CN104540628A - 焊接辅助接合零件和用该零件连接元件的方法 - Google Patents

焊接辅助接合零件和用该零件连接元件的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种焊接辅助接合零件(10)，呈螺柱形状并具有头部、柄和尖端。借助于固定方法将该焊接辅助接合零件(10)驱动到由不可焊接或难以焊接的材料制成的元件(20)中。在该驱入期间由于机械变形而产生焊接头部，使得随后该元件(20)可通过经由该焊接辅助接合零件(10)的焊接而连接到由可焊接材料制成的又一元件(30)。

Description

焊接辅助接合零件和用该零件连接元件的方法
技术领域
本发明涉及一种具有螺柱的形式或形状的焊接辅助接合零件，并涉及一种借助于此焊接辅助接合零件连接若干元件的方法，该方法包括固定方法和焊接方法，该固定方法用于将此焊接辅助接合零件固定到由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中；以及至少由不可焊接或焊接不良的材料制成的第一元件和至少由可焊接材料制成的第二元件或具有由可焊接材料制成的一部分的第二元件，该第一元件和第二元件已借助于该焊接辅助接合零件而彼此连接。
背景技术
焊接是用于将由可焊接材料制成的元件(例如由钢制成的元件)彼此连接的常用方法。示例性焊接方法是电阻点焊和螺柱焊接，其中借助于焊接将两个相对的元件选择性地或逐个点地彼此连接。又一种焊接方法是使用电弧的螺柱焊接。
在各种工业领域中必须将部分地由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件彼此连接。然而，即使对于由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件，焊接也是有效的连接方法。为此目的，将由可焊接材料制成的焊接辅助接合零件紧固到由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中。随后，产生由可焊接材料制成的元件与该焊接辅助接合零件之间的焊接连接，使得由可焊接材料制成的元件和由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件经由该焊接辅助接合零件彼此连接。仅举几例，由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件的示例是铝片、由塑料或纤维加强塑料(例如碳纤维加强塑料)制成的模制零件。上述方法例如参见德国专利申请案DE100 15 713 A1。
借助于由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件与由可焊接材料制成的元件之间的焊接的类似连接方法在德国专利申请DE 10 2005 006 253 A1中描述。在此文献中，由可焊接材料制成的具有柄和头部的螺柱插入到由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中的预制孔中，且随后焊接到由可焊接材料制成的元件上。为了将螺柱的柄可靠地固定在由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件的预穿孔部分中，在借助于压紧的焊接之后使螺柱的柄横向变形，从而得到螺柱的柄与元件的孔的内壁之间的正连接或摩擦连接。由于存在多个方法步骤，因此上述连接方法是技术上复杂且耗时的。
在德国专利申请DE 10 2004 025 492 A1和DE 10 2007 036 416 A1中，铆钉、螺柱或钉分别用作由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中的焊接辅助接合零件。焊接辅助接合零件的尖端从由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件的一侧突出，且形成具有极小接触表面的焊接点，用于接触相对的由可焊接材料制成的元件。只要焊接辅助接合零件和由可焊接材料制成的元件例如借助于电阻焊接以电阻点焊或电阻螺柱焊接的方式彼此连接，焊接辅助接合零件的尖端或边缘熔化从而得到所谓的焊接熔核(weld nugget)。由于在焊接辅助接合零件的尖端处或切割区域中焊接辅助接合零件与由可焊接材料制成的元件之间存在小接触表面，因此用于焊接的接触面积相对小。由于与彼此相对设置的以较大面积彼此接触的元件相比的小接触表面，这加长了焊接过程或使焊接连接降级。对应于焊接辅助接合零件与由可焊接材料制成的元件之间的小面积接触部分，形成的焊接熔核较小。这尤其影响所得连接的机械负载容量以及寿命。此外，当使用半中空冲压铆钉作为焊接辅助接合零件时，产生了由不可焊接或焊接不良的材料形成的废料。在后续焊接期间，此废料留在焊接区域中和焊接熔核的区域中，由于存在此污染导致所得的焊接连接在质量上受影响。
此外，在DE 10 2004 025 492 A1中显示出，有利的是，借助于焊接辅助接合零件到由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中的固定程序使由可焊接材料制成的元件在接触区域中机械变形以用于未来焊接。特别地，焊接辅助接合零件的尖端或边缘进入由可焊接材料制成的元件，或在由可焊接材料制成的此元件中产生凹口。此凹口随后会在此凹陷或凹口的区域中分别在焊接辅助接合零件与由可焊接材料制成的元件之间的电阻焊接期间促进或支持充分大的焊接熔核的形成。然而为了实现此方法，必须在固定焊接辅助接合零件之前将所有元件设置为彼此连接。否则便必须要有额外的工作来在由可焊接材料制成的元件中产生凹口且使凹口相对于已经固定的焊接辅助接合零件对准。这是复杂的、耗时的，且进一步需要额外的安装努力来将元件定位为彼此连接，且在可能的焊接方法和工艺次序的选择方面受限。
因此本发明的目的是提供与现有技术相比在至少一个由不可焊接材料制成的元件与至少一个由可焊接材料制成的元件之间的较省时的连接方法。本发明的又一目的是提供用于此方法的焊接辅助接合零件，该零件是容易生产的、可以较低的努力来固定且可灵活地使用。
发明内容
上文提到的目的通过以下手段来解决：根据权利要求1的呈螺柱的形状的焊接辅助接合零件；通过使用根据权利要求10的螺柱；根据权利要求11的用于焊接辅助接合零件的固定方法；根据权利要求19的至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的其中固定有焊接辅助接合零件的元件；根据权利要求20的焊接方法，用于将至少由不可焊接或焊接不良的材料制成的第一元件和其中固定的焊接辅助接合零件连接到由可焊接材料制成的第二元件或具有由可焊接材料制成的至少一部分的第二元件；根据权利要求23的连接方法，用于借助于固定方法和焊接方法的组合将至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件连接到由可焊接材料制成的元件或具有由可焊接材料制成的至少一部分的元件；以及根据权利要求24的至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的第一元件和至少一个由可焊接材料制成的第二元件或至少一个具有由可焊接材料制成的部分的第二元件，该第一元件和该第二元件经由固定于其中的焊接辅助接合零件而彼此连接。本发明的有利实施例和开发参见描述内容、附图以及从属权利要求。
本发明公开一种焊接辅助接合零件，呈螺柱的形式或形状，用于接合到至少一个元件中且从多个元件、优选与至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件产生焊接连接。本发明的焊接辅助接合零件具有以下特征：头部，在该焊接辅助接合零件的纵向方向上延伸且具有最大厚度横截于该纵向方向的尖端部分，以及优选地，柄，其中该螺柱由可焊接材料组成，该可焊接材料在该焊接辅助接合零件的固定程序期间塑性变形。
本发明的焊接辅助接合零件形状为螺柱状，由可焊接材料制成，例如具有0.2到0.8、优选0.3到0.6的碳当量的钢。材料科学中的碳当量值(CEV)是用于判断或评估非合金钢或低合金钢的焊接合适性的量度。钢中的碳含量和多种其它合金元素影响钢的性能。为了评估焊接合适性，将影响钢的焊接合适性的碳含量和预计与碳相似的方式发生影响的元素的计重部分因此以碳当量的方式概括为数字值。优选地，焊接辅助接合零件适合于借助高速接合方法的固定或用于一般固定方法，其中该焊接辅助接合零件可仅借助于一次脉冲而固定到至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中。类似地，还优选借助于例如用于半中空冲压铆钉的常用固定方法来固定焊接辅助接合零件。对于不同的固定方法，已证明形成不具有柄的螺柱是尤其有利的。该螺柱包括在焊接辅助接合零件的纵向方向上延伸的尖端部分。该尖端部分包括邻近于头部或邻近于该焊接辅助接合零件的柄的最大厚度。在该尖端部分背对该头部的末端处，该尖端部分包括尖端，该尖端部分连续或阶梯式地朝该尖端变细。
根据实施例，该焊接辅助接合零件包括尖顶拱尖端，该尖顶拱尖端具有1到10、优选3到5的尖顶拱因数，该因数适合于脉冲状高速接合。基于此成形，由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中的有利材料移位相对于螺柱的柄在径向方向上且在柄的尖端的区域中发生。又一优点在于，焊接辅助接合零件由于此形状而可在其尖端部分中机械变形，使得形成焊接头部或焊点，这对于焊接辅助接合零件的未来焊接是有利的。该焊接头部为焊接辅助接合零件处的电阻焊接或电弧焊接提供可靠的接触表面。因此，焊点仅以表面存在一般称为且理解为焊接头部。对至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件的不同材料厚度的适应优选经由在维持一致的尖端几何形状的同时对焊接辅助接合零件的柄或尖端部分的长度的相应调整来进行。
依据本发明的焊接辅助接合零件的不同优选实施例，该头部的直径比焊接辅助接合零件的柄的直径或尖端部分的最大厚度大或与之相等。在头部直径大于柄的直径或尖端部分的最大厚度的情况下，优选在头部的面对柄的侧面处形成环形凹槽，用于接纳邻近于头部的元件的材料变形。以相同方式，优选形成在径向方向上延伸的凹槽或肋条而不是环形凹槽，或者与环形凹槽组合以提供接纳空间，用于接纳邻近于头部的元件的材料变形。
为了进一步提供焊接辅助接合零件与由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件之间的稳固连接，焊接辅助接合零件的柄形成为圆柱形、类似圆柱状或至少部分圆锥形。类似圆柱状也包含焊接辅助接合零件的多边形横截面形状。根据又一优选实施例，焊接辅助接合零件的柄的外部滚纹或压型支撑与不可焊接或焊接不良的材料制成的元件的连接，后者中已固定有焊接辅助接合零件而没经过预穿孔。
此外，优选将具有或不具有柄的焊接辅助接合零件的尖端部分形成为具有圆锥形或金字塔形尖端。在本文中，已证明有利的是尖端的侧表面包含与焊接辅助接合零件的纵轴的角度，该角度在5°到60°、优选15°到40°且更优选20°到30°的范围内。本发明还公开上述螺柱的应用以及其作为焊接辅助接合零件的优选实施例。
本发明还包含固定方法，用于将焊接辅助接合零件，尤其是根据其不同优选实施例的上述焊接辅助接合零件，固定到至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中而不需要对该至少一个元件进行预穿孔。根据本发明的固定方法包括以下步骤：将该焊接辅助接合零件固定到该至少一个元件中，其中没有废材料、尤其没有固定废料从该至少一个元件分离，以及在固定期间在该焊接辅助接合零件的退出该至少一个元件的位置处使该焊接辅助接合零件机械变形，使得该焊接辅助接合零件的尖端部分至少部分地变形成为焊接头部或焊点。根据固定方法的优选实施例，借助于脉冲类的力来固定焊接辅助接合零件，该类力将焊接辅助接合零件加速直到至少5m/s的速度。优选地，借助于高速接合或脉冲速度接合来固定焊接辅助接合零件，其中将焊接辅助接合零件加速到5m/s到50m/s、尤其为10m/s到45m/s的范围内的速度或速率。还优选将焊接辅助接合零件加速到至少10m/s、更优选至少20m/s、甚至更优选至少30m/s且还优选至少40m/s的速度。此外，优选将焊接辅助接合零件固定到一个或多个元件，这些元件在一个或多个层处的总厚度为0.5mm到10mm、优选0.5mm到8mm且更优选0.5到5mm。优选地，焊接辅助接合零件的长度适于此总厚度以实现理想的功能性。
根据本发明的焊接辅助接合零件的固定方法用于制备至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件与至少另一个由可焊接材料制成的元件或一般支撑元件的借助于焊接的未来连接。如果支撑元件或一般来说该至少另一个元件不是由可焊接材料组成，那么优选地，在此至少另一个元件或支撑元件中提供由可焊接材料制成的至少一部分。由可焊接材料制成的此部分优选由根据以上描述或现有技术中已知的焊接辅助接合零件组成。
作为固定方法的一部分，将可焊接的焊接辅助接合零件紧固在不可焊接或焊接不良的材料中。此焊接辅助接合零件优选具有如上所述的螺柱的形状。此螺柱或焊接辅助接合零件相应地优选借助于高速固定方法固定到至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中，其中，或者，还可使用其它已知的方法用于固定接合元件。在高速固定方法期间，在焊接辅助接合零件进入未预穿孔元件之前将焊接辅助接合零件加速到至少5m/s的速度。在上文提到的固定方法中，优选借助于液压、电磁、机械或挤压空气动力驱动方式来加速焊接辅助接合零件。又一替代方案是借助于将待点燃的气体进料来将焊接辅助接合零件注入到元件中。
基于焊接辅助接合零件的形状，优选具有上述特征的螺柱的形状，在固定过程期间不产生废材料。这简化了整个固定方法，因为此废材料不会干扰未来固定方法，而且也不必从接合区域移除。此外，在未来焊接区域中也不存在废材料，且不会产生影响焊接连接的废料。
在后续焊接方法的准备中，焊接辅助接合零件在固定方法期间在其尖端部分中机械地塑性变形，使得形成焊接头部或焊点。借助于此焊接头部/焊点，在未来焊接方法期间接触由可焊接材料制成的元件或由可焊接材料制成的元件的一部分。借助于此，焊接头部和由可焊接材料制成的元件或焊接头部和元件的由可焊接材料制成的部分可例如借助于电阻焊接方法而形成焊接熔核。优选地，具有或不具有柄的焊接辅助接合零件的尖端部分的此机械变形是通过在砧或由高强度、优选可焊接的材料制成的元件处挤压焊接辅助接合零件而进行，该砧或元件设置于焊接辅助接合零件的从至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件退出的位置处。借助于优选的砧设置，可影响焊接头部的形状和径向或横向延伸，从而能够优化后续焊接方法。以此方式，焊接头部形成如同根据已知固定方法固定的已知焊接辅助接合零件的尖端或边缘提供的用于焊接的较大接触表面。在本文中，优选在平坦的砧或具有凹陷状表面轮廓的砧处挤压焊接辅助接合零件。凹陷状表面轮廓在焊接辅助接合零件的固定方向上在砧内形成凹口。取决于焊接头部的所需大小和形状，该凹陷以不同深度形成和/或具有成角度或圆化的边缘。此外，优选在凹陷内或平坦的砧上提供设置于焊接辅助接合零件的纵轴的延伸中的凹口。此凹口优选横截面小于尖端部分的最大厚度的一半，更优选小于尖端部分的最大厚度的1/3。如果焊接辅助接合零件在固定程序期间在此凹口中塑性变形，那么在焊接头部或焊点处产生销状延伸或接触尖端。此销状延伸或接触尖端优选可用于使用电弧的螺柱焊接，因为基于对应电参数，该延伸或接触尖端在电弧焊接期间熔化且促进电弧的点燃。
根据本发明的又一优选实施例，具有头部且优选具有或不具有柄的钉用作焊接辅助接合零件。该钉的头部直径大于该钉的柄直径或尖端部分的最大厚度，使得在固定程序完成之后，面向元件的头部底侧对接该至少一个元件或与该至少一个元件间隔设置。只要钉的头部直径不超过柄直径或尖端部分的最大厚度，进一步优选在固定方法完成后，钉的头部设置为与至少一个元件齐平或从该至少一个元件突出。由于焊接辅助接合零件的头部的这些不同的布置替代方案，无论相对于柄直径来说直径较小或较大，均可提供用于另外元件的额外连接点。还存在在后续焊接方法期间基于材料移位而在由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件与至少一个由可焊接材料制成的元件或至少一个具有由可焊接材料制成的至少一部分的元件之间产生有利连接配置的可能性。
进一步优选通过机械变形产生的焊接辅助接合零件的焊接头部设置为与该至少一个元件的一个侧面齐平或从该至少一个元件的具有该焊接辅助接合零件的该退出位置的侧面突出。焊接辅助接合零件的机械变形端的此设置确保了用于接触至少一个由可焊接材料组成的第二元件的焊点或充分大的可焊接区域存在以用于以后的稳固焊接连接。此外，可借助于调节在具有焊接辅助接合零件的退出位置的侧面处对焊接辅助接合零件的机械变形端的突出来预设待彼此连接的元件的特定距离。又一替代方法是，在头部和/或变形柄尖端的侧面处焊接辅助接合零件的突出材料在焊接期间熔化以用于形成充分大的焊接熔核，且因此形成稳固连接。
本发明还包括至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件，其中固定有焊接辅助接合零件，该焊接辅助接合零件的尖端部分已通过固定方法机械地塑性变形为焊接头部，具体来说是焊接辅助接合零件已通过根据上述替代方案的固定方法固定到其中的元件。
而且，本发明公开一种焊接方法，用于连接至少第一元件和至少第二元件，该第一元件由不可焊接或焊接不良的材料制成并且其中固定有焊接辅助接合零件，该焊接辅助接合零件具有该焊接辅助接合零件的机械变形尖端部分，具体是由上述固定方法生产，该第二元件由可焊接材料制成或至少具有由可焊接材料制成的至少一部分。该至少一个第二元件例如为由钢或另一可焊接材料制成的支撑元件。又一替代方案提供由例如塑料或CFRP(碳纤维加强塑料)的不可焊接材料制成的第二元件或支撑元件。为了能够焊接此元件，提供由可焊接材料制成的至少一部分，优选由已知的或根据本发明的优选焊接辅助接合零件组成。
根据本发明的焊接方法包括以下步骤：在焊接头部处将固定于该第一元件中的焊接辅助接合零件开始与由可焊接材料制成的第二元件接触或与该第二元件的由可焊接材料制成的部分或支撑零件接触，且该第一元件和第二元件经由该第一元件中的焊接辅助接合零件焊接到彼此。通过焊接辅助接合零件的焊接头部和由可焊接材料组成的第二元件的接触区域中的选择性加热产生来实行焊接。根据另一替代方案，该至少一个第二元件由不可焊接材料组成且优选包括焊接辅助接合零件。在第一元件中的焊接辅助接合零件的焊接头部现在能与第二元件中的焊接辅助接合零件的一个或另一轴向末端接触的情况下，第一和第二元件经由这些焊接辅助接合零件彼此焊接。为此所需的热例如是通过以下方法产生：已知的电阻焊接方法，焊接区域的感应加热，接合部件的超声激发，或其它已知的焊接方法。由于在焊接头部与由可焊接材料组成的元件或具有焊接辅助接合零件的元件之间的此特定热输入，接触材料将融化，从而形成焊接熔核。在此焊接熔核的冷却之后，该焊接熔核在此区域中在第一元件的焊接辅助接合零件与由可焊接材料制成的第二元件或与第二元件中的焊接辅助接合零件之间形成连接。因此，由可焊接材料制成的第二元件经由焊接辅助接合零件间接地连接到由不可焊接或焊接不良的材料制成的第一元件。
还优选在至少一个第一元件中、且更优选还在至少一个第二元件中使用根据本发明的焊接辅助接合零件的上述优选实施例中的至少一个。
此外，本发明包括一种连接方法，用于借助于上述固定方法与上述焊接方法的组合来连接至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件与由可焊接材料制成的元件或包括由可焊接材料制成的至少一部分的元件。
此外，上述本发明包括至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的第一元件和至少一个由可焊接材料制成的第二元件或至少一个具有由可焊接材料制成的至少一部分的第二元件，具体来说是车辆，该第一元件和该第二元件已借助于经由固定于该至少第一元件中的可焊接的焊接辅助接合零件的焊接、优选借助于高速接合、尤其借助于由所论述的固定方法和所论述的焊接方法组成的上述连接方法而彼此连接，该焊接辅助接合零件具有由于机械变形产生的焊接头部。
附图说明
参见附图更详细描述本发明。附图示出：
图1，本发明的焊接辅助接合零件的一个优选实施例；
图2，本发明的焊接辅助接合零件的又一优选实施例；
图3，本发明的焊接辅助接合零件的又一优选实施例；
图4，本发明的焊接辅助接合零件的又一优选实施例；
图5，本发明的焊接辅助接合零件的又一优选实施例；
图6，用于固定本发明的焊接辅助接合零件的优选砧的示意性截面图；
图7，用于固定焊接辅助接合零件的砧的一个优选实施例；
图8，用于固定焊接辅助接合零件的砧的又一优选实施例；
图9，用于固定焊接辅助接合零件的砧的又一优选实施例；
图10，用于固定焊接辅助接合零件的砧的又一优选实施例；
图11，已固定到由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中的本发明的焊接辅助接合零件的一个优选实施例；
图12，已固定到由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中的焊接辅助接合零件的又一优选实施例；
图13，已固定到由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中的焊接辅助接合零件的又一优选实施例；
图14，已固定到由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件中的焊接辅助接合零件的又一优选实施例；
图15a-15e，两个元件借助于优选焊接辅助接合零件的固定和后续焊接的一个优选实施例的示意性描绘；
图16a-16e，优选焊接辅助接合零件固定到由不可焊接或焊接不良的材料制成的两个元件中的又一固定方法以及此复合体经由焊接辅助接合零件与可焊接材料制成的元件的后续焊接的示意性描绘；
图17a-17e，本发明的焊接辅助接合零件的固定方法和经固定焊接辅助接合零件的后续焊接方法的又一优选实施例的示意性描绘；
图18a-18e，优选焊接辅助接合零件的固定方法和基于经固定焊接辅助接合零件的后续焊接方法的又一优选实施例的示意性描绘；
图19a-19f，优选焊接辅助接合零件的固定方法和基于经固定焊接辅助接合零件的后续焊接方法的又一优选实施例的示意性描绘；
图20，根据本发明优选的经固定焊接辅助接合零件与两个元件和设置于两个元件之间的粘合剂层的焊接方法的示意性描绘；
图21，若干元件和固定于其中的根据本发明的优选焊接辅助接合零件的优选焊接方法的示意性描绘，其中粘合剂层设置于每一元件之间；
图22，焊接辅助接合零件的优选固定方法的流程图；
图23，焊接辅助接合零件的优选焊接方法的流程图；以及
