CN105922562B - 通过热熔接合部件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明技术披露通过热熔接合部件的系统和方法。第一工件具有配置成接收定位在第二工件上的短柱的孔洞。系统通过使用电极将能量施加到第一工件以间接地加热短柱从而至少部分地软化短柱的材料来形成。随后对短柱的软化材料施加压力，并且使得材料根据预定几何结构成型。在释放压力之后，短柱形成支柱，所述支柱形成连接工件的互锁接头。

Description

通过热熔接合部件的系统和方法
技术领域
本发明技术一般涉及接合部件。更具体来说，本发明技术涉及用于使用热熔接合工件的系统和方法。
背景技术
接合具有类似或不同材料性质的工件已经变得越来越重要，因为工业为从诸如汽车、航空和航海以及其他的工程结构减少重量并提高性能而努力。铆接具有将不同的塑料彼此接合或者将塑料接合到其他材料（例如，金属）的能力。在消除对诸如铆钉和螺钉的额外部件的需要方面，铆接具有胜过其他机械接合方法的优点。
传统铆接通过与包括孔的第一工件和包括插入到第一工件的孔中的短柱的第二工件创建干涉来连接工件。随后使用铆接冲头来轴向地按压短柱，这将短柱内的材料再成型为无需使用诸如螺钉和铆钉的额外部件而永久地接合工件的支柱。
类似于传统铆接，热熔从将第二工件上的塑料短柱插入到位于第一工件内的孔中开始。然而，在热熔中，使用受控的加热和熔融来再成型塑料短柱内的材料，从而产生无需使用诸如螺钉和铆钉的额外部件而将工件机械地锁定在一起的支柱。
塑料短柱的再成型通常通过使用高于与材料相关的玻璃态转化温度的过热空气或热电极加热塑料短柱的材料从而产生软化的材料来实现。随后对软化的材料施加压力以产生支柱。
使用过热空气加热塑料短柱的材料需要使用热空气喷嘴，这通常随着时间导致诸如与热空气喷嘴相关的个别流量计的部件的昂贵维护。另外，使用热电极加热塑料短柱的材料可能需要用于每个支柱的额外处理时间，因为对于每个连接加热和冷却热电极。此外，热空气喷嘴和用于多个连接的多个热电极的使用可能需要漫长的工具安装更换时间。
发明内容
由于上述缺点，所以存在通过热熔在无需使用除了工件材料以外的材料来形成接头的情况下牢固地接合含有不同材料的工件的系统和方法的需要。所提出的系统和方法将通过利用一个工件的加热（单侧加热）或两个工件的加热（双侧加热）将工件的材料机械地互锁来接合工件。
本发明技术包括一种使用再成型为最终支柱的短柱来将第一工件与第二工件接合的系统。第一工件包括孔洞，并且第二工件包括配置成由第一工件内的孔洞接收的短柱。当定位工件以进行接合时，短柱被接收通过第一工件的孔洞、在第一工件的第一表面中的第一开口处进入孔洞并且到达最终位置，在最终位置中短柱通过第一工件的与第一表面相对的第二表面中的第二开口延伸出第一工件。则在最终位置中，短柱的一部分从第一工件的第二表面突出。
第一工件和第二工件是使用包括彼此电气隔离的第一电极和第二电极的冲头组件来接合。每个电极被配置成当定位工件以进行接合时，将能量直接传递到第一工件的至少一部分，并且将能量间接传递到位于第二工件上的短柱的至少一部分并将其软化。
在一些实施例中，使用绝缘体来将第一电极和第二电极彼此电气隔离。绝缘体减少或阻止电极之间的电流。
冲头组件还包括定位在电极之间的冲头。冲头含有具有预定几何结构的探针尖，所述预定几何结构指定最终支柱的一部分的形状。预定几何结构可以具有适用于所需应用的形状和尺寸。
在一些实施例中，在接合工件中形成支柱时压缩短柱之前和期间或者至少在其期间加热冲头的探针尖。在探针尖被加热的情况下，除了电极所产生的热能之外的热能被传递到短柱材料从而帮助再成型。
在一些实施例中，第一工件包括配置成增强短柱的软化材料与第一工件之间的互锁的图案。该图案可以包括第一工件的第一表面内的突起。该图案额外地或替代地包括第一工件的第二表面上的凹穴，所述凹穴对应于第一工件的第一表面上的突起。凹穴在第一工件的第二表面内形成空洞，该空洞在热熔期间由第二工件的材料填充。
在一个特定实施例中，图案浮雕到工件中。图案可以位于孔洞附近或与其相邻，并且在一些实施中，图案完全或至少部分地围绕孔洞。
本发明包括以下方案：
1. 一种用于将第一工件接合到第二工件接合的装置，所述第一工件具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面以及具有第一宽度的孔洞，所述第二工件具有第三表面，所述装置包括：
第一电极，所述第一电极被配置和布置在所述装置中以在操作中接触与所述孔洞相邻并且与从所述第三表面延伸的短柱相邻的第一表面，并且利用所述第一电极通过加热所述第一工件来软化所述短柱的材料；
第二电极，所述第二电极与所述第一电极电气地隔离并且被配置和布置在所述装置中以在操作中接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的第一表面，并且利用所述第二电极通过加热所述第一工件来软化所述短柱的材料，所述第一电极和所述电极在它们之间形成具有大于所述第一宽度的第二宽度的通道；以及
冲头，所述冲头被配置和布置在所述装置中以用于可移动地定位在所述通道中，以对所述短柱的软化材料选择性地施加力，以迫使所述短柱的材料进入形成在第一宽度之外的所述通道中的空间内，从而产生将所述第二工件接合到所述第一工件的支柱。
2. 如方案1所述的装置，其中所述冲头包括具有大于所述第一宽度的第三宽度的探针尖。
3. 如方案2所述的装置，其中所述探针尖包括第一预定几何结构的腔体，以在所述支柱中形成对应于所述腔体的第一预定几何结构的凸形头部。
4. 如方案1所述的装置，其进一步包括绝缘体，所述绝缘体定位在所述第一电极与所述第二电极之间以将所述第一电极与所述第二电极电气地隔离。
5. 如方案1所述的装置，其中所述第一工件包括至少部分地围绕所述孔洞的浮雕图案，所述浮雕图案具有在所述第一表面上的突起和在所述第二表面上的凹陷，所述突起被配置成增强所述第一表面与所述短柱的软化材料之间的互锁并且所述凹陷被配置成增强所述第二表面与所述第三表面之间的互锁。
6. 如方案1所述的装置，其进一步包括衬垫，所述衬垫定位在所述第一表面与探针尖的边缘之间以在所述装置的操作期间接触所述第一表面。
7. 一种用于将第一工件接合到第二工件接合的方法，所述第一工件具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面以及具有第一宽度的孔洞，所述第二工件具有第三表面和从所述第三表面延伸的短柱，所述方法包括：
将所述第一工件定位成与所述第二工件相邻，其中在所述短柱延伸穿过所述孔洞的情况下所述第二表面接触所述第三表面；
将冲压装置与所述短柱的中心线成轴向定位，所述冲压装置包括(i)第一电极，所述第一电极被布置和配置成接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的第一表面；(i)第二电极，所述第二电极与所述第一电极电气地隔离并且被配置和布置成接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的所述第一表面，以及(iii)可移动地定位在所述第一电极与所述第二电极之间的冲头；
使用所述第一电极和所述第二电极施加能量以通过加热所述第一工件软化所述短柱的材料；以及
使用所述冲压装置按压所述短柱的软化材料，从而产生形成将所述第一工件与所述第二工件连接的接头的支柱。
8. 如方案7所述的方法，其中所述第一电极和所述第二电极在它们之间形成具有大于所述第一宽度的第二宽度的通道。
9. 如方案7所述的方法，其中所述冲头包括具有大于所述第一宽度的第三宽度的探针尖。
10. 如方案7所述的方法，其中所述冲头包括具有第一预定几何结构的腔体的探针尖，从而在所述支柱中形成对应于所述第一预定几何结构的凸形头部。
11. 如方案7所述的方法，其进一步包括绝缘体，所述绝缘体定位在所述第一电极与所述第二电极之间以将所述第一电极与所述第二电极电气地隔离。
12. 如方案7所述的方法，其中所述第一工件包括至少部分地围绕所述孔洞的浮雕图案，所述浮雕图案具有在所述第一表面上的突起和在所述第二表面上的凹陷，所述突起被配置成增强所述第一表面与所述短柱的软化材料之间的互锁并且所述凹陷被配置成增强所述第二表面与所述第三表面之间的互锁。
13. 如方案7所述的方法，其进一步包括将衬垫定位在所述第一表面与探针尖的边缘之间以接触所述第一表面。
14. 一种热熔接合的系统，包括：
第一工件，所述第一工件具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面以及具有第一宽度的孔洞；以及
第二工件，所述第二工件具有接触所述第二表面的第三表面，所述第二工件通过支柱接合到所述第一工件，所述支柱从所述第三表面延伸穿过所述第二表面上的所述孔洞并且延伸出所述第一表面上的所述孔洞，并且所述支柱包括在所述孔洞之外的具有大于所述第一宽度的第二宽度的头部，由此将所述支柱并且因此将所述第二工件紧固到所述第一工件，
其中所述系统由以下步骤形成：
将所述第一工件定位成与所述第二工件相邻，其中在所述短柱延伸穿过所述孔洞的情况下所述第二表面接触所述第三表面；
将冲压装置与所述短柱的中心线成轴向定位，所述冲压装置包括(i)第一电极，所述第一电极被布置和配置成接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的第一表面；(i)第二电极，所述第二电极与所述第一电极电气地隔离并且被配置和布置成接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的第一表面，以及(iii)可移动地定位在所述第一电极与所述第二电极之间的冲头；
使用所述第一电极和所述第二电极施加能量以通过加热所述第一工件软化所述短柱的材料；以及
使用所述冲压装置按压所述短柱的所述软化材料，从而产生形成将所述第一工件与所述第二工件连接的接头的支柱。
15. 如方案13所述的系统，其中所述第一电极和所述第二电极在它们之间形成具有大于所述第一宽度的第二宽度的通道。
16. 如方案13所述的系统，其中所述冲头包括具有大于所述第一宽度的第三宽度的探针尖。
17. 如方案13所述的系统，其中所述冲头包括具有第一预定几何结构的腔体的探针尖，从而在所述支柱中形成对应于所述第一预定几何结构的凸形头部。
18. 如方案14所述的系统，其进一步包括绝缘体，所述绝缘体定位在所述第一电极与所述第二电极之间以将所述第一电极与所述第二电极电气地隔离。
19. 如方案13所述的系统，其中所述第一工件包括至少部分地围绕所述孔洞的浮雕图案，所述浮雕图案具有在所述第一表面上的突起和在所述第二表面上的凹陷，所述突起被配置成增强所述第一表面与所述短柱的软化材料之间的互锁并且所述凹陷被配置成增强所述第二表面与所述第三表面之间的互锁。
20. 如方案13所述的系统，其进一步包括将衬垫定位在所述第一表面与探针尖的边缘之间以接触所述第一表面。
本发明技术的其他方面将在下文部分地显现并且部分地指出。
附图说明
图1示出用于使用冲头组件将第一工件与第二工件接合来制造热熔接头的示例性接合系统的分解透视图。
图2示出处于初始位置和展开位置中的图1的冲头组件的顶视图和对应的透视图。
图3示出使用图1的接合系统的一部分的热熔过程的横截面图。
具体实施方式
根据需要，本文披露本公开的详细实施例。所披露的实施例仅是可以各种和替代形式以及其组合实施的实例。如本文所使用，“例如”、“示例性”、“说明性”和类似术语扩展地指代用作说明、样本、模型或模式的实施例。
图不必按比例并且可以夸大或最小化一些特征，诸如以展示特定部件的细节。在一些实例中，未详细描述熟知的部件、系统、材料或方法以避免模糊本公开。因此，本文披露的特定结构和功能细节不解释为限制性的，而仅作为用于权利要求的基础和作为用于教示本领域技术人员不同地使用本公开的代表性基础。
I. 技术的概述——图1和2
图1示出包括第一工件110和第二工件120的接合系统100。第一工件110包括第一表面112和与第一表面相对的第二表面114。类似地，第二工件120包括第一表面122和与第一表面相对的第二表面124。第一工件110的第二表面114与第二工件120的第一表面122由于接合而彼此接触。
在一些实施例中，第一工件110包括空洞、中空部或孔洞115。虽然术语孔在本文主要为了简单而使用，但是该术语并不意欲限制技术范围，因为可以使用如以上所提及的其他术语来替代该术语。
孔洞115在第一工件110的第一表面112中的第一开口与第一工件110的第二表面114中的第二开口之间延伸。至少在第一工件具有恒定厚度的实施例中，孔洞115具有与第一工件110的厚度116相等的深度。
孔洞115被配置和定位在第一工件110上，并且短柱125被配置和定位在第二工件120上，从而使得短柱125可以由孔洞115接收。孔洞115应被确定大小和成形以使得短柱125可以被接收到孔洞115中。在一个实施例中，孔洞115和短柱125可以被确定大小和成形以在短柱125与孔洞115的壁之间产生干涉或滑动配合。
虽然在不脱离本发明技术的范围的情况下，孔洞115可以具有多种形状中的任一种，但是在一个实施例中，孔洞115具有如图中所示的大体上圆形形状。在一个实施例中，孔洞115具有大体上椭圆形形状。在各个实施例中，孔洞115具有另一种形状，诸如正方形或其他矩形或另一种多边形。
在一些实施例中，第一工件110额外地包括大致靠近孔洞115的浮雕118。浮雕118可以被应用到或添加到、成形于或者以其他方式提供在第一工件110的第一表面112和/或第二表面114处（图1和3中示出）。
浮雕118可以形成一种图案，该图案可以包括第一工件110的第一表面112内的突起和/或第一工件110的第二表面114上的对应于第一工件110的第一表面112上的突起的凹穴（或凹陷）。浮雕118可以包括可以作为第一工件110的表面上的设计雕刻、模制或冲压的预定图案形成的多种形状、尺寸和图案中的任一种。
突起和/或凹穴可以增强在接合期间和之后的工件110、120的互锁。具体来说，例如当形成最终支柱127的头部129的成型时（图3中最佳示出），第一工件110的第一表面112上的突起增强第一工件110与短柱125的软化材料之间的互锁。此外，凹陷通过在第一工件110的第二表面114内形成空洞来增强第一工件110的第二表面114与第二工件120的第一表面122之间的互锁，所述空洞在热熔期间至少部分地由第二工件120的材料填充（图3中示出）。
在一些实施例中，第二工件120包括配置成插入到第一工件110的孔洞115中的短柱125。短柱125的配置可以取决于多个设计因素中的任一个，诸如(i)与其中需要第一工件110到第二工件120的基本对准和/或轻紧固的情况相对，工件110、120之间是否需要相对高的保持力，和/或(ii)是否存在相关设计限制，诸如由于零件间隔约束。
短柱125可以具有多种形状和几何结构中的任一种，包括大体上或完全固体、部分地或大体上中空或者其他。例如，短柱125可以包括典型地围绕短柱125的纵向中心轴线的中空部分，以避免在接合之后或者在需要热熔接头的拆卸/重新组装的情况下第二工件120的第二表面124上的凹印。
在接合之前，短柱125具有对于特定应用（例如，干涉配合）确定大小的短柱高度126和短柱直径128。短柱高度126大于第一工件110的厚度116，从而使得当将第一工件110插入到短柱125上时，短柱125的一部分保持暴露。此外，短柱高度126可以直接对应于短柱直径128。例如，短柱高度126可以是短柱直径128的测量值的约1.5至5倍。
在一个实施例中，短柱125可以是模制材料，其可以被直接模制到第二工件120的第一表面122上。在另一个实施例中，短柱125可以是在制造过程中附加到第二工件120的第一表面122上的单独材料。替代地，可以在接合期间将单独材料引入到孔洞115中。
短柱125可以被配置成使得其在与材料相关的预定玻璃态转化温度下软化。例如，热塑性材料在通过接合系统100组装时具有约在-125℃与300℃之间的工作温度窗。接合系统100可能要求短柱125内的材料温度足够高以软化材料，但是并不会高到熔融材料。
第一工件110与第二工件120在材料结构上可以是类似的。例如，第一工件110和第二工件120可以都由聚合物复合材料构成。相反，第一工件110可以具有与第二工件120不同的材料。例如，第一工件110可以是复合材料，而第二工件120可以是铝合金。
在一些实施例中，工件110、120中的至少一个是聚合物，诸如聚碳酸酯、聚烯烃（例如，聚乙烯和聚丙烯）、聚酰胺（例如，尼龙）、聚丙烯酸酯或者丙烯腈-丁二烯-苯乙烯。
在一些实施例中，工件110、120中的至少一个包括复合材料，诸如增强的热塑性塑料。塑料可以包括以上列出的示例性聚合物中的任一种，并且增强物可以包括黏土、玻璃、颗粒形式的聚合物、纤维（短或长）、薄片和金属须以及其他材料中的任一种或多种。
工件110、120中的至少一个可以包括合成或无机分子。虽然越来越多地使用所谓的生物聚合物（或绿色聚合物），但是基于石油的聚合物仍然更为常见。工件110、120中的一个或两个的材料还可以包括循环使用的材料，诸如聚对苯二甲酸丁二酯（PBT）聚合物，其为用后的聚对苯二甲酸乙二酯的约百分之八十五。在一个实施例中，工件110、120中的一个或两个包括某种塑料。在一个实施例中，材料包括热塑性塑料。
在一个实施例中，工件110、120中的一个或两个包括复合物。例如，在一个实施例中，工件110、120中的一个或两个包括纤维增强的聚合物（FRP）复合物，诸如碳纤维增强的聚合物（CFRP）或玻璃纤维增强的聚合物（GFRP）。复合物可以是例如纤维玻璃复合物。在一个实施例中，FRP复合物是混合的塑料-金属复合物（例如，含有金属增强纤维的塑料复合物）。在一些实施中，材料包括聚酰胺级聚合物，其通常可以称为聚酰胺。在一个实施例中，工件110、120中的一个或两个的材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）。在一个实施例中，工件110、120中的一个或两个的材料包括聚碳酸酯（PC）。工件110、120中的一个或两个的材料还可以包括一种树脂。示例性树脂包括玻璃纤维增强聚丙烯（PP）树脂、PC/PBT树脂以及PC/ABS树脂。
短柱125的材料被软化和再成型并且使用冲头组件130接合。图2示出处于初始位置210和展开位置220中的冲头组件130的顶视图和对应的透视图。
冲头组件130包括由绝缘体160分开而不接触的第一电极140和第二电极150。冲头170也包括在冲头组件130中。冲头组件130可以使用任何数量的附接手段（诸如工业粘合剂、焊接和机械接合以及其他手段）来附接电极140、150、绝缘体160和冲头170。
电极140、150使用焦耳热加热来对第一工件110施加单侧电阻热量，替代如常规热熔中将热量直接施加到短柱125。在一些实施例中，可以对工件110、120施加双侧电阻加热。在双侧电阻中，一个或多个电极对第一工件110的第一表面112和第二工件120的第二表面124施加加热。
在单侧电阻中，电流在电极140、150之间流动，从而在电极140、150内提供传导。具体来说，电流从第一电极140流过第一工件110并且到达第二电极150。电极140、150允许电流流过第一工件110，从而导致第一工件110的材料的加热。第一工件110的加热又软化短柱125的材料的一部分，这允许形成最终支柱127。
在第一工件110上存在浮雕118的情况下，将电极140、150定位在位于第一工件110的第一表面112上的突起之外，从而允许电流流过第一工件110。
电极140、150可以被成形和确定大小以适合应用。例如，电极140、150可以被成形为平板并直线地布置（例如，堆叠或并排）。替代地，电极140、150可以以圆柱形成形并且同心地布置，从而允许第一电极140接收到形成在第二电极150内的腔体中。
定向热量传递到第一工件110的材料，通过传导加热软化短柱125的材料。短柱125的材料的传导加热促进该材料的软化，材料随后可以被再成型以产生接合工件110、120的最终支柱127。
电极140、150可以由诸如铁、镍和锌以及其他金属的组合基金属制成。替代地或额外地，电极140、150可以包括材料抗腐蚀或抗氧化材料，诸如但不限于铜、银和金。
绝缘体160被配置成将第一电极140与第二电极150电气地隔离，而不允许电流通过绝缘体160本身。绝缘体160被配置成围绕冲头组件130的一部分（例如，图2中示出并且以下描述的探针尖）以防止电流穿过冲头组件130的一部分（例如，图2中示出并且以下描述的轴）和操作机构（例如，机器人）。
绝缘体160可以包括不足够地导电的任何数量的材料。例如，绝缘体160可以包括诸如玻璃、陶瓷（例如，烧结氧化铝）、瓷器、橡胶、塑料的材料以及可以在热熔期间承受冲头组件130和工件110、120的材料的温度增加的其他材料。
冲头170包括轴172，该轴包括探针尖174，轴和探针尖被固定在一起并且定位在电极140、150与绝缘体160之间。冲头170产生最终支柱127，在一些实施例中该支柱可以包括头部129（图3中示出）。
轴172提供在冲压期间控制探针尖174移动和方向的装置。在一些实施例中，轴172是由操作者在冲压期间使用的手持设备。在这些实施例中，轴172可以包括诸如把手或其他特征的物件以便于操作。在一些实施例中，轴172是插入到在冲压期间执行轴172的移动的机器人或其他操作设备中的设备。
探针尖174包括产生最终支柱127的几何结构的造型。例如，图1和2中所示的探针尖174包括圆顶几何结构。在一些实施例中，冲头170被设计成使得在工具安装更换期间，冲头170可以被方便地用适用于所需应用的任何探针尖174替代。例如，可以在无需换出整个冲头组件130的额外时间的情况下，将圆顶头部探针尖快速地交换成玫瑰形头部探针尖。
在一些实施例中，可以在按压期间加热探针尖174。在加热探针尖174的情况下，额外的热能被传递到短柱125的材料从而帮助再成型。在第一工件110的加热可能导致材料或孔的畸形的情况下，可能需要额外的热能。例如，在短柱125的玻璃态转化温度高于第一工件110的玻璃态转化温度的情况下，可能需要加热探针尖174。
在预期实施例（未详细示出）中，短柱125的材料通过来自探针尖174的能量加热，诸如超声波能量和激光能量以及其他能量。在短柱125通过与探针尖174接触而被软化的情况下，可能不需要电极140、150。替代地，来自探针尖174的能量（例如，用作焊接角）产生足以软化短柱125的材料的能量。冲头170随后形成短柱125的软化的材料，从而形成最终支柱127。
最终支柱127的头部129可以被确定大小和成形以用于特定应用。例如，探针尖174可以被配置成产生诸如圆顶头部、中空支柱和平头支柱、玫瑰形头部以及其他的几何结构。头部129的形状可以包括关于第一工件110的第一表面112的高轮廓或低轮廓。
在初始位置210中，探针尖174被定位成大约与电极140、150的顶部齐平。在此位置中，探针尖174尚未被按压以接触短柱125。
在展开位置220中，冲头170被按压以再成型短柱125的材料，从而产生最终支柱127。探针尖174沿由电极140、150和绝缘体160形成的腔体移动。
在一些实施例中，在第一工件110和第二工件120由类似的非传导材料构成时，存在衬垫180以便在热熔期间提供传导性。例如，当工件110、120都是聚合物复合材料时，可以存在衬垫180以提供传导性。衬垫180被定位在第一工件110的第一表面112上（如图1和3中所示）。
衬垫180由传导材料（例如，金属或金属复合物）构成。在含有孔115的工件（例如，第一工件110）由传导材料构成的情况下，热熔可以在没有衬垫180的情况下发生。例如，在第一工件110是合金（例如，铝合金）并且第二工件120是热塑性塑料（例如，碳纤维增强/尼龙复合物）的情况下，最终支柱127的形成可以在不存在衬垫180的情况下发生，因为第二工件120的合金材料用作类似于衬垫180的传导功能。
在不存在衬垫180的情况下，用于第二工件120的软化温度不超出第一工件110的熔融温度。在以上实例中，在第一工件110是合金而第二工件120是热塑性塑料的情况下，第一工件110的合金材料具有比第二工件120的热塑性塑料的熔融温度高的熔融温度。
II. 接合方法——图3
图3示出使用用于热熔的冲头组件130接合第一工件110与第二工件120。因为局部加热对周围部件几乎不造成损害，所有热熔是有益的。
尽管本文的主要实例描述第一工件110与第二工件120的接合，但是此技术也可以用来接合三个或更多个工件。每个额外的工件包括允许接收短柱125的孔洞115。每个额外的工件可以包括第一工件110的类似特性（例如，材料成分）和特征（例如，浮雕）。在接合额外的工件的情况下，短柱125的高度126被延长从而使得短柱125的一部分从第一工件110的第一表面突出，以允许与冲头组件130接触从而形成最终支柱127。
在步骤310，定位第一工件110的孔洞115以接收第二工件120的短柱125。第二工件120的短柱125突出穿过第一工件110中的孔洞115以锁定就位。工件110、120被定位以通过施加到工件110、120的夹持力来接合。可以设计诸如弹簧定位销以及其他的部件来将冲头组件130按压到第一工件110的第一表面112，并且确保工件110、120之间的适当接触。
如以上所描述，在第一工件110和第二工件120都由非传导材料构成的情况下，可以存在衬垫180以便在热熔期间提供传导性。然而，在含有孔洞115的工件（例如，第一工件110）含有传导材料的情况下，热熔可以在不存在衬垫180的情况下发生，因为工件的材料用作类似于衬垫180的传导功能。
在步骤320，将能量施加到第一工件110的第一表面112。在一些实施例中，使用以上描述的电极140、150来将能量（例如，电流）施加到第一工件110。能量传递区域325（示出为由一组虚线限定的区域）最初形成电极140、150与第一工件110的第一表面112接触的位置。在电极140、150继续操作时，能量传递区域325朝向短柱125扩展。换句话说，短柱125的间接加热借助于第一工件110的材料与短柱125的材料之间的传导能量传递来发生。间接加热软化短柱125的材料，从而最终允许在冲压期间形成最终支柱127。
在一些实施例中，作为第一工件110的第一表面112的添加或替代，将能量施加到冲头170。在电极140、150增加冲头170的温度时，直接加热软化短柱125内的材料，从而最终允许在冲压期间形成最终支柱127。替代或补充实施例可以与热空气（热空气铆接）、加热工具（热铆接）、超声波（超声铆接）或红外光（使用辐射作为热传递模式）一起使用以加热冲头170。
在步骤330，最终支柱127的形成通过施加在冲头组件130上的按压力（示出为箭头）开始。冲头组件130被按压到短柱125上持续预定保持时间以形成最终支柱127。短柱125的材料在连续压力下的逐渐软化形成包括头部129的最终支柱127。具体来说，探针尖174接触短柱125的材料，这软化并填充形成在探针尖174内的腔体（例如，如图所示的圆顶腔体）。
在形成期间，能量传递区域325扩展以包括第一工件110的额外材料。随着能量传递区域325的扩展（示出为阴影线），在孔洞115与短柱125的界面处形成高温区域335。高温区域335对短柱125的材料提供间接加热，这在通过冲头170的按压期间帮助最终支柱127的形成。
支柱的形成可以是低冲击的（例如，15至25磅的力），其中短柱125通过直接加热或间接加热被均匀地加热，并且施加小的力。在低冲击形成期间，最终支柱127的形成所需的力的量与短柱125的材料和直径128直接有关。此外，低冲击形成对于防止对热熔影响的区域附近的部件的损害可能是有益的。
在一些实施例中，冲头170由电极140、150加热并且与穿过孔洞115突出到第一工件110的第一表面112之外的短柱125的材料按压在一起。在加热循环结束时，关闭电极140、150，并且启动冲头170，这在短柱125的软化材料上方形成。
在一些实施例中，预定保持时间包括冲头170的冷却。冷却在短柱125的材料由冲头170直接加热的情况下可以是有用的。在这些实施例中，可以将冲头170保持在短柱125的软化材料上直到材料形成最终支柱127。替代地或组合地，冲头170可以被冷却（例如，冷却的空气）直到材料形成最终支柱127。
另外，在形成期间，浮雕118可以产生额外的互锁。在冲头组件130产生加热和按压力时，第一工件110的第一表面112上的与冲头组件130接触的浮雕118开始变形、变平和/或与短柱125的变成头部125的材料接合。第一工件110的第二表面上的与第二工件120接触的浮雕118开始变形、变平和/或填充有来自第二工件120的材料，从而增强工件110、120之间的互锁。
在步骤340，在预定保持时间结束之后，冲头组件130手动地或自动地缩回。在被接合时，短柱125形成最终支柱127，该最终支柱在一些实施例中包括头部129。
III. 本发明技术的选定特征
本文以上描述本发明技术的许多特征。本部分以概述呈现本发明技术的一些选定特征。本部分仅突出许多技术特征中的一些并且以下段落并不意欲是限制性的。
本发明技术的一个益处是使用冲头组件的单侧或双侧加热来接合工件。冲头组件包括两个或更多个电极，所述电极在冲头被按压到短柱材料中的预定时间周期被切换到导电状态。
本发明技术的另一个益处是使用短柱的间接加热来形成支柱的接合系统。通过经由工件材料的间接加热进行的短柱材料的传导加热形成热支柱。到第一工件的材料的定向热量传递，通过传导加热软化短柱的材料，从而最小化对短柱的热传递。短柱材料的传导加热促进该材料的软化，该材料随后可以被再成型以产生接合工件的最终支柱。
本发明技术的另一个益处是配置成形成不同的支柱几何结构的冲头组件。冲头组件内的冲头被设计成使得在工具安装更换期间，可以用适用于所需应用的不同探针尖替换冲头。
IV. 结论
本文披露本公开的各个实施例。所披露的实施例仅是可以各种和替代形式以及其组合实施的实例。
在不脱离权利要求的范围的情况下，可以对上述实施例进行变化、修改和组合。所有这些变化、修改和组合在本文中由此公开的范围和以下权利要求包括在内。

Claims (20)

1.一种用于将第一工件接合到第二工件接合的装置，所述第一工件具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面以及具有第一宽度的孔洞，所述第二工件具有第三表面，所述装置包括：
第一电极，所述第一电极被配置在所述装置中以在操作中接触与所述孔洞相邻并且与从所述第三表面延伸的短柱相邻的第一表面，并且利用所述第一电极通过加热所述第一工件来软化所述短柱的材料；
第二电极，所述第二电极与所述第一电极电气地隔离并且被配置在所述装置中以在操作中接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的第一表面，并且利用所述第二电极通过加热所述第一工件来软化所述短柱的材料，所述第一电极和所述第二电极在它们之间形成具有大于所述第一宽度的第二宽度的通道；以及
冲头，所述冲头被配置在所述装置中以用于可移动地定位在所述通道中，以对所述短柱的软化材料选择性地施加力，以迫使所述短柱的材料进入形成在第一宽度之外的所述通道中的空间内，从而产生将所述第二工件接合到所述第一工件的支柱。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述冲头包括具有大于所述第一宽度的第三宽度的探针尖。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述探针尖包括第一预定几何结构的腔体，以在所述支柱中形成对应于所述腔体的第一预定几何结构的凸形头部。
4.如权利要求1所述的装置，其进一步包括绝缘体，所述绝缘体定位在所述第一电极与所述第二电极之间以将所述第一电极与所述第二电极电气地隔离。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述第一工件包括至少部分地围绕所述孔洞的浮雕图案，所述浮雕图案具有在所述第一表面上的突起和在所述第二表面上的凹陷，所述突起被配置成增强所述第一表面与所述短柱的软化材料之间的互锁并且所述凹陷被配置成增强所述第二表面与所述第三表面之间的互锁。
6.如权利要求1所述的装置，其进一步包括衬垫，所述衬垫定位在所述第一表面与探针尖的边缘之间以在所述装置的操作期间接触所述第一表面。
7.一种用于将第一工件接合到第二工件接合的方法，所述第一工件具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面以及具有第一宽度的孔洞，所述第二工件具有第三表面和从所述第三表面延伸的短柱，所述方法包括：
将所述第一工件定位成与所述第二工件相邻，其中在所述短柱延伸穿过所述孔洞的情况下所述第二表面接触所述第三表面；
将冲压装置与所述短柱的中心线成轴向定位，所述冲压装置包括(i)第一电极，所述第一电极被配置成接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的第一表面；(ii)第二电极，所述第二电极与所述第一电极电气地隔离并且被配置成接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的所述第一表面，以及(iii)可移动地定位在所述第一电极与所述第二电极之间的冲头；
使用所述第一电极和所述第二电极施加能量以通过加热所述第一工件软化所述短柱的材料；以及
使用所述冲压装置按压所述短柱的软化材料，从而产生形成将所述第一工件与所述第二工件连接的接头的支柱。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述第一电极和所述第二电极在它们之间形成具有大于所述第一宽度的第二宽度的通道。
9.如权利要求7所述的方法，其中所述冲头包括具有大于所述第一宽度的第三宽度的探针尖。
10.如权利要求7所述的方法，其中所述冲头包括具有第一预定几何结构的腔体的探针尖，从而在所述支柱中形成对应于所述第一预定几何结构的凸形头部。
11.如权利要求7所述的方法，其进一步包括绝缘体，所述绝缘体定位在所述第一电极与所述第二电极之间以将所述第一电极与所述第二电极电气地隔离。
12.如权利要求7所述的方法，其中所述第一工件包括至少部分地围绕所述孔洞的浮雕图案，所述浮雕图案具有在所述第一表面上的突起和在所述第二表面上的凹陷，所述突起被配置成增强所述第一表面与所述短柱的软化材料之间的互锁并且所述凹陷被配置成增强所述第二表面与所述第三表面之间的互锁。
13.如权利要求7所述的方法，其进一步包括将衬垫定位在所述第一表面与探针尖的边缘之间以接触所述第一表面。
14.一种热熔接合的系统，包括：
第一工件，所述第一工件具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面以及具有第一宽度的孔洞；以及
第二工件，所述第二工件具有接触所述第二表面的第三表面和从所述第三表面延伸的短柱，所述第二工件通过支柱接合到所述第一工件，所述支柱从所述第三表面延伸穿过所述第二表面上的所述孔洞并且延伸出所述第一表面上的所述孔洞，并且所述支柱包括在所述孔洞之外的具有大于所述第一宽度的第二宽度的头部，由此将所述支柱并且因此将所述第二工件紧固到所述第一工件，
其中所述系统由以下步骤形成：
将所述第一工件定位成与所述第二工件相邻，其中在所述短柱延伸穿过所述孔洞的情况下所述第二表面接触所述第三表面；
将冲压装置与所述短柱的中心线成轴向定位，所述冲压装置包括(i)第一电极，所述第一电极被配置成接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的第一表面；(ii)第二电极，所述第二电极与所述第一电极电气地隔离并且被配置成接触与所述孔洞相邻并且与所述短柱相邻的第一表面，以及(iii)可移动地定位在所述第一电极与所述第二电极之间的冲头；
使用所述第一电极和所述第二电极施加能量以通过加热所述第一工件软化所述短柱的材料；以及
使用所述冲压装置按压所述短柱的软化材料，从而产生形成将所述第一工件与所述第二工件连接的接头的支柱。
15.如权利要求14所述的热熔接合的系统，其中所述第一电极和所述第二电极在它们之间形成具有大于所述第一宽度的第二宽度的通道。
16.如权利要求14所述的热熔接合的系统，其中所述冲头包括具有大于所述第一宽度的第三宽度的探针尖。
17.如权利要求14所述的热熔接合的系统，其中所述冲头包括具有第一预定几何结构的腔体的探针尖，从而在所述支柱中形成对应于所述第一预定几何结构的凸形头部。
18.如权利要求14所述的热熔接合的系统，其进一步包括绝缘体，所述绝缘体定位在所述第一电极与所述第二电极之间以将所述第一电极与所述第二电极电气地隔离。
19.如权利要求14所述的热熔接合的系统，其中所述第一工件包括至少部分地围绕所述孔洞的浮雕图案，所述浮雕图案具有在所述第一表面上的突起和在所述第二表面上的凹陷，所述突起被配置成增强所述第一表面与所述短柱的软化材料之间的互锁并且所述凹陷被配置成增强所述第二表面与所述第三表面之间的互锁。
20.如权利要求14所述的热熔接合的系统，其进一步包括将衬垫定位在所述第一表面与探针尖的边缘之间以接触所述第一表面。
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