CN110267764A - 焊接元件和用于将焊接元件连接到工件的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种焊接元件(10)，其适于使用焊接方法连接到工件，并且包括：‑头部(14)14，其具有焊接表面(22)和远离所述焊接表面(22)的止动表面(24)，‑轴状锚接部分(12)，其沿着纵向轴线(Xa)在第一端部区域(18)和第二端部区域(20)之间延伸，所述第一端部区域(18)连接到所述止动表面(24)，其特征在于，所述焊接表面(22)包括多个均匀且一致地分布的带尖端的突起(26)。

Description

焊接元件和用于将焊接元件连接到工件的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种焊接元件，特别是焊接螺柱，其适于使用焊接方法连接到工件，并且包括：头部，其具有焊接表面和远离该焊接表面的止动表面(或抵接表面)；以及轴状锚接部分，其沿着纵向轴线在第一端部区域和第二端部区域之间延伸，第一端部区域连接到止动表面。
本发明还涉及一种用于将相应的焊接元件连接到工件的焊接方法。
背景技术
特别是在车身结构中已知使用焊接元件来附接部件。为此目的，主要使用焊接螺柱，其以已知方式(例如，通过螺柱焊接)紧固到结构上。各种焊接技术(例如，电弧螺柱焊接)可用于附接这种焊接元件。电弧螺柱焊接方法是电弧压力焊接方法之一，并且用于将元件(例如，焊接螺柱、销、衬套、钩或环状件(eye))永久地连接到相应的较大部件(例如，车身板、壳体、工件或类似物)。焊接元件的头部布置在工件或部件上，然后被焊接。
当将焊接元件或焊接螺柱连接到工件表面时，必须确保熔化从而确保焊接均匀。
DE2227384A1公开了一种紧固元件，其包括头部和连接到头部的轴状锚接部分。紧固元件在其与部件连接的表面上具有多个凸出部分，这些凸出部分围绕所述表面的中心对称布置，并且以星形的方式从中心向外突出。JPH0523857、US2005111932、DE102013225048和EP1060822公开了这样一种元件：其具有凸缘和设置在凸缘上的多个突起。然而，这些文献中公开的突起不均匀且不一致地分布在焊接表面上。因此，它们不能提供焊接表面在工件上的均匀且一致的焊接。
在许多技术领域中，出于节省空间的考虑，铝合金和/或高强度或最大强度的车身板(其具有高达1500MPa的拉伸强度和各种板厚(厚板厚和薄板厚))作为材料已经例如在用于汽车的轻质车身中以及在其他工业领域中变得普遍。板的强度和各种板厚取决于车身部件的功能。强度的变化是会产生问题的，因为不可能对每个板厚使用相同的焊接元件。
因此，本发明所解决的问题是至少部分地克服焊接元件中的上述缺点。特别地，本发明所解决的问题是提供一种焊接元件和一种焊接方法，借助于该焊接方法，可以以简单且成本有效的方式有利地将焊接元件永久地连接到工件，并且该焊接方法可以提高挠性并降低板的焊透风险，焊接连接的强度与已知的焊接元件和焊接方法的强度基本一致，并且优选地甚至能够增加。
发明内容
通过具有权利要求1的特征的焊接螺栓解决了上述问题。
这种焊接元件，其适于使用焊接方法连接到工件，包括：头部，其具有焊接表面和远离焊接表面的止动表面；以及轴状锚接部分，其沿着纵向轴线在第一端部区域和第二端部区域之间延伸，第一端部区域连接到止动表面，其特征在于，焊接表面包括多个带尖端的突起，突起均匀且一致地分布在整个焊接表面上。因此，整个焊接表面被突起覆盖。
术语“尖的”旨在表示具有尖锐末端或圆形末端或尖锐拐角或圆形拐角的形状。
通过该焊接表面的几何形状，焊接特性曲线可以适用于薄的和厚的板厚度。这种几何形状提供了防止在薄板的情况下焊透的风险的选择。
根据另一个实施例，多个突起沿着均匀分布在焊接表面上的多条直线延伸。最终，突起布置为平行排并由两个凹槽组分开，两个凹槽组互相交叉，清楚地划分了两种突起，并且可以毫不费力地形成这种分离。更具体地，突起沿多条直线布置。第一凹槽组的凹槽彼此平行地延伸。第二凹槽组的凹槽彼此平行地延伸。第一凹槽组的凹槽垂直于第二凹槽组的凹槽。
在一个实施例中，焊接表面形成凸部，并且突起布置在凸部上。突起在有限的区域上延伸，这简化了焊接元件的焊接。
在另一个实施例中，凸部具有圆形横截面。凸部以纵向轴线为中心。
在一个实施例中，每个突起具有包括方形基部的金字塔形状。突起的形状允许有效且有针对性的熔化。另外，突起的形状易于制造，特别是通过压花来制造。在另一个实施例中，可以提供隆起部或锥形凸出部分。
在一个实施例中，每个突起包括四个平坦侧表面，并且两个相对的侧表面包围形成75度和85度之间的角度。这样的角度允许有效且有针对性的熔化。
根据另一个实施例，两个相邻突起(26)的尖端(末端)相互间隔开0.5毫米至2.0毫米。该间距允许所有尖端的有效点火(ignition)并且甚至在整个焊接表面上熔化。
在一个实施例中，当形成焊接元件时，通过合适的冷成型方法产生突起。为了产生突起，不需要进一步的步骤。突起与头部是一体的。
还有，上述问题通过一种用于将焊接元件连接到工件的焊接方法解决，该方法包括以下步骤：
-提供前述的焊接元件，
-提供工件，工件包括第一表面和第二表面，并且具有板厚，
-提供焊接装置，
-将焊接元件的焊接表面布置在工件的第一表面上，
-根据板厚启动焊接装置，
-通过熔化至少一些凸起并将焊接元件压靠在工件上，将焊接元件焊接到工件上。
在一个实施例中，突起具有沿其纵向轴线的突出高度，该突出高度取决于板厚。
在一个实施例中，工件的第二表面上设置有锌层。这种方法对基材后部上的锌层仅具有最小影响。
不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面将说明的特征不仅可以用于相关的所述组合，而且可以用于其他组合或单独使用。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出，并且将在以下描述中更详细地说明。在附图中：
图1是根据本发明的焊接元件的示意性透视图，该焊接元件包括头部和锚接部分，该头部具有第一表面结构；
图2是图1的焊接元件的侧视图；
图3是图1的焊接元件的表面结构的平面图；
图4是布置在工件表面上的根据本发明的焊接元件的实施例的纵向剖视图，并且示出了示意性焊接装置；
图5是根据另一实施例的焊接元件的侧视图。
具体实施方式
图1示出了设计为焊接螺柱的焊接元件10，其包括轴状锚接部分12和头部14(或螺柱头部)。
轴状锚接部分12具有主体16、第一端部区域18和第二端部区域20。
主体16沿着纵向轴线Xa在第一端部区域18和第二端部区域20之间延伸。锚接部分12的主体16可以在每种情况下呈现期望的轴形状。如图1、图2和图4所示，主体16可以具有圆形横截面，横截面在主体16的长度上基本恒定。在其他实施例中，锚接部分也可具有矩形、三角形或三叶形横截面。同样地，在其他实施例中，主体16在其长度上可以不是恒定的。
图1所示的焊接元件10有利地为大致圆筒形的连接元件，其锚接部分12包括螺纹。关于根据图1和图2的焊接元件10，还应该注意的是，这里示出的焊接螺柱在其锚接部分12处均设有螺纹，这仅用于表示在焊接后焊接螺柱当然可以设置有螺纹组件，用于拧紧在附加部件上或用于其他目的。可以提供各种螺纹形式和螺纹尺寸。
