CN105364282B - 功能元件和辅助元件的一体式电阻焊接 - Google Patents

功能元件和辅助元件的一体式电阻焊接 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种功能元件和辅助元件的一体式电阻焊接。本发明涉及一种用于将至少一个夹层片材与由金属制成的至少一个功能元件接合的方法，其中，至少一个夹层片材具有两个金属外层以及布置在金属外层之间的热塑性材料层，其中，至少一个夹层片材的至少待接合区域按如下方式被加热：使热塑性材料层软化，塑料层通过将外层压在一起而被挤出接合区域，并且至少一个夹层片材的外层借助于在第一电极与第二电极之间的电流而与功能元件接合，尤其是焊接到功能元件。本发明的目的在于通过根据本申请所述的方法来实现进一步简化和更具成本效益地构造功能元件与夹层片材的接合。

Description

功能元件和辅助元件的一体式电阻焊接
技术领域
本发明涉及用于将至少一个夹层片材与由金属制成的至少一个功能元件接合的方法，其中，至少一个夹层片材具有两个金属外层和布置在金属外层之间的热塑性材料层，其中至少一个夹层片材的至少待接合的区域按如下方式被加热：使热塑性材料层软化，塑料层由于外层被挤压在一起而被外层挤出接合区域，并且至少一个夹层片材的外层借助于在第一电极与第二电极之间的电流而与功能元件接合，尤其是焊接到功能元件上。本发明还涉及用于实施根据本发明的方法的装置。
背景技术
在机动车领域，对于轻质结构概念的日益增长的需求使得在两个金属薄外层之间设有热塑性材料层的夹层片材的使用变得前景广阔，从而通过利用夹层片材进一步减轻所制造的机动车的重量。夹层片材能够提供开拓了新的减重潜力的各种独有性质。因此，夹层片材作为固体片材由于塑料层的存在而具有显著低的重量，同时提供了高强度值。此外，夹层片材能够消声且提供高级别的刚性。然而，夹层片材的缺点在于，它们具有电绝缘塑料层，该电绝缘塑料层在熔焊工艺情况下，特别是电阻焊接的情况下，会引起形成令人满意的焊接接合方面的问题。由于夹层片材在熔焊情况下出现的问题，夹层片材目前通常与其他金属部件通过粘合剂结合，或者例如通过卷边(beading)的机械方式相互连接。
此外，夹层片材目的在于进一步提供如下功能：该功能借助于例如螺钉、螺栓、焊接螺母等功能元件或类似的功能元件来提供。出于这个目的，功能元件必须连接到夹层片材。德国未经审查而公开的申请DE 10 2012 106 521 A1披露了一种用于将夹层片材与例如焊接螺栓等另外接合零件接合的方法，其中焊接螺栓具有在端部处指向夹层片材的突出的焊接突起以及片状辅助元件。具有焊接突起的螺栓预先连接到辅助元件，然后，栓和辅助元件二者一起与夹层片材接合。为了提高焊接到夹层片材上的功能元件的力吸收能力，辅助元件具有片状设计。然而，为达到该目的，需要两个加工步骤。在第一次操作中将螺栓与辅助元件焊接，然后将螺栓和辅助元件定位且焊接到夹层片材上。
发明内容
以此作为出发点，本发明的目的在于进一步简化和更具成本效益地构造功能元件与夹层片材的接合。此外，本发明基于提供用于实施根据本发明的方法的对应装置的目的。
根据本发明的第一教导，所表明的目的是这样实现的：在单次操作中，至少一个功能元件与第一辅助元件接合，然后功能元件连同辅助元件一起与至少一个夹层片材接合。
结果表明，能够在单次操作中直接对夹层片材实施两个接合步骤，即，将功能元件与辅助元件连接，以及将功能元件连同辅助元件一起与夹层片材连接。通过这种方式，省去了生产其上接合有辅助元件的功能元件的步骤，因此显著地简化了整个方法。
