CN101495253A - 利用预热的自冲铆钉连接金属的方法和设备 - Google Patents

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CN101495253A CNA2007800282398A CN200780028239A CN101495253A CN 101495253 A CN101495253 A CN 101495253A CN A2007800282398 A CNA2007800282398 A CN A2007800282398A CN 200780028239 A CN200780028239 A CN 200780028239A CN 101495253 A CN101495253 A CN 101495253A
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Abstract

本发明公开一种用于将元件连接在一起的方法，该方法包括以下步骤：相对于彼此定位元件；利用激光提高至少一个元件的至少一部分的可成形性；以及利用机械紧固方法将元件连接在一起。

Description

利用预热的自冲铆钉连接金属的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于将元件，特别是金属元件连接在一起的方法。本发明还涉及用于将元件连接在一起的设备。
背景技术
在牢固并具有足够美观性的金属板之间形成连接是一些工业，特别是汽车工业中目前存在的问题。在两张不同的金属板之间形成连接时是连接中存在明显问题的一个方面。
广泛用于大量生产中连接金属板的一种技术是点焊或对焊，其可以或不包含激光的使用。激光焊接特别适于连接不同厚度的板并以高速产生整洁和窄的连接。可是，激光焊接存在许多问题。一个问题是当使用这样技术连接镁铝合金(如同包含至少一些熔化的任何技术一样)时，激光焊接在焊接附近产生硬的和易碎的金属间相的构造。此外，因为上述铸件中的捕获气体，上述技术尤其不适于通过高压力铸造方法形成的镁合金。
当使用激光焊接时，该问题并不是镁特有的。对于钢，例如，硬相(hardphase)的构造，例如关于激光焊接的连接的马氏体破坏了不锈钢或非不锈钢的延展性。对于铝/钢元件之间的连接，金属间Fe-Al相生长以在接触面上形成涂层。为了生产可接受的机械特性的Fe-Al接点(joint)，该金属间涂层的厚度必须小于10μm并因此需要适合的温度时间循环(temperature-timecycle)。
当使用激光焊接时，熔化至少一个组件(component)。铝和钢的激光焊接就像钎焊工艺，其中仅有较低熔点的合金经历熔化。另一方面，镁和铝的激光焊接导致两种金属的熔化，因此不能防止化学元素的相互扩散。这导致金属间相的形成，例如β-Mg17(Al，Zn)12，这必须被最小化，以便形成满意的连接。
用于形成连接的可替换技术是摩擦搅拌焊接(FSW)，其更能承受连接的不同金属以及高压力压铸件(其具有捕获的气体)，因为该技术是固态连接方法，借此在探针的作用(action)下增塑两种材料。因此，上述金属在摩擦搅拌焊接时未被熔化。可是，摩擦搅拌焊接存在许多问题，包括低速处理，处理可以施加到其上的受限部分的几何形状以及高的力的需求，这些可能需要大的功率量和适于摩擦和夹紧的特殊工具。此外，有证据说明当使用摩擦搅拌焊接来连接镁和铝时，Al3Mg2和Al12Mg17相关于上述焊接形成，其在压力下会裂开。
作为上述方法的一种可替换方法，可使用冷连接技术连接不同的金属而没有形成不期望的冶金化合物并避免涉及高压力压铸件中捕获气体的问题。一种这样的技术是螺栓连接，其具有一些自身的问题，包括附加重量，精确对准的需求，螺栓和金属部分(尤其是金属为镁或镁合金的情况)之间的腐蚀和磨损，以及提供螺栓引起的增加的材料花费。
可替换的冷连接技术是自冲铆接(SPR)，其特别适于连接可适当成形的不同金属。自冲铆接的优点是能够最小化电化腐蚀。可是，当利用例如SPR方法连接铝和镁合金时，当镁位于连接的底(模具)侧上时出现明显的问题，其中使镁变形的高拉伸应变倾向于引起镁裂开，因为镁在室温时的差的延展性，
已经进行了一些尝试，通过预热镁来克服该问题。在DE19630488中描述了这样的一个示例，其中感应加热用于在形成SPR接点中预加热镁。可是，该方法存在一些问题，包括高功率需求，长的循环时间(cycle time)和工具固有的困难，该工具是庞大的并很难收纳。这些问题降低了技术的经济可行性。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种将元件连接在一起的方法，该方法包括以下步骤：
相对于彼此定位元件；
利用激光提高至少一个元件的至少一部分的可成形性；以及
利用机械紧固方法将元件连接在一起。
应当理解，提高至少一个元件的至少一部分的可成形性可以包括提高该部分的任意一个或多个物理属性，例如延展性，可加工性，可塑性，流动(硬化)特性，生长表面或各向异性。
在一个实施例中，机械紧固方法在接近于至少一个元件的所述一部分，优选在至少一个元件的所述一部分处进行。
机械紧固方法可以是任何适合的方法。
在一个实施例中，机械紧固方法包括使用机械紧固器。
可是，在其它实施例中，机械紧固方法是转结式方法(clinching typeprocess)或压力连接方法(press joining process)。
元件不限于任意特定的物品，可以是需要连接的任何物品。尽管在特定的应用中，元件可以是多片材料，但是一些或所有元件可以不是多片材料，而可以是例如双头螺柱、框架、棒或其它构造的部件。
在一个实施例中，激光产生入射在一部分上的激光束。
激光束可以入射在至少一个元件的任意侧，优选与机械工具作用于元件以进行机械紧固方法的一侧相对的一侧，即在模具一侧。
激光束通常通过加热一部分提高该部分的可成形性。
提高该部分的可成形性的步骤可以或者不发生在相对于彼此定位元件的步骤之前。
该方法可以包括利用激光提高一些或所有元件的部分的可成形性。
在另一实施例中，仅提高元件之一的一部分的可成形性。
在一个实施例中，如果在可成形性方面仅提高元件之一的一部分的可成形性，那么可成形性提高的元件是具有在室温最小可成形的材料或在利用机械紧固方法将其连接在一起的步骤期间易于受到更大应变(stain)的元件。
激光可以是具有适合持续时间(duration)、能量和频率的脉冲或断续(interrupted)激光。
在另一实施例中，激光是产生不变光束的连续激光。连续激光借助任何适当的机械、电学或其它类型设备转换为脉冲或断续激光。
在一个实施例中，利用激光在可成形性方面提高的一部分的尺寸、形状和能量分布可以通过改变激光功率，激光光点尺寸，激光脉冲长度或频率中的一个或多个而变化，从而达到最优化。
在一个实施例中，激光束的形状可以是盘形或环(环带)(anulus)形。激光束的形状也可用于改变一部分的表面处的温度分布或所述部分中的温度梯度，以便在施加更高机械应变的地方能够获得更高的温度。
一般地，更大功率的激光在较短的时间周期以上能够使元件的温度提升得更高。
在一个实施例中，特别用于提高镁元件的可成形性的激光功率输出在100瓦至5000瓦之间，优选在100至2500瓦之间。该激光功率输出尤其适于具有小于15mm，优选小于10mm，优选小于7mm，更优选小于6.6mm的总厚度的元件。
因为在其它因素中，连接在一起的元件数量，元件的总厚度，合金，元件的尺寸以及所述部分与元件边缘的距离，所以因适当提高元件可成形性所需的激光功率输出或所用的时间可以更高(higher)。所需的激光功率输出还依赖于同时通过激光提高可成形性的元件的数量。前述功率需求通常认为是正在提高的每个部分(例如，单个部分)的功率需求。
在一个实施例中，适当提高元件的可成形性所用的时间小于3.5秒。这可称作“激光停留时间”。
在一个实施例中，适当提高可成形性并利用机械紧固方法将元件连接在一起所用的时间小于10秒，优选小于5秒。该时间可以被称作“总循环时间”。注意到，该时间不包括相对于彼此定位元件所用的时间。
元件的可成形性可以通过将一部分的温度提升至元件熔点(固相线)的80％适当地提高。根据合金类型和热处理，以及与所需变形的能级(level)、分布和速率相比的元件温度，该温度可以是适于镁合金的100-350℃。
在一个实施例中，所述方法进一步包括利用激光光学设备将激光束反射到至少一个元件上的步骤。
在一个实施例中，激光光学设备包括光学头和/或反射镜。
在一个实施例中，利用激光在可成形性方面提高的一部分的尺寸、形状和温度分布可以通过改变激光光学设备的元件改变，从而达到最优化。
一般地，入射在至少一个元件的较小部分上的更聚焦的激光束在较短的时间周期以上将元件的温度提升得更高。
激光可以是二极管激光，Nd:YAG激光或CO2激光或可以是任何其它适合的激光。
在一个实施例中，所述方法还包括预备元件的一部分的表面以提高激光能量的吸收的步骤。
在一个实施例中，预备表面的步骤包括通过例如喷砂或浸蚀，冲洗和干燥来清洁表面。
在另一实施例中，预备表面的步骤包括通过例如喷玻璃丸使表面粗糙。
在另一实施例中，预备表面的步骤包括对表面施加光吸收涂层。
吸收涂层是石墨、炭黑、Aero 504(Japan Acheson Corporation)或任何其它适当的吸收剂的涂层。
在一个实施例中，吸收涂层可以是还用作防腐蚀涂层的涂层。这样涂层的一个示例是e-涂层。
在一个实施例中，所述方法还包括在提高可成形性的步骤之前，在待连接的至少两个元件之间施加粘性材料的步骤。
在该实施例中，在利用激光提高至少一个元件的一部分的可成形性时，加热粘性材料，这固化和/或硬化粘性材料。
在一个实施例中，粘性材料为元件之间的连接提供了附加的粘合。
在一个实施例中，机械紧固方法包括使用作用于元件的机械紧固工具。
在一个实施例中，机械紧固工具通过作用于机械紧固器而作用于元件。
在一个实施例中，机械紧固器通过进入和/或穿过至少一个元件的一部分将元件连接在一起。
在一个实施例中，机械紧固器使元件变形。
在一个实施例中，机械紧固器是自冲铆钉。自冲铆钉可以是实心的或半空心的铆钉。
在其它实施例中，机械紧固器例如是螺栓、螺母、螺钉或双头螺柱。
在一个实施例中，将元件连接在一起的步骤是自冲铆接方法，其中，通过铆钉枪形式的机械紧固工具对自冲铆钉起作用，以推动铆钉进入和/或穿过元件。在该实施例中，机械工具可以包括模具。
