CN108160898A - 混合工件接合 - Google Patents

Abstract

一种用于接合多个工件的方法包括提供旋转驱动工具。紧固件固定到驱动工具上。然后可旋转地驱动驱动工具，使得紧固件的远端抵靠多个工件的表面旋转。然后，由于紧固件抵靠多个工件的表面的旋转摩擦而在多个工件上产生加热的材料区域。紧固件的远端可旋转地并且轴向地驱动穿过加热的材料区域。最后，从紧固件上移除驱动工具，使得当加热的材料区域冷却后，加热的材料区域的一部分熔合到紧固件。

Description

混合工件接合

技术领域

本发明涉及一种包括紧固件的工件组件及其接合方法。

背景技术

本部分的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

可以通过各种方法来实现黑色金属和有色金属材料的接合。在用于接合重叠构件的一个示例中，紧固件可以在压力驱动下压入到构件中。模具或心轴可以破坏紧固件的终端，以便在构件和紧固件之间产生机械干涉。在另一个用于接合重叠构件的示例中，超声波焊接装置可以使用高频超声波振动在工件的界面处产生热量。被加热的工件可以充分熔融以在界面处形成接头。

发明内容

一种用于接合多个工件的方法包括提供旋转驱动工具。紧固件固定到驱动工具上。然后可旋转地驱动驱动工具，使得紧固件的远端抵靠多个工件的表面旋转。然后，由于紧固件抵靠多个工件的表面的旋转摩擦而在多个工件上产生加热的材料区域。紧固件的远端可旋转地并且轴向地驱动穿过加热的材料区域。最后，从紧固件上移除驱动工具，使得当加热的材料区域冷却后，加热的材料区域的一部分熔合到紧固件。

混合接合系统包括旋转驱动工具，驱动工具在紧固件的近端处容纳紧固件，并且模具与驱动工具同轴对齐。紧固件由驱动工具可旋转地驱动，使得紧固件的远端抵靠材料组件的表面旋转。此外，由紧固件抵靠材料组件旋转引起的摩擦在材料组件上产生加热的材料区域。旋转驱动工具可旋转地并且轴向地驱动紧固件的远端穿过加热的材料区域并进入模具。此外，加热的材料区域的至少一部分被模具变形。

混合接合系统包括具有杆部和心轴头部的旋转驱动工具以及具有中空柄的紧固件。驱动工具的杆部延伸穿过紧固件的中空柄，并且心轴头部布置在其远端。紧固件由驱动工具可旋转地驱动，使得紧固件的远端抵靠材料组件的表面旋转。此外，由紧固件抵靠材料组件旋转引起的摩擦在材料组件上产生加热的材料区域。旋转驱动工具可旋转地并且轴向地驱动紧固件的远端穿过加热的材料区域。此外，加热的材料区域的至少一部分被心轴头部变形。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。应该理解的是，描述和具体示例仅用于说明的目的，而不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开的用于混合接合过程的示例性混合接合机的示意图；

图2是根据本公开的用于混合接合过程的摩擦搅拌工具和紧固件的透视图；

图3和图4是图1的示例性混合接合机在接合过程中的示意图；

图5是根据本公开的使用混合接合过程的混合接合机所形成的接头的示意图；

图6是根据本公开的用于混合接合过程的另一示例性混合接合机的示意图；

图7、图8和图9是图6的示例性混合接合机在接合过程中的示意图；并且

图10是根据本公开的使用混合接合过程的混合接合机所形成的接头的示意图。

具体实施方式

以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。应该理解的是，在整个附图中，相应的附图标记表示相同或相应的零件和特征。此外，除非另有说明，诸如“顶部”、“侧面”、“背面”、“下部”和“上部”的方向是用于解释的目的，并不旨在要求特定的取向。这些方向只是提供作为相对提供的示例进行参考的框架，而且可以在其他应用中进行改变。

本公开描述了通过摩擦搅拌铆接和材料熔化的组合来接合工件(诸如聚合物复合材料)的混合技术。参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，每个示例性的混合接合机包括摩擦搅拌工具12和下模具14。本发明的混合接合机可以与各种类型的点焊装置(例如，C枪型、X枪型、弹簧型)一起使用。混合接合机器可以用于将第一工件16和第二工件18与紧固件20接合在一起。在图1中所示的一个示例性实施例中，紧固件20可以是具有头部22和大致圆柱形的柄24的铆钉。紧固件20配置为当经受旋转驱动力时机械地紧固第一工件16和第二工件18，诸如可以通过作用在紧固件20上的摩擦搅拌工具12来实现。紧固件20的高速旋转在工件16、18处产生热量，使得紧固件20的柄24在摩擦搅拌工具12的力的作用下穿透工件16、18。此外，柄24配置为在不需要工件16、18中用于紧固件20的引导孔的情况下变形以形成机械接头。本文公开的混合接合工艺在减轻重量的同时提供了工艺的鲁棒性。与常规方法相比，成型的接头增加了抗剪和抗剥强度。

将参照图1的混合接合机10描述接合工件16、18的方法。具体地，第一工件16和第二工件18布置在下模具14上，使得第二、下工件18直接放置在下模具14上，并且第一、上工件16放置在下工件18上。摩擦搅拌工具12牢固地保持在动力摩擦搅拌机(未示出)中并且适于将紧固件20的柄24抵靠工件16、18的一个或多个表面定位。紧固件20的头部22包括用于与摩擦搅拌工具12的驱动特征28(参见图2)配合的从动特征26。摩擦搅拌工具12定位成使得工具的旋转轴线大致垂直对准工件16、18上的点焊位置的姿态。摩擦搅拌机适于以旋转箭头30所示的高速旋转(例如，以1600RPM的旋转速度)旋转摩擦搅拌工具12。摩擦搅拌机推进工具12，并且驱动特征28驱动紧固件20的头部22上的从动特征26。

现在参考图3，搅拌机继续推进工具12，使得紧固件20的旋转柄24摩擦地结合工件16并在其表面处产生热量。工具12可以用诸如方向箭头32所示的力(例如，大约900N)将紧固件20压入工件16、18中。应该注意的是，也可以使用其他的驱动机构来将紧固件20驱动到工件16、18中(例如，电动或液压动力的螺杆组件、致动器)。旋转柄24与相应工件16、18的固定材料之间的摩擦接触产生强烈的局部加热作用，使得结合材料在局部加热的材料区域34被塑化。塑化的材料允许紧固件20的柄24容易地穿透工件16、18，但是也允许工件16、18的材料熔合到柄24。当紧固件20的柄24完全延伸穿过工件16、18时，工具12继续旋转紧固件20并产生热量。同时，工具12将紧固件20压入下模具14中。值得注意地，紧固件20周围的局部加热的材料区域34允许进行增强的铆接，因为在该材料区域中的局部应力和摩擦减小。此外，模具14的表面具有低表面能，所以熔融的材料不会粘附在其上。相反地，可以使用脱模剂来使零件更易脱模。

现在参考图4，紧固件20继续被压入下模具14中。在短暂的这种摩擦搅拌(即，旋转以产生热量)之后，工具12的旋转停止，但是工具12继续在短时间内以压力保持紧固件20，使得铆钉在所有接触区域形成到基板上并最终确定其形状。塑化或搅拌的材料硬化形成点焊。换言之，当局部加热的材料区域34冷却后，在工件16、18与紧固件20之间的界面处形成熔化区域36。以这种方式，熔化区域36作为机械接头的补充。熔化区域36有助于增强机械界面的强度。

如果工件16、18都是具有相似熔融温度的热塑性复合材料，则可以最方便地获得熔化区域36。然而，工件16、18可以是替代的材料，包括彼此不同的材料，只要它们是可焊接的。熔化区域36应被认为代表可能由该过程产生的大范围的熔化区域。取决于工具12的旋转的持续时间和幅度，熔化区域36的范围可以变化。然而，为了加强界面并且方便紧固件20的插入，至少应当在柄24的圆周周围至少形成最小局部加热的材料区域34。

下工件18的底表面也可以如本文所述受到下模具14的力，使得也可以修改下工件18的一部分表面来匹配下模具14。下工件18上的互补形状可以进一步帮助工件16、18的机械互锁。

现在参考图5，工具12和下模具14从铆接的工件16、18上缩回。工具12然后推进到材料上的下一个摩擦搅拌点焊位置。本公开的点焊提供了利用工件16、18之间的材料熔化来增加强度的铆接的机械固定，其能够经受分层和微破裂。

现在参考图6到图9，另一示例性混合接合机100通过摩擦搅拌盲铆接和材料熔化的组合来引入用于聚合物复合材料的混合接合技术。参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，第一工件116和第二工件118布置为使得第一、上工件116放置在下工件118上(参见图6)。摩擦搅拌工具112牢固地保持在动力摩擦搅拌机(未示出)中并且适于将紧固件120抵靠工件116、118的一个或多个表面定位。需要注意的是，本实施例的驱动机构特别适用于盲铆接，诸如与封闭工件118一起使用。

特别地，盲铆钉组件包括紧固件120和具有心轴142的工具140。紧固件120包括头部122和整体形成的中空圆柱形柄124。心轴142延伸穿过紧固件120的中空柄124并且在其远端处具有扩大的心轴头部144。可以看出，心轴142具有比紧固件120的长度更长的长度，使得心轴142在头部122上方很好地延伸。心轴头部144大于紧固件120的中空柄124的内径，使得紧固件120可以牢固地保持在心轴142上。如将在下文中讨论的，心轴142具有弱点，特别是限定心轴142中的断裂区域的断裂切口146。

摩擦搅拌工具112定位成使得工具的旋转轴线大致垂直对准工件116、118上的点焊位置的姿态。摩擦搅拌机适于以旋转箭头130所示的高速旋转(例如，以1600RPM的旋转速度)旋转摩擦搅拌工具112。摩擦搅拌机在旋转紧固件120的同时推进工具112。

现在参考图7，搅拌机继续推进工具112，使得紧固件120的旋转柄124摩擦地结合工件116并在其表面处产生热量。工具112可以用诸如方向箭头132所示的力将紧固件120压入工件116、118中。应该注意的是，也可以使用其他的驱动机构来将紧固件120驱动到工件116、118中(例如，电动或液压动力的螺杆组件、致动器)。旋转柄124与相应工件116、118的固定材料之间的摩擦接触产生强烈的局部加热作用，使得结合材料在局部加热的材料区域134被塑化。值得注意地，紧固件120周围的局部加热的材料区域134允许进行增强的铆接，因为在该材料区域中的局部应力和摩擦减小。塑化的材料允许紧固件120的柄124容易地穿透工件116、118，但是也允许工件116、118的材料熔合到柄124。

现在参考图8，当紧固件120的柄124完全延伸穿过工件116、118时，工具112继续旋转紧固件120并产生热量。同时，工具112开始向上强制拉动心轴142(例如，通过方向箭头148示出)，使得心轴头部144接触柄124的远端。以这种方式，心轴头部144工作来轴向地收缩并径向地扩张柄124，以形成与下工件118接合的扩张头部150。因此，上工件116和下工件118紧密地抓持在柄124的头部122和扩张头部150之间，从而将上工件116和下工件118紧固在一起。应该理解，可以在移除心轴142之前停止工具112的旋转；然而，材料仍应该热到足以形成接头。

现在参考图9，在工具112的旋转停止之后，心轴142将向上移动到预定位置并保持短暂的时间，使得铆钉在所有接触区域形成到基板上并最终确定其形状。塑化或搅拌的材料硬化形成点焊。换言之，当局部加热的材料区域134冷却后，在工件116、118与紧固件120之间的界面处形成熔化区域136。以这种方式，熔化区域136作为机械接头的补充。熔化区域136有助于增强机械界面的强度。如果工件116、118都是具有相似熔融温度的热塑性复合材料，则可以最方便地获得熔化区域136。然而，工件116、118可以是替代的材料，包括彼此不同的材料，只要它们是可焊接的。熔化区域136应被认为代表可能由该过程产生的大范围的熔化区域。取决于工具112的旋转的持续时间和幅度，熔化区域136的范围可以变化。然而，为了加强界面并且方便紧固件120的插入，至少应当在柄124的圆周周围至少形成最小局部加热的材料区域134。在熔化区域136形成之后，心轴142上的向上的力增加，由于断裂切口146的促进使得心轴142断裂。

现在参考图10，工具112和断裂的心轴142从铆接的工件116、118上缩回。工具112然后推进到材料上的下一个摩擦搅拌点焊位置。本公开的点焊提供了利用工件116、118之间的材料熔化来增加强度的铆接的机械固定，其能够经受分层和微破裂。

这里描述了本公开的实施例。该描述本质上仅仅是示例性的，并且因此，不脱离本公开的要点的变形旨在落入本公开的范围内。附图不一定是按比例绘制；一些特征可能被夸大或最小化，以显示特定部件的细节。因此，这里公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图所示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中所示的特征组合，以产生没有明确示出或描述的实施例。所示特征的组合提供了各种应用的代表性实施例。然而，可以期望对与本公开的教导一致的特征针对特定应用或实施方式进行的各种组合和修改。

Claims (10)

1.一种混合接合系统，包含：

旋转驱动工具；

紧固件，其由所述驱动工具接收在所述紧固件的近端处，所述紧固件由所述驱动工具可旋转地驱动使得所述紧固件的远端抵靠材料组件的表面旋转，其中由所述紧固件抵靠所述材料组件的旋转引起的摩擦在所述材料组件上产生加热的材料区域；以及

其中所述旋转驱动工具可旋转地并且轴向地驱动所述紧固件的所述远端穿过所述加热的材料区域，并且其中所述加热的材料区域的至少一部分发生变形。

2.根据权利要求1所述的混合接合系统，其中所述材料组件包括第一工件和第二工件，并且其中所述紧固件配置为将所述第一工件接合到所述第二工件。

3.根据权利要求2所述的混合接合系统，其中所述紧固件的所述近端包括具有从其延伸的柄的头部，并且其中所述驱动工具在所述头部接触所述紧固件并且驱动所述柄穿过所述第一工件并进入所述第二工件。

4.根据权利要求3所述的混合接合系统，其中所述驱动工具具有第一配合特征部，并且所述紧固件的所述头部具有第二配合特征部，并且其中所述第一配合特征部和所述第二配合特征部互连以允许所述驱动工具可旋转地驱动所述紧固件。

5.根据权利要求1所述的混合接合系统，进一步包含与所述驱动工具同轴对准的模具，其中所述旋转驱动工具可旋转地并且轴向地驱动所述紧固件的所述远端穿过所述加热的材料区域并进入所述模具，并且其中所述加热的材料区域的至少一部分被所述模具变形。

6.根据权利要求1所述的混合接合系统，其中在所述区域冷却后，所述材料组件上的所述加热的材料区域的至少一部分熔合到所述紧固件。

7.根据权利要求1所述的混合接合系统，其中所述旋转驱动工具具有杆部和心轴头部。

8.根据权利要求7所述的混合接合系统，其中所述紧固件具有中空柄，并且其中所述驱动工具的所述杆部延伸穿过所述紧固件的所述中空柄，并且所述心轴头部布置在所述紧固件的远端。

9.根据权利要求8所述的混合接合系统，其中所述心轴头部使所述紧固件的所述中空柄轴向地收缩并径向地扩张成与所述材料组件的下表面结合，从而附接所述紧固件和所述材料组件。

10.根据权利要求7所述的混合接合系统，其中所述驱动工具的所述杆部包括配置为发生断裂以便将所述驱动工具从所述紧固件上移除的断裂切口。