CN105364287A - 用于改善焊接强度的系统和方法 - Google Patents

用于改善焊接强度的系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105364287A
CN105364287A CN201510783774.0A CN201510783774A CN105364287A CN 105364287 A CN105364287 A CN 105364287A CN 201510783774 A CN201510783774 A CN 201510783774A CN 105364287 A CN105364287 A CN 105364287A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hole
tool elements
electrode
tool
depression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510783774.0A
Other languages
English (en)
Inventor
P-C·王
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GM Global Technology Operations LLC
Original Assignee
GM Global Technology Operations LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GM Global Technology Operations LLC filed Critical GM Global Technology Operations LLC
Publication of CN105364287A publication Critical patent/CN105364287A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/08—Seam welding not restricted to one of the preceding subgroups
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/06—Resistance welding; Severing by resistance heating using roller electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/06—Resistance welding; Severing by resistance heating using roller electrodes
    • B23K11/061—Resistance welding; Severing by resistance heating using roller electrodes for welding rectilinear seams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/10—Spot welding; Stitch welding
    • B23K11/11—Spot welding
    • B23K11/115—Spot welding by means of two electrodes placed opposite one another on both sides of the welded parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/14—Projection welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/16—Resistance welding; Severing by resistance heating taking account of the properties of the material to be welded
    • B23K11/20—Resistance welding; Severing by resistance heating taking account of the properties of the material to be welded of different metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/34—Preliminary treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/002—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating specially adapted for particular articles or work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • B23K2101/185—Tailored blanks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • B23K2103/20—Ferrous alloys and aluminium or alloys thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

本发明涉及用于改善焊接强度的系统和方法。具体地，提供了一种方法，包括：在第一片材料上形成第一坑和在第二片材料上形成第二坑，在非线性界面处将第一坑和第二坑挤压在一起，并在该界面处焊接第一坑和第二坑的材料。

Description

用于改善焊接强度的系统和方法
技术领域
本公开内容总体上涉及用于改善焊接强度的系统和方法。
背景技术
铝-钢焊接广泛地用于汽车工业中以减轻汽车的重量。铝-钢的电阻焊接中的主要挑战之一是在结合界面处形成的焊缝差异和金属间化合物。由于工件和电极之间的高的导热系数，热通过电极很快散失。这种热散失导致了沿着结合界面的焊缝差异。焊缝差异和金属间化合物限制了焊缝剥离强度。
发明内容
本技术涉及改善焊接强度的系统和方法。该系统和方法改善了电阻焊接的铝-钢的强度。另外，该系统和方法可用于其它的材料和焊接技术。
一个示例性的方法包括：在第一片材料中形成第一坑和在第二片材料中形成第二坑，在非线性界面处将第一坑和第二坑挤压在一起，以及在界面处焊接第一坑和第二坑的材料。
第一坑和第二坑在第一工具元件和第二工具元件之间被挤压。第一工具元件包括凸出工具表面，第二工具元件包括凹陷工具表面。利用第一工具元件和第二工具元件中的至少一个熔化材料，然后在非线性界面处凝固以形成接合部。
在给定的远程加载下，被焊接的坑引入了局部的混合模式加载。
另外，本发明还提供了以下方案。
1.一种方法，包括：
在第一片材料中形成第一坑，以及在第二片材料中形成第二坑；
在非线性界面处将所述第一坑和所述第二坑挤压在一起，其中所述第一坑和所述第二坑在第一工具元件和第二工具元件之间被挤压，其中，所述第一工具元件包括凸出工具表面，所述第二工具元件包括凹陷工具表面；以及
在所述界面处熔化所述第一坑的第一材料和所述第二坑的第二材料，其中，使用所述第一工具元件和所述第二工具元件中的至少一个来熔化所述第一材料和所述第二材料，并且其中所述材料被配置成在所述熔化后凝固，以在所述非线性界面处形成接合部。
2.根据方案1所述的方法，所述第一坑包括第一凹陷坑表面和第一凸出坑表面，所述第二坑包括第二凹陷坑表面和第二凸出坑表面，所述非线性界面包括所述第一凸出坑表面和所述第二凹陷坑表面之间的接触点。
3.根据方案2所述的方法，所述挤压包括使所述第一凹陷表面和所述凸出工具表面接触，以及使所述第二凸出表面和所述凹陷工具表面接触。
4.根据方案2所述的方法，所述挤压包括：在所述第一坑中接收所述第一工具元件，以及在所述第二工具元件中接收所述第二坑。
5.根据方案1所述的方法，所述形成包括：使用所述第一工具元件和所述第二工具元件形成所述第一坑和所述第二坑。
6.根据方案5所述的方法，所述形成包括：
重叠所述第一片材料和所述第二片材料；
将所述第一片材料和所述第二片材料定位在所述第一工具元件和所述第二工具元件之间；以及
使所述第一工具元件和所述第二工具元件靠拢在一起以形成所述第一坑和所述第二坑。
7.根据方案5所述的方法，所述形成包括：
重叠所述第一片材料和所述第二片材料；
转动所述第一工具元件和所述第二工具元件；以及
将所述第一片材料和所述第二片材料供给在所述第一工具元件和所述第二工具元件之间，以形成所述第一坑和所述第二坑。
8.根据方案1所述的方法，其中，所述第一工具元件和所述第二工具元件中的至少一个是电极，并且所述熔化包括将电流通过所述第一片材料和所述第二片材料。
9.根据方案1所述的方法，其中，所述第一工具元件是超声焊极，所述第二工具元件是凹穴，并且所述熔化包括给所述第一片材料和所述第二片材料施加超声声波振动。
10.根据方案1所述的方法，形成所述第一坑和所述第二坑作为形成所述第一片材料和所述第二片材料的过程的一部分被执行。
11.一种系统，包括：
包括凸出工具表面的第一电极；以及
包括凹陷工具表面的第二电极；
其中，所述第一电极和所述第二电极被设置为：
在第一片材料内形成第一坑和在第二片材料内形成第二坑；
在所述第一电极和所述第二电极之间将所述第一坑和所述第二坑挤压在一起，其中所述第一坑和所述第二坑在非线性界面处被挤压在一起；以及
将电流通过所述第一坑和所述第二坑。
12.根据方案11所述的系统，其中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个被设置为冷却所述第一坑和所述第二坑。
13.根据方案11所述的系统，所述第一坑包括第一凹陷坑表面和第一凸出坑表面，所述第二坑包括第二凹陷坑表面和第二凸出坑表面，所述非线性表面包括所述第一凸出坑表面和所述第二凹陷坑表面之间的接触点。
14.根据方案13所述的系统，其中，所述凸出工具表面被设置为接触所述第一凹陷坑表面，所述凸出工具表面被设置为接触所述第二凸出坑表面。
15.根据方案11所述的系统，其中，所述第一电极被设置为接收在所述第一坑内，所述第二电极被设置为接收所述第二坑。
16.根据方案11所述的系统，其中，所述第一电极和所述第二电极被设置为靠拢在一起以形成所述第一坑和所述第二坑。
17.根据方案11所述的系统，其中，所述第一电极是盘形的并且所述第二电极是盘形的，其中所述第一电极和所述第二电极被设置为转动以形成所述第一坑和所述第二坑。
18.一种系统，用于将包括第一坑的第一片材料和包括第二坑的第二片材料接合在一起，包括：
包括凸出工具表面的超声焊极；以及
包括凹陷工具表面的凹穴；
其中，所述超声焊极被设置为接收在所述第一坑内，所述凹穴被设置为接收所述第二坑；
其中，所述超声焊极和所述凹穴被设置为在所述超声焊极和所述凹穴之间将所述第一坑和所述第二坑挤压在一起，其中，所述第一坑和所述第二坑在非线性界面处被挤压在一起；以及
其中，所述超声焊接被设置为给所述第一片材料和所述第二片材料施加超声声波振动。
19.根据方案18所述的系统，所述第一坑包括第一凹陷坑表面和第一凸出坑表面，所述第二坑包括第二凹陷坑表面和第二凸出坑表面，所述非线性界面包括所述第一凸出坑表面和所述第二凹陷坑表面之间的接触点。
