结合异质材料的方法技术

本发明专利技术提供了一种通过施加较低的压力和热以使材料变形和热影响区最小来结合异质材料——诸如将铝结合至钢——的方法。该方法包括：向焊接元件施加电流、利用加热的焊接元件使第一材料的一部分至少部分地熔化、以及利用焊接元件穿过第一材料的至少部分地熔化的部分。该方法还包括：使第二材料与加热的焊接元件接触以及使彼此接触的焊接元件的一部分和第二材料的一部分熔化以形成焊接部。焊接元件设计有头部以将第一材料限制在该头部与第二材料之间，并且焊接元件设计有用于在焊接元件穿过时接纳至少部分地熔化的第一材料的孔口。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】现有申请的交叉引用本PCT专利申请要求于2014年2月11日提交的名称为“Method Of Joining Dissimilar Materials(结合异质材料的方法)”的美国临时专利申请序列号No.61/938,367的权益，该申请的全部公开内容被看作是本申请的公开内容的一部分并且在此通过参引而并入。
本专利技术总体上涉及结合异质材料的方法、用于结合异质材料的系统以及包括已结合的异质材料的结构。
技术介绍
用于机动车辆的结构部件——诸如横梁、立柱和纵梁——通常包括异质材料，例如具有较高强度的第一材料和具有较高韧性的第二材料。可以利用例如焊接或铆接等各种方法来将异质材料结合在一起。用于结合异质材料的一种焊接技术是插入式焊接(insert welding)。该技术包括迫使铆钉穿过第一材料并且将铆钉焊接至第二材料。然而，用于结合异质材料的已知方法具有与处理时间、可靠性、质量和/或成本有关的缺点。例如，当材料具有明显不同的熔点和热膨胀系数时，诸如铝和钢，焊接会成为一种挑战。嵌入件焊接还需要高负载，这意味着昂贵的设备以及对正结合材料的可能的严重损害。另外，许多焊接技术需要触及待结合材料的相对侧面，这在某些情况下是不可能的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种在减小的压力和热并且因而使材料的变形最
小且花费降低的情况下，利用焊接元件来结合异质材料的方法。该方法包括沿着第二材料布置第一材料，第一材料和第二材料是异质的。该方法还包括：沿着第一材料布置焊接元件，其中，焊接元件包括从第一端部延伸至第二端部的孔口；以及向焊接元件施加电流以对焊接元件进行加热。该方法接下来包括利用加热的焊接元件使第一材料的一部分至少部分地熔化并且穿过第一材料的至少部分地熔化的部分。第一材料的至少部分地熔化的部分可以在加热的焊接元件穿过第一材料时进入孔口的第二端部并且朝向孔口的第一端部流动。在穿过第一材料的至少部分地熔化的部分之后，该方法包括：使第二材料与加热的焊接元件接触；以及使彼此接触的焊接元件的一部分和第二材料的一部分熔化以形成焊接部。本专利技术还提供了一种用于结合异质材料的系统。该系统包括沿着第二材料布置的第一材料以及沿着第一材料布置的包括孔口的焊接元件。能量源连接至主电极，并且能量源在主电极接合焊接元件的同时向主电极施加电流。加热的焊接元件使第一材料的一部分至少部分地熔化、穿过第一材料的至少部分地熔化的部分并且接触第二材料。彼此接触的焊接元件的一部分和第二材料的一部分熔化以形成焊接部。本专利技术还提供了一种包括利用焊接元件结合在一起的异质材料的结构。第一材料沿着第二材料布置，并且焊接元件延伸穿过第一材料。焊接元件沿着中央轴线从第一端部延伸至第二端部，并且第二端部焊接至第二材料。焊接元件还包括沿着中央轴线从第一端部延伸至第二端部的孔口，并且该孔口可以容置第一材料的再凝固的部分。附图说明图1示出了用于利用焊接元件结合异质材料的示例性方法的五个阶段；图1A是图1中所示的第二阶段至第四阶段期间的异质材料和焊接元件的侧视截面图；图2是另一实施方式的侧视截面图，其中，利用焊接元件结合多于两种的异质材料；图3是根据示例性实施方式的焊接元件的俯视图，其中，焊接元件的外表面呈圆形，并且焊接元件的头部有键(keyed)；图4是根据另一示例性实施方式的焊接元件的俯视图，其中，外表面呈六边形；图5是根据又一实施方式的焊接元件的俯视图，其中，外表面呈矩形；图6是根据另一实施方式的带有斜切的第一端部以及孔口宽度从第一端部至第二端部减小的焊接元件的侧视截面图；图7是根据又一实施方式的带有尖锐的第一端部以及孔口宽度从第一端部至第二端部减小的焊接元件的侧视截面图；图8是根据另一实施方式的异质材料和焊接元件的侧视截面图，其中，焊接元件布置在第一材料的边缘处；图8A是图8的异质材料和焊接元件的俯视图；以及图9是根据又一实施方式的异质材料和焊接元件的侧视截面图，其中，焊接元件的头部被按压入第一材料中。具体实施方式本专利技术提供了一种通过施加较低的压力和热并且因此使花费较低且使材料20、22的变形最小来结合异质的第一材料20和第二材料22——比如结合铝与钢——的改进方法。该方法包括至少部分地熔透第一材料20并且使第二材料22与加热的焊接元件24接触。在焊接元件24与第一材料20之间形成连接部28，并且在焊接元件24与第二材料22之间形成冶金结合部，即，焊接部26。优选地，焊接元件24的几何结构设计成在焊接部26就位以后将第一材料20限制在焊接元件24与第二材料22之间，即，形成原位机械结合。图1中总体上示出了该方法的示例性实施方式。该方法首先包括提供第一材料20和第二材料22。通常，材料20、22两者都以管或板的形式提供。材料20、22还可以是各种不同形状的铸件。材料20、22的大小和尺寸可根据产品的预期应用而改变。在示例性实施方式
中，两种材料20、22都以厚度t1、t2不大于2mm的板的形式提供。然而，对可利用焊接元件24结合的异质材料20、22的厚度t1、t2没有限制，原因在于焊接元件24的大小和尺寸可以被相应地设计。例如，在材料20、22具有较大厚度t1、t2的情况下，可以将焊接元件24的长度加大。各种不同的材料组成物可以通过焊接元件24结合，但与第二材料22相比，第一材料20通常具有较低的熔点和较低的电阻率。第一材料20是非铁基金属和/或碳纤维复合材料。在示例性实施方式中，第一材料20是铝合金或其他的铝基材料，例如以标号5182出售的铝合金。第二材料22是铁基金属。在示例性实施方式中，第二材料22是钢，例如以名称60G60G出售的类型的钢。尽管图1和图1A的示例性实施方式示出了仅结合两种异质材料20、22的焊接元件24，但该方法可替代性地包括结合多于两种的异质材料。图2示出了通过焊接元件24将四种材料20、22、30、32结合在一起的示例，其中，第三材料30和第四材料32布置在第一材料20与第二材料22之间。在该示例中，第三材料30由镁形成，并且第四材料32由铝形成。该方法也以提供焊接元件24开始。在图1和图1A中所示的示例性实施方式中，焊接元件24为沿着中央轴线A从第一端部34纵向地延伸至第二端部36的铆钉。该焊接元件24包括头部38和轴40，头部38从中央轴线A向外且垂直于中央轴线A延伸，轴40沿着中央轴线A从头部38延伸至第二端部36。焊接元件24还包括外表面42，该外表面42背向中央轴线A并且具有垂直于中央轴线A延伸的外宽度Wo。第一端部34处的外宽度Wo通常大于第二端部36处的外宽度Wo。在示例性实施方式中，沿着头部38的外宽度Wo大于沿着轴40的外宽度Wo。沿着整个头部38从第一端部34至轴40的外宽度Wo恒定，并且沿着整个轴40从头部38至第二端部36的外宽度Wo也恒定。替代性地，外宽度Wo可以在第一端部34与第二端部36之间连续地渐缩，如图2中所示。在另一实施方式中，焊接元件24的头部38有键，如图3中所示。头部38上的有键特征可以用于进行非破坏性扭矩测试并且因此确定将材料20、22结合在一起的焊接元件24的强度。例如，可以使用扳手来接合有键的头部38并且
向焊接元件24施加扭矩以测量材料20、22之间的连接部的强度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合异质材料的方法，包括下述步骤：沿着第二材料布置第一材料，所述第一材料与所述第二材料是异质的；沿着所述第一材料布置焊接元件，所述焊接元件包括从第一端部延伸至第二端部的孔口；向所述焊接元件施加电流以对所述焊接元件进行加热；利用加热的所述焊接元件使所述第一材料的一部分至少部分地熔化并且穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分；在穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分之后，使所述第二材料与加热的所述焊接元件接触；以及使彼此接触的所述焊接元件的一部分和所述第二材料的一部分熔化以形成焊接部。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.11 US 61/938,3671.一种结合异质材料的方法，包括下述步骤：沿着第二材料布置第一材料，所述第一材料与所述第二材料是异质的；沿着所述第一材料布置焊接元件，所述焊接元件包括从第一端部延伸至第二端部的孔口；向所述焊接元件施加电流以对所述焊接元件进行加热；利用加热的所述焊接元件使所述第一材料的一部分至少部分地熔化并且穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分；在穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分之后，使所述第二材料与加热的所述焊接元件接触；以及使彼此接触的所述焊接元件的一部分和所述第二材料的一部分熔化以形成焊接部。2.根据权利要求1所述的方法，包括将所述第一材料限制在所述焊接元件与所述第二材料之间。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料为非铁基金属，并且所述第二材料和所述焊接元件为铁基金属。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加电流的步骤包括施加电流持续第一时间段以及随后的第二时间段，其中，所述第二时间段期间的电流大于或等于所述第一时间段期间的电流，所述穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分的步骤发生在所述第一时间段期间，所述第一时间段在所述焊接元件接触所述第二材料时结束，并且所述在所述焊接元件与所述第二材料之间形成所述焊接部的步骤发生在所述第二时间段期间。5.根据权利要求4所述的方法，包括在所述第一时间段期间使电流
\t变化，而在所述第二时间段期间保持电流恒定。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述利用加热的所述焊接元件穿过所述第一材料的至少部分地熔化的所述部分的步骤包括向加热的所述焊接元件施加不大于300磅的大小的压力。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接元件包括外表面，所述外表面背向中央轴线并且具有垂直于所述中央轴线延伸的外宽度，并且所述外宽度在所述第一端部处比在所述第二端部处大。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接元件包括头部，所述头部从中央轴线向外且垂直于所述中央轴线延伸，并且所述方法还包括使所述第一材料的暴露表面与所述焊接元件的所述头部接触的步骤。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接元件包括头部，所述头部在所述第一端部处从中央轴线向外并且垂直于所述中央轴线延伸，并且所述焊接元件的所述头部有键。10.根据权利要求1所述的方法，包括在向所述焊接元件施加电流的同时将所述第二材料布置在所述第一材料上。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述施加电流的步骤包括在主电极接合所述焊接元件的同时从变压器向所述主电极提供电流，并且还包括在所述主电极接合所述焊接元件并且向所述焊接元件提供电流的同时向所述主电极施加压力。12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料是铝基的并且包括板、管或铸件，所述第二材料是铁基的并且包括板、管或铸件，所述焊接元件是铁基的并且沿着中央轴线从第一端部纵向地延伸至第二端部，所述焊接元件包括从所述中央轴线向外且垂直于所述中央轴线延伸的头部，并且所述焊接元件包括沿着所述中央轴线从所述第一端部连续地延伸至所述第二端部的孔口；并且所述方法还包括下述步骤：沿着所述第二材料的接触表面且以与所述第二材料的接触表面平行的方式布置所述第一材料的接触表面；将所述第二材料布置在所述第一材料上；将所述焊接元件的所述第二端部布置在所述第一材料的与所述第一材料的所述接触表面相反的暴露表面上；所述施加电流的步骤包括在主电极接合所述焊接元件的所述第一端部的同时从变压器向所述主电极提供电流持...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·希尔，詹弗兰科·加比亚内利，詹姆斯·伯恩二世，亚斯温德·辛格，玛丽·谢尔曼，兰迪·贝亚尔斯，
申请(专利权)人：麦格纳国际公司，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA