緊固件210來緊固圖示的層疊結(jié)構(gòu)。層的材料、厚度和數(shù)量的其他組合也可以由本公開 內(nèi)容的緊固件210,110, 20,10來固定。
[0102] 圖12示出了焊接電極末端215,其具有連接器套筒部分215S和帶有流線型錐形表 面S4和S5的焊接部分215W。類似的末端可以從CMW接觸金屬焊接www. cmwinc. com中找 到并且被稱為G-帽蓋（G_cap)。
[0103] 圖13a和13b示出了重新打算用做根據(jù)本公開內(nèi)容的緊固件310的帽蓋螺母。緊 固件310具有帽蓋312、軸身314和端部316?？梢允褂糜糜谂c匹配工具318相互作用的凸 塊318來將緊固件310保持在類似末端115的電極末端上，并且還可以用來在將緊固件推 動穿過中間層11時和/或當緊固件被焊接到層13上時扭轉(zhuǎn)該緊固件。
[0104] 圖14a和14b分別為根據(jù)本公開內(nèi)容的另一個實施例的緊固件410的側(cè)視圖和俯 視圖。緊固件410可以被做成一個使用如圖15所示的沖壓工具和電極臺板的沖壓件。帽 蓋412在曲線C1處過渡到軸身414,并且軸身414在曲線C2處過渡到端部416。當圍繞緊 固件410的對稱軸線S旋轉(zhuǎn)并受邊緣412e和其在軸身414上的突起部限定時，曲線C1限 定了一個可以包含并密封穿透層的、例如如圖5中的11U所示的上涌部分的體積VI。
[0105] 圖15示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的緊固件沖壓工具505。該沖壓工具 可以用于形成由例如薄鋼板的坯料520制成的、與緊固件410相似的緊固件。緊固件沖壓 工具505具有帶成形表面522S (以虛線示出）的鐓鍛模具522。由沖頭526 (用虛線示出 的軸）驅(qū)動的成型工具524 (虛線）與鐓鍛模具522 -起動作，以從坯料520上形成緊固件 410 (圖14A，Bb)。在圖示的實施例中，當成型工具524在被沖頭526向下驅(qū)動穿過坯料520 時，從坯料520上切下緊固件410并且使之成型。作為一種替代方案，可以通過一個單獨的 沖頭從坯料上剪切出具有形成緊固件410所需尺寸的盤形坯件（未示出），并且在將沖頭 526向下驅(qū)動靠到鐓鍛模具522上以將坯件定型成緊固件410之前裝載到坯件保持架530 上。彈簧532可以被插在固定器帽蓋534和坯件保持架530之間，以使沖頭526在已經(jīng)由 緊固件沖壓工具505沖出緊固件410后返回到中立位置。沖頭526可以被連接到?jīng)_頭保持 架528上，該沖頭保持架528以用于致動沖頭和壓力機的傳統(tǒng)方式被機械地、液壓地或者氣 動地驅(qū)動。
[0106] 圖16示出了焊接堆疊體605,其中，在穿透或者焊接之前將緊固件610定位成抵靠 第一個和第二層611，613。第一層611可以是鋁、鎂、或者銅薄板，第二層可以是鋼、鈦或者 Inconnel (鉻鎳合金鋼）板。層611，613和緊固件610被夾持在第一和第二末端615,617之 間，所述第一和第二末端615,617與可從市場上購買到的電點焊機的下和上電極640,642 電連通，上述電點焊機諸如可從Centerline Welding, Ltd.買到的250kVA焊接工作站。
[0107] 在根據(jù)本公開內(nèi)容實施的焊接操作的一個實例中，可以采用市場上可找到的 250kVA AC臺式電阻點焊機來加熱并將緊固件/鉚釘穿過鋁板鉆入且焊接到鋼托板上。上 部電極末端615為被稱為G-帽蓋（類似于圖12的末端215)的市場上供應的電極，下部電 極末端617為標準的平端面設(shè)計（16mm直徑，RWMA型C-Nose)。圖13a和13b所示的標準 帽蓋螺母610用于鉚釘。連接的部件為1. 5mm7075-T6鋁合金和0. 7mm270MPa鍍鋅鋼。將 帽蓋螺母610放置在G-帽蓋式電極615上，接著使之抵靠在如圖16所示堆疊體中的鋁板。 在大約1. 5秒的持續(xù)時間內(nèi)產(chǎn)生9000安培的電流脈沖，以使帽蓋螺母610穿透鋁板611。 在穿透之后，利用0. 166的大約15kA的電流脈沖將帽蓋螺母610焊接到鋼上。在鋼帽蓋螺 母和0· 7mm270MPa薄鋼板之間獲得了一個大約5mm直徑的焊接塊。
[0108] 本公開內(nèi)容的各方面包括下部件變形，這是因為例如11，13的所要緊固的層在焊 接期間被保持在壓力之下而且受熱區(qū)主要被限制在緊固件10的帽蓋（例如12)的觸著部 分。例如10, 20,110, 210, 310,410,610的緊固件相對于第一層11形成一體積以封閉通過 使緊固件刺穿第一層11而位移的金屬間化合物或者材料。例如10…610的緊固件可以用 于緊固具有一定范圍的層厚和層數(shù)量的不同種類的材料，即，通過選擇具有適當尺寸和材 料成分的緊固件。此外，給定的緊固件10…610由于所形成的材料的彈性以及緊固件的形 狀在一定范圍的厚度上都是可行的。例如，當焊接到層13上時，在緊固件410被用于容納 各種厚度并且被彈性地壓在例如11的層上時，帽蓋412可以相對于軸身414彈性彎曲。帽 蓋412彈性地壓靠在例如11的層上可以有助于在緊固件10…610就位時建立和保持圍繞 其周邊的密封。
[0109] 本公開內(nèi)容的緊固件10…610可以通過施加在例如11，13的層之間的粘結(jié)劑和/ 或涂層應用和/或通過被施加到頂層11上的涂層來應用。利用緊固件而形成的焊縫（例 如圖4中的Pe)即不會穿透層13,又不會弄亂13的與焊縫相對的表面，由此保持外觀、防腐 蝕性，并且是水密的。在例如圖4的階段C的緊固件穿透過程中以及在階段D的焊接階段， 緊固件10c，10d，10e將會持續(xù)地毀損并沿焊接區(qū)域Pd，Pe擴大，將金屬間化合物從該焊接 區(qū)域中推出。本公開內(nèi)容的方法和裝置可與為鋼板電阻焊接所開發(fā)的傳統(tǒng)RSW設(shè)備兼容， 并且緊固件10…610可以由各種材料制成，例如多個鋼種（低碳、高強度、超高強度、不銹 的）、鈦、鋁、鎂和銅。本公開內(nèi)容的緊固件可以可選地是帶涂飾的（鍍鋅的、鍍鋅層經(jīng)擴散 退火處理的、熱浸、滲鋁的、電鍍的），以改善耐腐蝕性。
[0110] 如上所述，本公開內(nèi)容的緊固件1〇…610可以經(jīng)單面或兩面入口焊接來使用。緊 固件10…610不需要在由鋁或者其它導體制成的頂板上的定位孔，但是也可以與在鋁板或 者頂板上的定位孔一起使用，允許緊固件在焊接之前延伸穿過頂板而到達底板13。還可以 使用定位孔來允許電流通過絕緣的/不導電的層，例如粘結(jié)劑層或者抗腐蝕的涂層/層。 此外，諸如塑料和塑性復合材料的非傳導性的/絕緣體材料，包括碳纖維增強塑料、金屬與 塑料的層壓材料（例如鋁、鎂或鋼和塑料的層壓材料，例如可從位于喬治亞州的Eastman的 Alcoa Architectural Products (美錯建筑制品公司）買到的.Reyn〇b〇nd& )纖維玻璃、 SMC、熱固塑料，熱塑性塑料和陶瓷，其中可以包括玻璃，可以通過穿過在這些種類的材料層 上的定位孔的鋼緊固件10…610而固定到鋼上，并且通過電阻焊焊接到鋼層上。塑料、塑性 復合材料和陶瓷還可以經(jīng)由整體或者部分地用一種可兼容材料（例如鋁合金）制成的緊固 件10…610連接到鋁層13上。塑料、塑性復合材料和陶瓷還可以經(jīng)由整體或者部分地用一 種可兼容材料（例如鋁或鎂合金）制成的緊固件10…610連接到鎂層13上。同樣，塑料、 塑性復合材料和陶瓷還可以經(jīng)由整體或者部分地用一種可兼容材料（例如鈦合金）制成的 緊固件10…610連接到鈦層13。涂覆有諸如底涂層、防銹涂層、涂料和陽極化層等非傳導 性涂層的頂層11還可以通過使本公開內(nèi)容的緊固件10…610延伸通過設(shè)在帶涂層的非傳 導性層上的定位孔以延伸至可焊接的層13并焊接于其上而連接到由鋼、鋁、鎂或者鈦制成 的可焊接層上。該技術(shù)方案可以用于以任何組合方式將鋁、鋼、鎂或者鈦的涂有涂料/帶涂 層的非導電層11連接到鋁、鋼、鎂或者鈦的層13上，只要緊固件10…610是由可與和層13 的焊接兼容的材料制成。該技術(shù)方案可以應用于這樣的工業(yè)、加工和制造中，即，其中將要 被連接到可焊接層13上的層是預涂漆的。在連接諸如鋁和鋼的異種材料時，常使用預涂漆 處理，以防止電化腐蝕。與兩個未經(jīng)涂覆的板件或者無涂飾板件相比，在裝配之前允許兩個 板件11，13中的一個被涂覆可增強防腐性能。
[0111] 根據(jù)應用于由焊接留下的空腔的質(zhì)量保證測量（即，通過測量空腔的尺寸），可以 檢測由于使用緊固件10…610而獲得的焊接質(zhì)量。也可以在例如層13(鋼側(cè)）的背面采用 超聲波無損檢測技術(shù)來監(jiān)測焊接質(zhì)量。
[0112] 與FDS (EJOTS)、SPR和SFJ相比，用于采用本公開內(nèi)容的緊固件10…610的裝置具 有較小的占地面積，這允許其進出更狹小的空間。本公開內(nèi)容的裝置和方法使用比SPR更 小的插入力，因為第一層11在緊固件插入階段（例如參見圖4的階段C)已被加熱/軟化。 本公開內(nèi)容的方法和裝置提供了連接高強度鋁（其在SPR操作期間對斷裂敏感）的能力和 連接到高強度和超高強度鋼上的能力，因為不必要用緊固件穿透鋼金屬而是將緊固件焊接 在其上。
[0113] 本公開內(nèi)容的裝置和方法不需要旋轉(zhuǎn)部件，并且有助于解決部將裝配問題，因為 整個加工過程在如何安裝組件層/零部件方面類似于傳統(tǒng)的電阻點焊（RSW)。另外，緊固 件10…610的應用能夠被快速地進行，這提供了類似于傳統(tǒng)的RSW的快速處理速度。本公 開內(nèi)容的裝置和方法可被應用于形變（包括鍛件，乳材和冷拔產(chǎn)品）和鑄造鋁產(chǎn)品上，而且 可以用于形成可兼容的金屬接頭，而不是像在將鋁焊接到鋼上時形成的雙金屬焊接接頭， 這種雙金屬焊接接頭可能具有低的接頭強度。如前所述，本公開內(nèi)容的裝置和方法可以被 用于將多層不同材料（例如，兩層或更多層鋁或鎂）連接在一層鋼上；將一層鋁連接到兩層 鋼上（圖22-27);或者將一層鋁或者鎂連接到一層鋼上。
[0114] 圖17a示出了與圖14a的緊固件410類似的緊固件710的剖視圖，其中，帽蓋712、 軸身714和端部716的厚度基本不變。端部716是平的。
[0115] 圖17b示出了緊固件810,其中端部816是平的并且具有比帽蓋812的軸身814更 大的厚度。
[0116] 圖17c示出了具有恒定厚度的帶流線型端部916的緊固件910。在一個示例中，半 徑R在1到6英寸的范圍內(nèi)。
[0117] 圖17d示出了具有流線型端部1016和在端部1016和軸身1014的結(jié)合處的花鍵 1014a的緊固件1010?；ㄦI1014a可以與對稱/旋轉(zhuǎn)軸線S對準或者相對該軸線S成角度 A地設(shè)置。可以利用花鍵來沿一特定方向（例如，直線）引導緊固件或者當壓迫緊固件通過 層11時按螺線引導緊固件和/或可以把花鍵用作防止層11相對于安裝的緊固件1010轉(zhuǎn) 動的防旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
[0118] 圖18-20示出了長度L大于其寬度W的緊固件1110。在一個示例中，長度L可以 在8mm到25mm的范圍內(nèi)，而寬度在4mm到8mm的范圍內(nèi)。
[0119] 圖21示出了在其剖面上具有在1212c處會聚的左側(cè)部1210a和右側(cè)部1210b的 緊固件1210。緊固件1210是繞對稱/旋轉(zhuǎn)線S旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)體，從而端部1216a、1216b構(gòu)成 了可被焊接到如下所述的基材上的連續(xù)環(huán)面。
[0120] 圖22示出了穿過第一層11 (例如，由鋁制成）插入并在焊接區(qū)Pa、Pb焊接到層 13(例如，由鋼制成）上的緊固件1210,這些焊接區(qū)將具有連續(xù)的環(huán)形形狀。該環(huán)形焊接接 頭分布在比例如利用如圖14a所示的類似的緊固件410而形成的盤形焊接接頭大的表面區(qū) 域上。末端1215具有在其被加熱并壓向末端1217時接納和支撐緊固件1210的表面1215。
[0121] 圖23以剖面圖的形式示出了穿過第一層11插入并在焊接區(qū)Pa、Pb焊接到第二 層13上的緊固件1310。和圖21中所示一樣，緊固件1310是繞對稱/旋轉(zhuǎn)線S旋轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn) 體，從而使得焊接區(qū)Pa、Pb是焊接到層13上的連續(xù)環(huán)形焊縫的一部分。緊固件1310的特 征在于帶有螺紋的中心套管1342,該套管1342具有適合接納相匹配的帶螺紋緊固件，諸如 螺釘（未示出）的螺紋1342t。這樣，緊固件1310能夠?qū)崿F(xiàn)兩種功能，也就是，將層11保持 在層13上和提供允許經(jīng)由相匹配的螺紋緊固件（未示出）裝配到另一構(gòu)件或結(jié)構(gòu)（未示 出）上的帶螺紋套管。末端1315具有用于在焊接時容納套管1342的凹槽1315r。