20.根据方案19所述的系统，其中，所述凸出工具表面被设置为接触所述第一凹陷坑表面，并且所述凸出工表面被设置为接触所述第二凸出坑表面。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开的示例性实施例的焊接系统。
图2示意性示出了图1中的焊接系统的工件和工具。
图3示意性示出了图1中的焊接系统的控制系统。
图4是根据本公开的示例性实施例的点焊方法的框图。
图5-7示意性示出了图4中的点焊方法。
图8是根据本公开的示例性实施例的缝焊方法的框图。
图9-10示意性示出了图8中的缝焊方法。
图11是根据本公开的示例性实施例的超声焊方法的框图。
图12-13示意性示出了图11的超声焊方法。
图14示意性示出了剪切加载下的接合部。
图15示意性示出了剥离加载下的接合部。
附图不必按照比例，并且一些特征可以被放大或缩小，以示出特定部件的细节。在一些示例中，已知的部件、系统、材料或方法没有被详细地描述，以避免使得本公开不清楚。因此，此处公开的具体结构和功能细节都不被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础并作为用于教导本领域技术人员不同地实施本发明的代表性基础。
具体实施方式
按需要，本文公开了本发明的具体实施例。所公开的实施例仅是示例，其可以以各种形式和替代形式以及它们的组合来实现。如此处使用的，例如，“示例性”和类似的术语，扩展地涉及用作说明、样品、模型或模式的实施例。
此处描述的系统和方法设置成使工件接合。尽管此处描述的方法包括电阻焊、缝焊、超声焊，然而此处的教导可被用于如激光、电弧及类似的其它接合工艺中。
示例性的工件包括金属片、其它材料片、支柱、突起物、电线悬挂器、换热器翅片和管。出于教导的目的，描述了使两个材料片接合的方法。然而，此处描述的方法可被用于使两个以上的材料片或两个以上的工件接合。例如，此处描述的方法可被用于使处于层叠中的多个工件(例如，多于两个工件)接合。
出于教导的目的，参考图1和图2，第一工件10是第一片材料，第二工件12是第二片材料。第一工件10包括第一坑20，第二工件12包括第二坑22。坑通过下面进一步详细描述的工具被预先形成或形成。坑是在工件内形成的压痕，以包括凹陷表面和凸出表面。例如，坑可以是凹痕、槽和类似物。
第一坑20包括第一凹陷表面30和第一凸出表面32。第二坑22包括第二凹陷表面40和第二凸出表面42。每个坑的凹陷和凸出表面是相反的表面。例如，这些相反的表面可被称为内表面和外表面。
第一坑20嵌套在第二坑22内，从而使得第一凸出表面32基本接触第二凹陷表面40。第一凸出表面32和第二凹陷表面40在第一坑20和第二坑22之间限定界面50(例如，参见图14和图15)。
此处的方法可被有利地用于使具有脆性材料属性的材料接合在一起(例如，焊接高强度钢、焊接铝-钢、使聚合物材料接合)。该方法还可被用于其它的材料，以改善接合部的强度。
继续根据图1，焊接系统60被设置为执行此处描述的方法。
根据示例性实施例，焊接系统60包括焊接压机62，其设置成在工具100之间将工件10、12按压在一起，下面进行进一步的描述。
根据示例性的实施例，焊接压机62包括设置为移动工具100以将工件10、12按压在一起的气动系统64或伺服系统。焊接压机62被设置为通过控制系统66来控制。
根据示例性的实施例，暂时参考图6，其中工具100包括电极，焊接系统60包括电源70，电源70设置为供应电力以产生通过电极的电流。控制系统66设置为控制电源70。
根据示例性的实施例，再参考图1，其中工具包括角和铁砧，所述系统包括被设置为产生由角施加的高频振动的转换器72和增压器74、76。控制系统66被设置为给转换器72产生和发送电信号。转换器72设置为将电信号转换成为机械振动，增压器74、76设置为放大该机械振动。
参照图3，控制系统66包括用于控制和/或处理数据的处理器80、输入/输出数据端口82和存储器84。
处理器可以是多个处理器，其可以包括在一台机器或多台机器内的分布式处理器或并行处理器。处理器可包括一个或多个虚拟处理器。处理器可包括状态机、特定应用集成电路(ASIC)、包括现场可编程门阵列的可编程门阵列(PGA)、或者状态机。当处理器执行指令以实行“操作”时，这可以包括处理器直接地执行操作，和/或促进、引导另一个设备或部件执行操作，或者与另一个设备或部件配合来执行操作。
控制系统66可包括各种计算机可读介质，包括易失介质、非易失介质、可移动介质、以及不可移动介质。术语“计算机可读介质”和其变型(如在说明书和权利要求中所使用的)包括存储介质。存储介质包括挥发性和/或非挥发性、可移动和/或不可移动介质，例如，如RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它的存储技术，CDROM、DVD或其它的光盘储存器、磁带、磁盘储存器、或其它的磁储存装置、或者被设置为用于存储可由控制单元66访问的存储信息的任何其它介质。
尽管存储器84示出为安置成靠近处理器80，但应当理解的是，存储器的至少一部分可以为远程访问的存储系统，例如，互联网上的服务器、远程硬盘驱动器、可移动存储介质、它们的组合，以及类似物。因而，以下描述的任何数据、应用和/或软件可被存储在存储器内和/或可通过网络连接到其它数据处理系统(未示出)来访问，所述其它数据处理系统例如可包括局域网(LAN)、城域网(MAN)或广域网(WAN)。
存储器84包括用于控制系统66的若干种类的软件和数据，包括应用90、数据库92、操作系统94和输入/输出装置驱动器96。
如本领域技术人员可知晓的，操作系统94可以是用于数据处理系统的任何操作系统。输入/输出装置驱动器96可包括各种例程，所述各种例程由与装置以及某些储存器部件通信的应用通过操作系统94来访问。应用90可作为可执行指令被存储在存储器84内和/或固件内(没有示出)，并可由处理器80执行。