在又一实施例中，机械紧固器是塑料铆钉。
在另一实施例中，机械紧固方法包括利用机械工具使元件的一部分变形。
在该实施例中，利用机械工具使元件的一部分变形将元件的一部分形成为机械紧固器。
该实施例中的机械紧固器是元件的互锁变形部。
该实施例中的机械工具包括冲压工具。机械工具还包括模具。
在该实施例中，连接的步骤可以是转结式方法，其中机械工具为冲压工具和模具的形式，并且其中连接的步骤包括使元件的一部分变形为模具，以形成将元件连接在一起的机械紧固器。
在另一实施例中，机械紧固方法是压力连接方法，如无模转结(dielessclinching)或无模铆钉转结(dieless rivet clinching)。
所述方法进一步包括在将元件连接在一起的步骤之前加热机械紧固器的步骤。
在一个实施例中，利用激光加热机械紧固器。
激光束可与机械紧固器共轴布置以便预加热机械紧固器。
激光可在将元件连接在一起的步骤之前运作并且也可在将元件连接在一起的步骤期间运作。
在另一实施例中，激光束与机械紧固器非共轴布置。
所述方法还进一步包括在将元件连接在一起的步骤之前加热机械紧固工具的步骤。
在一个实施例中，利用激光加热机械紧固工具。
激光束可与机械紧固工具共轴布置以便预加热机械紧固工具。
在另一实施例中，激光束与机械紧固工具非共轴布置。
在一个实施例中，所述方法还包括加热机械工具模具的步骤。
在一个实施例中，相对于彼此定位元件的步骤包括将元件放置在另一元件的顶部上。
在一个实施例中，所述方法进一步包括将元件相对于彼此夹紧在它们的位置。
在一个实施例中，夹紧的步骤包括对元件施加基本的压力(compressive)。
在一个实施例中，夹紧的步骤发生在利用机械紧固方法将元件连接在一起的步骤之前。
在一个实施例中，夹紧的步骤基本与利用机械紧固方法将元件连接在一起的步骤同时发生。
在一个实施例中，夹紧的步骤发生在利用机械紧固方法将元件连接在一起的步骤之后。
在一个实施例中，夹紧的步骤发生在利用机械紧固方法将元件连接在一起的步骤之前、同时或之后的任何组合中。
在一个实施例中，所述方法进一步包括沿连接线在多个离散位置处重复将元件连接在一起的步骤。
在一个实施例中，所述方法进一步包括重复提高至少一个元件的多个离散部分的可成形性的步骤。
在一个实施例中，多个离散部分沿连接线确定将元件连接在一起的多个离散位置。
在另一实施例中，所述方法包括利用激光提高至少一个元件的宽阔区域(broad area)的可成形性，该宽阔区域包含一个以上的将元件连接在一起的离散位置。
在一个实施例中，单个激光用于提高多个离散部分的可成形性。
在一个实施例中，所述方法进一步包括同时提高所述多个离散部分中的一些或全部的可成形性。
在一个实施例中，所述方法进一步包括将单个激光束分开以提高至少一个元件的多个离散部分的可成形性。在该实施例中，根据光束分开的数量，激光需要大于5000瓦的更高功率输出。因此，在一个实施例中，每个分开的激光束的激光功率输出是100-5000W，优选每个分开的激光束的激光功率输出是100-2500W。
在另一实施例中，许多激光用于同时提高所述部分一些或全部的可成形性。
在另一实施例中，所述方法进一步包括利用单个激光每次一个地提高多个部分的可成形性。
根据本发明的第二方面，提供一种用于将元件连接在一起的设备，该设备包括用于提供入射在至少一个元件的至少一部分上的激光束的激光束发生装置，以及用于作用于机械紧固器以将元件连接在一起的机械紧固工具。
在一个实施例中，激光发生装置是二极管，Nd:YAG激光发生装置或CO2激光发生装置或任何其它适当的激光发生装置。
在一个实施例中，机械紧固工具包括用于作用于机械紧固器的铆钉枪。
机械工具还可以包括模具。
铆钉枪和模具可以是任何适当的铆钉枪和模具，如US5,752,305和US6,742,235中所披露的，其通过参考的方式包含于此。
在另一实施例中，机械工具包括冲压工具，该冲压工具用于使元件的一部分变形为元件的互锁变形部。
在该实施例中，机械工具还包括模具。
在一个实施例中，模具包括剖面(profile)平坦的压凹(indentation)。
在另一实施例中，模具包括压凹，其成形为促使待连接的元件流动远而离模具的中心。
在一个实施例中，模具为半环形。
在一个实施例中，模具包括剖面(profile)为锥形的压凹。
在一个实施例中，锥形模具包括压凹的凸起中心部分。凸起中心部分可以是弯曲的或具有直的边缘(即三角形的)。
在一个实施例中，模具是平坦的板，即不具有压凹。
在一个实施例中，模具具有不粘附涂层。
在另一实施例中，模具具有耐热涂层。
在一个实施例中，模具具有耐氧化涂层。
在一个实施例中，设备还包括夹紧工具，用于将元件相对于彼此夹紧在它们的位置。
附图说明
现在将参考所附附图描述本发明的仅作为例子的优选实施例，在附图中：
图1A、1B、1C和1D示出了根据本发明的用于将元件连接在一起的设备的可替换布置的侧面图，主要用于试验目的；
图2A至2D说明了对于高压力压铸件AM50合金的3mm厚元件的温度关于时间，改变入射到元件上的激光束的激光功率的效果，图2A和2B是激光束引导到元件的铆钉侧上的情况，图2C和2D是激光束引导到元件的模具一侧上的情况；