[0122] 圖24和25示出了與緊固件1310類似的緊固件1410,但是具有帶螺紋1442t的 套管部1442,該套管部是端部開放的，允許相匹配的螺紋緊固件（未示出）穿過該套管部 1442。如圖25所示，在準備安裝緊固件1410時，層11和13優(yōu)選地被鉆孔或者另外設(shè)置配 合孔llh、13h，套管部1442可穿過該配合孔插入。于是，可以如上所述地通過電阻焊來實施 層11的穿透和在層11上的焊接。末端1415具有用于在壓迫緊固件1410穿過層11并焊 接到層13上時支撐緊固件1410的表面1415。末端1417具有一凹槽1417r，其可容納在焊 接過程中延伸通過層11、13的套管部1442。
[0123] 圖26示出了具有上部1510u和下部15101的緊固件1510,這兩部分可以被焊接到 一起，以將緊固件連接到由例如鋁形成的層11上。下部15101以帶有螺紋的套管1510t為 特征。緊固件1510可以由鋼或鈦制成。焊接過程如前所述地進行，只是不是焊接到第二層 13上，而是在將上部推壓穿過鋁層11之后將上部1510u焊接到下部15101上。如前所述， 焊接區(qū)Pa、Pb是環(huán)形焊接接頭的一部分，因為緊固件1510是一回轉(zhuǎn)體。在凸緣部1510f和 帽蓋1512之間抓取層11。緊固件1510允許由例如鋼或鈦的第一材料制成的、帶有螺紋的 套管1510t被連接到由例如鋁或鎂的異種金屬形成的層11上。
[0124] 圖27示出了具有上部1610u和下部16101的緊固件1610,這兩部分被焊接到一起 以將緊固件連接到由例如鋁形成的層11上。下部16101以帶有螺紋的螺桿1610s為特征。 緊固件1610可以由鋼或鈦制成。焊接過程如前所述地進行，只是不是焊接到第二層13上， 而是在上部被推壓穿過鋁層11之后，將上部1610u焊接到下部16101上。焊接部Pa近似 為圓盤形，而且緊固件1610是一回轉(zhuǎn)體。在凸緣部1610f和帽蓋1612之間抓取層11。緊 固件1610允許由例如鋼或鈦的第一材料制成的、帶有螺紋的螺桿1610s被連接到由例如鋁 或鎂的異種金屬形成的層11上。
[0125] 可以理解的是，在此所描述的實施例僅僅是示例性的，在不脫離本發(fā)明的主題的 精神和范圍下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以做出多種變形和修改。所有的這些變形和修改都旨 在包括在本權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于使用電阻焊來將第一導電材料緊固到第二導電材料上的方法，包括： 將所述第一和第二材料以物理和電接觸的方式放置在一起，所述第一材料具有比所述 第二材料低的熔點； 以與所述第一材料形成物理和電接觸的方式放置一導電緊固件，所述導電緊固件可被 焊接到所述第二材料上且具有高于所述第一材料的熔點，從而形成包括所述緊固件、所述 第一材料和所述第二材料的導電堆疊體； 將電壓施加到所述堆疊體上，感應出流經(jīng)所述堆疊體的電流，并產(chǎn)生電阻熱，所述電阻 熱使得所述第一材料被軟化； 促使所述緊固件朝向所述第二材料地通過所述軟化的第一材料； 在所述緊固件接觸所述第二材料之后，將所述緊固件焊接到所述第二材料上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一材料包括鋁、銅、鎂和其合金中 的至少一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二材料包括鋼、鈦、其合金和鉻鎳 鐵合金中的至少一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述緊固件由鋼、鈦、其合金和鉻鎳鐵合 金中的至少一種材料制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述緊固件的一部分覆蓋當促使所述緊 固件穿過所述第一材料時位移的所述第一材料的上涌部分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一材料和所述第二材料呈層的形 式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述層是金屬薄板。