锚接部分12的第二端部区域20优选地是圆形的，但是也可以提供具有其他形状的端部区域。例如，第二端部区域可设置有切削刃。
头部14从第一端部区域18延伸。头部14例如是圆形的并且相对于头部轴线Xk同心地取向。例如，头部轴线Xk和纵向轴线Xa重合。头部14有利地呈盘(或凸缘)的形状，并且包括焊接表面22和远离焊接表面22的止动表面24。焊接表面22和止动表面24之间的沿纵向轴线Xa的间距形成头部14的厚度。间距越大，头部越厚。锚接部分12的第一端部区域18连接到止动表面24。头部14在其远离锚接部分12的侧面上具有焊接表面22。
焊接表面22例如在平面中延伸(或者相当平坦)。在另一个实施例(未示出)中，焊接表面22可以具有两个焊接部分，它们一起形成7度或9度的角度。
如图2所示，止动表面24具有例如头部直径Dk，该头部直径Dk大于锚接部分的直径。焊接表面也可以是圆形的并且可以具有焊接直径Ds。如图2所示，头部直径Dk和焊接直径Ds可以一样。
在另一个实施例中，如图4所示，头部直径Dk可以大于焊接直径Ds。在这种情况下，焊接表面22可以设置成相对于止动表面24居中定位。
如图5所示，在另一个实施例中，焊接表面22可以是环形的并且可以形成轴环，使得止动表面包括相对于头部轴线Xk同心取向的凹部48。
从图1、图2、图3、图4和图5中可以看出，头部14的焊接表面22不是水平的，而是设置有多个突起26。
特别地，“突起”旨在表示从焊接表面22突出的头部或头部分，例如凸出部分、隆起等。
突起26是尖的。“尖的”旨在表示形成边缘、末端或拐角的形状。突起26的尖端(point)28可以是尖锐的或圆形的。优选地，突起26的尖端28是圆形的，以便简化储存和运输。特别地，具有圆形尖端的焊接元件在运输时不会损坏包装。尖端形成突起的自由端。突起沿着纵向轴线Xa从尖端延伸到基部30，基部30位于头部的支撑件上。支撑件比尖端更宽。
突起26由可以在电弧中熔化的材料制成。
突起26布置成均匀地分布在焊接表面22上。每个突起26具有例如大致金字塔形的形状，该形状包括方形基部30和形成尖端28的四个基本平坦的侧表面32。四个侧表面32会聚以形成尖端28。
优选地，两个相对的侧表面32包围形成在70度和90度之间的角度α，特别是75度和85度之间的角度α。两个相对的侧表面32可以包围形成大约80度的角度α。这样的角度允许突起的有效分布，同时确保可以以简单的方式生产焊接元件(或焊接表面)。
突起26的两个相对的侧表面32之间的角度α可以与两个其他相对的侧表面32之间的角度α相同或不同。两个相邻突起26之间(特别是在两个相邻突起26的两个尖端28之间)的距离可以在0.5毫米(mm)和2.0毫米(mm)之间。
在另一个实施例(未示出)中，每个突起包括隆起部或锥形凸出部分。
每个突起26具有沿纵向轴线Xa的突出高度Hv。所有突起26的突出高度Hv可以相同。在另一个实施例中，突起26具有不同的突出高度Hv。例如，突出高度Hv可以0.2毫米(mm)和1.1毫米(mm)之间，并且特别地在0.3毫米(mm)和1.0毫米(mm)之间。突出高度Hv可以优选为0.3毫米。
如图3所示，突起26以平行排取向。优选地，突起26由两个凹槽组34a、34b(或线)分开，两个凹槽组互相交叉。第一凹槽组的凹槽34a(或线)可以例如与第二凹槽组的凹槽34b(或线)正交。在另一个实施例中，第一凹槽组的凹槽34a(或线)可以与第二凹槽组的凹槽34b一起形成大于或小于90度的角度β。
突起26基本上形成“华夫饼形图案”。突起26可以取向成具有不同的梯度、深度和延伸。
焊接表面22形成例如凸部36，并且突起26可以布置在凸部36上。例如，凸部36具有圆形横截面。凸部36可以布置成以纵向轴线Xa为中心。
在另一个实施例中，焊接元件10不包括凸部，并且焊接表面22形成与止动表面相对的平面。
在又一个实施例中，焊接表面22是环形的，并且突起26形成围绕头部轴线Xk的轴环。
焊接元件10例如由单一材料制成。在其他实施例中，焊接元件10可以例如由多种材料制成。焊接元件10优选地由钢或不锈钢制成。也可以使用其他金属，例如铝或其他材料。焊接元件10例如通过冷成型法制造，并且突起26在冷成型期间制造。突起例如通过压花形成。
焊接元件可以分几个步骤制造。例如，在第一步骤中挤出表面。在第二步骤中，可以对焊接直径进行压制操作。在第三步骤中，可以例如使用压花工具按压出“华夫饼形图案”(或突起26)。
焊接元件10设计为单件式或整体式，因此特别是锚接部分12以及包括相应的突起26的头部14由一个部件(或工件)制成，以形成焊接元件10。
在其他实施例中，焊接元件10可具有多个部件。
焊接元件10适于通过焊接方法(特别是通过电弧焊接)连接到工件38。工件38例如是车身板并且包括第一表面40和第二表面42，并且具有板厚Tb。工件38可由各种可焊接材料制成，例如金属或合金，或其他材料。
第一表面40包括连接部分44。锌层(或另一表面层，例如涂料涂层、腐蚀保护层等)可以例如设置在工件38的第二表面42上。
在第一步骤中，焊接元件10布置在连接部分44的区域中。在该过程中，突起26(特别是突起26的(远侧)尖端28)至少部分地或局部地与工件38的连接部分44接触。然而，由于尖端28的存在，工件和焊接元件之间的接触区域分布在多个点接触部上并且不是连续的。当焊接元件10放置在工件38上时，这允许改善整个焊接表面上的压缩力分布。锚接部分12从焊接元件10的头部14的止动表面24延伸以远离该表面的方向延伸。
焊接元件10和工件38各自通过电力线连接到电源，以便被供电。与工件38的连接部分44一起布置或接触的突起26产生闭合电流电路，通过该闭合电流电路可以形成电弧。在这种焊接方法中使用偏压电流和主电流。焊接过程所需的电压取决于焊接元件和工件38的材料以及元件的尺寸。
焊接元件10最初放置在工件38上。偏压电流在放置时(或之后)被启动。焊接元件10和工件38之间的直接接触区域(即，尖端28和工件38之间的接触区域)由于电流而加热。然后启动主电流以开始熔化阶段。这通过接合区域开始。焊接元件压靠在工件38上。通过熔体的结晶进行连接。
焊接区域通过焊接表面22的几何形状(即通过突起)扩展。突起允许在整个焊接表面上有效地分配焊接能量。该形状允许熔化从突起的尖端扩展到基部。突起的形状允许在整个焊接表面上均匀分布熔化，并且允许头部的熔化深度相当恒定。这些尖端特别是在焊接过程开始时熔化。然后，焊接能量将沿着纵向轴线Xa朝向止动表面分布在突起中。熔化沿着纵向轴线Xa在整个焊接表面上扩展，直到到达布置有突起基部的平面。均匀分布的带尖端的突起确保电弧在焊接表面上稳定燃烧。因此可以避免不受控制的向外电弧迁移。
可以选择焊接方法(特别是焊接方法的参数，例如所需的能量和过程的长度)，使得仅突起26的尖端28(或特定的突出高度Hv)熔化。这足以在焊接元件10(或焊接螺柱)和具有薄板厚度的工件38之间产生接合连接，而不会焊透。还可以选择焊接方法(特别是焊接方法的参数，例如所需的能量和过程的长度)，使得所有突起26和部分支撑件熔化。特别地，熔化的支撑件的深度取决于板厚。
板厚可以例如在0.5和3毫米之间。例如，板厚可以在0.5和2毫米之间。薄板优选地具有0.5和0.7毫米之间的厚度。厚板优选地具有0.8和2毫米之间的厚度。当焊接厚材料(板)时，处理能量增加和/或延长焊接时间，以实现待接合部件的充分熔化，从而产生令人满意的连接。
提供控制装置，以便根据工件38的厚度自动控制焊接方法的参数。特别地，工件38的厚度由传感器测量，并且焊接装置46的电压由控制装置控制，以便避免工件的焊透并且优化焊接。

Claims (12)

1.一种焊接元件(10)，其适于使用焊接方法连接到工件，并且包括：
-头部(14)，其具有焊接表面(22)和远离所述焊接表面(22)的止动表面(24)；
-轴状锚接部分(12)，其沿着纵向轴线(Xa)在第一端部区域(18)和第二端部区域(20)之间延伸，所述第一端部区域(18)连接到所述止动表面(24)，
其特征在于，所述焊接表面(22)包括多个带尖端的突起(26)，所述突起均匀且一致地分布在整个焊接表面(22)上。
2.根据权利要求1所述的焊接元件(10)，其中，所述多个突起(26)沿着均匀分布在所述焊接表面上的多条直线延伸。
3.根据权利要求1或2所述的焊接元件(10)，其中，所述突起(26)以平行排取向并由两个凹槽组(34a、34b)分开，所述两个凹槽组互相交叉，其中形成第一凹槽组的凹槽(34a)彼此平行地延伸，形成第二凹槽组的凹槽(34b)彼此平行地延伸，并且所述第一凹槽组的凹槽(34a)垂直于所述第二凹槽组的凹槽(34b)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的焊接元件(10)，其中，所述焊接表面(22)形成凸部(36)，并且其中所述突起(26)布置在所述凸部(36)上。
5.根据权利要求4所述的焊接元件(10)，其中，所述凸部(36)具有圆形横截面，并且其中所述凸部(36)以所述纵向轴线(Xa)为中心。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的焊接元件(10)，其中，每个突起(26)具有包括方形基部的金字塔形状。
7.根据权利要求6所述的焊接元件(10)，其中，每个突起(26)包括形成所述突起(26)的尖端(28)的四个平坦侧表面，并且其中两个相对的侧表面(32)包围形成75度和85度之间的角度(α)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的焊接元件(10)，其中，所述突起(26)的突出高度(Hv)在0.3毫米(mm)和1.0毫米(mm)之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的焊接元件(10)，其中，两个相邻突起(26)的尖端相互间隔开0.5毫米至2.0毫米。
10.一种用于将焊接元件(10)连接到工件(38)的焊接方法，包括以下步骤：
-提供根据前述权利要求1至9中任一项所述的焊接元件(10)，
-提供工件(38)，所述工件(38)包括第一表面(40)和第二表面(42)，并且具有板厚(Tb)，
-提供焊接装置(46)，
-将所述焊接元件(10)的焊接表面(22)布置在所述工件(38)的所述第一表面(40)上，
-根据所述板厚(Tb)启动所述焊接装置(46)，
-通过熔化至少一些凸起(26)并将所述焊接元件压靠在所述工件上，将所述焊接元件(10)焊接到所述工件(38)上。
11.根据权利要求10所述的焊接方法，其中，所述突起(26)沿纵向轴线(Xa)具有特定的突出高度(Hv)，其中，待熔化的所述突出高度(Hv)基于所述板厚(Tb)确定。
12.根据权利要求10或11所述的焊接方法，其中，所述工件(38)的所述第二表面(42)上设置有锌层。
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