焊接复合材料的方法及其制品技术

本发明专利技术涉及一种焊接复合材料的方法及由此制备的焊接结构。该方法包括将基材与复合材料接触的步骤，其中所述复合材料包括一对被隔开的钢板及处于钢板之间的芯层；所述芯层的体积是复合材料总体积的大约25体积%（vol%）或更高；所述芯层包括布置在一束或多束纤维中的多根钢纤维，所述纤维沿芯层的厚度方向延伸，从而使所述芯层与钢板电接触；以及所述钢纤维具有与纤维长度方向垂直的横截面的面积是大约1×10-5mm2至大约2.5×10-2mm2。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通常用于将复合材料焊接到金属材料、或复合材料焊接到复合材料或以上两者的焊接方法，还涉及将复合材料焊接到包括焊接复合材料的制品的焊接方法，更具体地说，涉及其中所述复合材料包括聚合物层的焊接方法及制品。
技术介绍
人们对减轻交通中使用的车辆及制品的重量兴趣浓厚。因此，人们不断寻找新的重量轻的材料，如包含一金属层和一聚合物层的复合材料。理想地，此类材料可以提供一种 或多种好处，如重量减轻、强度重量比提高、成本降低等。对许多应用来说，人们还希望此类复合材料可以焊接(即能够采用电阻焊来焊接)。人们普遍认识到，包括绝缘聚合物层的夹芯复合材料很难焊接，使其不适合这些应用。人们对于改善复合材料的焊接性进行了种种尝试，包括在聚合物层加入粉末形式的导电填料，从而提高聚合物层的导电性。为了补偿聚合物较差的导电性，认为必须加入含量相对较高的导电粉末。遗憾的是，加入导电粉末后，复合材料的机械性能和可拉性通常较差。此外，此类材料通常需要采用特殊设备来加工(如，成型、焊接、冲压、拉伸等)。此夕卜，人们希望得到一种焊接性得到改进的材料，例如，其特征在于通常较高的焊接电流范围，与范围广泛的各种基材焊接(优选采用某些或所有相同的焊接参数)的能力，或以上两种特征兼具。人们继续需要一种克服上述一种或多种或甚至全部缺点的材料。例如，人们继续需要一种重量轻、刚性重量比提高、成本降低、焊接性能改进、机械性能良好、可拉性良好、能够采用现有的基础设施进行加工或具有以上任何特点组合的复合材料。为了焊接某些结构，例如复合材料的较厚部分、要求间隔较密的焊接的制品等，复合材料的焊接可能还存在其它困难。因此，还需要一种焊接复合材料较厚部分的新型焊接方法。附图说明图I是根据本申请的教诲采用的示例性复合材料的横截面图；图2A是芯层采用的示例性金属纤维的显微照片；图2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、21和2J具有至少一个直边的示例性纤维的横截面图(与纤维长度方向垂直的方向)；图3是包含金属纤维和聚合物的示例性芯层的显微照片；图4是包含两个金属层、金属纤维和一聚合物的示例性重量轻的复合材料的显微照片；图5是显示重量轻的复合材料焊接到合金化镀锌金属的焊点尺寸(单位_)和焊接电流(单位kA)的关系图，焊接电流范围大约是2. OkA或更闻；图6是显示重量轻的复合材料焊接到未涂覆深冲优质钢的焊点尺寸(单位_)和焊接电流(单位kA)的关系图，焊接电流范围大约是2. OkA或更闻；图7是显示重量轻的复合材料焊接到合金化镀锌金属的焊点尺寸(单位_)和焊接电流(单位kA)的关系图，焊接电流范围大约是I. 5kA或更高(例如大约I. 7kA)；图8是显示重量轻的复合材料焊接到热浸镀锌涂层金属的焊点尺寸(单位mm)和 焊接电流(单位kA)的关系图，焊接电流范围大约是I. 5kA或更闻；图9A和图9B是焊接工艺中不同时间焊接过程的示例性焊接组套(weld stack)的横截面图的一部分；图10是电阻焊的示例性装置。
技术实现思路
意外的是，尽管复合材料中的聚合物的导电性通常较低，但是，本专利技术利用一个包括将基材材料与复合材料相接触的步骤，在焊点尺寸、焊接的较大工艺窗口方面或者在这两方面均得到了非常好的结果，其中所述复合材料包括一对被隔开的钢板及处于钢板之间的芯层；芯层的体积是复合材料总体积的大约25体积％ (vol%)或更高；芯层包括布置在一束或多束纤维中的多根金属纤维(如钢纤维)，所述纤维沿芯层厚度方向延伸，从而使所述芯层与钢板电接触；所述金属纤维与垂直于纤维长度方向的截面面积是大约lX10_5mm2至大约 2. 5 X 10 2mm2n相应地，在本专利技术的各个方面，提供了一种焊接工艺，包括采用特殊的方式配置夹芯复合材料，以使夹芯复合材料能够作为传统钢材，例汽车车身部件中使用的钢材的“替代材料”。所述工艺可在不需要技术和设备进行改变的情况下进行，因为这是复合材料的选择时预期需考虑的。在本专利技术的一个方面，采用一种包括多个焊接步骤的新型焊接工艺，出人意料地实现了复合材料与基材的焊接。虽然还有其它应用，但是，此类焊接工艺特别适用于焊接通常具有厚度较高(例如，厚度大约I. 5mm或更大)的复合材料，以及形成分流焊(如在之前形成焊接非常近的地方进行焊接，如分隔距离大约150mm或更近的焊接，或者以上两种情况均存在的焊接)时尤其有用。具体实施例方式在对包含金属层和聚合物层(如包括热塑性聚合物的聚合物层)的复合材料进行电阻焊时，由于聚合物层和金属层之间、复合材料和其焊接的基材之间或三者电气性能的差异，会出现一些困难(如焊接强度低、焊接期间出现金属喷溅、焊接时出现很大的砰砰声、焊接火花等)。我们意外地发现，通过i)配置材料，提供包含一对被隔开的钢板及位于钢板之间的芯层的复合材料，其中所述芯层的体积是所述复合材料总体积的大约25vol%或更高，所述芯层包括多根金属纤维，所述金属纤维与纤维长度方向垂直的截面面积是大约lX10_5mm2至大约2. 5X10_2mm2 ；ii)采用多级焊接工艺，包括采用第一或初始工艺条件的一级焊接，以及随后采用与第一工艺条件不同的第二工艺条件的二级焊接；或者采用i)和 )两者，焊接复合材料时出现的某些问题或全部问题均得以减少或消除。令人惊奇的是，采用包括一对被隔开的钢板及在钢板之间的芯层的复合材料，其中芯层体积是复合材料总体积的大约的25vol%或更高，芯层包括几根金属纤维，以及金属纤维与纤维长度方向垂直的截面的面积是大约IX 10_5mm2至大约2. 5X 10_2mm2时，将改善，例如焊接低碳钢通常所采用的焊接条件下的焊接性。焊接性改善可通过焊接电流范围(即焊接电流上限值(超过此电流时会发生喷溅)与焊接电流下限值(低于此电流焊点过小)之差)通常较高来表征。本专利技术的复合材料的体积电阻率通常较高，静态接触电阻通常较高(即SCR)(例如，比表面粗糙度、表面处理相同且相同金属的整块钢材的SCR大)，或者两者均较高。体积电阻率高与/或SCR高可能导致焊接电流范围出人意料地大。我们相信，其它增加SCR的方法，例如改变表面特征(如增大表面粗糙度)对焊接电 流范围具有有限的影响，因为这种导致SCR增大的表面特征在焊接工艺的初期即被清除。与此相反，本专利技术复合材料的SCR较高可能与复合材料的堆积特点有关，包括芯层中金属纤维和金属板之间的接触，以及芯层中不同金属纤维之间的接触。不受理论限制，我们认为，本专利技术堆积特征造成的高SCR不是短暂的(例如，与表面特征造成的高SCR相比)，并因而导致焊接电流范围出乎意料的大。此外，不受理论限制，我们认为，温和地增加复合材料的SCR通常会导致最大的焊接电流范围。我们还发现，当SCR太高时，在焊接工艺期间，焊接控制器无法使电流通过芯层。因此，SCR应该足够低，以使复合材料能够采用焊接车身部件中通常使用的焊接控制器进行焊接。包括复合材料和基材的焊接组套的焊接可采用包括至少两个电极的电阻焊装置实施。电极可用于向焊接组套提供电流，向焊接组套提供力，或两者都提供。对于复合材料，例如，本专利技术中的复合材料来说，采用包括一级焊接和二级焊接的多级焊接工艺比较有利。焊接厚度通常较高(例如大约I. 5_或更高，大约2. Omm或更高，或大约2. 5mm或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.12.28 US 61/290,384;2010.08.06 US 61/371,360;1.一种包括一将基材材料与复合材料接触的步骤的方法，其中所述复合材料包括一对被隔开的钢板及处于所述钢板之间的芯层； 所述芯层的体积是所述复合材料总体积的大约25体积％ (vol%)或更高； 所述芯层包括布置在一束或多束纤维中的多根钢纤维，所述纤维沿所述芯层厚度方向延伸，从而使所述芯层与所述钢板电接触；及 所述钢纤维具有与所述纤维长度方向垂直的横截面，所述横截面的面积是大约I X 10 5mm2 至大约 2. 5 X 10 2Him2n2.根据权利要求I所述的方法，其中所述方法包括对所述基材及所述复合材料施加大约2. 5kA至大约25kA的焊接电流，以将所述基材与所述复合材料焊接的步骤，从而实现特征是焊点面积大约Imm2或更大的焊接。3.根据权利要求I或2所述的方法，其中金属纤维的含量是所述复合材料芯层总体积的大约10vol%至大约30vol%。4.根据权利要求I至3任一项所述的方法，其中所述复合材料具有一用于将所述复合材料焊接到O. 8mm厚冷轧钢上的工艺窗口，其中所述工艺窗口的特征是焊接电流范围从大约I. 2至大约3. 5kA。5.根据权利要求I至4任一所述的方法，其中所述复合材料与所述基材的静态电阻之比是大约2至30。6.根据权利要求I至5任一项所述的方法，其中所述芯层包括一聚合物基体，所述聚合物基体包括选自由聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚醚、聚苯乙烯、包括丙烯腈的聚合物、包括丙烯酸的聚合物、包括丙烯酸酯的聚合物、聚酰亚胺、聚碳酸酯、离聚物和包括一种或多种上述聚合物的共聚物所组成的组中的至少一种聚合物。7.根据权利要求I至6任一项所述的方法，其中所述金属纤维具有通常为矩形的横截面。8.根据权利要求I至7任一项所述的方法，其中所述复合材料的厚度是从大约O.4至大约4mm。9.根据权利要求I至8任一项所述的方法，其中所述方法包括一采用多级焊接工艺形成焊接的步骤，所述多级焊接工艺包括一在一级焊接期间对所述基材和所述复合材料施加焊接电流的步骤以及一在二级焊接期间对所述基材和所述复合材料施加一不同焊接电流的步骤，从而在所述复合材料和所述基材之间形成焊接。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述复合材料的厚度大约是Imm或更高。11.根据权利要求9或10所述的方法，其中由多级焊接工艺形成的所述焊接是与另一焊接距离约200mm或不到200mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·米兹拉西，
申请(专利权)人：多产研究有限责任公司，
类型：
国别省市：