应用90包括各种程序，当通过处理器80执行时，所述各种程序实现了控制系统66的各种特征。应用90包括用于执行此处描述的方法的那些应用。应用90存储在存储器84内，并设置为通过处理器80执行。
应用程序90可使用存储在数据库92内的数据，如通过输入/输出数据端口82接收的数据。数据库92包括由应用90、操作系统94、输入/输出装置驱动器96以及可驻存于存储器84之内的其它软件程序使用的静态和/或动态数据。
应当理解的是图3和上述的说明意在提供对本发明的一些实施例的各个方面可在其中被实现的合适环境的简洁的总体描述。术语“计算机可读介质”、“计算机可读存储装置”及其它们的变型，如在说明书和权利要求书中所使用的，可以包括存储介质。存储介质可包括易失性和/或非易失性、可移动和/或不可移动介质，例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其它的存储技术，CDROM、DVD或其它的光盘储存器、磁带、磁盘储存器或其它磁储存装置、或任何其它的介质，不包括传播信号，存储介质可被用于存储可由图3示出的装置访问的信息。
尽管说明中包括计算机可执行指令的一般范围，但本发明也可结合其它的程序模块实现，和/或实现为硬件和软件的结合。此处经常使用的术语“应用”或其变型包括例程、程序模块、程序、部件、数据结构、算法和类似物。应用可通过各种系统配置来实现，包括单处理器和多处理器系统、小型计算机、大型计算机、个人计算机、手持计算设备、基于微处理器的可编程消费电子装置、它们的组合及类似物。
继续参照图1和图2，工具100包括第一工具元件110和第二工具元件112。第一工具元件110和第二工具元件112具有互补的几何形状。例如，表面的形状是互补的，或表面的横截面是互补的。
第一工具元件110包括向外凸出的凸出几何形状，第二工具元件112包括空心的凸出几何形状。第一工具元件110包括凸出工具表面120，第二工具元件112包括凹陷工具表面122。在点焊情形中，第一工具元件110是具有半球形凸出工具表面120的探头形电极；第二工具元件112是具有半球形凹陷工具表面122的杯状电极。
类似地，在缝焊的情形中，第一工具元件110是包括凸出工具表面120(例如圆整形状)的轮，第二工具元件112是带有槽或沟的轮，所述槽或沟具有凹陷工具表面122(例如圆整形状或半圆筒形)。
第一工具元件110和第二工具元件112可具有各种其它的互补几何形状，以易于在界面50处将工件10、12焊接在一起，如下面进一步详细描述的那样。例如，几何形状可以是立方形、角锥形及类似形状。截面可以是椭圆、正方形、三角形、抛物线和类似形状的一部分。
第一工具元件110和第二工具元件112被设置为靠近在一起以施加力，并且第一工具元件110和第二工具元件112的几何形状对应于第一坑20和第二坑22的几何形状。特别地，第一工具元件110设置为被接收在第一坑20内，从而使得凸出工具表面120给第一凹陷表面30施加力；第二工具元件112设置为被接收第二坑22，从而使得凹陷工具表面122给第二凸出表面42施加力。
在生成焊缝的界面50处，第一工具元件110和第二工具元件112将第一工件10和第二工件12挤压在一起。特别地，第一工具元件110和第二工具元件112将第一坑20的第一凸出表面32压靠在第二坑22的第二凹陷表面40上。
第一工具元件110和第二工具元件112还设置为在界面50处产生热，以在界面50处形成焊缝，如下面更详细的描述的那样。由于界面50是非线性的，焊缝生成混合模式的加载，其改善了接合部的强度(例如搭接、剥离、横向拉伸强度)。焊缝可沿着界面的一部分生成(例如圆圈或环形焊缝)，或沿着整个界面生成。
根据电阻焊方法200、300，电阻焊用于使第一工件10和第二工件12接合。电阻焊包括如点焊、缝焊和高频焊之类的焊接工艺。电阻焊使工件10、12的结合(例如，重叠、接触)表面32，40(例如，界面50)结合。
出于教导的目的，第一工具元件110和第二工具元件112中的每个是铜电极(例如工具100是模具-电极工具)；第一工件10和第二工件12中的每一个是金属片。例如，第一金属片10是铝，第二金属片12是超高强度钢。
第一电极110和第二电极112设置为靠近在一起以将第一金属片10和第二金属片12夹在一起；并在第一金属片10内成形第一坑20，以及在第二金属片12内成形第二坑22。
第一电极110和第二电极112还设置为使焊接电流传送通过被夹持的第一金属片10和第二金属片12。由于第一金属片10和第二金属片12对电流的电阻，所以电流在界面50处生成焊缝，如以下更详细地描述的那样。因为焊缝沿着非线性界面50，所以在给定的远程加载下的局部加载(参见图14和图15)是混合模式加载(例如，剥离-剪切加载)。
参照图4和图5，根据点焊方法200的第一框210，第一金属片10和第二金属片12在期望的焊接位置处重叠，并且被定位在第一电极110和第二电极112之间。
参照图4-6，根据第二框220，第一电极110和第二电极112被靠近在一起。第一电极110的凸出工具表面120将第一金属片10和第二金属片12压入到第二电极112的凹陷工具表面122中，从而形成第一坑20和第二坑22。第一电极110和第二电极112继续施加力，以在第一电极110、第一坑20、第二坑22和第二电极112之间保持接触。特别地，第一坑20和第二坑22在界面50处接触。
参照图4和图6，根据第三框230，工具100产生的电流在第一电极110和第二电极112之间流动，从而流动通过第一金属片10和第二金属片12。例如，电流在1-100000安培的范围内。使用的电流基于测定仪器或第一金属片10和第二金属片12的厚度计算。电阻点焊通常使用直流、交流、中频半波直流、或高频半波直流形式的电力。
参照图4和图7，根据第四框240，通过第一金属片10和第二金属片12的电流在界面50(即，工件10、12彼此重叠处)处产生热。第一金属片10和第二金属片12的电阻引起热的积累。升高的温度引起电阻增大并导致在界面50处(例如，连接或“结合”表面，其是最大电阻的点)的金属的熔池232。
产生的热是电流量、电极施加的力、电流/力施加的时间、材料的电阻、工件的比例、金属涂层或缺少涂层、电极材料和电极几何形状的函数。
根据第五框250，工具100停止产生电流，并且第一电极110和第二电极112被冷却(例如水冷)，以凝固熔化的金属232。例如，第一电极110和第二电极112从熔化的金属232的表面快速地移除热，以加速金属的凝固。例如，铜是优良的导体，其易于从熔化的金属移除热。电极110、112被移走，金属片10、12通过焊缝连接232(称为接合部，并且在下面更详细地描述)被连接。
一般地，点焊方法200生成结合(例如，电阻焊结合包括固态、熔合和回流钎焊)。在熔合的结合中，具有类似晶粒结构的相似或不相似的材料都被加热至两者的熔点(液态)。材料的随后冷却和结合形成了“点焊熔核”，其具有不同于基体材料的微观结构。
参照图8，根据缝焊方法300，电阻缝焊用于使第一金属片10和第二金属片12接合。与点焊方法200相似，工具100包括施加压力和电流的第一电极110和第二电极112(例如，由铜制成)。然而，此处，第一电极110和第二电极112中的每一个是盘形的。第一电极110和第二电极112转动。第一金属片10和第二金属片12重叠，并且被供给在转动的第一电极110和第二电极112之间。
参照图8和图9，根据第一框310，第一金属片10和第二金属片12在期望的焊缝处重叠，并且被定位成供给在第一电极110和第二电极112之间。
参照图8-10，根据第二框320，第一金属片10和第二金属片12被供给在第一电极110和第二电极112之间。在第一电极110和第二电极112相对于彼此定位，从而使得当第一金属片10和第二金属片12被供给在第一电极110和第二电极112之间时，第一电极110的凸出工具表面120将第一金属片10和第二金属片12压入到第二电极112的凹陷工具表面122中，从而形成第一坑20和第二坑22。电极还可移动金属片，或帮助金属片的移动。
根据第三框330，基本与第二框320在相同的时间(例如，在紧接着第一坑20和第二坑22被形成后)，工具100产生电流，该电流在第一电极110和第二电极112之间流动，从而流动通过第一金属片10和第二金属片12。在第一电极110和第二电极112继续施加力以保持第一电极110、第一坑20、第二坑22和第二电极112之间接触时，产生电流。特别地，第一坑20和第二坑22在界面50处接触。
根据第四框340，通过第一金属片10和第二金属片12的电流在界面50(即，工件10、12彼此重叠处)处产生热。热在界面50(例如，连接或“结合”表面，其是最大电阻的点)处形成熔化金属的熔池。特别地，第一金属片10和第二金属片12的电阻引起热的积累。升高的温度引起电阻增大并导致金属的熔池。半熔化的界面通过第一电极110和第二电极112被挤压在一起，以在界面50处生成熔融结合部。
根据第五框350，工具100停止产生电流，并且第一电极110和第二电极112被冷却以凝固熔化的金属并形成接合部。例如，工具100使用水来冷透第一电极110和第二电极112。
参照图11，根据超声焊方法400，超声焊用于使第一工件10和第二工件12接合。根据超声焊方法400，高频超声声波振动被局部地施加到第一工件10和第二工件12，它们在压力下保持在一起，以生成固态(对于金属)或熔合焊缝(对于聚合物)。特别地，超声焊使工件10、12的结合(例如，重叠、接触)表面32、40(即，界面50)接合。例如，对于金属，固态焊缝通过第一工具元件110(例如角)的水平振动生成，对于聚合物材料，熔合通过第一工具元件110的竖直振动生成。
超声焊可用于由下述材料制成的工件10、12，所述材料包括：聚合物复合材料、塑料(例如，硬塑料和软塑料，例如半结晶塑料)、碳纤维增强聚合物(CFRP)片材和金属(例如薄的可延展金属，如铝、铜和镍)。
出于教导的目的，第一工具元件110是超声焊级(也称为角)，第二工具元件112是凹穴(也称为砧)；第一工件10和第二工件12的每一个是聚合物复合材料片。超声焊级110包括由转换器72来振动，转换器72将电流转换成为机械振动。
凹穴112和超声焊级110被设置为靠近在一起，以在界面50处将第一聚合物复合材料片10和第二聚合物复合材料片12挤压在一起。
第一坑20在第一聚合物复合材料片10内被预先形成，第二坑22在第二聚合物复合材料片12内被预先形成。
超声焊级110设置为将高频超声声波振动施加通过受挤压的第一聚合物复合材料片10和第二聚合物复合材料片12。高频超声声波振动在界面50处生成焊缝，如以下更详细地描述那样。由于焊缝沿着非线性界面50，所以在给定远程加载下的局部加载是混合模式加载(例如，剥离-剪切加载)。
参照图11，根据超声焊焊接方法400的第一框410，第一聚合物复合材料片10内预先形成有第一坑20，第二聚合物复合材料片12内预先形成有第二坑22。例如，坑20、22在压缩成型过程中形成，聚合物复合材料片10、12通过该压缩成型过程形成。
第一聚合物复合材料片10和第二聚合物复合材料片12重叠，从而使得坑20、22重叠。特别地，第一坑20的第一凸出表面32定位成靠着第二坑22的第二凹陷表面40(即，在界面50处)。
重叠的坑20、22定位在凹穴112内并且处在超声焊级110和凹穴112之间。特别地，第二凸出表面42定位成靠着凹穴112的凹陷工具表面122。
参照图11和图12，根据第二框420，凹穴112和超声焊级110被靠近在一起，以在界面50处将第一聚合物复合材料片10和第二聚合物复合材料片12挤压在一起。超声焊级110的凸出工具表面120接触第一聚合物复合材料片10的第一凹陷表面30。
根据图11-13，根据第三框430，超声焊级110发出低振幅的声波振动(例如，在超声焊接中使用的常规频率为15kHz、20kHz、30kHz、35kHz、40kHz和70kHz)。来自超声振动的热(即，来自工件之间的摩擦、分子间振动的热)在界面50处(即在工件10、12之间的接触点处)熔化第一聚合物复合材料片10和第二聚合物复合材料片12的材料。由于振动能量的吸收，所以超声焊接引起材料432的局部熔化。振动被导引贯穿界面50(例如，将被焊接的接合部)。
根据第四框440，转换器(或换能器)72停止发出振动，并且材料432在界面50处凝固以形成接合部。
根据图14和图15，接合部500在第一工件10和第二工件12之间生成，例如，根据此处描述的方法之一。接合部500在第一坑20和第二坑22之间沿着非线性界面50生成。图14示出了远程加载是剪切加载(例如，在工件10、12的平面内)。图15示出了远程加载是剥离加载(例如，垂直于工件10、12的平面)。
因为接合部500沿着非线性界面50生成，所以图14的剪切加载和图15的剥离加载中的每一个导致了在接合部500处的局部混合的剥离剪切加载。通过引入混合模式(剥离-剪切)加载，接合部500处的应力更加均匀地分布，生成更强的接合部。例如，接合部500使在剥离加载下通常存在于常规扁平表面接合部中的应力更像剪切加载下的接合部的应力那样分布。
上述的实施例仅是对实施的示例性说明，用于清楚地理解本发明的原理。在不同脱离权利要求的范围的情况下，可对上述实施例进行改变、修改和组合。所有这样的改变、修改和组合在此都包括在此处公开的内容和所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种方法，包括：
在第一片材料中形成第一坑，以及在第二片材料中形成第二坑；
在非线性界面处将所述第一坑和所述第二坑挤压在一起，其中所述第一坑和所述第二坑在第一工具元件和第二工具元件之间被挤压，其中，所述第一工具元件包括凸出工具表面，所述第二工具元件包括凹陷工具表面；以及
在所述界面处熔化所述第一坑的第一材料和所述第二坑的第二材料，其中，使用所述第一工具元件和所述第二工具元件中的至少一个来熔化所述第一材料和所述第二材料，并且其中所述材料被配置成在所述熔化后凝固，以在所述非线性界面处形成接合部。
2.根据权利要求1所述的方法，所述第一坑包括第一凹陷坑表面和第一凸出坑表面，所述第二坑包括第二凹陷坑表面和第二凸出坑表面，所述非线性界面包括所述第一凸出坑表面和所述第二凹陷坑表面之间的接触点。
3.根据权利要求2所述的方法，所述挤压包括使所述第一凹陷表面和所述凸出工具表面接触，以及使所述第二凸出表面和所述凹陷工具表面接触。
4.根据权利要求2所述的方法，所述挤压包括：在所述第一坑中接收所述第一工具元件，以及在所述第二工具元件中接收所述第二坑。
5.根据权利要求1所述的方法，所述形成包括：使用所述第一工具元件和所述第二工具元件形成所述第一坑和所述第二坑。
6.根据权利要求5所述的方法，所述形成包括：
重叠所述第一片材料和所述第二片材料；
将所述第一片材料和所述第二片材料定位在所述第一工具元件和所述第二工具元件之间；以及
使所述第一工具元件和所述第二工具元件靠拢在一起以形成所述第一坑和所述第二坑。
7.根据权利要求5所述的方法，所述形成包括：
重叠所述第一片材料和所述第二片材料；
转动所述第一工具元件和所述第二工具元件；以及
将所述第一片材料和所述第二片材料供给在所述第一工具元件和所述第二工具元件之间，以形成所述第一坑和所述第二坑。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一工具元件和所述第二工具元件中的至少一个是电极，并且所述熔化包括将电流通过所述第一片材料和所述第二片材料。
9.一种系统，包括：
包括凸出工具表面的第一电极；以及
包括凹陷工具表面的第二电极；
其中，所述第一电极和所述第二电极被设置为：
在第一片材料内形成第一坑和在第二片材料内形成第二坑；
在所述第一电极和所述第二电极之间将所述第一坑和所述第二坑挤压在一起，其中所述第一坑和所述第二坑在非线性界面处被挤压在一起；以及
将电流通过所述第一坑和所述第二坑。
10.一种系统，用于将包括第一坑的第一片材料和包括第二坑的第二片材料接合在一起，包括：
包括凸出工具表面的超声焊极；以及
包括凹陷工具表面的凹穴；
其中，所述超声焊极被设置为接收在所述第一坑内，所述凹穴被设置为接收所述第二坑；
其中，所述超声焊极和所述凹穴被设置为在所述超声焊极和所述凹穴之间将所述第一坑和所述第二坑挤压在一起，其中，所述第一坑和所述第二坑在非线性界面处被挤压在一起；以及
其中，所述超声焊接被设置为给所述第一片材料和所述第二片材料施加超声声波振动。
CN201510783774.0A 2014-08-15 2015-08-15 用于改善焊接强度的系统和方法 Pending CN105364287A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/460796 2014-08-15
US14/460,796 US10399175B2 (en) 2014-08-15 2014-08-15 Systems and methods for improving weld strength

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105364287A true CN105364287A (zh) 2016-03-02

Family

ID=55235128

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510783774.0A Pending CN105364287A (zh) 2014-08-15 2015-08-15 用于改善焊接强度的系统和方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10399175B2 (zh)
CN (1) CN105364287A (zh)
DE (1) DE102015113452A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108080781A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于超声波焊接工艺的喇叭
CN110202245A (zh) * 2018-02-28 2019-09-06 通用汽车环球科技运作有限责任公司 通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能
CN110695507A (zh) * 2019-10-24 2020-01-17 吴玉坤 一种电阻点焊方法

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6365205B2 (ja) * 2014-10-08 2018-08-01 Tdk株式会社 静電気対策素子
KR102057893B1 (ko) * 2015-09-03 2019-12-20 닛폰세이테츠 가부시키가이샤 스폿 용접 방법
US10766095B2 (en) * 2016-03-01 2020-09-08 GM Global Technology Operations LLC Mating electrodes for resistance spot welding of aluminum workpieces to steel workpieces
US11351590B2 (en) * 2017-08-10 2022-06-07 Honda Motor Co., Ltd. Features of dissimilar material-reinforced blanks and extrusions for forming
US10532421B2 (en) * 2017-08-29 2020-01-14 Honda Motor Co., Ltd. UAM resistance spot weld joint transition for multimaterial automotive structures
US10870166B2 (en) 2018-02-01 2020-12-22 Honda Motor Co., Ltd. UAM transition for fusion welding of dissimilar metal parts
CN110877147B (zh) * 2019-07-12 2021-04-09 哈尔滨工业大学 一种钢和铝的非对称电阻点焊方法
US11326680B2 (en) 2019-10-17 2022-05-10 GM Global Technology Operations LLC High strength joints between steel and titanium
US11465390B2 (en) 2020-03-02 2022-10-11 Honda Motor Co., Ltd. Post-process interface development for metal-matrix composites

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1900161A (en) * 1930-02-15 1933-03-07 Morris J Cohan Spot welding
JPH09239567A (ja) * 1996-03-05 1997-09-16 Toyota Motor Corp 超音波接合装置の接合用チップ
DE102010039003A1 (de) * 2010-08-06 2012-02-09 Telesonic Holding Ag Vorrichtung zum Verschweißen und Prägen dünnwandiger Werkstücke mittels Ultraschall
US20130119035A1 (en) * 2009-05-07 2013-05-16 Innovative Weld Solutions Ltd. Welding Assembly and Method
US8651163B1 (en) * 2012-12-04 2014-02-18 Ford Global Technologies, Llc Geometric design for ultrasonic welding tools

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1479511A1 (de) * 1964-04-25 1969-07-17 Nirona Werke Nier & Ehmer Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Kunststoff mittels Ultraschall
DE102013212763A1 (de) * 2013-06-28 2014-12-31 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Vorrichtung und Verfahren zum stoffschlüssigen Verbinden von faserverstärkten Bauteilen

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1900161A (en) * 1930-02-15 1933-03-07 Morris J Cohan Spot welding
JPH09239567A (ja) * 1996-03-05 1997-09-16 Toyota Motor Corp 超音波接合装置の接合用チップ
US20130119035A1 (en) * 2009-05-07 2013-05-16 Innovative Weld Solutions Ltd. Welding Assembly and Method
DE102010039003A1 (de) * 2010-08-06 2012-02-09 Telesonic Holding Ag Vorrichtung zum Verschweißen und Prägen dünnwandiger Werkstücke mittels Ultraschall
US8651163B1 (en) * 2012-12-04 2014-02-18 Ford Global Technologies, Llc Geometric design for ultrasonic welding tools

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108080781A (zh) * 2016-11-23 2018-05-29 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于超声波焊接工艺的喇叭
CN110202245A (zh) * 2018-02-28 2019-09-06 通用汽车环球科技运作有限责任公司 通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能
CN110202245B (zh) * 2018-02-28 2021-07-13 通用汽车环球科技运作有限责任公司 通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能
CN110695507A (zh) * 2019-10-24 2020-01-17 吴玉坤 一种电阻点焊方法
CN110695507B (zh) * 2019-10-24 2022-06-24 烟台星辉劳斯堡液压机械有限公司 一种电阻点焊机

Also Published As

Publication number Publication date
US20160045978A1 (en) 2016-02-18
DE102015113452A1 (de) 2016-02-18
US10399175B2 (en) 2019-09-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105364287A (zh) 用于改善焊接强度的系统和方法
Wu et al. Microstructure, welding mechanism, and failure of Al/Cu ultrasonic welds
Matheny et al. Ultrasonic welding of metals
Shin et al. Parametric study in similar ultrasonic spot welding of A5052-H32 alloy sheets
JP5793495B2 (ja) 直流マイクロパルスを用いた抵抗スポット溶接方法及びシステム
KR20110007595A (ko) 진동스폿용접기 및 진동스폿용접방법
US20170225275A1 (en) Device and method for measuring quality of ultrasonic welding
Dai et al. Microstructure and properties of Mg/Al joint welded by gas tungsten arc welding-assisted hybrid ultrasonic seam welding
CN108500455A (zh) 一种金属材料与非金属材料的连接方法
KR20120129516A (ko) 진동스폿용접기 및 진동스폿용접방법
JP2004174546A (ja) 金属部材の接合方法
Asami et al. Ultrasonic welding of dissimilar metals by vibration with planar locus
US10195686B2 (en) Method for joining two essentially metal sheet-type workpieces using friction squeeze welding
JP2019136748A (ja) 抵抗スポット溶接方法
JP5801169B2 (ja) 片側スポット溶接装置
JP3862640B2 (ja) アルミニウム系材の抵抗スポット溶接方法
JP6160190B2 (ja) 異種金属材の抵抗スポット溶接方法
KR102071223B1 (ko) 이종 금속재료의 용접방법 및 용접장치
CN215658386U (zh) 一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极
JP2014166646A (ja) 金属製ワークの固相接合方法
Lindamood et al. Ultrasonic welding of metals
CN113199125A (zh) 一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极
JP7156009B2 (ja) 塗装金属素形材と樹脂材との複合体の製造方法
JP2019531191A (ja) 接合要素をクリーニングし加工物上に接合するための方法及び装置
Makwana et al. Experimental Investigation of Ultrasonic Welding on Thermoplastic Material—A Review

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20160302

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication