CN204487001U - 摩擦焊接的接地组件 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种摩擦焊接的接地组件，包括：具有排屑孔的合金基板；具有螺栓孔和外壁的铝合金焊接螺母；以及接地螺栓，其中，螺栓孔位于排屑孔内并且外壁的一部分在摩擦焊接附接件处与基板接合，并且进一步地，接地螺栓旋入螺栓孔内。本实用新型能够实现基于铝的部件的低成本连接。

Description

摩擦焊接的接地组件
技术领域
本实用新型大体涉及摩擦焊接组件，特别是车用旋转焊接电接地组件。
背景技术
电接地组件在依赖于电气部件和/或电子部件的技术导向型产品(包括车辆)中很多见。在汽车应用中，电接地组件通常安装在车辆内的不同位置的金属板材上。通常，使用相当昂贵和灵敏的电弧焊工艺制造这些电接地组件。
最近，车辆的大规模生产正在向结合更多的铝合金部件发展。相对于前代车辆(特别是对于金属板材部件)所采用的钢，铝合金耐腐蚀且节省了重量。为这些基于铝的车辆制备电接地组件所使用的方法不能根据过去的采用钢部件和/或其他黑色金属部件的车辆发展出的那些方法。例如，与基于铝的车辆相关联的不同冶金术需要新的接合方法的发展。
因此，需要一种用于基于铝的部件的低成本连接方法，特别是采用了安装在铝合金金属板材上的电接地组件的车辆。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于，提供一种摩擦焊接的接地组件以实现基于铝的部件的低成本连接。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种摩擦焊接的接地组件，其包括具有排屑孔的合金基板；具有螺栓孔和外壁的铝合金焊接螺母以及接地螺栓。该螺栓孔基本上位于排屑孔内，外壁的一部分在摩擦焊接附接件处与基板接合。另外，接地螺栓旋入该孔内。
根据本实用新型的一个实施例，外壁是圆锥形。
根据本实用新型的一个实施例，铝合金焊接螺母的螺栓孔适合于通过六角形驱动元件进行旋转焊接。
根据本实用新型的一个实施例，焊接螺母的螺栓孔适合于通过星形驱动元件进行旋转焊接。
根据本实用新型的一个实施例，基板是车辆部件。
根据本实用新型的一个实施例，摩擦焊接附接件可以承载至少200磅的外推负荷。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种用于制造接地组件的方法，该方法包括步骤：以预定速度旋转具有外壁的铝合金焊接螺母；降低旋转螺母的外壁以与合金基板接触从而产生摩擦力并持续一段摩擦时间；阻止螺母旋转；并对外壁和基板施加轴向锻造力并持续一段锻造时间。
根据本实用新型的一个实施例，降低步骤还包括将焊接螺母的螺栓孔降低至合金基板的排屑孔内。
根据本实用新型的一个实施例，摩擦时间和锻造时间是预定的以在焊接螺母的外壁和基板之间产生具有适用于车辆的电接地部件的机械性能的旋转焊接的金属接头。
根据本实用新型的一个实施例，摩擦时间是基于焊接螺母的外壁的由摩擦引起的尺寸减小来限定的。
根据本实用新型的一个实施例，锻造时间是基于焊接螺母的外壁的由锻造引起的尺寸减小来限定的。
根据本实用新型的一个实施例，预定速度设置在约13000rpm到18000rpm之间并且轴向锻造力设置在大约3bar到6bar之间。
根据本实用新型的一个实施例，该方法还包括步骤：
在施加轴向锻造力的步骤之后，使接地螺栓旋入焊接螺母的螺栓孔内。
根据本实用新型的另一个方面，提供了一种用于制造接地组件的方法，该方法包括步骤：降低铝焊接螺母的外壁以与合金基板接触；以预定速度旋转螺母以在外壁和基板之间产生摩擦力并持续一段摩擦时间；阻止该螺母旋转；并对外壁和基板施加轴向锻造力并持续一段锻造时间。
根据本实用新型的一个实施例，降低步骤还包括将焊接螺母的螺栓孔降低至合金基板的排屑孔中。
根据本实用新型的一个实施例，摩擦时间和锻造时间是预定的以在焊接螺母的外壁和基板之间产生具有适用于车辆的电接地部件的机械性能的旋转焊接的金属接头。
根据本实用新型的一个实施例，摩擦时间是基于焊接螺母的外壁的由摩擦引起的尺寸减小来限定的。
根据本实用新型的一个实施例，锻造时间是基于焊接螺母的外壁的由锻造引起的尺寸减小来限定的。
根据本实用新型的一个实施例，预定速度设置在约13000rpm到18000rpm之间并且轴向锻造力设置在大约3bar到6bar之间。
根据本实用新型的一个实施例，该方法还包括步骤：
在施加轴向锻造力的步骤后，使接地螺栓旋入焊接螺母的螺栓孔中。
本实用新型的有益效果在于，实现了基于铝的部件的低成本连接。
通过对以下说明书、权利要求书以及附图的学习，本领域的技术人员将理解和领会本实用新型的这些以及其他方面、目的和特征。
附图说明
附图中：
图1A是根据一个示例性实施例的用于旋转焊接的电接地组件的焊接螺母的仰视图和主视图。
图1B是图1A所示的焊接螺母的截面图。
图1C是根据另一示例性实施例的在执行用于建立电接地组件的方法期间的图1A所示的焊接螺母、基板和驱动机构的截面图。
图1D是根据另一示例性实施例的旋转焊接的电接地组件的截面图，旋转焊接的电接地组件包括图1A中所示的焊接螺母、基板和螺栓。
图2A是根据另一示例性实施例的用于旋转焊接的电接地组件的焊接螺母的仰视图和主视图，其适用于通过星形驱动机构进行旋转焊接。
图2B是图2A所示的焊接螺母的截面图。
图2C是根据另一示例性实施例的在执行建立电接地组件的方法期间的图2A所示的焊接螺母、基板和星形驱动机构的截面图。
图2D是根据另一示例性实施例的旋转焊接的电接地组件的截面图，旋转焊接的电接地组件包括在图2A中所示的焊接螺母、基板和螺栓。
图3是根据另一示例性实施例的描绘了通过在不同的主轴转速下制造的摩擦焊接的接地组件承受的外推负荷的图表。
具体实施方式
根据需要，在此公开本实用新型的详细实施例；然而，应当理解，所公开的本实用新型的实施例仅仅是的示例性的，其可以以各种不同的替代形式实施。附图不一定是详细设计；一些示意图可以被放大或缩小来显示功能的概述。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本实用新型的代表性基础。
为了本文中描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“后”、“前”、“竖直”、“水平”以及其派生词应与图1C中所示的部件相关。然而，可理解，本实用新型可采取各种可替代的定向，除非有明确地相反规定。也可理解，在附图中示出的以及在下面的说明书中描述的具体装置和工艺仅仅是在所附权利要求书中限定的本实用新型构思的示例性实施例。因此，除非在权利要求明确地说明，否则与本文所公开的实施例有关的具体尺寸和其他物理特性不被认为是限制性的。
参照图1A，根据本公开的实施例示出了在旋转焊接的电接地组件中使用的焊接螺母10。焊接螺母10包括螺栓孔20和外壁30。焊接螺母10是具有外径12的大致圆形，并且还包括面10a用于方便安装，使得距离13限定外壁30上的两个相对的面10a之间的距离。该面10a位于焊接螺母10的上部，在外壁30之上。另外，螺栓孔20限定内径22。
如图1B所示，该焊接螺母10的形状大致为圆锥形，如螺母10的截面图中所示，通过锥角28限定了外壁30的平坦部分。正是焊接螺母10的外壁30的这一部分在旋转焊接工艺期间可抵靠基板1(见图1C和图1D)旋转。因此，焊接螺母10通过总高度24限定，并且外壁30的位于锥形段之上的部分限定基板之上的高度26。
焊接螺母10可以利用多种热处理由多种铝合金组成，包括但不限于606x-T0、5754、6061、6061-H13、6061-T6、6111-T4、6111-PFHT、AA7xxx、AA6xxx以及其他适用于摩擦焊接的组分和热处理。优选地，焊接螺母10选用的组分应该与应用于基板1的类似。同样地，基板1优选地是铝合金。此外，在一些实施例中，基板1可以由钢合金形成。同样优选地，为焊接螺母10选择具有适合电接地应用(特别是车辆上应用的)的电学和机械性能的组分。
根据一个示例性实施例，圆锥形焊接螺母10可在零回火下由606x铝合金制造、在T6回火下由AA6xxx铝合金制造或者在T6回火下由AA7xxx铝合金制造。焊接螺母10可以进一步具有大约为18mm的外径12、大约17mm至18mm的在相对面之间的距离13、以及大约为5mm至6mm的内径22。焊接螺母10也可以具有范围在8.25mm至8.5mm的总高度24，外壁30形成范围在39°至41°的锥角28。合起来，总高度24和锥角28限定基板之上的高度26，大约4.3mm。
在其他实施例中，焊接螺母10可以配置为其他的尺寸，同时保留了外壁30的圆锥形部分。当螺母10旋转并且在轴向方向压向基板1时，与该焊接螺母10的外壁30相关的圆锥形有助于在螺母10和基板1(见图1C和图1D)之间产生大的摩擦力。
参照图1C，描述了安装中的摩擦焊接接地组件100。该接地组件100包括焊接螺母10(也见图1A和图1B)。该组件100包括具有排屑孔2的基板1。基板1的部分1a被配置为在旋转焊接步骤期间接收焊接螺母10。优选地，基板1的部分1a的尺寸经设定并且配置为大体上与焊接螺母10的外壁30的部分30a相匹配，因此部分1a和30a在旋转焊接步骤期间将实质性接触。优选地，基板1由一种或多种铝合金组成，与应用于焊接螺母10的那些铝合金一致。
如图1C所示，驱动机构6的驱动元件7插入焊接螺母10的螺栓孔20内或者以其他方式附接至焊接螺母10的螺栓孔20。然后驱动机构6可以用于使焊接螺母10以预定主轴转速50旋转。在一些实施例中，驱动元件7具有套状的头部，其可以附接至面10a以旋转焊接螺母10。然后驱动元件7和驱动机构6可以对焊接螺母10的外壁30和螺栓孔20应用降低运动40，使得外壁的部分30a被放置成与基板1的接收部分1a实质性接触并且螺栓孔20的至少一部分在排屑孔2内。由于在根据降低运动40来降低外壁30的同时，焊接螺母10保持以主轴转速50旋转，因此分别在螺母10的部分30a与基板1的部分1a之间产生摩擦力52，并持续预定时间，即“摩擦时间”。在摩擦时间期间由这个步骤产生的摩擦力52引起来自部分1a和部分30a的固体状态的材料的再分配，这是与接地组件100相关的摩擦焊接的产生的一个方面。摩擦力52的大小足够高以引起这样的固体状态的材料的再分配(例如，通过与摩擦相关联的温度升高引起的固态扩散)，但是没有产生高到足以引起熔化的温度。
接下来，可以降低主轴转速50，因此可以减慢(或阻止)焊接螺母10的运动。这时候，通过驱动元件7和驱动机构6将轴向锻造力60施加于焊接螺母10，迫使焊接螺母10向下挤压基板1并持续预定时间，即，“锻造时间”。在锻造时间期间，与锻造力60相关的这个锻造操作提供了来自部分1a和部分30a的固体状态的材料的进一步再分配，这是与接地组件100相关的摩擦焊接的产生的另一个方面。
