CN109420834A - 用于接合由不同的材料形成的结构的系统及方法 - Google Patents

Abstract

用于接合结构的系统及方法包括用于将第一面板接合至第二面板的方法。由第一材料形成的第一工件被定位成邻近由第二材料形成的第二工件，并通过接合工艺进行接合。至少一个焊接嵌入件由接合在一起的第一工件和第二工件形成，其中该至少一个焊接嵌入件具有由第一材料形成的上部以及由第二材料形成的下部。该至少一个焊接嵌入件被定位在由第一材料形成的第一面板与由第二材料形成的第二面板之间，并放置在焊接装置的第一电极与第二电极之间。焊接装置的第一电极和第二电极产生电流，以使第一面板、至少一个焊接嵌入件以及第二面板接合在一起。

Description

用于接合由不同的材料形成的结构的系统及方法

引言

本公开涉及一种用于接合由不同的材料形成的结构的系统及方法。

汽车主体面板通常由金属形成，并通过焊接接合在一起。焊接是一种通过引起聚结来使材料(例如，金属或热塑性材料)结合在一起的制造或制作工艺，其中两个独立的部件可通过聚结结合在一起，或熔合或合并成单个主体。材料通常通过在一段时间内施加热量和/或压力使待结合在一起的区域发生液化或塑化来进行接合，这种方式可促进液化或塑化材料的聚结，且聚结材料可进行冷却，由此固化材料之间的结合。

利用电阻的点焊通常用于使相同的金属面板彼此接合在一起。然而，当这种焊接工艺用于将不同的金属面板接合在一起时，接头处往往会产生脆性金属间化合物。因此，传统上已通过机械紧固件(例如，螺钉以及柳钉等)实现了不同的材料的点焊。

发明内容

用于接合结构的系统及方法包括用于将第一面板接合至第二面板的方法。该方法包括将由第一材料形成的第一工件定位成邻近由第二材料形成的第二工件。执行接合工艺以将第一工件接合至第二工件。至少一个焊接嵌入件由接合在一起的第一工件和第二工件制备而成，并包括由第一材料形成的上部以及由第二材料形成的下部。

该至少一个焊接嵌入件被定位在由第一材料形成的第一面板与由第二材料形成的第二面板之间。至少一个焊接嵌入件的上部被定位成邻近第一面板，且至少一个焊接嵌入件的下部被定位成邻近第二面板。第一面板、第二面板以及至少一个焊接嵌入件被定位在焊接装置的第一电极与第二电极之间，从而使得第一电极与第一面板相邻，且第二电极与第二面板相邻。焊接装置通过第一电极和第二电极产生电流，以使第一面板、至少一个焊接嵌入件以及第二面板接合在一起。电流产生具有第一温度的热能，该热能使至少一个焊接嵌入件的上部接合至第一面板，并使至少一个焊接嵌入件的下部接合至第二面板，从而使第一面板与第二面板接合在一起。

方法包括使第一面板与第一电极接触，以及使第二面板与第二电极接触，并将力施加至第一电极和第二电极中的至少一个上，该力可操作来将第一面板、至少一个焊接嵌入件以及第二面板夹紧在第一电极与第二电极之间。方法包括通过将接合在一起的第一工件和第二工件切削成两个或多个部分来制备上述至少一个焊接嵌入件。

用于第一面板以及至少一个焊接嵌入件的第一材料可为金属，而用于第二面板以及至少一个焊接嵌入件的第二材料可为非金属材料。可选地，第一材料可为第一金属，且第二材料可为与第一金属不同的第二金属。在一个非限制性实施例中，第一金属为钢，且第二金属为铝。

在焊接装置的第一电极与第二电极之间产生的热能在第一温度下产生。在焊接装置的第一电极与第二电极之间产生的热能的第一温度根据用于形成第一面板、第二面板和至少一个焊接嵌入件的第一材料以及第二材料进行确定。焊接装置可包括电阻点焊枪。第一工件以及第二工件可通过固态焊接工艺来接合在一起。

在另一实施例中，方法包括将由第一材料形成的第一工件定位成邻近由第二材料形成的第二工件。执行固态焊接工艺以将第一工件接合至第二工件。至少一个焊接嵌入件通过将接合在一起的第一工件和第二工件分离为两个或多个部分来进行制备。至少一个焊接嵌入件包括由第一材料形成的上部以及由第二材料形成的下部。

至少一个焊接嵌入件被定位在由第一材料形成的第一面板与由第二材料形成的第二面板之间，以将至少一个焊接嵌入件的上部定位成邻近第一面板，以及将至少一个焊接嵌入件的下部定位成邻近第二面板。第一面板、第二面板以及至少一个焊接嵌入件被定位在焊接装置的第一电极与第二电极之间，从而使得第一电极与第一面板相邻，且第二电极与第二面板相邻。

焊接装置通过第一电极和第二电极产生电流，以使第一面板、至少一个焊接嵌入件以及第二面板接合在一起。电流产生具有第一温度的热能，该热能使至少一个焊接嵌入件的上部接合至第一面板，并使至少一个焊接嵌入件的下部接合至第二面板，从而使第一面板与第二面板相接合。

方法包括使第一面板与第一电极接触，以及使第二面板与第二电极接触，并将力施加至第一电极和第二电极中的至少一个上，该力可操作来将第一面板、至少一个焊接嵌入件以及第二面板夹紧在第一电极与第二电极之间。在焊接装置的第一电极与第二电极之间产生的热能在第一温度下产生。在焊接装置的第一电极与第二电极之间产生的热能的第一温度根据用于形成第一面板、第二面板和至少一个焊接嵌入件的第一材料以及第二材料进行确定。

方法包括通过将接合在一起的第一工件和第二工件切削成两个或多个部分来制备上述至少一个焊接嵌入件。第一材料可为钢，且第二金属可为铝。

在另一实施例中，用于组装结构的系统包括由第一材料形成的第一面板以及由第二材料制成的第二面板。至少一个焊接嵌入件可定位在第一面板与第二面板之间，并与第一面板以及第二面板中的每一个相邻。至少一个焊接嵌入件包括由第一材料形成的上部以及由第二材料形成的下部。

具有至少一个第一电极以及第二电极的焊接装置被配置成在第一电极与第二电极之间使第一面板、第二面板以及至少一个焊接嵌入件接合在一起，从而使第一面板与第二面板相结合。焊接装置将第一面板、第二面板以及至少一个焊接嵌入件定位在第一电极与第二电极之间，从而使得第一电极与第一面板相邻，且第二电极与第二面板相邻。焊接装置使第一面板与第一电极接触，以及使第二面板与第二电极接触，并通过第一电极和第二电极产生电流，从而产生具有第一温度的热能，该热能可使定位在第一电极与第二电极之间的第一面板、至少一个焊接嵌入件以及第二面板接合在一起，从而使第一面板与第二面板相结合。

当第一面板以及第二面板被定位在第一电极与第二电极之间时，第一电极与第二电极可操作地连接以将力施加至该第一面板以及第二面板。热能在第一温度下于焊接装置的第一电极与第二电极之间产生，该第一温度根据用于形成第一面板、第二面板以及粘合剂材料的材料中的一种或多种材料进行确定。

至少一个焊接嵌入件通过如下方式形成：执行接合工艺以将第一工件接合至第二工件，然后，至少一个焊接嵌入件通过将接合在一起的第一工件和第二工件分离为两个或多个部分来进行制备，其中至少一个焊接嵌入件包括由第一材料形成的上部以及由第二材料形成的下部。接合工艺可包括固态焊接工艺。

通过以下结合附图对用于执行本公开的最佳方式进行的详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是示出了根据本公开的相对于焊接装置进行定位的结构的第一面板和第二面板的侧视图；和

图2是示出了焊接嵌入件形成工艺的示意性侧视图；

图3是示出了焊接嵌入件的透视图；以及

图4是示出了根据本公开的用于接合结构的方法的流程图。

具体实施方式

现将详细参照本公开附图中说明的若干实施例。在任何可能的情况下，在附图以及描述中，相同或相似的附图标记用于指代相同或相似的部件或步骤。附图为简化形式，而且不具有精确的比例。出于方便和清楚的目的，方向术语(例如，顶部、底部、左侧、右侧、上、上方、上面、下面、下方、后部以及前部)可参照附图进行使用。这些方向术语以及类似的方向术语不应被理解为限制本公开的范围。

参照附图，其中，在所有视图中，相同的附图标记对应于相同或相似的部件，其中结构通常以附图标记10示出。参照图1，结构10示出为处于预结合状态中，并包括由第一材料组成的第一片材或面板12以及由第二材料组成的第二面板14，该第二面板可操作地连接至第一面板12。可理解的是，第一面板12的第一材料以及第二面板14的第二材料可为相同材料。例如，第一面板以及第二面板均由金属或聚合物形成，或其可由不同的材料形成。例如，第一面板12可由铝形成，而第二面板14可由与选择用于第一面板的金属不同的金属(例如，钢等)形成。在另一非限制性实施例中，第一面板可由金属形成，而第二面板可由非金属材料(例如，热塑性材料等)形成。

在一个非限制性示例中，第一面板12可由铝合金等形成，而第二面板14可由钢(例如，镀锌低碳钢或镀锌高强度钢)形成。还可构想的是，材料中的一种或多种可涂覆有转化涂层，以改善粘合剂的结合性能。

如图所示，第一面板12以及第二面板14可为车辆主体面板，例如，车门、挡泥板、发动机罩等的内、外面板。面板12、14可用于各种车辆，这些车辆可包括，但不限于：商用车辆、工业车辆、客运车辆、飞行器、船舶、火车或移动平台。还可构想的是，车辆可为用于实现本公开的目的的移动平台，例如，飞机、全地形车辆(ATV)、船只、个人移动设备、机器人等。

第一面板12包括外表面16以及相对的内表面18。第二面板14也包括外表面20以及相对的内表面22。如将在下文中更详细地进行描述的，可构想的是，第一面板12的外表面16以及第二面板14的外表面20可与焊接装置28的一个或多个电极24、26接合。例如，第一电极24可与第一面板12的外表面16接合，而第二电极26可与第二面板14的外表面20接合。

现参照图2，更详细地描述了用于形成嵌入件30的工艺，其中该嵌入件用于将第一面板12接合至结构10的第二面板14。用于接合相同或不同材料的工艺包括但不限于：机械接合(例如，通过紧固件等实现的接合)、固态接合(例如，超声波焊接或搅拌摩擦焊接)以及粘合剂结合等。在一个非限制性示例中，固态接合或焊接工艺可用于通过接合工具(通常以附图标记36表示)使第一工件40和第二工件50接合在一起。

如图2所述，第一工件40包括第一表面或上表面42以及相对的第二表面或下表面44。第一工件的第二表面44被定位成与第二工件50的第一表面或上表面52相邻，由此使得第二工件50的第二表面或下表面54暴露在外。第一工件40的下表面44以及第二工件50的上表面52在工件40、50接合在一起之后进行接触，并相互固定在一起。

接合工艺可用于使第一工件和第二工件接合在一起。在一个非限制性实施例中，接合工艺可包括固态焊接工艺，例如，超声波金属焊接。在超声波金属焊接中，超声波能量可在第一工件40和第二工件50的相邻表面之间形成相对运动。工件40、50之间的这种运动可形成类似于擦洗的效果，这种效果使表面氧化物以及污染物发生位移，进而引起金属对金属接触，并由此使金属结合在一起。

固态焊接工艺完成之后，结合在一起的第一工件40和第二工件50的部分通过通常以附图标记38表示的切削工具等从工件40、50分离，以形成焊接嵌入件30。如图3所示，焊接嵌入件30包括由第一材料形成的第一部分或上部32以及由不同于第一材料的第二材料形成的第二部分或下部34。焊接嵌入件30的尺寸可被设置成用于接纳在第一面板12与第二面板14之间，这将在下文中更详细地进行描述。还可理解的是，本文所描述的系统及方法可在多于一个的平面中使用来将结构结合在一起。换言之，该系统及方法可在多个平面以及位置中使用以设置部件或结构的地理位置。

现参照图1和4，对示出了用于使结构10的由不同材料形成的第一面板12和第二面板14接合在一起的方法的流程图进行了更详细的描述。方法不必按照本文所陈述的特定顺序进行执行，且可进一步理解的是，可去除一个或多个步骤。方法在方框或步骤102处开始，在该步骤中，第一工件40的内表面或第二表面44被定位成与第二工件50的内表面或第一表面52相邻，并压靠在其上，从而使得第一工件40的内表面44与第二工件50的内表面52相接合。

在步骤或方框104处，压力可施加至第一工件40以及第二工件50，以确保在第一工件40的第二表面或下表面44被定位成与第二工件50的第一表面或上表面52相邻时，工件40、50彼此保持相接触。在步骤或方框106处，针对第一工件40和第二工件50执行接合工艺，以使工件40、50接合在一起，并形成单一结构。

该接合工艺可为用于使第一工件40和第二工件50接合在一起的固态焊接工艺。在一个非限制性实施例中，固态焊接工艺可包括超声波焊接工艺。超声波焊接工艺是一种将高频超声波声学振动局部施加至在压力下保持在一起的工件以形成固态焊缝的技术。如图所示，且如本文所公开的，该技术可用于使不同的材料接合在一起，其中第一工件40可由铝形成，且第二工件50可由钢形成。

来自接合工具36的超声波振动可施加至第一工件40的第一表面或上表面42。可构想的是，用于焊接嵌入件30的第一工件40的材料可与用于结构10的第一面板12的材料相同，且用于第二工件50的材料可与用于第二面板14的材料相同，从而减少或消除焊接嵌入件30以及第一面板12和第二面板14的元素之间的可能反应。如先前所讨论的，用于工件40、50以及相应的第一面板12和第二面板14的材料可基于用途以及目的而有所不同，并可包括金属或聚合物材料。

在步骤或方框108处，在接合工艺完成之后，结合在一起的第一工件40和第二工件50的部分通过切削工具等从工件40、50分离，以形成至少一个焊接嵌入件30，而且该部分的尺寸被设置成用于接纳在第一面板12与第二面板14之间。在一个非限制性实施例中，该至少一个焊接嵌入件30通过将结合在一起的工件40、50切削为两个或多个部分来形成。

在步骤或方框110处，提供了焊接装置28，该焊接装置与第一面板12以及第二面板14相配合，以有助于通过焊接嵌入件30使第一面板12和第二面板14接合在一起。示例性焊接装置28的部分示出在图1中。在一个非限制性实施例中，焊接装置28可以是作为自动焊接操作的一部分的电阻点焊机(RSW)或RSW枪。焊接装置28可包括第一臂以及第二臂(未示出)，该第一臂以及第二臂在机械及电子上被配置成根据限定的焊接程序反复形成点焊缝。焊接装置28的第一臂可包括保持第一焊接电极24的第一电极保持器25，且第二臂可包括保持第二电极26的第二电极保持器27。可构想的是，第一电极24以及第二电极26可由各种材料形成，这些材料包括但不限于：钢、铝等。

在步骤或方框112处，结构10的第一面板12和第二面板14相对于焊接装置28进行定位。在一个实施例中，焊接装置28的第一臂以及第二臂可操作来将相应的第一电极24和第二电极26定位成与第一面板12的相对面向的外表面16以及第二面板14的电极接触表面20相邻。

在步骤或方框114处，至少一个焊接嵌入件30定位在第一面板12的下表面或第二表面18与第二面板14的上表面或第一表面22之间。焊接嵌入件30被定位成使得嵌入件30的上部32(其由第一工件40形成，并由与第一面板12的材料相同的材料形成)被设置成邻近第一面板12的下表面18，而嵌入件30的下部34(其由第二工件形成，并由与第二面板14的材料相同的材料形成)被设置成邻近第二面板14的上表面22。

焊接装置28被定位成邻近由不同材料形成的第一面板12和第二面板14，以利用至少一个焊接嵌入件30使第一面板12和第二面板14接合在一起。可构想的是，焊接装置28可用于通过一个或多个焊接嵌入件30使第一面板12和第二面板14在一个或多个位置处粘接在一起来完成接合工艺。

在方框或步骤116处，第一焊接电极24以及第二焊接电极26可分别压靠或夹紧在第一面板12和第二面板14的彼此沿直径方向对齐的电极接触表面16、20上。可对电极24、26之间的间隙或距离进行调节。可选地，可对电极24、26所施加的夹紧负载或力进行调节，以针对用于第一面板12、第二面板14和/或焊接嵌入件30中的至少一个的材料的类型进行补偿。例如，可构想的是，除了针对温度、时间量或电流电平的控制以外，还需要特定的间隙、夹紧力或控制，从而确保焊接嵌入件30可与第一面板12和第二面板14恰当地接合在一起。

在方框或步骤118处，焊接装置28通过第一电极24和第二电极26产生电流，该电流通过该第一电极和第二电极进行传导，并施加至第一面板12和第二面板14。在一个非限制性示例中，可调电源与焊接装置28电连通，以产生在第一电极24与第二电极26之间传递的电流。焊接装置28可进一步包括控制器(未示出)，该控制器与可调电源以及第一电极24和第二电极26进行电通信，并被配置成调节由电极24、26施加至第一面板12和第二面板14的电流。

第一电极24以及第二电极26可相对于第一面板12和第二面板14使电流在该第一面板与第二面板之间的至少一个焊接嵌入件30的位置附近聚集。由第一电极24和第二电极26产生的电流产生具有至少第一温度的热能或热量，该热能或热量与设置在第一面板12与第二面板14之间的焊接嵌入件30进行交互，以在结构10上焊接嵌入件30所在的位置处使第一面板12和第二面板14结合或熔合在一起。

通过第一电极24和第二电极26产生的电流可在选定的时间及温度下进行施加，以完成接合操作，而不会对结构10的第一面板12和第二面板14造成过度加热。所输送的热量或热能的量可通过第一电极24与第二电极26之间的电阻以及焊接电流的电流量和持续时间来进行确定。

热能的量和/或电流的持续时间被选择成与焊接嵌入件30、第一面板12及第二面板14的材料属性和厚度以及所使用的电极的类型相匹配。控制器(未示出)可用于调节接合工艺中所使用的时间、电流以及热能的温度中的一个或多个。在步骤或方框120处，焊接装置28移动远离第一面板12和第二面板14，以完成第一面板12、焊接嵌入件30以及第二面板14之间的接合工序。

详细描述以及附图或图支持并描述本公开，但本公开的范围仅由权利要求书进行限定。虽然已详细描述了用于实施所要求保护的公开内容的一些最佳方式及其他实施例，但存在有各种用于实践所附权利要求书所限定的本公开的可选设计及实施例。此外，附图中示出的实施例或本描述中提及的各种实施例的特性不必理解为彼此独立的实施例。相反，在实施例的各种示例中的一个示例中描述的各特性可与来自其他实施例的一个或多个其他期望特性相结合，进而导致其他实施例不通过言语或不参照附图进行描述。因此，此类其他实施例落入所附权利要求书的范围的架构内。

Claims (10)

1.一种用于接合具有由第一材料形成的第一面板以及由第二材料形成的第二面板的结构的方法，所述方法包括：

将由所述第一材料形成的第一工件定位成邻近由所述第二材料形成的第二工件；

应用接合工艺以将所述第一工件接合至所述第二工件；

通过所述接合在一起的第一工件和第二工件制备至少一个焊接嵌入件，其中所述至少一个焊接嵌入件包括由所述第一材料形成的上部以及由所述第二材料形成的下部；

将所述至少一个焊接嵌入件定位在由所述第一材料形成的所述第一面板与由所述第二材料形成的所述第二面板之间，其中所述至少一个焊接嵌入件的所述上部被定位成邻近所述第一面板，且所述至少一个焊接嵌入件的所述下部被定位成邻近所述第二面板；

将所述第一面板、所述第二面板以及所述至少一个焊接嵌入件定位在焊接装置的第一电极与第二电极之间，从而使得所述第一电极与所述第一面板相邻，且所述第二电极与所述第二面板相邻；以及

通过所述第一电极和所述第二电极产生电流，以使所述第一面板、所述至少一个焊接嵌入件以及所述第二面板接合在一起，

其中所述电流产生具有第一温度的热能，其中所述热能使所述至少一个焊接嵌入件的所述上部接合至所述第一面板，并使所述至少一个焊接嵌入件的所述下部接合至所述第二面板，从而使所述第一面板与所述第二面板相接合。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

使所述第一面板与所述第一电极接触，以及使所述第二面板与所述第二电极接触；以及

将力施加至所述第一电极和所述第二电极中的至少一个上，其中所述力可操作来将所述第一面板、所述至少一个焊接嵌入件以及所述第二面板夹紧在所述第一电极与所述第二电极之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：通过将所述接合在一起的第一工件和第二工件切削成两个或多个部分来制备所述至少一个焊接嵌入件。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料为金属，且所述第二材料为非金属材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一材料为第一金属，且所述第二材料为与所述第一金属不同的第二金属。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一金属为钢，且所述第二金属为铝。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述热能在第一温度下于所述焊接装置的所述第一电极与所述第二电极之间产生。

8.根据权利要求7所述的方法，其中在所述焊接装置的所述第一电极与所述第二电极之间产生的所述热能的所述第一温度根据用于形成所述第一面板、所述第二面板和所述至少一个焊接嵌入件的所述第一材料以及所述第二材料进行确定。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一工件以及所述第二工件通过固态焊接工艺进行接合。

10.一种用于组装结构的系统，其包括：

第一面板，所述第一面板由第一材料形成；

第二面板，所述第二面板由第二材料制成；

至少一个焊接嵌入件，所述至少一个焊接嵌入件可定位在所述第一面板与所述第二面板之间，并与所述第一面板以及所述第二面板中的每一个相邻，其中所述至少一个焊接嵌入件包括由所述第一材料形成的上部以及由所述第二材料形成的下部；以及

焊接装置，所述焊接装置具有至少一个第一电极以及第二电极，并被配置成在所述第一电极与所述第二电极之间使所述第一面板、所述第二面板以及所述至少一个焊接嵌入件接合在一起，从而使所述第一面板与所述第二面板相结合，

其中所述焊接装置：

将所述第一面板、所述第二面板以及所述至少一个焊接嵌入件定位在所述第一电极与所述第二电极之间，从而使得所述第一电极与所述第一面板相邻，且所述第二电极与所述第二面板相邻；

使所述第一面板与所述第一电极接触，以及使所述第二面板与所述第二电极接触；以及

通过所述第一电极和所述第二电极产生电流，从而产生具有第一温度的热能，其中所述热能可使定位在所述第一电极与所述第二电极之间的所述第一面板、所述至少一个焊接嵌入件以及所述第二面板接合在一起，从而使所述第一面板与所述第二面板相结合。