CN114340832A

CN114340832A - 通过喷涂延展性材料的粉末来组装部件

Info

Publication number: CN114340832A
Application number: CN202080060006.1A
Authority: CN
Inventors: 大卫·默克
Original assignee: Lexi Automobile Co
Current assignee: Lexi Automobile Co
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2022-04-12
Also published as: FR3097788B1; WO2020260778A1; US20220241882A1; FR3097789A1; CA3143859A1; EP3990210A1; MX2021015892A; FR3097789B1; FR3097788A1

Abstract

本申请描述了用于将用于机械组件的第一部件(20)和第二部件(30)彼此附接的方法，该方法包括将延展性材料的粉末(10)喷涂到部件(20、30)上，使部件(20、30)通过该粉末(10)的积聚而彼此附接，该方法包括织构随后在其上进行喷涂的两个部件(20、30)中的一个的至少一个表面。

Description

通过喷涂延展性材料的粉末来组装部件

背景技术

在减轻车辆重量是减少污染排放的主要要求的背景下，不同性质的组装材料变得越来越重要，并且越来越多地出现在陆地或空中车辆的组装中。示例包括钢和铝合金的组件，或钢和聚合物或复合材料之间的组件，使用碳纤维，传统的组装技术无法使用。

存在解决方案，诸如粘合、铆接、铆合或自攻螺钉，但这些解决方案受到组装材料类型的限制(例如，不可能用碳纤维铆接复合材料)、缺乏机械强度或需要在车辆的某些区域存在潜在危险的尖端。

a.焊接销

最近，为了满足对多材料组件的这种新需求，一些制造商提出了焊接销，焊接销允许不能直接电阻焊接在一起的两种不同材料的组装。

焊接销的明显优势是广泛用于各种汽车或飞机制造商的组装链中的电阻焊接方法的使用，允许轻松转移该技术。然而，焊接销具有限制其广泛使用的不可忽视的缺点，特别是(但不限于)：

-组件必须具有用于焊接销的至少一个贯穿孔的限制，

-组件必须具有至少一个主要铁基(钢)部件以进行电阻焊接的限制，

-销的材料必须主要是铁基(钢)部件以进行电阻焊接的限制，

-需要访问组件的两侧以使电阻焊接成为可能，

-需要基于组件的几何形状和正在组装的两个件之间的厚度差异或正在组装的两个件的厚度公差来调整焊接销的几何形状，从而增加了销必须满足的要求的数量，以满足所有情况的需要，

-平面对平面组件的限制，

-在销的位置生成多余的厚度，以确保安全的机械接合，

-当将销电阻焊接到主要是铁基(钢)的其他部件上时，聚合物或复合材料部件的热降解。

...

此外，考虑到多材料组装点的数量(取决于车辆类型，可以在从500到多于1500的范围内)，与焊接销技术相关联的重量是不可忽略的，因此与减轻车辆重量的最初目标适得其反。

事实上，焊接销主要由铁制成，具有约7.8g/cm³的密度。对于标准的4.5g焊接销，质量的增加范围可以从2.25kg到多于6.75kg。取决于组装点的数量，焊接销方法可能不适合，除非由于组装的复合性质导致的质量减少不可忽略(逐案研究)。

另一个重要方面是使用焊接销生产的多材料组件的机械强度。这主要取决于销的焊接部件和大部分铁部件(热影响区)之间的焊接质量。

为了车辆轻量化，汽车制造商普遍使用高强度或超高强度钢(大于600MPa、800MPa或甚至1500MPa)，以降低车身常用扁钢产品的厚度，以减小它们的质量，同时保持结构部件所需的机械强度水平，诸如横杆或地板加强件或门防撞梁，如图1所示。此外，铝合金在车辆中的使用越来越多，随之而来的问题是将它们组装成钢。最后，某些车辆还使用碳纤维或热塑性复合材料，这对于与钢或铝合金进行机械接合是真正的挑战。

例如，这种情况需要在具有非常高的机械强度的钢板上使用低合金钢销(材料成本低)，因此通常会降低焊缝的强度。此外，由于焊接没有优化并且在所使用的钢材类型方面没有提供太多变化，在交变弯曲应力的情况下的抗剪切性和抗疲劳性也没有得到优化。

b.冷喷涂热喷涂

自1980年代以来，称为“冷喷涂”的方法允许使用未熔化的金属粉末颗粒生产涂层，这些粉末颗粒以非常高的速度(每秒数百米)喷涂到被喷涂的部件上。这种特别适用于沉积延展性金属材料的方法，由于在涂层生长的最初时刻与基底接触时以及在与正在形成的涂层接触时颗粒和基底的塑性变形，允许涂层的形成和粘合。

考虑到喷涂延展性、非熔化材料，冷喷涂允许在几乎没有或没有氧化物形成的环境空气中沉积金属涂层。与传统的热喷涂方法(等离子体、HVOF等)相比，冷喷涂还允许对基底产生低得多的热应力，并且限制热应力在喷涂沉积物中的积累。

此外，冷喷涂的速度和性能通常相当高(在kg/h范围内，产量大于90％)，这使得该技术特别值得用于工业应用。

现有技术

鉴于其优点，已建议使用冷喷涂来组装两种材料。下面的文档描述了这种用途。

文件US2007/0194085A1描述了生产可能是不同材料的两个部件的组件，通过冷喷涂诸如铝的金属形成凸块并且将部件保持彼此附接。

该文件描述了以产生足够能量的速度进行喷涂的重要性以去除存在于被喷涂的金属上以及至少在被组装的部件之间的界面上的任何污染物以清洁连接表面。去除的污染物是例如氧化物、润滑剂、粘合剂或涂层。

该文件将其组装方法与焊接两个部件进行了对比，这会降低组件的机械强度。

该文件还指出，喷涂金属的速度足以在不达到它们的熔点的情况下连接正在组装的部件，从而产生没有热影响区的连接，其中，金属的机械性能和腐蚀性能显著降低。

然而，在该文件中描述的组件中，冷喷涂金属的粘附本质上是机械的，这是由于基底在与喷涂的第一颗粒撞击时发生塑性变形，从而在基底/颗粒界面处产生附接点。

此外，喷涂的颗粒具有延展性，并且喷涂的颗粒与基底之间的机械强度的差异最初会影响冷喷涂金属的附接。

事实上，冷喷涂的正常增材制造条件通常允许喷涂材料之间具有良好的机械接合，该喷涂材料与沉积它的基底具有相同的性质，例如，金属上的金属。此外，基底必须具有足够的延展性，以在与进入的喷涂颗粒撞击时发生塑性变形，以产生附接点。

因此，例如，生产具有约250-400MPa的机械强度(Rm)的铝合金凸块，通过冷喷涂在另一种更坚固或更硬的材料(诸如钢(Rm>600–800MPa)或碳纤维复合材料(Rm>1000MPa)上实现良好的机械连接非常困难，因为在与铝合金颗粒接触时钢或碳的塑性变形几乎为零。

此外，文件US2007/0194085A1指出，一旦布置在两个部件之间的粘合剂凝固，接合材料就固定两个部件。该文件进一步表明所描述的组装技术具有低强度。

发明内容

目的是通过灵活的实施和至少等同的抗机械剪切性来解决现有技术的缺点。

本发明提出通过增材制造来生产凸块，以便机械组装两个部件，同时限制组件质量的增加，以提出适合于多材料组件的解决方案，以减轻陆地和空中车辆的重量。

还提出了纯机械附接解决方案，该解决方案不一定需要在正在组装的两个元件中的一个中预先形成贯穿孔或进入组件的两侧，这对于例如汽车或航空组装线上的组件来说是优势。

本发明提出在具有大于凸块的机械强度的支撑表面上冷喷涂密度例如小于或等于5.1g/cm³的凸块。例如，支撑表面是金属、聚合物和/或复合材料。凸块用作与第二材料组装的附接点，该第二材料可以是例如金属、聚合物和/或复合材料。

最后，由于附接凸块是通过原位增材制造生产的，因此凸块的几何形状与正在组装的部件的几何形状相适应，并且厚度的变化不会构成障碍。同样，两个部件之间的组装不再局限于平面组装。凸块的原位增材制造具有很高的灵活性，并且凸块适应在机械臂可接近组装区域的限度内可产生的两个部件的组装的环境。

本发明提出了预先制备的支撑表面，通过具有一定能量和频率的激光束(材料的局部熔化和升华)的冲击，以生成具有直径D和深度P的孔的测微网络R，或者具有宽度D、长度Lt和深度P的线的测微网络R，并且在一个实施例中，比率P/D大于1。

在线的网络的具体情况下，连续的线可以例如形成长度为n.L_t(n∈R)的线的网络，它们是平行的或相交的，对具体的图案没有限制。

支撑表面中的孔或线的网络R允许在凸块的增材制造时在具有支撑件的凸块的支撑表面上形成测微突起的网络R。凸块的突起构成支撑表面的主要锚定件。因此在支撑表面上形成的凸块通过增材制造对基本上垂直于凸块的生长方向的剪切力具有优化的抵抗力，并且可以用作不同材料之间的组装点，其中材料的表面由激光预先和局部织构。

喷涂材料(软)和支撑材料(硬)之间的机械强度差异或机械强度相等的缺点，如通常在热喷涂中发现的，在所提出的解决方案的上下文中令人惊讶地变成了优点。实际上，支撑件的更大或相等的机械强度有利于用更软/更具延展性的喷涂材料或具有相同强度的喷涂材料填充支撑件中的孔或线的网络R，其中喷涂的颗粒具有与通过支撑件上的激光织构获得的孔或线相同数量级的直径。通过以非常高的喷射能量(粒子速度大于500m/s)喷射在支撑件的孔或线中的积累生成垂直于支撑件中的孔或线的壁的压缩力，因此，加强了根据本发明的凸块的机械附接。

还提出了具有低密度的三维金属凸块，通过在支撑件上进行增材制造获得，具有优化的剪切强度，这可能是不能电阻焊接在一起的两种不同性质的材料或两种相同性质的材料之间的组件的主要组成部分。

鉴于其在支撑部件的表面上非常局部地生产，并且考虑到凸块的厚度与它与支撑部件的接触表面处于同一数量级，根据本发明的图不是表面涂层，而是通过增材制造获得的三维金属部件，特殊特征是它具有突起的网络R(填充支撑件的孔或线)，用作支撑部件上的锚定件。

与文件US7,624,910B2不同，另一个目标是提出不需要焊接/摩擦混合的凸块，以确保良好的抗剪切性。

此外，根据本发明的凸块不限于金属上金属组件。

为此，本发明首先提出了用于将机械组件的第一部件和第二部件彼此附接的方法，其中该方法包括在第一部件和第二部件上喷涂延展性材料的粉末，使第一部件和第二部件通过粉末的积聚而彼此附接，其中该方法包括对随后在其上喷涂粉末的第一部件或第二部件的至少一个表面进行织构。

这种方法增加了两个部件的组件的强度，同时改善了积聚的粉末对它们的附接。

可以单独或组合提供各种附加特性：

-织构包括通过激光束在单个位置的连续几次冲击，然后移动激光束产生孔的网络，其中该网络是作为粉末的喷涂的函数而产生的，使得网络的孔或线的单位面积的密度大于：

其中：

·(e)是积聚的粉末在垂直于第一部件或第二部件的表面的方向上的厚度；

·Stpa是网络的孔或线的截面；

·L是积聚的粉末在平行于第一部件和第二部件之间的牵引力方向的方向上的长度；

-第一部件和/或第二部件的材料的机械强度大于或等于粉末的机械强度；

-第一部件和第二部件由机械阻力在150和mPa之间的铝合金或机械阻力在600mPa和2000mPa之间的钢制成，并且粉末由机械阻力在100mPa和400mPa之间的铝或铝合金制成；

-该方法包括，在喷涂之后，向第一部件和第二部件之间的机械组件施加剪切力和/或牵引力；

-施加的剪切力大于1000±100N；

-该方法包括，在喷涂之前，将第一部件和第二部件相对于彼此定位并且暂时阻挡如此定位的第一部件和第二部件；

-喷涂为冷喷涂；

-利用压力为29巴±10％并且温度为320℃±10％的空气进行喷涂；

-在第一部件的表面和第二部件的表面上进行织构，从而允许增加彼此相邻的两个件的组件的强度；

-第一部件的表面和第二部件的表面以共面方式布置，两个部件彼此相邻；

-部件至少部分地布置在彼此的顶部，喷涂使部件中的一个固定在另一个上；

-在固定部件的横向开口中进行喷涂，其中开口的横向尺寸在另一部件的方向上减小；

-织构是通过激光束进行的；

-激光束在单个位置包括若干连续冲击，随后移动，形成织构至少一个表面的孔的网络，或者激光束在移动时包括连续冲击，形成织构至少一个表面的线的网络；

-第一部件和/或第二部件由铝合金或钢制成，并且部件的孔或线分别在彼此相距150μm或200μm±10％的距离处产生，使得组件的断裂发生在积聚的粉末的水平处，而不是部件上的锚定件(测微突起)；

-网络的产生在直径小于或等于其深度的圆内为每个孔提供轮廓，或在宽度小于或等于其深度的矩形内为每条线提供轮廓；

-喷涂包括多遍。

使用本领域技术人员的知识调整冷喷涂工艺的参数，以形成致密的、机械强度高的积聚体。

其次，本发明提出了一种组件，该组件包括第一部件、第二部件和将部件彼此附接的延展性材料的积聚粉末，其中该组件的特征在于，织构粉末附接的两个部件的至少一个表面。

这种组件具有增加的强度，从而改善了积聚体与两个部件的附接。

在一种变体中，10％±10个百分点的积聚的粉末熔化。

第三，本发明提出了包括上述组件的陆地或空中车辆。

附图说明

通过参考附图提供的以下详细描述，将更好地理解本发明，并且它们的其他目的、特征、细节和益处将更容易显而易见，附图仅作为示例提供，并且说明了本发明的各个实施例，并且示出：

[图1]–图1示出了使用UHS钢生产的车辆的区域的示例。

[图2A]

[图2B]-图2A和图2B是根据两个不同实施例的三维凸块的示意图；

[图3]-图3是根据一个实施例的通过凸块组装两个部件的示意图；

[图4A]