图2E是对于不变的能量输入与时间相关的能量输入相比较，元件表面温度关于时间的温度比较；
图3A是示出了在利用根据本发明实施例的方法连接到其它元件期间具有变化厚度的元件温度的曲线，接点的内部和外部外观在图3B至3E中示出；
图4是根据本发明实施例的将元件连接在一起的设备的模具剖面的示意图；
图5A是在根据本发明的实施例在连接方法期间最大的表面温度、夹紧和铆钉设置压力的曲线；
图5B和5C分别是元件上的激光功率相对于总元件厚度以及激光加热时间相对于总元件厚度的曲线，示出了例2中形成的无裂缝接点的数据点；
图6是连接元件所花费的总时间(元件相对于彼此的定位除外)相对于总元件厚度的曲线；
图7说明了在利用根据本发明实施例的方法连接到另一相同元件期间高压力压铸件AM50合金元件的3mm厚元件的温度效果，接点的外部外观上的温度效果在图7A中示出，图7B是对于不同的最大表面温度，连接在一起的元件的最大负载的曲线；
图8A至D是关于示例3的曲线，其中研究了改变模具和铆钉的效果；
图9是利用和未利用激光以提高至少一个元件的一部分的可成形性的连接在一起的元件的一系列比较图像；和
图10A至C是利用根据本发明实施例的连接方法连接在一起的各个元件的最大负载的曲线，图10A，10B和10C分别是对于3.5-4mm，5-5.5mm和6-6.6mm的总元件厚度，图10D是用于机械测试的连接样品的尺寸示意。
具体实施方式
根据本发明的优选实施例，提供一种将两个或更多元件连接在一起的方法。在方法中，元件相对于另一个定位，通常元件的部分彼此重叠。利用激光，至少一个元件的至少一部分在可成形性方面提高。显著地，通过加热至少一个元件的一部分而不物理接触该元件，从而可以与该元件间隔一定距离来影响该加热，激光提高了该部分的可成形性。在其它优点中，这提高了对于元件的工具可达性。
元件然后可以连接在一起，在本发明的实施例中，其利用机械紧固方法发生。这可以在沿连接线处于离散位置的元件之间沿连接线重复进行。激光优选可以用于提高沿连接线处于离散位置的至少一个元件的多个部分的可成形性。激光束可以分离以同时提高多个这些部分的可成形性，或可以使用多个激光来同时提高多个部分的可成形性，或多个部分可以通过单个激光束每次提高一个。
在另一个实施例中，利用激光，至少一个元件的宽阔区域在可成形性方面提高，宽阔区域包含大于一个的离散位置，在该位置处机械紧固方法将元件连接在一起。
根据本发明优选实施例的方法特别适用于将元件连接在一起，这些元件具有易碎或坚硬以在室温下模具压、成形或连接的材料。特别是，该方法应用于金属，其包括镁和镁合金，以及高强度铝合金，钛和钛合金，刚和其它金属和它们的合金。该方法还特别适用于连接不同材料的元件，因为该方法包含元件的增塑但不熔化。由于相同原因，根据本发明优选实施例的方法还特别适用于将元件连接在一起，在这些元件中，至少一个是高压压铸金属。在利用该方法连接之前，金属可以被热轧或冷轧，挤压，半涂敷或涂敷(例如涂层)。
元件不限于任何特殊的物品，可以是需要连接的任何物品。尽管在特殊应用中，元件可以是多片材料，但是一些或所有元件可以不是多片材料，而可以是例如双头螺柱，框架，棒或其它构造的部件。
机械紧固方法在接近于至少一个元件的一部分，优选在至少一个元件的该部分处进行。机械紧固方法可以是任何适当的方法，例如利用机械紧固器的方法，或转结式方法，或压力连接方法。
激光束可以入射到元件的任一侧以提高元件之一的一部分的可成形性，如图1A和1B(铆钉侧)以及相对照图1C和1D(模具一侧)所示。提高一部分的可成形性可以在或不在相对于彼此定位元件之前发生。一些或所有元件的一部分可以通过激光束提高，或仅元件之一的一部分被提高。如果仅元件之一的一部分在可成形性方面提高，那么通过激光束提高的元件优选是具有在室温下最小可成形的材料的元件，或者是在利用机械紧固方法将元件连接在一起的元件变形期间易受到较大的应变的元件。
激光可以是具有适当持续时间，能量和频率的脉冲或断续激光，或者可以是产生不变光束的连续激光。连续激光可以通过任何适当的机械、电学或其它类型的设备转换为脉冲或断续激光。通过改变激光功率、激光光点尺寸，激光脉冲长度或频率的一个或多个，通过激光束加热的一部分的尺寸、形状和温度分布可以变化，从而达到最优化。
通过激光束在可成形性方面提高的一部分的尺寸、形状和温度分布也可以通过改变将激光束反射到至少一个元件上的激光光学设备的元件而改变，从而达到最优化。激光光学设备可以包括多个光学头(例如旋转三棱镜聚焦透镜)和/或反射镜。
在可成形性方面提高的至少一个元件的一部分的形状，以及激光束的形状可以是圆盘或环(环带)形。激光束的形状也可以用于改变一部分的表面处的温度分布，和/或该部分中的温度梯度，以便在更高的机械应变将被施加的地方可以得到更高的温度。
通过改变元件上的激光功率，被提高的一部分的尺寸(可以称为“激光光点尺寸”)和激光停留时间(即适当提高元件的可成形性所花费的时间)，至少一个元件的温度可以改变。这在图2A至2D中示出，其中利用在表面上焊接的精细线热电偶点，3mm厚的高压力压铸件(HPDC)AM50镁合金的温度在模具的一侧被测量。激光是2.5Kw Nd:YAG激光器。
元件的在模具一侧的温度更关键，因为更多变形传递到模具一侧的元件上。
在图2A和2B中，激光束入射到铆钉侧上。为了在模具一侧上达到250-300℃，需要更大的功率密度和/或更长的停留时间。通过增加激光功率输出和/或减小激光光点尺寸(即被提高的该部分的尺寸)，功率密度可以增加，但是这将提高激光照射侧上的元件温度，从而可能导致开始熔化。
在图2C和2D中，激光束入射到模具一侧上，因此为了达到250-300℃所需要的功率密度和/或停留时间小于图2A和2B中的这些参数，从而开始熔化的风险可以减小。
图2B和2D都示出了当激光束对于预置停留时间转换为“开”，然后转换为“关”时，元件的加热和冷却温度历史。
注意元件表面处的实际激光束功率由于其间的系统损耗而小于激光功率输出。在其它因素中，由于将连接在一起的元件数目，元件的总厚度，合金，元件的尺寸和该部分离元件边缘的距离，因此用于适当提高元件的可成形性所需要的激光功率输出和所花费的时间可以更高。还注意激光还可以需要5000瓦或更高的功率输出，这取决于激光束的分离数目(如果有的话)。换句话说，所需要的激光功率输出还取决于同时通过激光在可成形性方面提高的部分的数目。前述功率需求因此可以总地考虑为是每个激光束分离或被提高的每个部分的功率需求。无论如何，功率需求显著地低于感应加热辅助SPR的功率需求。
此外，如图2B和2D所示，有可能利用根据本发明优选实施例的方法在3.5秒内加热至少一个元件到其熔点的80％(固相线)(其中其可成形性基本上得到提高)。注意对于镁合金的该温度(关于图2B和2D使用的)可以在100至350℃之间，这取决于合金类型和元件温度的均匀性相比于所需的变形的水平和分布。更高的温度可以提供更高的应变或增加的变形，例如当利用更长或更硬的铆钉来产生厚的接点时，该接点要求更大的铆钉互锁和更高的强度(见图11)。利用机械紧固方法提高可成形性和连接元件的步骤从而可以在小于10秒内，优选小于5秒内发生，如图3A所示。这还提供强于感应加热辅助SPR的显著优点，感应加热辅助SPR是加热和连接花费更长时间。此外，该方法不导致在元件的角落和边缘处的过热或熔化。
通过测量被加热的元件的表面温度和利用测量的温度来在预置的加热时间内控制关于时间的激光功率输出，同时避免元件的任何熔化，加热温度和进行连接方法所花费的时间可以最优化。图2E提供了时间相关能量输入的一个例子，例如其能够使所需温度尽可能快的达到以延长该温度下的停留时间和最优化利用机械紧固器连接的该部分中的温度梯度，在该所需温度下元件的可成形性适当提高。
例如如图1A至1D所示，激光束可以以与机械紧固工具轴向对准的方式引导到元件上，该机械紧固工具作用于机械紧固器以将元件连接在一起。在另一实施例中，激光束可以关于机械工具非轴向布置。优选地，激光束与机械工具共轴以便该部分可以刚好在将元件连接在一起之前以及期间被加热。此外，激光束与机械紧固工具的共轴布置(包括模具的加热)允许在使用之前机械元件和工具的至少一部分加热，以便最小化连接期间从元件至机械紧固器和工具的热损耗。
激光器可以是二极管激光器、Nd:YAG激光器或CO2激光器或任何其它适当的激光器。
方法还可以包括通过变粗糙(例如通过使用喷玻璃珠丸)或通过清洗(例如通过喷砂处理或通过浸蚀、冲洗和干燥)或通过涂敷光吸收性涂层，制备激光束入射到其上的元件一部分的表面的步骤，以提高激光能量的吸收，因此增加加热速率和/或减小功率需求。吸收性涂层可以是石墨、炭黑，Aero 504(Japan Acheson Corporation)或任何其它适当的吸收剂的涂层。吸收性涂层通过涂或喷射进行涂敷。光吸收性涂层可以是还作用为腐蚀保护涂层例如e-涂层的涂层。
方法还可以包括在加热之前在待连接的至少两个元件之间施加粘性材料。在利用激光对至少一个元件的一部分进行加热时，粘性材料也被加热，这固化和/或硬化了粘性材料。这为元件之间的连接提供了附加的粘合。
方法还可以包括利用夹紧工具将元件相对于彼此夹紧在一起处于它们的位置中的步骤。夹紧步骤包含对元件提供基本的压力。夹紧步骤可以在利用机械紧固方法将元件连接在一起的步骤之前、同时、之后或其任何组合的时候发生。在连接步骤之前夹紧元件包括利用液压夹具来建立元件上的压力。对于与连接同时夹紧来说，使用弹簧夹以在连接步骤发生时建立压力。在连接步骤之前或同时夹紧元件在连接步骤期间阻碍元件相对于彼此移动。在连接步骤之后夹紧元件，其中机械紧固方法包括利用机械紧固器，用于在机械紧固器附近推动元件材料，这通过增加接点的疲劳强度而改善了接点。
利用本发明优选实施例的机械紧固方法将元件连接在一起的步骤是“自冲铆接”(SPR)方法，其中自冲铆钉(其可以是实心或半空心铆钉)通过以铆钉枪和模具的形式的机械紧固工具起作用，以驱动铆钉进入和/或穿过已经通过激光在可成形性上得到提高的元件的一部分，由此变形该元件。被提高的部分可以位于元件的铆钉侧，从该侧铆钉被驱动进入和/或穿过元件，或者位于元件的模具一侧，其是铆钉侧的相对侧。注意元件和机械紧固工具之间的接触时间小于1.5秒(见图3A)，优选小于1.2秒。注意图3A涉及具有4至5.3mm的组合厚度的元件的连接。
在另一实施例中，机械紧固器是塑料铆钉。机械紧固器还可以是例如螺栓、螺钉、螺母或双头螺柱。
在又一实施例中，机械紧固方法包括利用机械工具使元件的部分变形。利用机械工具使元件的部分变形将元件的部分形成为机械紧固器，一般以元件的互锁变形部的形式。
机械紧固方法可以是转结式方法或压力连接方法，例如无模转结或无模铆钉转结，其中机械工具以冲压工具和模具的形式。
再次参考图1A、1B、1C和1D，示出了根据本发明实施例的用于将元件连接在一起的设备10的可替换布置，主要用于试验目的。设备10包括以铆钉枪11和模具14的形式的机械紧固工具，其作用于以自冲铆钉形式的机械紧固器(未示出)而将元件连接在一起。铆钉枪11安装在C框架12上。设备10还包括激光束产生器件13，用于提供入射到至少一个元件的至少一部分上的激光束能量。如图1A至1D所示，激光束产生器件13与元件间隔一定距离。从而，通过以远离元件的该距离提供入射到部分上的激光束，激光产生器件13能够提高该部分的可成形型，而不必物理接触该部分。
以关于元件15的不同的布置在图1A、1B、1C和1D中示出了铆钉枪11和激光束发生装置13。在图1A，激光束发生装置13提供入射在元件15的铆钉一侧18(铆钉从该侧被推进和/或通过元件15)上的会聚(convergent)激光束，同时在图1B中，激光束是平行的并入射在铆钉一侧18上。在图1C中，激光束发生装置13提供入射在元件模具一侧17上的会聚激光束，同时在图1D中，激光束是平行的并入射在模具一侧17上。
另外，在图1D中，激光束发生装置13提供与铆钉枪11和模具14(图1D中未示出)共轴的激光束，然而在图1A、1B和1C中，关于铆钉枪11(和模具14)非共轴地设置激光束。如果激光束发生装置布置得使其能够提供与铆钉枪11共轴并入射在元件铆钉一侧17上的激光束，进而在使用之前或过程中能够进行铆钉或铆钉枪11的至少部分的加热，以便最小化在连接过程中从元件15到铆钉和铆钉枪11损失的热量。类似地，激光束与模具14的共轴对准并入射在模具一侧18上能够在使用之前和/或期间能够进行模具14的至少部分的加热以便最小化热损失。
铆钉杆的长度可以关于将要连接在一起的元件的组合厚度优化，以产生最大强度的无裂缝接点。铆钉杆长度应当大于将要连接在一起的元件的组合厚度，以便实现连接过程中铆钉杆的张开(flaring)并且还使铆钉足以刺穿所有元件。铆钉杆的长度还依赖于铆钉的直径。例如，对于5mm直径的铆钉，最佳的杆长度是2至4mm，其大于将要连接的元件的组合厚度。
接点的强度可通过使用较硬的铆钉改进。这是因为接点的任何破损(failure)可能发生在将要连接的元件中而不是铆钉中。图8A说明了当使用更长和更硬的铆钉时，在两个3mmAM50元件之间连接强度的改进。
可是，当使用更硬的铆钉时，铆钉杆较少倾向于在连接过程中张开，这可在连接的元件中形成不期望的裂缝。
为了克服这个问题，模具14可具有不同于平板或平坦压凹模具的形状，该形状促使铆钉杆和待连接的元件在连接过程中远离模具中心流动，使得铆钉杆适当地张开并且待连接的元件承受较低的主要应变并由此使裂开的可能性更小(参见图8b)。特别适当形状的模具是“锥形”模具(图4中所示)，其具有凸起的中心部分。凸起的中心部分可以是弯曲的或具有直的边缘(即，三角形的)。模具(平坦和锥形的模具)的准确形状可通过调节模具直径(D)、模具深度(d)，倒角(α)，曲率半径(R1、R2、R3)或尖端高度(t)根据各种条件最优化，如图4所示。另一适当形状的模具是半环形模具。最优化模具形状的条件包括铆钉长度，铆钉硬度，将要连接的元件的组合厚度，形成元件的材料以及接点所需的强度。图8A还示出了当在平坦压凹模具上关于更长和更硬的铆钉使用锥形模具时接点强度的改进。
模具14可配有涂层，其是无粘性的，和/或耐热的和/或抗氧化的，以便延长模具14的使用年限并控制模具14和将要连接的最低元件之间的摩擦。
示例
为了证明本发明的实施例，在不同条件下，使用提高至少一个元件的一部分的可成形性的激光以及将自冲铆钉用作机械紧固器连接许多不同对的元件。
给出几个示例，其中结合自冲铆钉(SPR)设备使用2.5kW Nd:YAG激光。SPR设备是2级液压铆钉装定器，其包括一个双作用液压缸和一个预夹紧液压缸。
对于实验室试验的目的，激光束入射在模具一侧上的元件上，如图1C中示意性所示，并且以大约45°入射。定位光束聚焦透镜以便在接近用于SPR连接的模具内直径的11±0.8mm的元件上产生恒定的激光光点尺寸。
恒定能量注入剖面，如图2E中所示，传递到工件(元件)。能量输入或激光功率的能级以及激光停留时间是主要的方法参数。
借助机械加工闸板(shutter)实行激光束的应用。记录来自激光加工闸板的电压信号。还监视连接过程中的夹紧和铆钉调整压力。利用红外(IR)热成像照相机监视元件的激光照射面的表面温度。
连接多种厚度和合金的元件。以下给出的示例是针对镁与镁(Mg/Mg)以及铝与镁(Al/Mg)的激光辅助SPR连接。标记惯例(labeling convention)引证铆钉一侧上的元件与模具一侧上的元件。
所用材料包括：2至3mm厚的高压力压铸件(HPDC)AM50和AM60镁合金，3.3mm厚的带状铸件AZ31-O镁合金，2mm厚的Al5005-H34铝合金板，以及1.5或3mm厚的Al6060-T5铝合金挤压板。
使用具有5mm直径的杆和多种杆长度以及硬度级的空心钢铆钉。注意到，8L3铆钉是8mm长并具有指定L3的硬度的铆钉。根据L3铆钉比L2铆钉硬并且L4铆钉比L3铆钉硬，使用硬度L2、L3和L4的铆钉。
根据“锥形”模具剖面，如图4中示意性所示，或“平”模具剖面，多个不同形状的模具用于测试。
示例1
为了产生无裂缝接点，改变激光功率和停留时间以局部地预加热模具一侧上的镁合金元件至适于提高其可成形性的温度。因此，根据直到3.6秒的预定加热时间和图3A中所示元件的多种组合示例性确定激光功率输出。在图3B至3E示出了相应接点的外部和内部的外观。
示例2
图5A示出了连接两个厚元件的典型的激光预加热和SPR循环。温度曲线示出了关闭闸板之后的温度下降；温度中随后的峰值是由于进入红外照相机的窗口(view)的测量范围内的SPR工具所引起。因此，SPR开始之后的IR温度数据不指示连接过程中的元件温度，但提供了关于多级SPR方法的信息，所述信息与夹紧和铆钉调整的压力数据一致。
SPR方法的夹紧和铆钉调整(rivet setting)阶段的总持续时间由此确定为激光辅助SPR的几个试验中的平均值1.47±0.03秒，并且通过减少夹紧开始和铆钉调整开始之间的时间延迟减少至随后试验中的1.29±0.07秒。这可通过改变SPR设备的可编程逻辑控制器的一个设定参数予以实现。实际上，这减少了元件和机械SPR工具之间的接触时间，进而减少了热损失。热损失还是由于远离激光照射部分的热扩散以及进入元件其余部分的热扩散而引起。图5B和5C分别示出了用于补偿热损失和产生无裂缝接点的激光功率和停留时间。因此，借助激光加热的元件的表面温度提高至元件熔点的80％，这能通过在夹紧过程中与SPR工具接触防止熔化并补偿热损失，使得铆钉调整过程中的元件温度落入适当提高其可成形性的温度范围内。这汇总于表格1中。完成连接方法(除相对于彼此定位元件外)所用的总时间确定为小于5秒(根据随后的试验)，如图6中所示。
Figure A20078002823900211
Figure A20078002823900221
Figure A20078002823900241
上面表格1示出了通过激光加热的元件的表面温度提升至元件熔点的80％，通过在夹紧过程中与SPR工具相接触防止熔化并补偿热损失，使得铆钉调整过程中的元件温度落入适当提高其可成形性的温度范围内。根据给予的合金、变形速度(应变速率)以及应变级和分布，适于镁元件的SPR形成的温度范围可以是100-350℃。后者依赖于使用的模具和铆钉以及元件的厚度。
图7A示出了利用8mm-L3铆钉和11mm(直径)×1.2mm(深度)的BD2锥形模具剖面产生的3mm+3mmHPDC AM50接点的温度和相应外观。对于不充足的加热，SPR工具的热损失变得非常明显，并且元件的连接发生在其中延展性是一个问题的形成温度范围内。由于低延展性产生的裂缝可通过提升元件温度克服，如图7A中例子#11和12所示。对于过热或初始熔化(例如，由于过高的功率，太长的激光停留时间或激光照射的增加吸收)，元件的连接发生在其中热脆性变成问题的热加工作温度范围内，如图7中#8和9所示，对此，峰值表面温度不在红外照相机的测量范围。在常规的等温热加工状况下，温度通常不超过合金熔点的50至60％。
直到80％固相线的峰值表面温度是可能的(参见表格1)，因为温度对应的时间是短的并且连接所用时间小于1.3秒。更高的温度能够容纳更高的应变或增加的变形，例如当使用较长或较硬的铆钉产生厚的接点，该接点具有更大铆钉互锁和更高强度，如图7B中所示，如果使用恰当的模具剖面，则如图8A和8B所示。因此，借助激光辅助连接参数的适当选择和控制，能够实现可重现的温度曲线，如图8C中所说明的，进而产生具有足够强度的连接(参见图10C，与图8C相关联的连接强度)。
示例3
在使用和不使用激光的不同条件下连接许多不同对的元件以提高至少一个元件的一部分的可成形性进而评估其作用。图9中示出了比较在使用和不使用激光的情况下形成的接点的图像。利用具有比图3B至3E中示例1中所示的更长和/或更硬的杆的铆钉产生接点。应当注意，不仅防止了在使用激光提高可成形性时底部元件的裂开，还在使用激光时在存在具有周围材料的铆钉头的更好接触。
在图10中，根据利用不同铆钉和模具产生的不同元件组合的单点接点给出一些静态搭接剪切(shear)测试数据。图10示出了产生激光辅助SPR接点以符合强度需求的变化。
在本发明的随后权利要求和之前的描述中，除由于表达语言或必要含义上下文另外要求的情况外，文字“包括”表示包括的意义，即指定状态特征的存在而不排除本发明多种实施例中其它特征的存在或添加。
应当清楚地了解，尽管在此参考了现有技术公布，该参考并不构成任意的这些文件形成澳大利亚或任意其它国家中现有技术的公共常识部分的许可。

Claims (45)

1.一种用于将元件连接在一起的方法，该方法包括以下步骤：
相对于彼此定位元件；
利用激光提高至少一个元件的至少一部分的可成形性；以及
利用机械紧固方法将元件连接在一起。
2.如权利要求1所述的方法，其中机械紧固方法在接近于至少一个元件的所述一部分处进行。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中激光功率输出在100瓦至5000瓦之间。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中激光功率输出在100瓦至2500瓦之间。
5.如任一在前权利要求所述的方法，其中适当提高元件的可成形性所用的时间小于3.5秒。
6.如任一在前权利要求所述的方法，其中适当提高可成形性并利用机械紧固方法将元件连接在一起所用的时间小于10秒。
7.如任一在前权利要求所述的方法，其中元件的可成形性可以通过将所述一部分的温度提升至元件熔点(固相线)的80％适当地提高。
8.如任一在前权利要求所述的方法，其中该方法还包括预备元件的所述一部分的表面以提高激光能量的吸收的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其中预备表面的步骤包括使表面粗糙。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中预备表面的步骤包括清洁表面。
11.如权利要求8或9中任一项所述的方法，其中预备表面的步骤包括对表面施加光吸收涂层。
12.如任一在前权利要求所述的方法，其中该方法还包括在提高可成形性的步骤之前，在待连接的至少两个元件之间施加粘性材料的步骤。
13.如任一在前权利要求所述的方法，其中该方法还包括将元件相对于彼此夹紧在它们的位置。
14.如权利要求13所述的方法，其中夹紧的步骤发生在利用机械工具将元件连接在一起的步骤之前。
15.如权利要求13或14所述的方法，其中夹紧的步骤与利用机械紧固方法将元件连接在一起的步骤同时发生。
16.如权利要求13至15中任一项所述的方法，其中夹紧的步骤发生在利用机械紧固方法将元件连接在一起的步骤之后。
17.如任一在前权利要求所述的方法，其中机械紧固方法是转结式方法或压力连接方法。
18.如权利要求1至16中任一项所述的方法，其中机械紧固方法包括使用机械紧固器。
19.如权利要求18所述的方法，其中机械紧固器是自冲铆钉。
20.如权利要求19所述的方法，其中将元件连接在一起的步骤是自冲铆接方法，其中，通过铆钉枪形式的机械紧固工具对自冲铆钉起作用，以推动铆钉进入和/或穿过元件。
21.如权利要求19所述的方法，其中机械工具还包括模具。
22.如权利要求21所述的方法，其中该方法包括利用激光加热模具的步骤。
23.如权利要求18所述的方法，其中机械紧固器是螺栓、螺母、螺钉或双头螺柱。
24.如权利要求18至23中任一项所述的方法，其中该方法进一步包括在将元件连接在一起的步骤之前加热机械紧固器的步骤。
25.如权利要求24所述的方法，其中利用激光加热机械紧固器。
26.如权利要求1至16中任一项所述的方法，其中机械紧固方法包括利用机械工具使元件的一部分变形以将元件的所述一部分变形为机械紧固器。
27.如任一在前权利要求所述的方法，其中该方法进一步包括沿连接线在多个离散位置处重复将元件连接在一起的步骤。
28.如权利要求27所述的方法，其中该方法进一步包括重复提高至少一个元件的多个离散部分的可成形性的步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其中该方法进一步包括同时提高所述多个离散部分中的一些或全部的可成形性。
30.如任一在前权利要求所述的方法，其中该方法进一步包括将单个激光束分开以提高至少一个元件的多个部分的可成形性。
31.如权利要求30所述的方法，其中每个分开的激光束的激光功率输出是100-5000瓦。
32.如权利要求30所述的方法，其中每个分开的激光束的激光功率输出是100-2500瓦。
33.如任一在前权利要求所述的方法，其中激光束入射在与机械工具作用于元件以进行机械紧固方法的一侧相对的一侧。
34.一种用于将元件连接在一起的设备，该设备包括用于提供入射在至少一个元件的至少一部分上的激光束的激光束发生装置，以及用于作用于机械紧固器以将元件连接在一起的机械紧固工具。
35.如权利要求34所述的设备，其中机械紧固工具包括用于作用于机械紧固器的铆钉枪。
36.如权利要求34所述的设备，其中机械工具包括冲压工具，该冲压工具用于使元件的一部分变形为元件的互锁变形部。
37.如权利要求35或36所述的设备，其中机械紧固工具还包括模具。
38.如权利要求37所述的设备，其中模具包括剖面平坦的压凹。
39.如权利要求37所述的设备，其中模具包括压凹，该压凹成形为促使待连接的元件流动远而离模具的中心。
40.如权利要求37或39所述的设备，其中模具包括剖面为锥形的压凹。
41.如权利要求37所述的设备，其中模具包括平坦的板。
42.如权利要求37至41中任一项所述的设备，其中模具具有不粘附涂层。
43.如权利要求37至42中任一项所述的设备，其中模具具有耐热涂层。
44.如权利要求37至43中任一项所述的设备，其中模具具有耐氧化涂层。
45.如权利要求34至44中任一项所述的设备，其中该设备还包括夹紧工具，用于将元件相对于彼此夹紧在它们的位置。
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