根据本发明的第一细化方案，至少一个功能元件连同辅助元件一起定位在位于夹层片材一侧的第一容器中，其中，第一容器连同至少一个功能元件和第一辅助元件一起形成第一电流路径的部件，在至少一个功能元件与辅助元件接合过程中，至少第一接合电流流经第一电流路径，其中，力同时施加到功能元件上，使得功能元件和第一辅助元件彼此接合，带有接合的第一辅助元件的至少一个功能元件、第一容器和第二电极随后形成第二电流路径的部件，当第一电流路径断开时，用于加热夹层片材的预热电流流经第二电流路径，并且在夹层片材的外片材被挤压在一起时，第二接合电流从第一电极经过功能元件、第一辅助元件和夹层片材的被挤压在一起的外片材流到第二电极。通过形成两个电流路径，例如螺栓等功能元件与辅助元件接合的过程能够在第一容器中直接发生在夹层片材上，其中，所述容器接纳功能元件本身和辅助元件。同时，能够确保夹层片材经由第二电流路径的预热，因此塑料层能够被挤出夹层片材的接合区域，且使两个外片材彼此相接触。只要两个外片材一开始接触，就会产生用于将功能元件连同第一辅助元件一起与夹层片材接合的接合电流，因此确保了非常简单的工序。
优选地，根据进一步的细化方案，当第一电流路径和第二电流路径断开时，用于接合目的的接合电流经过功能元件、第一辅助元件和至少一个夹层片材的外片材流到第二电极。通过这种方式，原则上，能够排除经由第二电流路径的分流。其次，还可以设想的是，通过在外片材接触时增大第二电流路径中的电阻，考虑到经由相接触的两个外片材的电流路径，第一电极与第二电极之间的电阻处于如此低的水平以至于不再经由第二电流路径流动显著的电流。在该情况下，例如，可以省去用于闭合和断开第二电流路径的器件。
根据该方法的进一步的细化方案，至少一个第二辅助元件定位在至少一个夹层片材的与功能元件和第一辅助元件相对的另一侧，优选地位于第二容器中，其中，在功能元件和第一辅助元件与夹层片材接合过程中，接合电流主要经过第二辅助元件流到第二电极。通过以例如片状片材的形式提供的第二辅助元件，首先，如果第二辅助元件同样接合到夹层片材上，则存在进一步提高焊接的功能元件的稳定性的可能。此外，第二辅助元件能够在接合过程中有助于将夹层片材稳定在接合功能元件的区域中。
根据该方法的进一步的细化方案，第一和/或第二辅助元件提供与夹层片材的至少部分片状接触，其中，在与夹层片材接合过程中，使用第一和/或第二辅助元件来挤出至少一个夹层片材的外片材之间的塑料层。首先，通过第一和/或第二辅助元件的片状接触，能够确保夹层片材在待接合区域中的缓慢加热，其次，通过片状接触，存在确保焊接后功能元件具有较大力吸收能力的可能。片状接触在此应理解为表示具有比纯粹的功能元件的接触表面大的接触表面的接触表面，优选地为比夹层片材至少大四倍的可能接触表面。
根据该方法的另外的实施例，第一和/或第二辅助元件具有朝着夹层片材的方向突出的至少一个焊接突起，其中，接合电流经由存在于第一和/或第二辅助元件中的焊接突起被引入夹层片材，使得第一和/或第二辅助元件至少经由至少一个焊接突起与夹层片材接合。借助于突出的焊接突起，存在提高电流密度的可能，并因此在突出的焊接突起处局部强化加热，使得与焊接突起开始接触的夹层片材的材料将首先软化。
优选地，以一个在另一个上方的方式布置的至少两个夹层片材与功能元件以及与第一辅助元件接合。通过在接合位置处所涉及到的共四个外片材，能够再次提高相应布置的功能元件的力吸收能力。同时，存在经由功能元件将两个夹层片材相互连接的可能。
根据该方法的另外的细化方案，第二辅助元件被设计为牺牲元件且在功能元件和第一辅助元件与至少一个夹层片材接合过程中不以一体结合方式连接到夹层片材。牺牲元件仅针对功能元件与辅助元件以及与夹层片材的接合起到改善接合条件的作用，例如，通过支撑对应的焊接位置或者通过夹层片材的片状加热，而本身不变成夹层片材的一部分或者所连接的功能元件的一部分。
根据另外的实施例，第二辅助元件与第一辅助元件相对地位于第二容器中，其中，至少当第一电流路径断开时，第二容器形成第二电流路径的部件，并且当第二电流路径闭合时，在功能元件和第一辅助元件与夹层片材实际接合之前，预热电流在第二电流路径中经由容器经过辅助元件流到第二电极。通过使用用于定位第二辅助元件的第二容器，显著利于辅助元件的定位及辅助元件的接触连接以构成第二电流路径的部件的进一步的简化。经由流经第二电流路径的预热电流，能够经由第二辅助元件以受控方式加热夹层片材的待接合区域，例如，还是经由第二容器，能够以如下方式将力施加在第二辅助元件上：第二辅助元件将夹层片材的外片材挤压在一起且挤出位于外片材之间的塑料层。
关于这方面，还有益的是，根据该方法的进一步的细化方案，将第一容器和第二容器分配给接合装置，所述接合装置将两个容器同时定位在接合操作之前的接合位置，其中，在接合操作期间力经由接合装置也施加到夹层片材上，从而挤出外层之间的在功能元件的待接合区域中的塑料层。例如，第一容器和第二容器可以是焊接夹钳的一部分，所述焊接夹钳在接合已经发生之后且能够随后移至下一接合位置再次自动填充功能元件和辅助元件。
优选地，螺钉、螺栓或焊接螺母作为功能元件与夹层片材接合。这些典型的功能元件允许通过例如一体式螺栓将夹层片材螺接到其他零件。然而，还可设想其他功能元件。
根据本发明的第二教导，所表明的目的还通过用于将至少一个功能元件和辅助元件与夹层片材接合的装置来实现，该装置具有用于接纳和定位功能元件和第一辅助元件的第一容器，其中，设置有用于将力从功能元件施加到辅助元件以及夹层片材施力的器件，以及用于提供第一电流路径和第二电流路径的器件，其中，利用第一电流路径，能够提供从功能元件流入辅助元件的电流，从而将功能元件与辅助元件接合，利用第二电流路径，能够提供用于预热夹层片材的预热电流，以及设置有用于闭合和断开第一电流路径且优选地用于闭合和断开两个电流路径的器件。
如之前已经说明的那样，具有上述装置特征的装置使得能够在单次操作中将功能元件与第一辅助元件的接合过程连同用于将功能元件和第一辅助元件与夹层片材接合的接合过程集成在一起。因此，功能元件和必要的辅助元件仅须供应给相应的装置，以便省去用于供应接合有辅助元件的功能元件的单独加工步骤。
根据装置的进一步的细化方案，设置有用于将第二辅助元件和第二电极定位在至少一个夹层片材的与功能元件和第一辅助元件相对的另一侧的第二容器，其中，容器连同第二辅助元件一起形成第二电流路径的部件。当使用用于定位第二辅助元件的第二容器时，能够特别容易地将第二辅助元件定位成与功能元件和第一辅助元件相对。同时，容器使得电触头可以无需设置有第二辅助元件，因此第二辅助元件同样能够焊接到夹层片材上且使得同样接合的功能元件的力吸收能力增强。
根据装置的进一步的细化方案，第一容器和第二容器是接合装置的一部分，所述接合装置能够将两个容器一起定位在接合位置。尤其简单的接合装置是例如包括两个容器的焊接夹钳。例如焊接夹钳等接合装置能够通过机器人或龙门架系统以简单的方式定位在所需的焊接位置处，从而自动地将功能元件连接到夹层片材。
附图说明
下文旨在参考示例性实施例以及附图对本发明进行更详细的说明。在附图中：
图1以示意图示出了用于实施方法的装置的示例性实施例，
图2和图3以示意剖视图示出了根据本发明与夹层片材已焊接在一起的功能元件，
图4以示意性透视图示出了用于接纳功能元件和第一辅助元件的容器的示例性实施例，
图5示出了在两个夹层片材与功能元件接合过程中的图1的示例性实施例，
图6和图7示意性地示出了与两个夹层片材接合的功能元件的两个示例性实施例，以及
图8以示意图示出了用于焊接作为功能元件的螺母的容器的示例性实施例。
具体实施方式
图1示出了用于将功能元件2与辅助元件3以及与夹层片材4接合的装置1。夹层片材4由两个外层4a和位于外层之间的塑料层4b构成。此外，示出了用于接纳和定位功能元件2以及第一辅助元件3的第一容器5，功能元件2呈螺栓形式。然而，仅高度示意性地示出容器。力可以通过功能元件2施加到辅助元件3上，因此经由第一电极6和器件6’施加到夹层片材上。还设置有提供第一电流路径的器件7、8，通过该第一电流路径，接合电流能够在功能元件2与辅助元件3之间传送。接合电流I1使得在螺栓2与辅助元件3之间的接触点处设置的焊接突起2a处的电流密度具有可致使焊接突起和辅助元件3在该点处熔化的高的水平，辅助元件3被具体实施为补片。通过使功能元件2借助于电极6的力而施加到辅助元件3上，辅助元件与功能元件2接合。
就第一辅助元件3本身而言，第一辅助元件3具有焊接突起3’。如果功能元件2(即螺栓2)随后按一体结合方式与辅助元件3接合，则第一电流路径会被断开，因此电流不再流动。此外，图1所示的装置提供第二电流路径，用于预热夹层片材4的电流I2流经该第二电流路径。经由用于闭合和断开至少第一电流路径的器件8、9，用于将功能元件2与辅助元件3接合的接合电流I1或者用于预热夹层片材4的待接合区域10的预热电流I2能够根据相应的操作来设定。如果在预热后，两个外片材4a通过所施加的力而彼此接触，并且塑料层4b被挤出接合区域10，则例如第二电流路径能够经由器件9断路，而使得全部可用的电流经由功能元件2、辅助元件3及其焊接突起3’被导入夹层片材或者被导入所连接的外片材。
结果，特别是在焊接突起3’的区域中迅速超过临界温度，因此夹层片材的外片材和辅助元件3的焊接突起3’在该区域中熔化。功能元件2连同辅助元件3一起可随后用作第一电极且与夹层片材的相接触的外片材接合。出于该目的，电流源11可用于供应各种电流或电压。
第二辅助元件12优选地与位于夹层片材的相对侧的第二容器13定位在一起，第二辅助元件12确保夹层片材的片状加热，以便抑制由于塑料快速蒸发引起的气泡形成。力同样能够经由第二容器13施加到夹层片材上，因此夹层片材的两个外片材4a能够在接合区域10中相接触。第二电极19起到完成电路且使得预热电流或者接合电流在功能元件、第一辅助元件3、夹层片材4和第二辅助元件12之间再循环的作用。
图2和图3以示意性剖视图示出了在两个不同实施例中与夹层片材4接合的功能元件2。当然，还可以设想，当使夹层片材的外片材4a在一起时，从两侧来实施，使得相接触的外片材4a相对于夹层片材的厚度近似居中地彼此接触。
图4以透视图示意性地示出了用于功能元件2和第一辅助元件3的容器。容器5包括用于功能元件的保持件14，该保持件能够接纳功能元件2。此外，提供了呈销形式的定位器件15，通过该定位器件，辅助元件3能够准确地关于功能元件2定位。然后，布置在销15上的辅助元件3与功能元件2一起被定位在夹层片材的待接合区域10中，并且力F施加到功能元件2的保持件上。如果在该过程中接合电流流过保持件14经由功能元件2流到辅助元件3，且该接合电流由电触头7来传送，则功能元件2能够与保持元件3接合。借助于力的施加以及弹簧弹性元件16，在两个元件接合过程中能够改变功能元件2相对于辅助元件3的相对位置，同时能够对功能元件2施加力。在接合操作之后或者接合操作期间，例如弹簧弹性元件16可被压缩而使得力还经由销15施加到辅助元件3上，从而施加到夹层片材4上。通过该容器，外片材能够以类似于图3的构造的方式被挤压在一起。从图4以及图1中可知，辅助元件3和12各自产生与夹层片材的片状接触且容许缓慢加热至熔点，同时，通过加热以及施力，容许塑料被挤出待接合区域10，而在该区域中不会发生塑料蒸发和夹层片材分层。
图5中示出的示例性实施例示出两个夹层片材4和4’，旨在通过根据图1的本发明的装置1来将两个夹层片材与功能元件接合。在图5中另外表明，第一容器5和第二容器13是接合装置17的一部分，接合装置17被设计为例如焊接夹钳并且能够同时将两个容器定位在接合操作前的接合位置。另外，接合装置17能够在夹层片材上施加力，从而挤出在待接合区域中的外层之间的塑料层。
图6和图7示出了夹层片材4和4’，该夹层片材4和4’并排接合并且它们经由功能元件2连同辅助元件3和12接合在一起。在图7中示出呈焊接螺母形式的另一功能元件2’。辅助元件3和12在此还起到了改善焊接工艺以及缓慢加热夹层片材4或4’的外层4a之间的塑料层的作用。
图8示意性地示出用于功能元件2’和辅助元件3的可替代容器。功能元件2’具有两个焊接突起2a’，经由这些焊接突起，电流I1从功能元件2’流入辅助元件3。同时，示出了器件18，通过器件18可以朝着辅助元件3的方向对功能元件2’施加力。如果接合电流I1流过功能元件2’经由焊接突起2a’流入辅助元件3，则优选地在焊接突起的区域中相对快速地超过熔点，因此第一接合过程发生在功能元件2’与辅助元件3之间。随后，如之前所解释的那样，预热电流I2能够接通，从而通过施加力以从夹层片材中的待接合区域中去除塑料。这未在图8中示出。最后，图8还示出辅助元件3的焊接突起3’，通过该焊接突起，能够通过强烈加热该焊接突起来实现初始接合过程。

Claims (18)

1.用于将至少一个夹层片材(4)与由金属制成的至少一个功能元件(2)接合的方法，其中，所述至少一个夹层片材(4)具有两个金属的外层(4a)和布置在金属的外层(4a)之间的热塑性材料层(4b)，其中，所述至少一个夹层片材(4)的至少待接合的区域(10)按如下方式被加热：使所述热塑性材料层(4b)软化，塑料层(4b)通过将外层(4a)压在一起而被挤出接合区域(10)，并且所述至少一个夹层片材(4)的所述外层(4a)借助于在第一电极(6)与第二电极(19)之间的电流而与所述功能元件(2)接合，
其特征在于，
在单次操作中，所述至少一个功能元件(2)与第一辅助元件(3)接合，然后所述功能元件(2)连同所述第一辅助元件(3)一起与所述至少一个夹层片材(4)接合。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
-所述至少一个功能元件(2)连同所述第一辅助元件(3)一起定位在位于所述夹层片材(4)的一侧的第一容器(5)中，
-所述第一容器(5)连同所述至少一个功能元件(2)和所述第一辅助元件(3)一起形成第一电流路径的部件，在所述至少一个功能元件(2)与所述第一辅助元件(3)接合过程中，至少第一接合电流(I1)流经所述第一电流路径，其中，力同时施加到所述功能元件(2)上，以使所述功能元件(2)和所述第一辅助元件(3)彼此接合，
-带有接合的第一辅助元件(3)的所述至少一个功能元件(2)、所述第一容器(5)和第二电极(19)随后形成第二电流路径的部件，当所述第一电流路径断开时，用于加热所述夹层片材(4)的预热电流(I2)流经所述第二电流路径，以及
-在所述夹层片材的外层(4a)被挤压在一起时，接合电流从所述第一电极(6)经过所述功能元件(2)、所述第一辅助元件(3)以及所述夹层片材(4)的被挤压在一起的外层(4a)流到所述第二电极(19)。
3.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
当所述第一电流路径和所述第二电流路径断开时，用于接合目的的接合电流经过所述功能元件(2)、所述第一辅助元件(3)以及所述至少一个夹层片材(4)的外层(4a)流到所述第二电极(19)。
4.根据权利要求2所述的方法，
其特征在于，
将至少一个第二辅助元件(12)定位在所述至少一个夹层片材(4)的与所述功能元件(2)和所述第一辅助元件(3)相对的另一侧，并且在所述功能元件(2)和所述第一辅助元件(3)与所述夹层片材(4)接合过程中，所述接合电流主要经过所述第二辅助元件(12)流到所述第二电极(19)。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
所述第一辅助元件(3)和/或所述第二辅助元件(12)提供与所述夹层片材(14)的至少部分片状接触，并且在与所述夹层片材(4)接合过程中，使用所述第一辅助元件(3)和/或所述第二辅助元件(12)来挤出所述至少一个夹层片材的外层(4a)之间的塑料层(4b)。
6.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
所述第一辅助元件(3)和/或所述第二辅助元件(12)具有朝着所述夹层片材(4)的方向突出的至少一个焊接突起(3')，并且接合电流经由存在于所述第一辅助元件(3)和/或所述第二辅助元件(12)中的焊接突起被引入所述夹层片材，使得所述第一辅助元件(3)和/或所述第二辅助元件(12)至少经由所述至少一个焊接突起(3')与所述夹层片材(4)接合。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，
其特征在于，
以一个在另一个上方的方式布置的至少两个夹层片材(4，4')与所述功能元件(2)以及与所述第一辅助元件(3)接合。
8.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
所述第二辅助元件(12)被设计为牺牲元件且在所述功能元件(2)和所述第一辅助元件(3)与所述至少一个夹层片材(4)接合过程中不以一体结合方式连接到所述夹层片材(4)。
9.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
所述第二辅助元件(12)与所述第一辅助元件(3)相对地位于第二容器(13)中，其中，至少当所述第一电流路径断开时，所述第二容器(13)形成第二电流路径的部件，并且在所述功能元件(2)和所述第一辅助元件(3)与所述夹层片材(4)接合过程中，预热电流(I2)在所述第二电流路径中经由第二容器(13)经过所述第二辅助元件(12)流到所述第二电极(19)。
10.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于，
将至少一个第二辅助元件(12)定位在第二容器中。
11.根据权利要求10所述的方法，
其特征在于，
将所述第一容器(5)和所述第二容器(13)分配给接合装置(17)，所述接合装置(17)将两个容器同时定位在接合操作之前的接合位置，其中，在接合操作中，力经由所述接合装置(17)也施加到所述夹层片材(4)上，从而挤出所述外层(4a)之间的在功能元件(2)的待接合区域中的塑料层(4b)。
12.根据权利要求1至6和8至11中的任一项所述的方法，
其特征在于，
螺钉、螺栓或焊接螺母作为所述功能元件(2)与所述夹层片材(4)接合。
13.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，
所述外层(4a)焊接到所述功能元件(2)上。
14.一种用于将至少一个功能元件(2)和第一辅助元件(3)与夹层片材(4)接合的装置(1)，所述装置用于实施根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，
其特征在于，
设置有用于接纳和定位所述功能元件(2)和所述第一辅助元件(3)的第一容器(5)，其中，设置有用于将力从所述功能元件(2)施加到所述第一辅助元件(3)以及所述夹层片材(4)的器件(6’)，以及用于提供第一电流路径和第二电流路径的器件(7，8，9)，其中，利用所述第一电流路径，能够供应从所述功能元件(2)进入所述第一辅助元件(3)的电流(I1)，从而接合功能元件(2)和第一辅助元件(3)，以及利用所述第二电流路径，能够供应用于预热所述夹层片材的预热电流(I2)，以及设置有用于闭合和断开至少所述第一电流路径的器件(8，9)。
15.根据权利要求14所述的装置，
其特征在于，
设置有第二容器(13)，所述第二容器(13)用于将第二辅助元件(12)和第二电极(19)定位在所述至少一个夹层片材(4，4')的与所述功能元件(2)和所述第一辅助元件(3)相对的另一侧，并且所述第二容器(13)连同所述第二辅助元件(12)一起形成所述第二电流路径的部件。
16.根据权利要求15所述的装置，
其特征在于，
所述第一容器(5)和所述第二容器(13)是接合装置(17)的一部分，所述接合装置(17)能够将两个容器(5，13)一起定位在接合位置。
17.根据权利要求16所述的装置，
其特征在于，
所述接合装置(17)具体实施为焊接夹钳。
18.根据权利要求14所述的装置，
其特征在于，
设置有用于闭合和断开两个电流路径的器件(8，9)。
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