如图1D所示，现在摩擦焊接附接件62已经在接地组件100中产生，其跨越在焊接螺母10和基板1之间。此外，该附接件62位于与部分1a和部分30a基本上相对应的区域。因为与摩擦力52和锻造力60有关的材料分配，因此焊接螺母10的总高度24现在变得更小。特别地，与摩擦力52有关的材料再分配限定了用于焊接螺母10的摩擦调整高度24a。类似地，与摩擦力52和锻造力60有关的材料再分配限定了焊接螺母10的摩擦焊接调整高度24b。
还参照图1D，由钢或铝合金(例如，涂层钢合金电接地螺栓)制造的螺栓4也能旋入焊接螺母10的螺栓孔20。螺栓4包含攻丝进入螺栓孔20内的螺纹4a。然后，该螺栓4然后可以与电连接件(未示出)、焊接螺母10和基板1紧固，从而形成电接地组件100。
接地组件100的其他示例性实施例可由不同于之前结合图1C所描述的步骤顺序来制造。例如，驱动元件7和驱动机构6可以用于在旋转传递给螺母10之前利用降低运动40降低螺母1。因此，降低运动40可以用来移动外壁30，以便将外壁30a的部分30a放置为与基板1的接收部分1a实质性接触。此时，驱动元件7和驱动机构6可以用来以预定主轴转速50来旋转焊接螺母10并持续一段摩擦时间，因此在部分1a和焊接螺母10之间产生摩擦力52。
在接地组件100的一些实施例中(以及相关的制造方法)，摩擦和锻造的时间是预定的，以产生旋转焊接的金属接头形式的摩擦焊接附接件62。特别地，旋转焊接接头形式的附接件62在焊接螺母10的外壁30和基板1之间形成。此外，该附接件62具有适合于在车辆、电接地部件中使用的机械性能(例如，该附接件62能够承受至少200磅的外推负荷)。在其他示例性实施例中，与摩擦力52的应用相关的摩擦时间可被控制或者如通过摩擦调整高度24a示例性示出的通过焊接螺母10的理想减小尺寸来限定。在另一组示例性实施例中，与轴向锻造力60的应用相关的锻造时间可以被控制或例如通过焊接调整高度24b示例性示出的通过焊接螺母10的理想减小尺寸来限定。对于制造接地组件100的许多示例性实施例，采用约0.1秒的摩擦时间和约1.5秒的锻造时间。可以采用更长的摩擦和/或锻造时间以增大附接件62(在某些情况下，进一步将其增强)，但是这样做经常会以进一步减小焊接螺母10的尺寸(表现较小的高度24a和24b)为代价。
在用于制造摩擦焊接接地组件100的方法的一些实施例中，将预定主轴转速50设置为大约13000rpm，15000rpm或18000rpm。在某些情况下，可以将主轴转速50设置在约13000rpm和约18000rpm之间。优选地，对于焊接螺母10和基板1的大多数配置以及铝合金组分，将主轴转速50设置在接近18000rpm的速度。此外，对于接地组件100的大多数应用，可以将摩擦力52设置在大约3bar至4bar之间。优选地，摩擦力52设置在更接近4bar。在许多实施例中，锻造力60设置在大约3bar和6bar之间。优选地，锻造力60的大小设置在接近6bar处，以保证附接件62的形成具有足够的机械性能。
参照图2A，根据本实用新型的实施例，描绘了在旋转焊接电接地组件200(见图2C)中使用的焊接螺母110。通常，焊接螺母110可由与关于焊接螺母10描述的相同的铝合金材料制成。在此，焊接螺母110适用于通过安装至驱动机构106(见图2C和2D)的星形驱动元件107(例如，驱动头部)进行的旋转焊接。
焊接螺母110在尺寸和物理结构方面基本与图1A和图1B中描述的螺母10类似。在此，螺母110包括螺栓孔120和外壁130。该焊接螺母110是具有外径112的大致圆形。此外，螺栓孔120限定了内径122。如图2A和图2B所示，焊接螺母110与星型端部128配合，配置为用于通过星型驱动元件107进行旋转焊接。也应当理解，焊接螺母110可以配置为具有六角形的端部128(未显示)，配置为用于通过六角形驱动元件107进行旋转焊接。焊接螺母110的其他配置是可行的，只要适用于不同形状和配置的驱动元件107。
另外，焊接螺母110具有大致为直边的外壁130，平坦部分130a配置为用于与基板101的部分101a(参照图2C和2D)摩擦焊接。在旋转焊接工艺期间，正是焊接螺母110的外壁130的这个部分130a抵靠基板101旋转。因此，焊接螺母110由总高度124限定。此外，基板101优选是铝合金，与之前结合基板1的描述相比具有可能相似的组分。另外，在一些实施例中，基板101可以由钢合金制造。
根据一个示例性实施例，焊接螺母110可以由6061-H13铝合金在T6回火下制造而成。该焊接螺母110还可以具有大约18mm的外径112，以及约5mm至6mm的内径122。焊接螺母110也可以具有大约9mm的总高度124，外壁部分130a的宽度约为1.5mm至1.6mm。
在其他实施例中，焊接螺母110可配置为其他的尺寸，同时保留了外壁130的基本平坦的部分130a。当焊接螺母110与基板101在轴向旋转和挤压时，与焊接螺母110的外壁130相关联的基本平坦的部分130a有助于在螺母110和基板101(参见图2C和2D)之间产生大的摩擦力。
如图2C和2D所示，采用焊接螺母110制造接地组件200所采用的方法大体类似于前面结合焊接螺母10和接地组件100描述的方法。例如，在图2C中描述了安装过程中的摩擦焊接接地组件200。接地组件200包括焊接螺母110(见图2A和2B)。该组件200包括铝合金基板101并且，在一些实施例中，还包括排屑孔102。基板101的部分101a配置为在旋转焊接步骤期间接收焊接螺母110。因为部分101a和130a将在旋转焊接步骤期间实质性接触，因此优选地基板101的部分101a的尺寸经设定且配置成与焊接螺母110的外壁130的部分130a基本上相匹配。优选地，基板101是由一种或多种铝合金组成，与用于焊接螺母110的那些铝合金相一致。
也如图2C所示，驱动机构106的驱动元件107被固定或以其他方式附接到焊接螺母110的螺栓孔的120。特别地，驱动元件107可以配置为具有星形端部、六角形端部或其他适合配合在焊接螺母110的端部128内的端部。驱动机构106然后可用于以预定主轴速度150旋转焊接螺母110。驱动元件107和驱动机构106然后可将降低运动140应用至焊接螺母110的外壁130和螺栓孔120，使得将外壁部分130a放置成与基板101的接收部分101a实质性接触。
因为在外壁130根据降低运动140降低的同时，焊接螺母110仍保持以主轴速度150旋转，因此分别在螺母110的部分130a和基板101的部分101a之间产生摩擦力152，并持续预定的摩擦时间。在摩擦时间期间从这个步骤中产生的摩擦力152导致来自部分101a和130a的固体状态的材料的再分配，这是在与接地组件200相关联的摩擦焊接的产生的一个方面。摩擦力152的大小足够高以引起固体状态的材料的这种再分配，但没有高到产生足以导致熔化的温度。
接下来，可减小主轴转速150，从而降低(或阻止)焊接螺母110的运动。此时，通过驱动元件107和驱动机构106将轴向锻造力160施加至焊接螺母110，从而迫使焊接螺母110向下挤压基板101预定的锻造时间。在锻造时间期间，与锻造力160相关联的这个锻造操作提供对来自部分101a和130a的固体状态的材料的进一步再分配，这是与接地组件200相关联的摩擦焊接的产生的另一个方面。
如图2D所示，现在摩擦焊接附接件162已经从接地组件200中产生，其跨越在焊接螺母110和基板101之间。此外，该附接件162位于与部分101a和部分130a基本相对应的区域。由于与摩擦力152和锻造力160相关的材料分配，因此焊接螺母110的总高度124现在更小。特别地，与摩擦力152相关联的材料再分配限定了用于焊接螺母110的摩擦调整高度124a。类似地，与摩擦力152和锻造力160相关联的材料再分配限定了焊接螺母110的摩擦焊接调整高度124b。当这种材料的再分配发生时，焊接螺母110相对于基板被稍微降低。因此，优选地，在基板101中包括排屑孔102以适应在摩擦焊接工艺期间的这种运动。
仍参照图2D，螺栓104(例如，铝合金电接地螺栓)也可以旋入焊接螺母110的螺栓孔120内。螺栓104包含攻丝进入螺栓孔120中的螺纹104a。然后螺栓104可以与电连接件(未示出)、焊接螺母110和基板101压紧，从而形成电接地组件200。
还应该理解，示例性描述的用于创建接地组件200的方法可以与前面结合接地组件100描述的方法的改变一致地进行修改。类似地，结合用于制造接地组件100中的方法所描述的诸如主轴转速50的参数同样可应用在用于制造接地组件200的方法中。
参照图3，框图描绘了对主轴转速(例如，速度50)对旋转焊接接地组件的外推阻力的影响进行研究的实验结果，显示了接地组件100和200。测试的接地组件是旋转焊接的焊接螺母和基板，焊接螺母和基板由5754-O铝合金制造，该接地组件与接地组件200的配置相似。基板板材的厚度为约13mm，并且该板材具有11.5mm或12.5mm的排屑孔。此外，在图3中描绘的每个框图示出控制组和六个实验组的用于旋转焊接接地组件的外推负荷(磅)的中值和范围，各组展现至少200磅的外推负荷。控制组是“18，4，6”组，反映18000rpm的主轴转速、4bar的摩擦力和6bar的锻造力。图3描绘的其他组反映了较低的主轴转速、摩擦力和/或锻造力值。例如，“15，4，3”组对应15000rpm的主轴转速、4bar的摩擦力和3bar的锻造力。
如在图3中所描绘的图表表明，对于给定的主轴速度，降低摩擦力和/或锻造力的影响是相对最小的，并很可能在统计学上不显著。相比而言，相比于18000rpm的主轴转速，当采用13000rpm的主轴转速时有明显的外推阻力的降低，其在统计学上是显著的。因此，当创建接地组件100和200时，通常优选地采用接近18000rpm的主轴转速。
应该理解，所描述的工艺内的任何描述的工艺或步骤可以与其他公开的工艺或步骤组合，以形成本实用新型范围之内的结构。本文所公开的示例性结构和工艺是用于说明的目的，并且不解释为限制性的。
应当理解，在不背离本实用新型的构思的情况下，可对上述结构进行变化和修改，并且进一步可理解，除非以下权利要求通过其语言另有明确声明外，否则这些构思旨在由以下权利要求所覆盖。

Claims (5)

1.一种摩擦焊接的接地组件，其特征在于，包括：
具有排屑孔的合金基板；
具有螺栓孔和外壁的铝合金焊接螺母；以及
接地螺栓，
其中，所述螺栓孔位于所述排屑孔内并且所述外壁的一部分在摩擦焊接附接件处与所述基板接合，并且
进一步地，所述接地螺栓旋入所述螺栓孔内。
2.根据权利要求1所述的摩擦焊接的接地组件，其特征在于，所述外壁是圆锥形。
3.根据权利要求1所述的摩擦焊接的接地组件，其特征在于，所述铝合金焊接螺母的所述螺栓孔适合于通过六角形驱动元件进行旋转焊接。
4.根据权利要求1所述的摩擦焊接的接地组件，其特征在于，所述焊接螺母的所述螺栓孔适合于通过星形驱动元件进行旋转焊接。
5.根据权利要求1所述的摩擦焊接的接地组件，其特征在于，所述基板是车辆部件。
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