[图4B]-图4A和图4B是根据各个实施例的通过凸块组装两个部件的示意图；

[图5]-图5是根据另一实施例的通过凸块组装两个部件的示意图；

[图6]-图6是根据另一实施例的通过凸块组装两个部件的示意图；

[图7]-图7是根据另一实施例的通过凸块组装两个部件的示意图；

[图8]-图8是正在组装的其中一个部件中的孔的网络R的光学显微照片；

[图9]-图9是根据一个实施例的正在组装的其中一个部件中的孔的光学显微照片，该孔由凸块的突起填充；

[图10]–图10是根据另一实施例的类似于图9的视图；

[图11]-图11是根据一个实施例的通过凸块组装两个部件的示意图；

[图12]-图12是两个织构部件的示意图，示出了冷喷涂工艺的进展；

[图13A]

[图13B]-图13A和图13B示出了根据两个不同实施例的通过凸块组装两个部件的剪切试验结果；

[图14A]

[图14B]

[图14C]

[图14D]

[图14E]

[图14F]-图14A至图14F是根据六个不同实施例的织构的示意顶视图；

[图15A]

[图15B]

[图15C]

[图15D]-图15A至图15D是根据六个不同实施例的织构的示意侧面剖视图。

具体实施方式

图2A和图2B是三维金属凸块10的示意图。根据一个实施例，凸块10的密度小于或等于5.1g/cm³。凸块10包括与部件20的接触表面11，部件20可以是金属、聚合物或玻璃纤维/碳纤维复合材料。凸块10还包括外表面12，在所示实施例中，外表面12的表面积大于或等于接触表面11的表面积。表面11和12的轮廓限定了凸块10的外部几何形状，该外部几何形状可以是例如平行六面体或截头圆锥体，但形状不受限制。

凸块10是通过冷喷涂金属颗粒通过增材制造获得的粉末的团块。

与部件20的接触表面11的至少一部分，凸块10具有通过完全或部分填充测微孔或线21的相同的网络R而获得的测微突起13的网络R，在一个实施例中，这些网络R是先前通过部件20的材料的烧蚀/升华原位制造的。

在一个实施例中，部件20的孔或线21的网络R是使用激光束产生的。

在各个实施例中，部件20的孔或线21的网络R是通过对部件20进行机械加工(例如穿孔)、冲压或在部件20的制造期间产生的，例如在部件20被铸造时。

在一个实施例中，孔或线21通过激光烧蚀原位并且预先在支撑件中产生。

测微孔或线21可以周期性地或不规则地分布，并且连续的线可以形成具有长度n.L_t，(n∈R)的线的网络，例如平行或相交，没有任何限制于具体的图案，如图14A至图14F所示。孔或线的轮廓可以分别包括在具有直径D的圆形或具有宽度D和长度Lt的矩形内。在所示的实施例中，孔或线21的平均深度P大于或等于D，并且以至少两倍于D的平均距离分隔开，以便为凸块10提供与部件20的纯机械连接，该机械连接在基本上垂直于突起13或孔21的轴线的方向上具有优化的剪切强度。

在所示的实施例中，特别地，在图15A至图15D中，孔或线21的壁可以相对于垂直于部件的外表面22和/或部件30的外表面32的方向具有-45°至+45°的角度，以增强凸块10在垂直于部件20的外表面22和/或部件30的外表面32的方向上的抗磨损性。

在一个实施例中，单个网络的所有孔或线21具有相似的方向，以便通过冷喷涂促进它们的填充，冷喷涂的源具有与孔或线21的壁的方向对应的方向。

在未示出的实施例中，部件20和/或30具有包括孔的织构和包括线的织构。

在某些实施例中，部件20和30具有不同的织构。

在一个实施例中，部件30的端部的壁33具有孔或线21。这些孔或线21可以在与孔或线21的其他网络R1、R2中的至少一个相同的方向上倾斜。

凸块10在组件的附接点的水平处对任何裂纹的传播提供优化的阻力，其中凸块10的每个突起13单独地用作附接点。

通过具有大于或等于凸块10的机械强度的支撑件20来促进孔的完全填充。在这种情况下，在凸块10的增材制造期间，冷喷涂金属颗粒在孔或线21中的积聚生成垂直于突起13的生长轴并且朝向孔或线21的壁的方向的径向力，从而确保凸块10在部件20中的良好机械锚定。

在所示的实施例中，具有与支撑部件20的纯机械(锚定)连接的凸块10可以有利地用于在两个部件20和30之间产生具有优化的抗剪切性的机械附接点，部件20和30的化学组分可以不同。

如图3所示，在部件20或部件30中不存在预先存在的孔的情况下，可以在部件20和30上同时产生凸块10，部件20和30分别具有孔或线的两个网络R1和R2，网络R1和R2的横截面、深度和分布可以不同，并且在同一水平处与它们的两个外表面22和32端对端接触，以获得不可拆卸、抗剪切和抗磨损的组件。

在一个实施例中，凸块10是通过将第一部件20和第二部件30相对于彼此定位并且暂时阻挡如此定位的第一部件20和第二部件30，然后喷涂粉末而获得的。在喷涂之后去除临时阻挡。

为了在部件20和30之间提供具有优化的抗弯阻力的组件，如图4A所示，部件20可以有利地在其端部的部分和其厚度的部分上具有凹口，以形成支撑表面24以及垂直于支撑表面24的壁23。因此，部件30的端部的全部或部分可以靠在表面24和壁23上。

同样地，如图4B所示，两个部件20和30的每个可以具有凹口，使得每个部件20、30位于另一个部件20、30上。

如图5所示，在部件20或部件30中不存在预先存在的穿孔的情况下，当部件30部分地覆盖部件20并且抵靠支撑表面25时，金属凸块10可以用于在两个部件20和30之间产生第二类型的组件。

在部件20上通过增材制造在部件30的端部的壁33上产生具有生长限制的第一凸块10a。第一凸块10a的厚度大于部件30的厚度或邻接表面25的部件30的部分的厚度。

具有与第一凸块10a相同化学组分的第二凸块10b在部件30上产生，第二凸块10b的厚度使得第二凸块10b的外表面12b与第一凸块10a的外表面12a处于同一水平上。

最后，通过冷喷涂在外表面12a和12b上产生具有与凸块10a和10b相同化学组分的大块材料10c，以机械组装两个凸块10a和10b，从而机械组装部件20和30。

在一个实施例中，产生凸块10a和10b以及大块材料10c的步骤通过冷喷涂在单个增材制造操作中进行并且形成单个单元10。

在要组装的部件20和30在它们的两端不连续并且不具有覆盖的特定情况下，通过冷喷涂获得的大块材料10c可以具有如图6所示的特定的几何形状(剖视图为T形)，以填充部件20和30之间的空间。

在一个实施例中，产生凸块10a和10b以及大块材料10c的步骤可以通过冷喷涂在单个增材制造操作中进行并且形成单个单元10。

如图6所示，当部件20和30不连续时，包括三个部件10a、10b和10c或两个凸块10a和10b以及连接的大块材料10c的凸块10的产生，解决了在没有先用大块材料10c填充部件20和30之间的空间的情况下冷喷涂在不连续的部件20和30上时铝粉不能沉积的问题。

如图7所示，考虑到凸块10的外形，凸块10可以是截头圆锥形，其表面12的表面积大于与部件20的接触表面11的表面积，凸块10可以在部件30之后产生，具有体积略大于未来凸块10的截头圆锥形孔的部件30已与部件20上的部分覆盖连接。

在这种情况下，凸块10通过孔或线的网络R和突起13机械地锚定在部件20上，并且通过冷喷涂在部件30中的截头圆锥形孔的外壁31上通过增材制造继续生长。

在组件30的一个部分被预先穿孔的特定情况下，并且在所示的实施例中，凸块10不超出部件30的外表面32，这可能是有利的，以避免部件20和30之间产生的机械组件体积过大。

在各个实施例中，部件30中的孔具有任何形状，并且朝向孔的一部分变宽，使得部件30被凸块10保持在适当位置，其中凸块10至少部分地填充孔。

对于上述所有示例，在一个实施例中，部件20和/或30的孔或线的网络R是通过由功率PL和频率F表征的激光束获得的。在一些实施例中，网络R的孔或线的深度P大于或等于孔或线的平均直径或宽度D，使得比率P/D总是大于1。

比率P/D由激光束的焦点和直径以及激光在同一位置撞击的次数N或对于给定功率PL和频率F的激光的移动线速度控制。对于给定材料，普遍接受的是，对于给定频率，功率和撞击次数越大和/或移动的线速度越低，在与经受正在形成的孔的激光照射的材料的汽化和提取的可能性对应的一定限度内，孔或线越深。此外，对于给定功率、冲击次数和/或激光的移动线速度，激光频率越大，孔的深度越小。

例如，图8示出了具有约等于2.7的比率P/D的孔的网络R，在实验室规模上通过频率为20kHz±10％的20W±10％激光在机械强度为900MPa的钢表面上获得。在这种特定情况下，孔由间隔开约200μm，并且具有接近70-75μm的平均直径。

在图8的条件下，在4.5x10^-3秒内连续90次激光撞击后获得单个孔。例如，对于长度、宽度和厚度分别为20mm、10mm和2mm的凸块10，通常需要10-20个孔-突起/mm²，以确保未来的组件具有最佳的机械强度。对于支撑表面为200mm²、在机械强度为900MPa的钢表面上产生的凸块，在实验室规模，上述激光条件导致激光准备时间为约9-18s。

考虑到在实验室规模或工业条件下分别为1-3kg/h的喷涂材料的质量流量，例如主要为铝基的凸块10具有约2.7g/cm^-3的密度和0.4cm³的体积，具有接近1.1g的质量，并且理论上可以在0.3s或0.1s内产生。因此，制造时间基本上受限于机械臂的移动以在若干次通过时产生凸块10，并且调整材料流量以产生具有所需几何形状的凸块。在这些条件下，产生体积为0.4cm³的凸块10的冷喷涂时间通常在2s到3s之间。

在不同的实施例中，在工业规模上，每个孔是在用200W±10％的激光冲击9次后获得的。在这些最佳条件下，激光准备时间减少到0.9s到1.8s之间。因此，根据工业参数，可以在2.9s至4.8s的时间内产生牢固地锚定在机械强度为900MPa的钢支撑件中的凸块10，这与汽车或航空领域的应用兼容。

图9示出了在机械强度为900MPa的钢板上用冷喷涂铝填充由激光(P/D为2.7)获得的孔的示例。

图10示出了钢的激光织构的正点。每个孔是通过以下步骤产生的：数次恒定功率的激光冲击，通过钢的局部熔化在孔周围形成钢的突起，以及通过冲击施加的局部压力和钢的凝固排空。

该突起构成了对通过冷喷涂获得的凸块10的附加锚定效果。

图8、图9和图10完美地展示了产生具有大量测微突起的凸块的可能性以及通过比钢更具延展性的喷涂铝很好地填充孔的可能性。在这些制造条件下，在机械强度为900MPa的钢板上，机械强度为100MPa、厚度为2mm、接触表面积为200mm²的铝凸块10的剪切强度为约2000N，或每个凸块约200kg。

在一个实施例中，凸块10主要由铝组成，并且可以包含元素硅(Si)、锰(Mn)和/或镁(Mg)，以具有增加的机械性能，基于合金元素的含量，通常在200MPa和400MPa之间。在这些条件下，具有2mm厚度和200mm²接触表面积的铝凸块10在具有900MPa的机械强度的钢板上具有约8000N或每个凸块约400-800kg的剪切强度。

在某些特定应用(例如，航空航天)中，凸块10可以主要由钛组成，并且可以包含元素铝或钒。在用于UHS钢板和钛合金板之间的机械组件的由具有1100MPa的机械强度的Ti-6Al-4V(TA6V)制成的凸块10的特定情况下，厚度为2mm并且与钢板的接触表面积为200mm²的凸块10的剪切强度为22000N，即每个凸块2.2t。

上述各种示例具有允许产生孔R1和R2的网络的表面织构，完全适用于网络R1和R2由线组成的情况。

在各个实施例中，部件20由金属、聚合物和/或复合材料制成。部件30由金属、聚合物和/或复合材料制成。

为了增加组件的强度，用于喷涂粉末的材料的机械强度小于或等于支撑部件20、30的材料的机械强度。

在一个实施例中，在对织构钢进行喷涂期间，具有较低机械强度的粉末塑性变形并且积聚在(例如，通过激光)形成的孔或线中，并且生成有利于组件的机械强度的条件。

在一个实施例中，当喷涂到织构铝合金上时可能会出现两种情况：

-粉末的机械强度低于铝合金的机械强度，并且观察到与织构钢相同的效果；

-粉末的机械强度与铝合金的机械强度相当，并且在喷涂(例如冷喷涂)期间织构部分或全部变形，导致两种铝合金的“混合”具有非常好的机械强度。

在后一种情况下，铝合金部件30的织构在喷涂后不再可见。横截面的显微镜检查表明粉末的铝和部件30的铝合金已经混合。

在一个实施例中，如果粉末的机械强度大于具有较低硬度的部件30(铝合金部件)的机械强度，则喷涂(例如，冷喷涂)将导致具有较低硬度的部件30磨损，而没有粉末粘附或凸块10形成。

当机械组件在第一部件(20)和第二部件(30)之间经受剪切和/或牵引力时，在一个实施例中，优选地，如图11所示，凸块10的牵引和/或剪切断裂分别通过施加在垂直于部件20和30的相交平面的方向上的力Ft和/或施加在平行于与凸块10接触的部件20和30的表面22和32并且平行于部件20和30的相交平面的方向上的力c出现在凸块10的主体的水平处，而不是在部件20和30上的锚点(测微突起)。

为此，已经发现，具有圆形或矩形横截面的锚定件在表面22和32的水平处的总表面积Stpa必须大于凸块10在与剪切施加的力共面且与表面22和32共面的平面中的截面Ss的表面积。

因此：

[数学式1-1]

Stpa>Ss

[数学式1-2]

Spa×Npa>e×lg

其中：

-Spa是凸块10的锚定件的平均表面积；

-Npa是凸块10的锚定件的数量；

-e是凸块10在垂直于剪切力c并且垂直于表面22和32的方向上的厚度；

-lg是凸块10在垂直于剪切力c并且平行于表面22和32的方向上的宽度；

[数学式1-3]

[Stpa]×[d_pa×L×lg]>e×lg

其中：

-dpa是凸块10的锚定件的每单位表面积的密度；

-L是凸块10在垂直于剪切力c并且平行于表面22和32的方向上的长度。

[数学式1-4]

其中，在具有圆形横截面的锚定件(孔的网络)的情况下，

或在具有矩形横截面的锚定件(线的网络)的情况下，Stpa＝D.L_t。

在具有20mm的长度L、10mm的宽度lg和2mm的厚度e的凸块10的示例中，具有圆形横截面的锚定件的平均直径D为例如80μm，并且每平方毫米的锚定件的密度dpa必须大于约20。

由铝制成的这种凸块的机械强度Rm等于100MPa，将抵抗等于以下值的拉伸应力Ft：

[数学式2-1]

F_t＝R_m×e×lg

[数学式2-2]

F_t＝100×2×10

[数学式2-3]

F_t＝2000N

在另一个实施例中，由包含Si和Mg的铝合金制成且机械强度Rm等于300MPa的这种凸块将抵抗等于以下值的拉伸应力Ft：

[数学式3-1]

F_t＝R_m×e×lg

[数学式3-2]

F_t＝300×2×10

[数学式3-3]

F_t＝6000N

在具有20mm的长度L、10mm的宽度lg、2mm的厚度e的第二凸块10的示例中，具有矩形横截面的锚定件的平均宽度D和长度分别为例如80μm和1mm(小于lg)，每平方毫米锚定件的密度dpa必须大于约1.3。

为了证实这些理论陈述，已经进行了试验。

因此，部件20和30分别由钢和铝合金制成。

在所描述的实施例中，部件20具有在600MPa和900MPa之间的机械强度。部件30具有在150MPa至200MPa之间的机械强度。

在不同的实施例中，铝合金属于3000-6000系列中的一个。例如，合金包括铝和镁；铝、镁和硅；或者铝、锰和硅。

部件20和30由功率为20W±10％和频率为20kHz±10％的激光脉冲织构。在铝合金部件中每孔5个脉冲。在钢部件中每孔90个脉冲。

每个板的织构面积为10mm x 10mm。

铝合金部件的织构产生平均直径D为80μm、彼此间隔开150μm±10％的孔。钢部件的织构产生孔，在第一实施例中，孔彼此相差400μm±10％，或者在第二实施例中，孔彼此相差200μm±10％。

使用带有MOC 24喷嘴的Kinetic 3000(CGT GmbH，德国)冷喷涂系统进行冷喷涂以产生凸块10。

利用粒径在30μm和56μm之间的Al 1050铝粉进行冷喷涂。铝粉的机械强度在100MPa和150MPa之间。

在各个实施例中，铝粉属于1000或3000-6000家族。

在这个实施例中，约90％±10个百分点的形成粉末的颗粒没有熔化。

以空气为载气，在29巴±10％的压力、320℃±10％的气体温度下进行冷喷涂。载气流量为80l/min±10％。粉末托盘以20rpm±10％的速度旋转。间距为3mm±10％，喷涂距离为25mm±10％，并且驱动速度为30mm/s±10％。喷涂进行3次。

根据图12所示的进程进行冷喷涂。

一旦凸块10已经形成以组装部件20和30，独立地施加如图11所示的牵引和剪切应力，直到断裂。图13A是在根据第一实施例产生的组件上进行的试验结果的示意图，其中钢部件的织构在拉伸或剪切应力之后产生彼此间隔开400μm±10％的孔。图13B是在根据第二实施例产生的组件上进行的试验结果的示意图，其中钢部件的织构在拉伸或剪切应力之后产生彼此间隔开200μm±10％的孔。

将注意的是，在图13A中，组件在部件30上的凸块10的锚定件与凸块10的主体的连接的水平处断裂，而主体保持完整。在图13B中，组件在凸块10的主体的水平处断裂，而在部件20和30的水平处的凸块10的锚定件保持连接至主体。

因此，测试表明，对于用于产生凸块10的这些参数，相对于其锚定件而言，孔之间的400μm的空间对于凸块10来说太大而不能在其主体的水平处让位。

该结果与上述计算一致，表明对于长度L等于20mm、宽度lg等于10mm、厚度e等于2mm、且平均锚定件直径D等于80μm的凸块10，每平方毫米锚定件的密度dpa必须大于约20。因此，凸块10的锚定件必须平均间隔开不超过220μm。

在铝合金/钢组件上进行了测试。钢支撑部件的先前激光织构允许在200mm²的表面积上形成直径为50μm、深度为120μm且间隔开200μm的孔的网络R。对于这样的组件，在2200±100N的应力下，铝凸块的主体系统地发生了拉出。

由于锚定件(测微突起)，凸块保持牢固地接合到支撑部件。这表明组件的拉伸应力基本上取决于凸块10的机械强度和几何形状，机械强度和几何形状可以根据用于汽车应用的混合组件的所需机械强度进行调整。

进行对比试验，以通过在铝合金板中形成的孔中冷喷涂纯铝，将铝合金板组装在厚度为2mm(覆盖20mm)的钢板(机械强度为900MPa)上。对使用不同冷喷涂参数获得的几个组件进行了剪切测试，以获得喷涂铝中可能的最佳连接和最佳密度。必须注意，在喷涂铝和钢支撑部件之间的界面处系统地发生断裂，表明组件具有低剪切强度。事实上，对于200mm²表面积和2mm厚度的冷喷涂，在1000±100N的剪切应力下会发生断裂，这对于汽车或航空航天应用来说并不令人满意。

可以独立考虑以上示例的参数和特征以产生其他实施例。

Claims

1.一种用于将用于机械组件的第一部件(20)和第二部件(30)彼此附接的方法，其中，所述方法包括：在所述第一部件(20)和所述第二部件(30)上喷涂延展性材料的粉末，使所述第一部件(20)和所述第二部件(30)通过所述粉末的积聚而彼此附接，所述方法的特征在于，所述方法包括织构随后在上面喷涂所述粉末的所述第一部件(20)或所述第二部件(30)的至少一个表面。

2.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述织构包括通过激光束在单个位置的多次连续冲击产生孔(21)的网络(R1、R2)，随后移动所述激光束，其中，所述网络(R1、R2)作为所述粉末的喷涂的函数产生，使得所述网络(R1、R2)的孔或线(21)的单位面积的密度(dpa)大于：

其中：

-(e)是积聚的粉末(10)在垂直于所述第一部件(20)或所述第二部件(30)的表面的方向上的厚度；

-(Stpa)是所述网络的所述孔或线的截面；

-(L)是所述积聚的粉末(10)在与所述第一部件(20)和所述第二部件(30)之间的牵引力(Ft)方向平行的方向上的长度。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一部件(20)的材料和/或所述第二部件(30)的材料的机械阻力大于或等于所述粉末的材料的机械阻力。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一部件(20)和所述第二部件(30)由机械阻力在150mPa和400mPa之间的铝合金或机械阻力在600mPa和2000mPa之间的钢制成，并且所述粉末由机械阻力在100mPa和400mPa之间的铝或铝合金制成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述喷涂之后，所述方法包括在所述第一部件(20)和第二部件(30)之间向所述机械组件施加剪切力和/或牵引力。

6.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，施加的剪切力大于1000±100N。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述喷涂之前，所述方法包括将所述第一部件(20)和所述第二部件(30)相对于彼此定位并且暂时阻挡如此定位的所述第一部件(20)和所述第二部件(30)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷涂是冷喷涂。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷涂是利用29巴±10％的压力和320℃±10％的温度下的空气进行的。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述第一部件(20)的表面和所述第二部件(30)的表面上进行所述织构。

11.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一部件(20)的表面和所述第二部件(30)的表面以共面方式布置，其中，两个部件(20、30)彼此相邻。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，部件(20、30)至少部分地布置在彼此的顶部上，其中，所述喷涂将所述部件(20、30)中的一个固定在另一部件(20、30)上。

13.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，在固定的部件(20、30)的横向开口中进行所述喷涂，其中，开口具有在另一部件(20、30)的方向上减小的横向尺寸。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过激光束进行所述织构。

15.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述激光束在单个位置包括若干连续冲击，随后移动，形成织构至少一个表面的孔(21)的网络(R1、R2)，或者，所述激光束在移动时包括连续冲击，形成织构所述至少一个表面的线(21)的网络。

16.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一部件(20)和/或所述第二部件(30)由铝合金或钢制成，并且部件(20、30)的孔或线(21)分别在彼此相距150μm或200μm±10％的距离处产生。

17.根据权利要求15或16中任一项所述的方法，其特征在于，所述网络(R1、R2)的产生在直径(D)小于或等于孔(21)的深度(P)的圆内为每个孔(21)提供轮廓，或者在宽度(D)小于或等于孔(21)的深度(P)的矩形内为每条线(21)提供轮廓。

18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述喷涂包括多遍。

19.一种组件，包括第一部件(20)、第二部件(30)和将部件(20、30)彼此附接的延展性材料的积聚的粉末，其中，所述组件的特征在于，附接所述粉末的两个部件(20、30)至少一个表面被织构。

20.根据前述权利要求所述的组件，其特征在于，10％±10个百分点的所述积聚的粉末熔化。

21.包括根据权利要求19或20中任一项所述的组件的陆地或空中车辆。