图24，借助于根据本发明优选的焊接辅助接合零件的至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件与至少由可焊接材料制成的元件的优选连接方法的流程图，该连接方法包括焊接辅助接合零件的固定和焊接辅助接合零件的焊接的工艺部分。
具体实施方式
本发明涉及借助于焊接在至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件20与至少一个由可焊接材料制成的元件30之间产生具有长寿命的稳固连接(参见图15到21)。待连接的元件20和30的材料彼此不是焊接相容的，因此经由根据本发明的优选焊接辅助接合零件10将它们彼此间接地焊接在一起。可焊接材料包含钢和高强度钢，例如22MnB5(CEV＝0.5)、B27(CEV＝0.54)、32MnCrB6(CEV＝0.6)，尤其是车辆构造中的框架结构是由这些材料制成。不可焊接或焊接不良的材料是在没有建设性帮助的情况下无法焊接到其它元件或仅不良地焊接到其它元件的材料。这还包括一些可焊接材料，这些可焊接材料相对于它们与将与之连接的元件的材料的材料组合来说不具有焊接相容性或仅具有不良的焊接相容性。这意味着大体上可焊接材料无法彼此焊接或仅可不良地或困难地彼此焊接。这些材料包含例如塑料、纤维加强塑料、铝、铸铁或其它铸造合金以及钢，例如具有CEV>0.8的弹簧钢。
为了能够借助于焊接而连接至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件20，为它提供焊接辅助接合零件10。此焊接辅助接合零件10由可焊接材料组成，且锚定在该至少一个元件20中。焊接辅助接合零件10由于其材料而随后可借助于焊接与至少一个由可焊接材料制成的元件30连接。以此方式，借助于焊接辅助接合零件10产生元件20、30之间的稳固连接。
还优选提供至少一个由不可焊接材料制成的元件30。在此情况下，该至少一个元件30包括优选通过已知焊接辅助接合零件或根据本发明的优选焊接辅助接合零件10形成的至少一个由可焊接材料制成的部分(未图示)。为了在至少一个元件20与至少一个元件30之间产生连接，优选借助于电阻焊接或电弧焊接将提供于两个元件20、30中的每一个中的焊接辅助接合零件彼此焊接在一起。两个焊接辅助接合零件且因此两个元件20、30的此焊接进行，使得将两个焊接辅助接合零件的焊接头部或头部开始彼此接触且随后焊接。或者将一个焊接辅助接合零件的头部开始与另一焊接辅助接合零件的焊接头部接触，且随后将它们彼此焊接在一起。
图1到5中展示根据本发明的焊接辅助接合零件10的优选实施例。焊接辅助接合零件10包括头部12且优选包括柄14。此外，焊接辅助接合零件10包括在焊接辅助接合零件10的纵向方向上延伸的尖端部分11。该尖端部分在焊接辅助接合零件10的尖端与该尖端部分达到其最大厚度D的点之间延伸(参见图2到4)。
尖端部分11根据本发明的不同实施例具有不同形状。在侧视图中，该尖端部分是圆锥形或金字塔形或抛物线形。此外，优选以凸起或凹陷或多边形方式形成关于尖端部分的纵轴对称的横向表面。应了解，尖端部分11的上述实施例可与头部12组合使用，或与头部12和柄14组合使用。
焊接辅助接合零件10的头部12的头部直径大于或等于柄14的直径或尖端部分11的最大厚度D。根据图1和2中所示的实施例，头部直径大于柄直径或最大厚度D。在焊接辅助接合零件10已固定到至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件20中之后，头部12的面对柄14或尖端部分11的下侧对接元件20或与元件20间隔设置。这意味着焊接辅助接合零件10已通过进入至少一个元件20的某种头部突出而固定。头部12的头部下侧优选包括围绕柄或尖端部分11的环形头部下凹槽。提供此头部下凹槽16以用于接纳或容纳从邻近于头部12设置的至少一个元件20的移位材料。
还优选的是，头部12的头部下侧除了头部下凹槽16之外或代替于头部下凹槽16而包括在径向方向上延伸的肋条和/或凹口或凹槽。这些凹口或凹槽(未图示)和肋条(未图示)界定其中可接纳元件20的移位材料的腔。尽管存在元件20的材料移位，这些腔也提供头部12在元件20上的最佳支撑。此外，这些腔形成抵抗焊接辅助接合零件在至少一个元件20中的旋转的底切。
根据本发明的焊接辅助接合零件10的另外优选实施例，头部12的头部直径等于柄直径或尖端部分的最大厚度D，如图4和5中示例性展示。
对于焊接辅助接合零件10的不同实施例，还优选将柄14设置为圆柱形(参见图1、3、4)、圆锥形(参见图2和5)以及具有或不具有外部滚纹18(参见图3)。
根据本发明的又一优选实施例，柄14的尖端优选具有尖顶拱形状(ogival shape)，其尖顶拱因数在1到20的范围内，进一步优选其尖顶拱因数在3到5的范围内。还优选该尖端具有抛物线形状，或在纵向截面图中为圆锥形或金字塔形。根据又一优选实施例，尖端部分11的横向或表面区域与焊接辅助接合零件10的纵轴封闭一个角度，该角度在5°到60°的范围内。
上述焊接辅助接合零件10用于将至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件20连接到至少一个由可焊接材料制成的元件30。或者，还优选为至少一个由不可焊接材料制成的元件30提供焊接辅助接合零件，使得至少一个元件20和至少一个元件30可经由它们的焊接辅助接合零件而彼此连接。
此连接方法包括可局部地执行且在时间上彼此分离或在一个地点处处于一个序列中的固定方法和焊接方法。该固定方法包括将焊接辅助接合零件10固定或驱动(S1)到至少一个第一元件20中，其中该至少一个第一元件20未经预穿孔。将焊接辅助接合零件10驱动到至少一个第一元件20中，使得不产生废材料，例如冲孔料或废料或类似物。这避免了必须移除废材料的需求。此外，因此防止废材料积累在焊接点或焊接头部处或附近以及由此对于将进行的焊接连接的不利影响。
在驱入(S1)期间，可调整供应到焊接辅助接合零件10的接合能量，使得具有突出头部(S3，图14)或不具有突出头部(S3，图15、16、18)的焊接辅助接合零件可被驱入。具有和不具有头部突出部的驱入适用于以相同方式具有和不具有头部的焊接辅助接合零件10。头部突出部确保了优选在以后焊接(见下文)期间，能确保向焊接位置提供额外材料。
图15到19示意性说明焊接辅助接合零件10到一或多个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件20、22中的优选驱动(S1)。在焊接辅助接合零件10的驱入期间，将至少一个第一元件20、22支撑于稳定表面处，该稳定表面提供用于驱入的对应反作用力。此稳定表面是通过砧50或至少一个第二元件30形成，该第二元件在此情况下由具有比焊接辅助接合零件10高的强度的材料组成。以此方式，确保了第二元件30在固定程序期间不变形。
由于通过砧50或至少一个第二元件30形成的此稳定或不可变形的表面，在焊接辅助接合零件10的自至少一个第一元件20、22退出的位置处，焊接辅助接合零件10变形(S4)。在变形期间，焊接辅助接合零件10的尖端变形以形成未来接触表面的焊接头部62，这在焊接期间是有利的。因此优选在砧50处挤压焊接辅助接合零件10(S8)或在至少一个第二元件30处挤压焊接辅助接合零件10(S5)，且进而使焊接辅助接合零件10塑性变形。
由于砧50或至少一个第二元件优选在至少一个第一元件20、22处设置为齐平的，因此借助于此挤压产生与砧50齐平设置(S6)或与第一元件20、22的面对第二元件30(参见图11，30)的侧齐平设置的焊接头部62。还优选驱入焊接辅助接合零件10以使得通过机械塑性变形产生的焊接头部62在至少一个第一元件20、22的背对头部12的侧处突出，如图12中的优选实施例中所示。以此方式，提供焊接辅助接合零件10的额外材料用于未来焊接，该额外材料在固定头部62的齐平设置的情况下将不存在。优选在焊接期间将突出的焊接头部62或突出的头部12的额外材料(见上文)压入到焊接区域中且尤其压入到焊接熔核60中(见下文)，使得存在可用于产生稳固焊接连接的额外材料。
优选还通过抵靠在驱入方向上具有凹陷状凹口52、54的砧50驱入焊接辅助接合零件10来产生具有突出部或具有不齐平设置的焊接头部62。图7、8、9和10中展示此砧50的优选实施例。
在图7中可见平坦凹陷52，而根据图8，使用当在砧50的横截面中观看时具有小宽度和较大深度的凹陷54。图9中的砧50包括在焊接辅助接合零件10的固定方向上设置的矩形凹口，当在砧50的横截面中观看时该矩形凹口具有圆化的边缘部分。根据图10的优选砧50包括在驱入方向上的椭圆形凹口。此外，在图10中的砧50的凹口52内在中心提供又一凹口56。此凹口56优选为锥形的。在焊接辅助接合零件10进入至少一个元件20、22且抵靠根据图10的砧50的固定期间，焊接辅助接合零件10的尖端部分11变形为砧50的凹口52和凹口56的形状。通过焊接辅助接合零件10到凹口56中的塑性变形，在焊接头部62处产生有利的几何尖端形状63用于电弧焊接。图14展示相应固定的焊接辅助接合零件10。在图14中，焊接头部62处的几何尖端形状63清楚可见。在未来焊接时应用已知电参数后，电弧出现在此几何尖端形状63处，使得元件20可经由螺柱-电弧焊接直接地或经由引入其中的辅助接合零件焊接到元件30。
参见图15到17，在焊接辅助接合零件10的变形(S4)期间，焊接辅助零件10的材料在相对于柄14的径向方向上受压，因为砧50或第二元件30限制或阻止在驱入方向上的轴向材料移位。由于此径向材料移位和焊接头部62的形成，至少有一个元件20、22与焊接辅助接合零件10之间的正锁定，如图11到13中所示。优选地，头部12和固定头部62形成支撑焊接辅助接合零件10与至少一个元件20、22之间的连接的轴向底切。此外，径向材料移位确保了在焊接头部62处几乎不存在元件20、22的材料，使得焊接头部62提供清洁的接触表面用于焊接。
焊接辅助接合零件10的驱入(S1)是通过冲头(未图示)执行，该冲头是通过液压、电磁、电、气动或气体动力驱动装置来移动。根据本发明的优选实施例，借助于脉冲类的力来驱入焊接辅助接合零件10，该力将焊接辅助接合零件10加速直到至少5m/s、优选至少10m/s且甚至更优选至少20m/s的速度。此驱入或固定方法在本文参考的DE 10 2006 002 238中描述。此外，上文提到的焊接辅助接合零件10的速度是优选的。
在固定方法完成之后，具有焊接辅助接合零件10的至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件20、22，该元件提供设置为齐平或突出的焊接头部62。此外，头部12从元件20、22突出或对接元件20、22。由于至少一个第一元件20、22和焊接辅助接合零件以稳固方式彼此连接，因此优选将此复合物或复合体运输到别处且在别处焊接。以相同方式，以下焊接方法可以在固定方法之后在适当地点执行。
为了将至少一个元件20、22和焊接辅助接合零件10的复合体焊接到至少一个元件30，将焊接电极64、66应用于焊接辅助接合零件10的头部12和至少一个第二元件30中的每一个(参见图15到18d、e、20、21)。在此之前，设置于元件20、22和至少一个元件30中的焊接辅助接合零件10设置为使得它们彼此接触(VI)。在第二元件30由不可焊接材料组成或制成的情况下，将元件中由可焊接材料制成的一部分(优选为焊接辅助接合零件)开始与元件20中的焊接辅助接合零件10接触。在焊接辅助接合零件10和至少一个第二元件30或两个焊接辅助接合零件均能导电时，焊接电极64、66在焊接电极64、66之间产生电流(VII)。同时，优选以经限定的力将焊接电极64、66抵靠彼此按压，且因此抵靠焊接辅助接合零件10和至少一个第二元件30按压。由于电流而产生热，使得焊接熔核60形成于焊接头部62处。在焊接熔核60的区域中，焊接辅助接合零件10和第二元件30的材料熔化。取决于焊接电极64、66的压力，在头部突出部的情况下(参见图17d)或在焊接头部62的突出的情况下(参见图12)，焊接辅助接合零件10的突出材料在具有焊接熔核60的焊接区域中受压。以此方式，焊接辅助接合零件10的另外供应的材料用于产生焊接连接。在充分的焊接之后，切断通过焊接电极64、66的电流，且在焊接电极64、66的任选的力影响下冷却焊接连接。
图19a到19f显示了焊接辅助接合零件10抵靠具有椭圆形凹口52的砧50的固定。在固定程序期间，焊接辅助接合零件10变形为凹口52的形状，且进而形成突出越过元件20的焊接头部62。同时，以头部突出部固定焊接辅助接合零件10，使得在经由电极64、66对元件30的焊接期间可将额外材料压入到焊接区域/焊接熔核60中(参见图19e)。如图19f中可见，在焊接之后，头部12设置为在元件20处齐平，且元件20设置为在元件30处齐平。因此优选地，由于焊接头部62和头部12的突出而进行电阻螺柱焊接，而对于在头部12和焊接头部62处无突出的情况下的电阻焊接，优选采用电阻点焊。在焊接头部优选包括几何尖端形状63的情况下，优选使用具有电弧的螺柱焊接。
为了支撑至少一个元件20和至少一个元件30的复合物或复合体，优选在焊接之前在元件20、30或22、30之间设置粘合层70、72。以相同方式，还优选在驱入焊接辅助接合零件10之前在多个第一元件20、22之间设置粘合层70。
在焊接过程完成之后，存在至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件和至少由可焊接材料制成的第二元件30的复合物或复合体，优选以车辆零件或车辆的形状出现。上文提到的元件20是借助于通过可焊接的焊接辅助接合零件10的固定程序(优选为高速接合)来提供，在通过机械变形的固定程序期间焊接头部62在该焊接辅助接合零件处产生。由于具有焊接头部62的焊接辅助接合零件10仅固定到至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件20中，因此由可焊接材料制成的第二元件30与焊接辅助接合零件10之间的连接借助于焊接而产生。由于焊接辅助接合零件10固定地连接到第一元件20，因此第一元件20与第二元件30之间的稳固连接以此方式呈现。或者，将具有固定的焊接辅助接合零件10的元件20焊接到由焊接不良的材料组成的元件30。为此目的，将至少一个焊接辅助接合零件10或现有技术中已知的可焊接接合零件固定到元件30中，且随后焊接到元件20中的焊接辅助接合零件10的焊接头部62。
在对由焊接辅助接合零件的固定程序和焊接辅助接合零件到另一元件的间接或直接焊接组成的上述连接方法的修改中，以下程序也是可能的。首先，将具有头部的接合元件固定到由不可焊接材料制成的元件中，且经由闭合头部而保持。该闭合头部例如是在接合元件抵靠砧的固定期间形成。在固定程序之前存在于接合元件处的固定头部同时在与由可焊接材料制成的又一元件或具有由可焊接材料制成的额外焊接辅助接合零件的又一元件的电阻焊接中用作焊接头部。

Claims (24)

1.一种焊接辅助接合零件(10)，具有螺柱(10)的形状，并用于接合到至少一个元件(20，22)中且用于产生与多个元件的焊接连接，优选与至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件(20，22)的焊接连接，所述焊接辅助接合零件(10)包括以下特征：
a.头部(12)，在所述焊接辅助接合零件的纵向方向上延伸且最大厚度横截于所述纵向方向的尖端部分(11)，以及优选地，柄(14)，其中
b.所述螺柱(10)由可焊接材料组成，所述可焊接材料在所述焊接辅助接合零件的固定方法期间塑性可变形。
2.根据权利要求1所述的焊接辅助接合零件(10)，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)的头部(12)的直径比所述尖端部分(11)的最大厚度大。
3.根据权利要求1或2所述的焊接辅助接合零件(10)，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)的头部(12)在面对所述尖端部分(11)的一侧具有环形凹槽(16)，所述环形凹槽(16)用于接纳邻近于所述头部的元件(20，22)的材料变形。
4.根据前述权利要求任一项所述的焊接辅助接合零件(10)，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)的头部(12)在面对所述尖端部分(11)的一侧具有凹槽或肋条，所述凹槽或肋条在径向方向上延伸以提供接纳空间，所述容纳空间用于接纳邻近于所述头部的元件(20，22)的材料变形。
5.根据权利要求1所述的焊接辅助接合零件(10)，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)的头部(12)的直径等于所述尖端部分(11)的最大厚度的直径。
6.根据前述权利要求任一项所述的焊接辅助接合零件(10)，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)具有柄(14)，所述柄具有圆柱体状或至少部分圆锥形形状。
7.根据权利要求6所述的焊接辅助接合零件(10)，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)的柄(14)具有滚纹或压型。
8.根据前述权利要求任一项所述的焊接辅助接合零件(10)，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)的尖端部分(11)具有尖顶拱尖端，所述尖顶拱尖端的尖顶拱因数为1到10之间。
9.根据权利要求1至7任一项所述的焊接辅助接合零件(10)，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)的尖端部分(11)具有圆锥形或金字塔形状。
10.根据权利要求1至9任一项所述的螺柱(10)作为焊接辅助接合零件的应用。
11.一种固定方法，用于将焊接辅助接合零件(10)、尤其是根据权利要求1至9任一项所述的焊接辅助接合零件(10)固定到至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件(20，22)中而无需在所述至少一个元件(20，22)中进行预穿孔，所述方法包括以下步骤：
a.将所述焊接辅助接合零件(10)驱动(S1)到所述至少一个元件(20，22)中，其中
b.没有废材料、尤其没有固定废料从所述至少一个元件分离，以及
c.在所述固定期间在所述焊接辅助接合零件(10)的退出所述至少一个元件(20，22)的位置处使所述焊接辅助接合零件机械变形(S4)，由此使得所述焊接辅助接合零件(10)的尖端部分至少部分地变形成为焊接头部或焊点(62)。
12.根据权利要求11所述的固定方法，其特征在于，所述驱入(S4)借助于脉冲类的力而进行，所述脉冲类的力将所述焊接辅助接合零件(10)加速直到至少5m/s的速度。
13.根据权利要求11或12所述的固定方法，其特征在于，包括：
在设置于所述焊接辅助接合零件(10)的退出所述至少一个元件(20，22)的位置处的砧(50)或由高强度可焊接材料制成的支撑元件(30)处挤压所述焊接辅助接合零件(10)(S5，S8)。
14.根据权利要求11、12或13所述的固定方法，其特征在于，在平坦的砧(50)或具有凹陷状表面轮廓(52，54，56)的砧(50)处挤压所述焊接辅助接合零件(10)(S6，S7)。
15.根据权利要求11至14任一项所述的固定方法，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)为具有头部(12)和至少尖端部分(11)的螺柱，其中头部直径大于所述尖端部分(11)的最大厚度，且其中在所述固定方法完成之后，所述螺柱设置为以头部底侧朝向所述至少一个元件(20，22)在所述至少一个元件(20，22)上或与所述至少一个元件(20，22)间隔开(S2，S3)。
16.根据权利要求11至14任一项所述的固定方法，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)为具有头部(12)的螺柱，所述头部(12)的头部直径不超过所述尖端部分(11)的最大厚度，且其中在所述固定方法完成之后，所述具有头部(12)的螺柱设置为与所述至少一个元件(20，22)齐平或从所述至少一个元件(20，22)突出。
17.根据权利要求11至16任一项所述的固定方法，其特征在于，所述焊接辅助接合零件(10)的焊接头部(62)设置为与所述至少一个元件(20，22)一侧齐平或从所述至少一个元件(20，22)从所述焊接辅助接合零件(10)的退出位置的一侧突出。
18.根据权利要求11至17任一项所述的固定方法，其特征在于，根据权利要求1至9任一项所述的焊接辅助接合零件(10)被固定。
19.至少由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件(20，22)，其中固定有焊接辅助接合零件(10)，所述焊接辅助接合零件(10)的尖端部分(11)在固定方法期间已至少部分地机械变形成为焊接头部(62)或焊点，具体地，焊接辅助接合零件(10)已通过根据权利要求11至18任一项所述的固定方法固定到元件(20，22)。
20.一种焊接方法，用于将至少由不可焊接或焊接不良的材料制成的第一元件(20，22)与至少一个具有由可焊接材料制成的部分的第二元件(30)连接，其中所述第一元件(20，22)具有利用焊接辅助接合零件(10)的机械变形尖端部分将所述焊接辅助接合零件固定于所述第一元件中，特别是利用根据权利要求11至18任一项所述的固定方法进行固定，其特征在于，
固定于所述第一元件(20，22)中的焊接辅助接合零件(10)进行与所述至少一个由可焊接的材料制成的第二元件(30)接触，或者与所述至少一个第二元件的可焊接材料制成的部分在所述焊接辅助接合零件(10)的机械变形尖端部分处接触，且
所述第一元件(20，22)和所述第二元件(30)经由所述至少一个第一元件的所述焊接辅助接合零件(10)彼此焊接。
21.根据权利要求20所述的焊接方法，其特征在于，所述至少一个第二元件在由可焊接材料制成的部分中包括焊接辅助接合零件，尤其是根据权利要求1到9任一项所述的焊接辅助接合零件。
22.根据权利要求20或21所述的焊接方法，其特征在于，所述至少一个第一元件(20，22)和所述至少一个第二元件借助于电阻螺柱焊接、电阻点焊或使用电弧的螺柱焊接，适应于所述焊接辅助接合零件的所述变形尖端部分的形状而焊接。
23.一种连接方法，用于借助于根据权利要求11至18任一项所述的固定方法与根据权利要求20至22任一项所述的焊接方法的组合来将至少一个由不可焊接或焊接不良的材料制成的元件(20，22)与至少一个由可焊接材料制成或具有由可焊接材料制成的部分的元件(30)连接。
24.至少由不可焊接或焊接不良的材料制成的第一元件(20，22)和至少由可焊接材料制成或具有由可焊接材料制成的至少一部分的第二元件，具体来说是车辆，所述第一元件和所述第二元件已借助于焊接、尤其借助于根据权利要求23所述的连接方法经由固定到所述至少一个第一元件(20，22)中的可焊接的焊接辅助接合零件(10)，优选经由高速接合而彼此连接，所述第一元件(20，22)具有机械变形尖端部分(62)。
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