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二材料呈結(jié)構(gòu)件的形式。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在直接電阻焊的過程中施加所述電壓。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在間接電阻焊的過程中施加所述電壓。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在串聯(lián)電阻焊的過程中施加所述電壓。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述堆疊體包括多層熔點低于所述第二 材料的熔點并低于所述緊固件的熔點的材料。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述多層包括多層鋁合金。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述多層包括一層鋁合金和一層鎂合 金。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二材料是第二緊固件。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述緊固件和第二緊固件將所述第一 材料夾緊在其間。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一材料包括多層，所述緊固件和 第二緊固件將所述多層夾緊在一起。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二緊固件具有帶螺紋的套管。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述帶螺紋的套管延伸通過所述第一 材料。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述第二緊固件具有帶螺紋的螺桿。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述緊固件和所述第二緊固件是相同 的。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括如下所述步驟，S卩，在施加步驟之前，在所述緊 固件、所述第一層和所述第二層中的至少一個之間施加防腐層。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述防腐層是非導電的，并且還包括在 所述防腐層上形成一個孔的步驟，所述電流可以在施加步驟中流過所述孔。
24. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過電極施加所述電壓，至少一個所述 電極具有形狀與所述緊固件的形狀互補并能夠在其上接納所述緊固件的末端，還包括在放 置步驟之前將所述緊固件連接在至少一個末端上的步驟。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述同一緊固件具有在所述焊接步驟期 間通過變形到一種選定的程度而將具有一定厚度的所述第一材料緊固到所述第二材料上 的能力。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述緊固件具有包含初始構(gòu)形和最終構(gòu) 形的帽蓋，并且還包括在所述施加、促使和焊接步驟期間使所述帽蓋從所述初始構(gòu)形變形 為所述最終構(gòu)形的步驟。
27. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述緊固件具有中空部分，并且還包括 在所述放置步驟期間將電極末端的一部分插入所述中空部分的步驟。
28. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述緊固件具有帽蓋部和軸身部，所述 軸身部在所述促使步驟期間延伸通過所述第一層。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于，所述帽蓋能夠在所述促使和焊接步驟 期間抓取從所述第一層擠出的材料。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述帽蓋在所述焊接步驟完成之后抵 靠著所述第一層。
31. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，電流在所述施加、促使和焊接步驟期間 是變化的。
32. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，電流流動的時間周期在所述施加、促使 和焊接步驟期間是變化的。
33. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述放置所述緊固件的步驟之前用薄板沖 壓成形所述緊固件。
34. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述緊固件是鍍鋅、電鍍、鋅電鍍、鍍鋁 或者鋅鍍層擴散退火處理中的至少一種。
35. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述緊固件是不銹鋼、鋁合金、鎂合金、 銅合金、鈦合金和鉻鎳鐵合金中的至少一種。
36. -種利用電阻焊將第一材料緊固到第二導電材料上的方法，包括： 在所述第一材料上形成定位孔； 以物理接觸的方式將所述第一和第二材料放置在一起； 通過使所述緊固件延伸通過所述定位孔而以與所述第二材料電接觸的方式放置可焊 接到所述第二材料上的導電緊固件； 在所述緊固件和所述第二材料上施加電壓，感應出流經(jīng)所述緊固件和所述第二材料的 電流，產(chǎn)生電阻熱，所述電阻熱使得所述緊固件焊接至所述第二材料上。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述緊固件和所述第二材料是鋼、鋁、 鎂、鈦和其合金中的至少一種，而所述第一材料是塑料、塑性復合材料、金屬-塑料層壓材 料、陶瓷、涂覆金屬、鋁、鋼、鈦、鎂、其合金和鉻鎳鐵合金中的至少一種。
38. -種用于利用電阻焊而將第一導電材料緊固到第二導電材料上的緊固件，包括： 帽蓋、從所述帽蓋延伸出且具有遠離所述帽蓋的端部的軸身，當將所述緊固件放置在 包括被設(shè)置成電接觸的第一和第二導電材料的堆疊體中時，所述第一材料具有低于所述第 二材料的熔點且經(jīng)受施加到所述堆疊體上的電壓，所述緊固件能夠傳導流經(jīng)所述堆疊體的 電流，所述電流產(chǎn)生電阻熱，軟化所述第一材料，所述軸身能夠穿過所述第一材料并在遠離 所述帽蓋的端部處焊接到所述第二材料上，所述第一材料在所述端部被焊接到所述第二材 料上之后被抓取在所述帽蓋和所述第二材料之間。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具 有橫截面為U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一反向彎 曲的周邊唇部。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具 有橫截面為直角U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一反 向彎曲的周邊唇部。
41. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具 有橫截面為發(fā)散的U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一 反向彎曲的周邊唇部，所述緊固件的壁厚在所述帽蓋、軸身和端部基本不變，所述端部形成 一平面。
42. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具 有橫截面為發(fā)散的U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一 反向彎曲的周邊唇部，所述端部形成一平面，所述端部的壁厚大于所述軸身和帽蓋的厚度。
43. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱并具 有橫截面為發(fā)散的U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形成一 反向彎曲的周邊唇部，所述緊固件的壁厚在帽蓋、軸身和端部基本不變，所述端部形成一流 線型表面。
44. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱，并具 有橫截面為發(fā)散的U形截面的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端處形 成一反向彎曲的周邊唇部，所述軸身緊靠具有至少一個從其外表面延伸出的花鍵的端部。
45. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線不對稱，其 沿垂直于插入方向測量得到的長度大于沿垂直于插入方向測量得到的寬度，并且具有橫截 面為發(fā)散的U形的空心軸身，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端部形成一反向彎 曲的周邊唇部。
46. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱，并具 有帶有兩個橫截面為發(fā)散的U形的部分的空心軸身，所述兩個部分在中心朝下的匯接點處 相連，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端部形成一反向彎曲的周邊唇部，所述端 部是環(huán)形的。
47. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線對稱，并具 有帶有兩個橫截面為發(fā)散的U形的部分的空心軸身，所述兩個部分在位于中央的帶螺紋的 緊固件部分處相連，所述帽蓋從所述軸身延伸出，在U形的開口端部形成一反向彎曲的周 邊唇部，所述端部是環(huán)形的。
48. 根據(jù)權(quán)利要求47所述的緊固件，其特征在于，所述帶螺紋的緊固件部分是帶螺紋 的套管。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的緊固件，其特征在于，所述帶螺紋的套管是端部開口的并 延伸通過所述第一材料上的開口。
50. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的緊固件，其特征在于，所述帶螺紋的緊固件部分具有帶螺 紋的螺桿。
51. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件包括具有所述帽蓋、軸身 部和端部的上部以及具有所述帶螺紋的套管的下部，所述上部穿過所述第一材料并焊接在 所述下部上。
52. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件包括具有所述帽蓋、軸身 部和端部的上部以及具有所述帶螺紋的螺桿的下部，所述帶螺紋的螺桿從凸緣延伸出，所 述上部穿過第一材料并焊接到所述凸緣上。
53. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，至少一部分所述軸身的橫截面是連 續(xù)的。
54. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的緊固件，其特征在于，所述緊固件由鋼、鈦、鎂、鋁、銅、其合 金和鉻鎳鐵合金中的至少一種制成。
55. -種用于利用電阻焊而將其上具有定位孔的第一非導電材料緊固到第二導電材料 上的緊固件，包括： 帽蓋、從所述帽蓋延伸且具有遠離所述帽蓋的端部的軸身，所述緊固件能夠在將所述 第一和第二材料放置成堆疊體時通過所述定位孔插入，所述緊固件由導電材料制成，并且 能夠在經(jīng)受施加于所述緊固件和堆疊體上的電壓時傳導通過所述堆疊體的電流，所述電流 產(chǎn)生電阻熱，將所述緊固件在遠離所述帽蓋的端部處焊接到所述第二材料上，并在所述端 部被焊接到第二材料上之后抓取位于所述帽蓋和所述第二材料之間的所述第一材料。
【文檔編號】B23K11/36GK104249215SQ201410299463
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月26日
【發(fā)明者】唐納德·J·斯皮內(nèi)拉, 丹尼爾·伯格斯特龍 申請人:美鋁公司