CN101596646B

CN101596646B - 金属板材叠层的单面一步连接方法

Info

Publication number: CN101596646B
Application number: CN2009101426814A
Authority: CN
Inventors: A·D·哈哈列夫; S·M·沙; C·J·布鲁格曼; D·C·哈特钦森; J·M·伦德维四世
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-06
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: US20090302017A1; DE102009023792A1; DE102009023792B4; US9180548B2; CN101596646A

Abstract

本发明涉及金属板材叠层的单面一步连接方法。一种仅使用单个焊接步骤、仅需要接近一侧板材而执行的三个金属板材叠层的连接操作。所述叠层的内板具有形成在其中的一对分叉凸起，其中至少一个第一顶点面向一个方向，至少一个第二顶点面向相反的另一方向。所述第一和第二外金属板与所述内板组装在一起，其中所述第一外板邻接所述至少一个第一顶点，所述第二外板邻接所述至少一个第二顶点。凸焊设备仅接近叠加在所述分叉凸起上的所述第一外板就可焊接这些板材，其中大部分电流流过所述第二外板。

Description

金属板材叠层的单面一步连接方法

技术领域

本发明涉及连接金属板材叠层的焊接操作，尤其涉及三个板材叠层的单面(单侧)一步连接操作。

背景技术

现有技术中已知三个金属板材的连接是需要两个分开的焊接步骤，并且需要两面(两侧)接近它：内板与外板的电阻焊接步骤，需要接近板材的相对面以允许其被焊极的连接，然后进行内板与另一外板的凸焊步骤。

图1示出了连接的金属板材叠层10，包括第一外板12、内板14和第二外板16，其形式为相比第一和第二板相当厚的金属带条。第二外板16通过电阻焊接18a连接到内板14上，第一外板12通过凸焊18b连接到内板14的单顶点突起14a。仅仅作为使用的环境，图1A示出了组件10’，包括用作第一外板的顶板12’和用作第二外板的带式隔板16’，其中顶板12’焊接至用作内板的主体镶板14’上，而带式隔板16’在顶板相反侧焊接到主体镶板上。

另外参考图2A至2F描述现有技术的双面两步连接方法的细节。

图2A中，使用具有相互合作的模具部件20a、20b的模具20在内板14上施加冲压力F₁’，其中互补的V形模具面20a’、20b’彼此直接相对，从而在内板中形成至少一对单顶点突起14a，每个单顶点突起14a都为大致V形的结构。例如，如图2B至2D所示，产生的被冲压的内板14可具有细长的单顶点突起14a，该突起具有约0.7mm的凸起高度H’、约1.5mm的宽度W’和约8mm的长度L’。

图2E示出了现有技术的第一焊接步骤。使第二外板16与内板14邻接，其中单顶点凸起14a背向第二外板。使电阻焊接设备24的正好相反地对齐的电极24a、24b在单顶点凸起之间与第二外板16和内板14的相对侧邻接。随着朝第一和第二外板施加至电极的对向力F₂’，向电极供应电流，产生电阻焊接18a。

图2F示出了现有技术的第二焊接步骤。使第一外板12与内板14的单顶点凸起14a邻接，该内板14已经通过第一焊接步骤焊接至第二外板16上。使凸焊设备28的焊接电极28a、28b(每个单顶点突起14a一个电极)通过作用力F₃’与第一外板邻接，其中每个电极都叠在相应的单顶点凸起上。电流i′被施加至电极上，其中该电流通过第一外板与单顶点凸起的邻接界面进入第二外板，作为电流i₁’通过第一外板12，作为电流i₂’通过内板14，作为电流i₃’通过第二外板，因为第二外板比第一外板和内板厚得多，所以第二外板携带电极之间的大部分电流，产生凸焊18b。

图1中示出了现有技术的第一和第二焊接步骤的结果。对于各组单顶点凸起，可如上述方式在板12、14、16之间提供任意数量的焊接组18a、18b。

尽管连接三个板材的双面两步方法执行顺利，但是它具有多个缺点，主要因为固有地需要多个步骤，并且必须在板材的相反侧面都可接近焊接电极(至少对于电阻焊接步骤)。在现有连接方法下，两个焊接步骤都不能够同时焊接所有三个板材；例如，第二外板与内板之间的大表面接触妨碍了第二焊接步骤实现该技艺。

因此，本领域中仍需要一种三个金属板材的连接方法，其可以某种方式仅通过从一个板材面接近来执行，并且可以某种方式仅使用单个焊接步骤来执行。

发明内容

本发明为仅使用单个焊接步骤、仅需要接近一个板材面而执行的三个金属板材叠层的连接方法。

在第一步中，板制为被连接的板材叠层的内板的金属板经过模具冲压操作，其中设有至少一对分叉凸起。每个分叉凸起都包括至少两个顶点，其中至少一个顶点面向一个方向，且至少另一个顶点面向相反的方向。这样，对于对称性和稳定性，优选的是所述分叉凸起为大体W形的形式，由布置在中间顶点两侧的面向相同方向的两个外侧顶点构成，所述中间顶点面向与所述外侧顶点相反的方向。

在第二步中，将所述板材叠层的第一和第二外金属板与所述内板装配在一起。这样，所述第一外板定位成与各分叉凸起的所述中间顶点邻接，所述第二外板定位成与各分叉凸起的所述外侧顶点邻接。

在第三步中，所述板材叠层组件被放入凸焊设备中，其中该设备的电极与所述第一外板邻接，使得各电极被放置在相应的分叉凸起上，该第三步骤可与上述第二步骤重合。

在第四步中，当朝着所述板材叠层组件向所述电极施加力时，通过所述凸焊设备向所述电极供应电流，由此电流通过传导通过各分叉凸起的顶点，并通过所述第一外板、所述内板和所述第二外板，从而在一对电极之间流动，其中由于相比所述第一外板和所述内板的导电性能，所述第二外板的导电性能高得多，所以大部分电流流动通过所述第二外板。所述第二外板高得多的导电性能是因为所述第二外板比第一外板和内板中的任一个厚得多、和/或因为板材不同金属的选择，使得所述第二外板具有低得多的电流阻抗。

假设电极之间流动的总电流为i，并且如果通过所述第一外板的电流为i₁，通过所述内板的电流为i₂，通过所述第二外板的电流为i₃，那么总电流i由下式给出：i＝i₁+i₂+i₃，并且由于所述第二外板大得多的导电性，例如，由于在所述电极之间的导电面积中，相比所述第一外板和所述内板的截面积，所述第二外板的截面积非常大(即，因为它是带条的形式)，所以i₃＞＞(i₁+i₂)。其它的成对分叉凸起可被类似地焊接。

因此，本发明的目的是提供一种仅使用单个焊接步骤、仅需要接近一个板材面而执行的三个金属板材的连接操作。

从下面优选实施例的描述可更加清楚本发明的这些及其它目的、特征和优点。

附图说明

图1为使用现有焊接技艺连接在一起的三个金属板材叠层的侧视截面图；

图1A为现有技术中已知的用来连接三个板材叠层的应用环境的示意图；

图2A为根据现有技术的板材叠层连接方法的金属冲压操作的局部侧视截面图；

图2B为根据图2A的现有方法的设有单顶点凸起的板材叠层的内板的透视图；

图2C为沿着图2B的线2C-2C的截面图；

图2D为沿着图2B的线2D-2D的截面图；

图2E为根据现有技术的板材叠层连接方法的第一焊接步骤的侧视图；

图2F为根据现有技术的板材叠层连接方法的第二焊接步骤的侧视图；

图3为根据本发明的板材叠层连接方法的金属冲压操作的局部侧视截面图；

图3A根据图3的本发明方法的设有分叉凸起的板材叠层组件的内板的透视图；

图3B为沿着图3A的线3B-3B的截面图；

图4为位于根据本发明方法的凸焊设备中的板材叠层组件的透视图；

图5为沿着图4的线5-5的局部截面图；

图6为沿着图4的线6-6的局部截面图；

图7A为根据本发明方法连接的金属板材叠层的端视截面图；

图7B为根据本发明方法连接的金属板材叠层的侧视截面图。

具体实施方式

现在参考附图，图3至7B示出了用来提供连接的金属板材叠层组件100(图7A和7B所示)的根据本发明的方法的示意图，所述连接的金属板材叠层由金属板材叠层组件100’(见图4、5和6)形成，其中仅需要板材叠层的一面可接近焊接设备，并且在一个步骤中就同时形成板材叠层的所有板材的焊接。

图3至3B示出了根据本发明的连接方法的第一步骤的实例。要成为板材叠层组件100’的内板102的金属板材经历了模具冲压操作，如图3所示。模具104具有交界的上模具部件104a和下模具部件104b，其中互补的分叉面104a’、104b’彼此正好相反。当模具104通过向内板102施加反向力F₁执行其冲压操作时，在内板102中形成包括分叉凸起106a、106b的至少一个分叉凸起对106。还可同时或者通过在内板上的继续冲压操作来提供其它对分叉凸起。

每个分叉凸起106a、106b沿着其间的轴向布置方向A都是细长的，并且包括至少两个顶点，其中至少一个顶点(即，顶点108a、108b中的任一个或两者)面向一个方向，至少另一顶点(即，顶点110)面向相反方向。这样，对于对称性和稳定性，优选每个分叉凸起106a、106b都为大体W形的形式，包括两个相同的面向外侧的顶点108a、108b，它们布置在与外侧顶点面向相反的中间顶点110的两侧。中间顶点110相对于板平面P优选具有比外侧顶点108a、108b的高度H₂更高的高度H₁。

尽管分叉凸起106a、106b的图示在附图(仅为示意性示出而非限制性)中可为看清目的而放大，但是可使用下面的尺寸：细长体的长度L可约为8mm，中间顶点的高度H₁可为0.6mm，高度H₂约为0.3mm，外侧顶点绕外侧顶点之间的宽度W可约在1.2与1.5mm之间。

下面参考图4、5和6，在根据本发明连接方法的第二步骤中，提供金属板材叠层组件100’，包括内板102、金属第一外板112和金属第二外板114。这样，第一外板112定位成与各分叉凸起106a、106b的中间顶点110邻接，第二外板114定位成与各分叉凸起的外侧顶点108a、108b邻接。根据本发明的优选方面，与第一外板112和内板102的每一个相比，第二外板114厚得多。

仅作为根据本发明方法的使用环境的非限制性实例，参考图1A，第一外板112可为顶板，第二外板可为带式隔板，内板可为主体镶板。本发明应用的其它非限制性实例可包括门、罩、车厢盖、风档、铰链、插销或板和加强件涉及的其它位置。

在根据本发明的连接方法的第三步骤(可与第二步骤组合)中，如图4所示，板材叠层组件100’被放入凸焊设备120中，其中它的电极122a、122b与第一外板112邻接，使得每个电极都与各自的分叉凸起106a、106b重叠。

在第四步骤中，如图5和6所示，通过电极122a、122b朝着板材叠层组件100’施加力F₂，然后通过凸焊设备120的电源124向电极供应电流i，同时保持施加力。电流i传导通过各分叉凸起106a、106b的顶点108a、108b、110，并通过第一外板112、内板102和第二外板114，从而在成对电极122a、122b之间流动，其中由于第二外板大得多的导电性能，大部分电流沿着其流动，沿着第一外板和内板中任一个流动的电流量小得多。第二外板高得多的导电性能可能是因为第二外板比第一外板和内板中任一个厚得多(即，因为它是带式隔板或其它加强件的形式)、和/或因为板材不同金属的选择，使得第二外板具有低得多的电流阻抗。

如图5中所示，如果通过第一外板112的电流为i₁，通过内板102的电流为i₂，通过第二外板114的电流为i₃，那么总电流i由下式给出：i＝i₁+i₂+i₃，其中i₃＞＞(i₁+i₂)(1)对于优选实施例，这是由于在电极122a、122b之间的电流导电面积中，相比第一外板112和内板102的截面积，第二外板114的截面积非常大。其它的成对分叉凸起类似地被焊接。

在仅从板材叠层组件100’的第一外板侧执行的本发明的单焊接步骤期间，给电极122a、122b提供力F₂，然后供应电流i，同时继续施加力。通过电流与力F₂(对于非限制性实例，每个电极可供应约200磅(即，总共400磅))结合的引起的热，导致分叉凸起106a、106b的皱缩，尤其是由于中间顶点110和外侧顶点108a、108b的收缩，产生图7A和7B的连接的板材叠层100的整体最终形式。可看出，中间焊接点126和外侧焊接点128a、128b布置在现在皱缩了的分叉凸起106a’、106b’处，特别是在之前布置了中间顶点110和外侧顶点108a、108b的地方，从而第一外板112、第二外板114和内板102在三个焊接点126、128a、128b处相互连接(实际上是熔合)在一起，所有这些都在使电极仅从板材叠层组件一侧接近的单个焊接步骤中执行。

对于本发明所属领域的技术人员，上述优选实施例可进行改变或修改。这种改变或修改可在不脱离本发明范围的情况下实施，所述范围仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims

1.一种用于连接板材叠层组件的方法，包括下列步骤：

在内板中形成一对分叉凸起，其中每个分叉凸起都包括沿第一方向的至少一个第一顶点和沿第二方向的至少一个第二顶点，所述第一方向与所述第二方向相反；

组装板材叠层组件，包括下列步骤：

将第一外板放置为与所述内板的所述至少一个第一顶点成邻接关系；以及

将第二外板放置为与所述内板的所述至少一个第二顶点成邻接关系；以及

将所述板材叠层组件连接地焊接在一起，包括下列步骤：

朝着所述第一外板施加力，所述力叠加于各分叉凸起上；以及

在所述施加力的步骤期间向所述第一外板施加电流，所述电流叠加于各分叉凸起上，其中所述电流在各分叉凸起之间流过所述板材叠层组件，并且其中大部分电流在所述成对分叉凸起之间流过所述第二外板。

2.根据权利要求1所述的方法连接的连接板材叠层，所述连接板材叠层由板材叠层组件形成，所述板材叠层组件包括内板、第一外板和第二外板，其中内板中形成有一对分叉凸起，其中每个分叉凸起都包括沿第一方向的至少一个第一顶点和沿第二方向的至少一个第二顶点，所述第一方向与所述第二方向相反；

组装板材叠层组件，包括下列步骤：

将所述板材叠层组件连接地焊接在一起以形成所述连接板材叠层，包括下列步骤：

3.如权利要求1所述的方法，其中所述焊接步骤还包括：

将所述板材叠层组件放入凸焊设备中，所述凸焊设备具有布置为与所述第一外板成邻接关系的电极，每个电极都置于相应的分叉凸起上。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述第二外板相对于所述第一外板和所述内板选择为使得，如果通过所述第一外板的电流为i₁，通过所述内板的电流为i₂，通过所述第二外板的电流为i₃，那么总电流i由下式给出：

i＝i₁+i₂+i₃，其中i₃＞＞(i₁+i₂)。

5.如权利要求4所述的方法，其中在所述形成各分叉凸起的步骤中，包括：

所述至少一个第一顶点包括面向所述第一方向的中间顶点；并且

所述至少一个第二顶点包括面向所述第二方向的一对外侧顶点，所述中间顶点的每侧分别布置一个外侧顶点。

6.如权利要求5所述的方法，其中在所述组装步骤中，所述中间顶点邻接所述第一外板，所述外侧顶点邻接所述第二外板。

7.如权利要求6所述的方法，其中在所述形成步骤中，相对于所述内板的平面，所述中间顶点的高度比所述外侧顶点的高度高。

8.根据权利要求7的方法连接的连接板材叠层，所述连接板材叠层由板材叠层组件形成，所述板材叠层组件包括内板、第一外板和第二外板，其中内板中形成一对分叉凸起，其中每个分叉凸起都包括沿第一方向的至少一个第一顶点和沿第二方向的至少一个第二顶点，所述第一方向与所述第二方向相反；

其中所述至少一个第一顶点包括面向所述第一方向的中间顶点；并且所述至少一个第二顶点包括面向所述第二方向的一对外侧顶点，所述中间顶点的每侧分别布置一个外侧顶点；

其中，相对于所述内板的平面，所述中间顶点的高度比所述外侧顶点的高度高；以及

其中，所述第二外板相对于所述第一外板和所述内板选择为使得，如果通过所述第一外板的电流为i₁，通过所述内板的电流为i₂，通过所述第二外板的电流为i₃，那么总电流i由下式给出：

i＝i₁+i₂+i₃，其中i₃＞＞(i₁+i₂)；

组装板材叠层组件，包括下列步骤：

在所述施加力的步骤期间向所述第一外板施加电流，所述电流叠加于各分叉凸起上，其中所述电流在各分叉凸起之间流过所述板材叠层组件，并且其中大部分电流在所述成对分叉凸起之间流过所述第二外板，

其中在所述组装步骤中，所述中间顶点邻接所述第一外板，所述外侧顶点邻接所述第二外板。

9.一种用于连接板材叠层组件的方法，包括下列步骤：

组装板材叠层组件，包括下列步骤：

将第二外板放置为与所述内板的所述至少一个第二顶点成邻接关系，其中所述第二外板在所述分叉凸起之间的电阻远小于

所述第一外板和所述内板的电阻；以及

将所述板材叠层组件连接地焊接在一起，包括下列步骤：

10.根据权利要求9所述的方法连接的连接板材叠层，所述连接板材叠层由板材叠层组件形成，所述板材叠层组件包括内板、第一外板和第二外板，其中内板中形成有一对分叉凸起，其中每个分叉凸起都包括沿第一方向的至少一个第一顶点和沿第二方向的至少一个第二顶点，所述第一方向与所述第二方向相反；

组装板材叠层组件，包括下列步骤：

将第二外板放置为与所述内板的所述至少一个第二顶点成邻接关系，其中所述第二外板在所述分叉凸起之间的电阻远小于所述第一外板和所述内板的电阻；以及

11.如权利要求9所述的方法，其中所述焊接步骤还包括：

12.如权利要求11所述的方法，其中所述第二外板相对于所述第一外板和所述内板选择为使得，如果通过所述第一外板的电流为i₁，通过所述内板的电流为i₂，通过所述第二外板的电流为i₃，那么总电流i由下式给出：

i＝i₁+i₂+i₃，其中i₃＞＞(i₁+i₂)。

13.如权利要求12所述的方法，其中在所述形成各分叉凸起的步骤中，包括：

14.如权利要求13所述的方法，其中在所述组装步骤中，所述中间顶点邻接所述第一外板，所述外侧顶点邻接所述第二外板。

15.如权利要求14所述的方法，其中在所述形成步骤中，相对于所述内板的平面，所述中间顶点的高度比所述外侧顶点的高度高。

16.根据权利要求15的方法连接的连接板材叠层，所述连接板材叠层由板材叠层组件形成，所述板材叠层组件包括内板、第一外板和第二外板，其中内板中形成有一对分叉凸起，其中每个分叉凸起都包括沿第一方向的至少一个第一顶点和沿第二方向的至少一个第二顶点，所述第一方向与所述第二方向相反；

组装板材叠层组件，包括下列步骤：

17.一种用于连接板材叠层组件的方法，包括下列步骤：

在内板中形成一对分叉凸起，其中每个分叉凸起都包括：

形成面向第一方向的中间顶点；以及

形成面向第二方向的一对外侧顶点，所述第一方向与所述第二方向相反，所述中间顶点的每侧分别布置一个外侧顶点；

组装板材叠层组件，包括下列步骤：

将第一外板放置为与所述内板的所述中间顶点成邻接关系；以及

将第二外板放置为与所述内板的所述外侧顶点成邻接关系；以及

将所述板材叠层组件连接地焊接在一起，包括下列步骤：

在所述施加力的步骤期间向所述第一外板施加电流，所述电流叠加于各分叉凸起上，其中所述电流在各分叉凸起之间流过所述板材叠层组件；

其中所述第二外板相对于所述第一外板和所述内板选择为使得，如果通过所述第一外板的电流为i₁，通过所述内板的电流为i₂，通过所述第二外板的电流为i₃，那么总电流i由下式给出：

i＝i₁+i₂+i₃，其中i₃＞＞(i₁+i₂)。

18.如权利要求17所述的方法，其中在所述形成步骤中，相对于所述内板的平面，所述中间顶点的高度比所述外侧顶点的高度高。