專利名稱：：利用預熱的自沖鉚釘連接金屬的方法和設備的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種用于將元件，特別是金屬元件連接在一起的方法。本發(fā)明還涉及用于將元件連接在一起的設備。
背景技術：
：在牢固并具有足夠美觀性的金屬板之間形成連接是一些工業(yè)，特別是汽車工業(yè)中目前存在的問題。在兩張不同的金屬板之間形成連接時是連接中存在明顯問題的一個方面。廣泛用于大量生產中連接金屬板的一種技術是點烀或對焊，其可以或不包含激光的使用。激光焊接特別適于連接不同厚度的板并以高速產生整潔和窄的連接?？墒?，激光焊接存在許多問題。一個問題是當使用這樣技術連接鎂鋁合金(如同包含至少一些熔化的任何技術一樣)時，激光焊接在焊接附近產生硬的和易碎的金屬間相的構造。此外，因為上述鑄件中的捕獲氣體，上述技術尤其不適于通過高壓力鑄造方法形成的鎂合金。當使用激光焊接時，該問題并不是鎂特有的。對于鋼，例如，硬相(hardphase)的構造，例如關于激光焊接的連接的馬氏體破壞了不銹鋼或非不銹鋼的延展性。對于紹/鋼元件之間的連接，金屬間Fe-Al相生長以在接觸面上形成涂層。為了生產可接受的機械特性的Fe-AI接點(joint)，該金屬間涂層的厚度必須小于10|im并因此需要適合的溫度時間循環(huán)(temperature-timecycle)。當使用激光焊接時，熔化至少一個組件(component)。鋁和鋼的激光焊接就像釬焊工藝，其中僅有較低熔點的合金經歷熔化。另一方面，鎂和鋁的激光焊接導致兩種金屬的熔化，因此不能防止化學元素的相互擴散。這導致金屬間相的形成，例如P-Mgn(Al,Zn)12,這必須被最小化，以便形成滿意的連接。用于形成連接的可替換技術是摩擦攪拌焊接(FSW),其更能承受連接5的不同金屬以及高壓力壓鑄件(其具有捕獲的氣體)，因為該技術是固態(tài)連接方法，借此在探針的作用(action)下增塑兩種材料。因此，上述金屬在摩擦攪拌焊接時未被熔化?？墒牵Σ翑嚢韬附哟嬖谠S多問題，包括低速處理，處理可以施加到其上的受限部分的幾何形狀以及高的力的需求，這些可能需要大的功率量和適于摩擦和夾緊的特殊工具。此外，有證據說明當使用摩擦攪拌焊接來連接鎂和鋁時，A^Mg2和Al,2Mg,7相關于上述焊接形成，其在壓力下會裂開。作為上述方法的一種可替換方法，可使用冷連接技術連接不同的金屬而沒有形成不期望的冶金化合物并避免涉及高壓力壓鑄件中捕獲氣體的問題。一種這樣的技術是螺栓連接，其具有一些自身的問題，包括附加重量，精確對準的需求，螺栓和金屬部分(尤其是金屬為鎂或鎂合金的情況)之間的腐蝕和磨損，以及提供螺栓引起的增加的材料花費?？商鎿Q的冷連接技術是自沖鉚接(SPR)，其特別適于連接可適當成形的不同金屬。自沖鉚接的優(yōu)點是能夠最小化電化腐蝕?？墒牵斃美鏢PR方法連接鋁和鎂合金時，當鎂位于連接的底(模具)側上時出現明顯的問題，其中使鎂變形的高拉伸應變傾向于引起鎂裂開，因為鎂在室溫時的差的延展性，已經進行了一些嘗試，通過預熱鎂來克服該問題。在DE1963(M88中描述了這樣的一個示例，其中感應加熱用于在形成SPR接點中預加熱鎂?？墒牵摲椒ù嬖谝恍﹩栴}，包括高功率需求，長的循環(huán)時間(cycletime)和工具固有的困難，該工具是龐大的并很難收納。這些問題降低了技術的經濟可行性。
發(fā)明內容根據本發(fā)明的第一方面，提供一種將元件連接在一起的方法，該方法包括以下步驟相對于4皮此定位元件；利用激光提高至少一個元件的至少一部分的可成形性；以及利用機械緊固方法將元件連接在一起。應當理解，提高至少一個元件的至少一部分的可成形性可以包括提高該部分的任意一個或多個物理屬性，例如延展性，可加工性，可塑性，流動(硬6化)特性，生長表面或各向異性。在一個實施例中，機械緊固方法在接近于至少一個元件的所述一部分，優(yōu)選在至少一個元件的所述一部分處進行。機械緊固方法可以是任何適合的方法。在一個實施例中，機械緊固方法包括使用機械緊固器。可是，在其它實施例中，機械緊固方法是轉結式方法(clinchingtypeprocess)或壓力連接方法(pressjoiningprocess)。元件不限于任意特定的物品，可以是需要連接的任何物品。盡管在特定的應用中，元件可以是多片材料，但是一些或所有元件可以不是多片材料，而可以是例如雙頭螺柱、框架、棒或其它構造的部件。在一個實施例中，激光產生入射在一部分上的激光束。激光束可以入射在至少一個元件的任意側，優(yōu)選與機械工具作用于元件以進行機械緊固方法的一側相對的一側，即在才莫具一側。激光束通常通過加熱一部分提高該部分的可成形性。提高該部分的可成形性的步驟可以或者不發(fā)生在相對于彼此定位元件的步驟之前。該方法可以包括利用激光提高一些或所有元件的部分的可成形性。在另一實施例中，僅提高元件之一的一部分的可成形性。在一個實施例中，如果在可成形性方面僅提高元件之一的一部分的可成形性，那么可成形性提高的元件是具有在室溫最小可成形的材料或在利用機械緊固方法將其連接在一起的步驟期間易于受到更大應變(stain)的元件。激光可以是具有適合持續(xù)時間(duration)、能量和頻率的脈沖或斷續(xù)(interrupted)激光。在另一實施例中，激光是產生不變光束的連續(xù)激光。連續(xù)激光借助任何適當的機械、電學或其它類型設備轉換為脈沖或斷續(xù)激光。在一個實施例中，利用激光在可成形性方面提高的一部分的尺寸、形狀和能量分布可以通過改變激光功率，激光光點尺寸，激光脈沖長度或頻率中的一個或多個而變化，從而達到最優(yōu)化。在一個實施例中，激光束的形狀可以是盤形或環(huán)(環(huán)帶)(anulus)形。激光束的形狀也可用于改變一部分的表面處的溫度分布或所述部分中的溫度梯度，以便在施加更高機械應變的地方能夠獲得更高的溫度。一般地，更大功率的激光在較短的時間周期以上能夠使元件的溫度提升得更高。在一個實施例中，特別用于提高鎂元件的可成形性的激光功率輸出在100瓦至5000瓦之間，優(yōu)選在100至2500瓦之間。該激光功率輸出尤其適于具有小于15mm，優(yōu)選小于10mm,優(yōu)選小于7mm,更優(yōu)選小于6.6mm的總厚度的元件。因為在其它因素中，連接在一起的元件數量，元件的總厚度，合金，元件的尺寸以及所述部分與元件邊緣的距離，所以因適當提高元件可成形性所需的激光功率輸出或所用的時間可以更高(higher)。所需的激光功率輸出還依賴于同時通過激光提高可成形性的元件的數量。前述功率需求通常認為是正在提高的每個部分(例如，單個部分)的功率需求。在一個實施例中，適當提高元件的可成形性所用的時間小于3.5秒。這可稱作"激光停留時間"。在一個實施例中，適當提高可成形性并利用機械緊固方法將元件連接在一起所用的時間小于10秒，優(yōu)選小于5秒。該時間可以被稱作"總循環(huán)時間"。注意到，該時間不包括相對于彼此定位元件所用的時間。元件的可成形性可以通過將一部分的溫度提升至元件熔點(固相線)的80%適當地提高。根據合金類型和熱處理，以及與所需變形的能級(level)、分布和速率相比的元件溫度，該溫度可以是適于鎂合金的100-350°C。在一個實施例中，所述方法進一步包括利用激光光學設備將激光束反射到至少一個元件上的步驟。在一個實施例中，激光光學設備包括光學頭和/或反射鏡。在一個實施例中，利用激光在可成形性方面提高的一部分的尺寸、形狀和溫度分布可以通過改變激光光學設備的元件改變，從而達到最優(yōu)化。一般地，入射在至少一個元件的較小部分上的更聚焦的激光束在較短的時間周期以上將元件的溫度提升得更高。激光可以是二極管激光，Nd:YAG激光或C02激光或可以是任何其它適合的激光。在一個實施例中，所述方法還包括預備元件的一部分的表面以提高激光能量的吸收的步驟。在一個實施例中，預備表面的步驟包括通過例如噴砂或浸蝕，沖洗燥來清潔表面。在另一實施例中，預備表面的步驟包括通過例如噴玻璃丸使表面粗糙。在另一實施例中，預備表面的步驟包括對表面施加光吸收涂層。吸收涂層是石墨、炭黑、Aero504(JapanAchesonCorporation)或任何其它適當的吸收劑的涂層。在一個實施例中，吸收涂層可以是還用作防腐蝕涂層的涂層。這樣涂層的一個示例是e-涂層。在一個實施例中，所述方法還包括在提高可成形性的步驟之前，在待連接的至少兩個元件之間施加粘性材料的步驟。在該實施例中，在利用激光提高至少一個元件的一部分的可成形性時，加熱粘性材料，這固化和/或硬化粘性材料。在一個實施例中，粘性材料為元件之間的連接提供了附加的粘合。在一個實施例中，機械緊固方法包括使用作用于元件的機械緊固工具。在一個實施例中，機械緊固工具通過作用于機械緊固器而作用于元件。在一個實施例中，機械緊固器通過進入和/或穿過至少一個元件的一部分將元件連接在一起。在一個實施例中，機械緊固器使元件變形。在一個實施例中，機械緊固器是自沖鉚釘。自沖鉚釘可以是實心的或半空心的鉚釘。在其它實施例中，機械緊固器例如是螺栓、螺母、螺釘或雙頭螺柱。在一個實施例中，將元件連接在一起的步驟是自沖鉚接方法，其中，通過鉚釘槍形式的機械緊固工具對自沖鉚釘起作用，以推動鉚釘進入和/或穿過元件。在該實施例中，機械工具可以包括模具。在又一實施例中，機械緊固器是塑料鉚釘。在另一實施例中，機械緊固方法包括利用機械工具使元件的一部分變形。在該實施例中，利用機械工具使元件的一部分變形將元件的一部分形成為機械緊固器。該實施例中的機械緊固器是元件的互鎖變形部。該實施例中的機械工具包括沖壓工具。機械工具還包括模具。在該實施例中，連接的步驟可以是轉結式方法，其中機械工具為沖壓工9具和模具的形式，并且其中連接的步驟包括使元件的一部分變形為模具，以形成將元件連接在一起的機械緊固器。在另一實施例中，機械緊固方法是壓力連接方法，如無模轉結(dielessclinching)或無模鉚釘轉結(dielessrivetclinching)。所述方法進一步包括在將元件連接在一起的步驟之前加熱機械緊固器的步驟。在一個實施例中，利用激光加熱機械緊固器。激光束可與機械緊固器共軸布置以便預加熱機械緊固器。激光可在將元件連接在一起的步驟之前運作并且也可在將元件連接在一起的步驟期間運作。在另一實施例中，激光束與機械緊固器非共軸布置。所述方法還進一步包括在將元件連接在一起的步驟之前加熱機械緊固工具的步驟。在一個實施例中，利用激光加熱機械緊固工具。激光束可與機械緊固工具共軸布置以便預加熱機械緊固工具。在另一實施例中，激光束與機械緊固工具非共軸布置。在一個實施例中，所述方法還包括加熱機械工具模具的步驟。在一個實施例中，相對于彼此定位元件的步驟包括將元件放置在另一元件的頂部上。在一個實施例中，所述方法進一步包括將元件相對于彼此夾緊在它們的位置。在一個實施例中，夾緊的步驟包括對元件施加基本的壓力(compressive)。起的步驟之前。在一個實施例中，夾緊的步驟基本與利用機械緊固方法將元件連接在一起的步驟同時發(fā)生。在一個實施例中，夾緊的步驟發(fā)生在利用機械緊固方法將元件連接在一起的步驟之后。在一個實施例中，夾緊的步驟發(fā)生在利用機械緊固方法將元件連接在一起的步驟之前、同時或之后的任何組合中。10在一個實施例中，所述方法進一步包括沿連接線在多個離散位置處重復將元件連接在一起的步驟。在一個實施例中，所述方法進一步包括重復提高至少一個元件的多個離散部分的可成形性的步驟。在一個實施例中，多個離散部分沿連接線確定將元件連接在一起的多個離散位置。在另一實施例中，所述方法包括利用激光提高至少一個元件的寬闊區(qū)域(broadarea)的可成形性，該寬闊區(qū)域包含一個以上的將元件連接在一起的離散位置。在一個實施例中，單個激光用于提高多個離散部分的可成形性。在一個實施例中，所述方法進一步包括同時提高所述多個離散部分中的一些或全部的可成形性。在一個實施例中，所述方法進一步包括將單個激光束分開以提高至少一個元件的多個離散部分的可成形性。在該實施例中，根據光束分開的數量，激光需要大于5000瓦的更高功率輸出。因此，在一個實施例中，每個分開的激光束的激光功率輸出是100-5000W,優(yōu)選每個分開的激光束的激光功率輸出是100-2500W。在另一實施例中，許多激光用于同時提高所述部分一些或全部的可成形性。在另一實施例中，所述方法進一步包括利用單個激光每次一個地提高多個部分的可成形性。根據本發(fā)明的第二方面，提供一種用于將元件連接在一起的設備，該設備包括用于提供入射在至少一個元件的至少一部分上的激光束的激光束發(fā)生裝置，以及用于作用于機械緊固器以將元件連接在一起的機械緊固工具。在一個實施例中，激光發(fā)生裝置是二極管，Nd:YAG激光發(fā)生裝置或C02激光發(fā)生裝置或任何其它適當的激光發(fā)生裝置。在一個實施例中，機械緊固工具包括用于作用于機械緊固器的鉚釘槍。機械工具還可以包括模具。鉚釘槍和模具可以是任何適當的鉚釘槍和模具，如US5,752，305和US6，742，235中所披露的，其通過參考的方式包含于此。在另一實施例中，機械工具包括沖壓工具，該沖壓工具用于使元件的一ii部分變形為元件的互鎖變形部。在該實施例中，機械工具還包括模具。在一個實施例中，模具包括剖面(profile)平坦的壓凹(indentation)。在另一實施例中，模具包括壓凹，其成形為促使待連接的元件流動遠而離模具的中心。在一個實施例中，模具為半環(huán)形。在一個實施例中，模具包括剖面(profile)為錐形的壓凹。在一個實施例中，錐形模具包括壓凹的凸起中心部分。凸起中心部分可以是彎曲的或具有直的邊緣(即三角形的)。在一個實施例中，模具是平坦的板，即不具有壓凹。在一個實施例中，模具具有不粘附涂層。在另一實施例中，模具具有耐熱涂層。在一個實施例中，模具具有耐氧化涂層。在一個實施例中，設備還包括夾緊工具，用于將元件相對于彼此夾緊在它們的位置?，F在將參考所附附圖描述本發(fā)明的僅作為例子的優(yōu)選實施例，在附圖中圖1A、1B、1C和1D示出了根據本發(fā)明的用于將元件連接在一起的設備的可替換布置的側面圖，主要用于試驗目的；圖2A至2D說明了對于高壓力壓鑄件AM50合金的3mm厚元件的溫度關于時間，改變入射到元件上的激光束的激光功率的效果，圖2A和2B是激光束引導到元件的鉚釘側上的情況，圖2C和2D是激光束引導到元件的模具一側上的情況；圖2E是對于不變的能量輸入與時間相關的能量輸入相比較，元件表面溫度關于時間的溫度比較；圖3A是示出了在利用根據本發(fā)明實施例的方法連接到其它元件期間具有變化厚度的元件溫度的曲線，接點的內部和外部外觀在圖3B至3E中示出；圖4是根據本發(fā)明實施例的將元件連接在一起的設備的模具剖面的示意圖；圖5A是在根據本發(fā)明的實施例在連接方法期間最大的表面溫度、夾緊和鉚釘設置壓力的曲線；圖5B和5C分別是元件上的激光功率相對于總元件厚度以及激光加熱時間相對于總元件厚度的曲線，示出了例2中形成的無裂縫接點的數據點；圖6是連接元件所花費的總時間(元件相對于彼此的定位除外)相對于總元件厚度的曲線；圖7說明了在利用根據本發(fā)明實施例的方法連接到另一相同元件期間高壓力壓鑄件AM50合金元件的3mm厚元件的溫度效果，接點的外部外觀上的溫度效果在圖7A中示出，圖7B是對于不同的最大表面溫度，連接在一起的元件的最大負載的曲線；圖8A至D是關于示例3的曲線，其中研究了改變模具和鉚釘的效果；圖9是利用和未利用激光以提高至少一個元件的一部分的可成形性的連接在一起的元件的一系列比較圖像；和圖10A至C是利用根據本發(fā)明實施例的連接方法連接在一起的各個元件的最大負載的曲線，圖IOA，10B和10C分別是對于3.5-4mm,5-5.5mm和6-6.6mm的總元件厚度，圖10D是用于機械測試的連接樣品的尺寸示意。具體實施例方式根據本發(fā)明的優(yōu)選實施例，提供一種將兩個或更多元件連接在一起的方法。在方法中，元件相對于另一個定位，通常元件的部分彼此重疊。利用激光，至少一個元件的至少一部分在可成形性方面提高。顯著地，通過加熱至少一個元件的一部分而不物理接觸該元件，從而可以與該元件間隔一定距離來影響該加熱，激光提高了該部分的可成形性。在其它優(yōu)點中，這提高了對于元件的工具可達性。元件然后可以連接在一起，在本發(fā)明的實施例中，其利用機械緊固方法發(fā)生。這可以在沿連接線處于離散位置的元件之間沿連接線重復進行。激光優(yōu)選可以用于提高沿連接線處于離散位置的至少一個元件的多個部分的可成形性。激光束可以分離以同時提高多個這些部分的可成形性，或可以使用多個激光來同時提高多個部分的可成形性，或多個部分可以通過單個激光束每次提高一個。在另一個實施例中，利用激光，至少一個元件的寬闊區(qū)域在可成形性方面提高，寬闊區(qū)域包含大于一個的離散位置，在該位置處機械緊固方法將元件連接在一起。具有易碎或堅硬以在室溫下模具壓、成形或連接的材料。特別是，該方法應用于金屬，其包括鎂和鎂合金，以及高強度鋁合金，鈦和鈦合金，剛和其它金屬和它們的合金。該方法還特別適用于連接不同材料的元件，因為該方法包含元件的增塑但不熔化。由于相同原因，根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的方法還特別適用于將元件連接在一起，在這些元件中，至少一個是高壓壓鑄金屬。在利用該方法連接之前，金屬可以被熱軋或冷軋，擠壓，半涂敷或涂敷(例如涂層)。元件不限于任何特殊的物品，可以是需要連接的任何物品。盡管在特殊應用中，元件可以是多片材料，但是一些或所有元件可以不是多片材料，而可以是例如雙頭螺柱，框架，棒或其它構造的部件。機械緊固方法在接近于至少一個元件的一部分，優(yōu)選在至少一個元件的該部分處進行。機械緊固方法可以是任何適當的方法，例如利用機械緊固器的方法，或轉結式方法，或壓力連4妄方法。激光束可以入射到元件的任一側以提高元件之一的一部分的可成形性，如圖1A和1B(鉚釘側)以及相對照圖1C和1D(模具一側)所示。提高一部分的可成形性可以在或不在相對于彼此定位元件之前發(fā)生。一些或所有元件的一部分可以通過激光束提高，或僅元件之一的一部分被提高。如果僅元件之一的一部分在可成形性方面提高，那么通過激光束提高的元件優(yōu)選是具有在室溫下最小可成形的材料的元件，或者是在利用機械緊固方法將元件連接在一起的元件變形期間易受到較大的應變的元件。激光可以是具有適當持續(xù)時間，能量和頻率的脈沖或斷續(xù)激光，或者可以是產生不變光束的連續(xù)激光。連續(xù)激光可以通過任何適當的機械、電學或其它類型的設備轉換為脈沖或斷續(xù)激光。通過改變激光功率、激光光點尺寸，激光脈沖長度或頻率的一個或多個，通過激光束加熱的一部分的尺寸、形狀和溫度分布可以變化，從而達到最優(yōu)化。通過激光束在可成形性方面提高的一部分的尺寸、形狀和溫度分布也可以通過改變將激光束反射到至少一個元件上的激光光學設備的元件而改變，從而達到最優(yōu)化。激光光學設備可以包括多個光學頭(例如旋轉三棱鏡聚焦透鏡)和/或反射鏡。在可成形性方面提高的至少一個元件的一部分的形狀，以及激光束的形狀可以是圓盤或環(huán)(環(huán)帶)形。激光束的形狀也可以用于改變一部分的表面處的溫度分布，和/或該部分中的溫度梯度，以便在更高的機械應變將被施加的地方可以得到更高的溫度。通過改變元件上的激光功率，被提高的一部分的尺寸(可以稱為"激光光點尺寸")和激光停留時間(即適當提高元件的可成形性所花費的時間)，至少一個元件的溫度可以改變。這在圖2A至2D中示出，其中利用在表面上焊接的精細線熱電偶點，3mm厚的高壓力壓鑄件(HPDC)AM50鎂合金的溫度在模具的一側被測量。激光是2.5KwNd:YAG激光器。元件的在模具一側的溫度更關鍵，因為更多變形傳遞到模具一側的元件上。在圖2A和2B中，激光束入射到鉚釘側上。為了在模具一側上達到250-300°C，需要更大的功率密度和/或更長的停留時間。通過增加激光功率輸出和/或減小激光光點尺寸(即被提高的該部分的尺寸)，功率密度可以增加，但是這將提高激光照射側上的元件溫度，從而可能導致開始熔化。在圖2C和2D中，激光束入射到模具一側上，因此為了達到250-300。C所需要的功率密度和/或停留時間小于圖2A和2B中的這些參數，從而開始熔化的風險可以減小。圖2B和2D都示出了當激光束對于預置停留時間轉換為"開"，然后轉換為"關，，時，元件的加熱和冷卻溫度歷史。注意元件表面處的實際激光束功率由于其間的系統(tǒng)損耗而小于激光功率輸出。在其它因素中，由于將連接在一起的元件數目，元件的總厚度，合金，元件的尺寸和該部分離元件邊緣的距離，因此用于適當提高元件的可成形性所需要的激光功率輸出和所花費的時間可以更高。還注意激光還可以需要5000瓦或更高的功率輸出，這取決于激光束的分離數目(如果有的話)。換句話說，所需要的激光功率輸出還取決于同時通過激光在可成形性方面提高的部分的數目。前述功率需求因此可以總地考慮為是每個激光束分離或被提高的每個部分的功率需求。無論如何，功率需求顯著地低于感應加熱輔助SPR的功率需求。此外，如圖2B和2D所示，有可能利用根據本發(fā)明優(yōu)選實施例的方法15在3.5秒內加熱至少一個元件到其熔點的80%(固相線)(其中其可成形性基本上得到提高)。注意對于鎂合金的該溫度(關于圖2B和2D使用的)可以在100至350。C之間，這取決于合金類型和元件溫度的均勻性相比于所需的變形的水平和分布。更高的溫度可以提供更高的應變或增加的變形，例如當利用更長或更硬的鉚釘來產生厚的接點時，該接點要求更大的鉚釘互鎖和更高的強度(見圖11)。利用機械緊固方法提高可成形性和連接元件的步驟從而可以在小于10秒內，優(yōu)選小于5秒內發(fā)生，如圖3A所示。這還提供強于感應加熱輔助SPR的顯著優(yōu)點，感應加熱輔助SPR是加熱和連接花費更長時間。此外，該方法不導致在元件的角落和邊緣處的過熱或熔化。通過測量被加熱的元件的表面溫度和利用測量的溫度來在預置的加熱時間內控制關于時間的激光功率輸出，同時避免元件的任何熔化，加熱溫度和進行連接方法所花費的時間可以最優(yōu)化。圖2E提供了時間相關能量輸入的一個例子，例如其能夠使所需溫度盡可能快的達到以延長該溫度下的停留時間和最優(yōu)化利用機械緊固器連接的該部分中的溫度梯度，在該所需溫度下元件的可成形性適當提高。例如如圖1A至1D所示，激光束可以以與機械緊固工具軸向對準的方式引導到元件上，該機械緊固工具作用于機械緊固器以將元件連接在一起。在另一實施例中，激光束可以關于機械工具非軸向布置。優(yōu)選地，激光束與熱。此外，激光束與機械緊固工具的共軸布置(包括模具的加熱)允許在使用之前機械元件和工具的至少一部分加熱，以便最小化連接期間從元件至機械緊固器和工具的熱損耗。激光器可以是二極管激光器、Nd:YAG激光器或C02激光器或任何其它適當的激光器。方法還可以包括通過變粗糙(例如通過使用噴玻璃珠丸)或通過清洗(例如通過噴砂處理或通過浸蝕、沖洗和干燥)或通過涂敷光吸收性涂層，制備激光束入射到其上的元件一部分的表面的步驟，以提高激光能量的吸收，因此增加加熱速率和/或減小功率需求。吸收性涂層可以是石墨、炭黑，Aero504(JapanAchesonCorporation)或任何其它適當的吸收劑的涂層。吸收性涂層通過涂或噴射進行涂敷。光吸收性涂層可以是還作用為腐蝕保護涂層例如e-涂層的涂層。方法還可以包括在加熱之前在待連接的至少兩個元件之間施加粘性材料。在利用激光對至少一個元件的一部分進行加熱時，粘性材料也被加熱，這固化和/或硬化了粘性材料。這為元件之間的連接提供了附加的粘合。方法還可以包括利用夾緊工具將元件相對于彼此夾緊在一起處于它們的位置中的步驟。夾緊步驟包含對元件提供基本的壓力。夾緊步驟可以在利用機械緊固方法將元件連接在一起的步驟之前、同時、之后或其任何組合的時候發(fā)生。在連接步驟之前夾緊元件包括利用液壓夾具來建立元件上的壓力。對于與連接同時夾緊來說，使用彈簧夾以在連接步驟發(fā)生時建立壓力。在連接步驟之前或同時夾緊元件在連接步驟期間阻礙元件相對于彼此移動。在連接步驟之后夾緊元件，其中機械緊固方法包括利用機械緊固器，用于在機械緊固器附近推動元件材料，這通過增加接點的疲勞強度而改善了接點。利用本發(fā)明優(yōu)選實施例的機械緊固方法將元件連接在一起的步驟是"自沖鉚接，，(SPR)方法，其中自沖鉚釘(其可以是實心或半空心鉚釘)通過以鉚釘槍和模具的形式的機械緊固工具起作用，以驅動鉚釘進入和/或穿過已經通過激光在可成形性上得到提高的元件的一部分，由此變形該元件。被提高的部分可以位于元件的鉚釘側，從該側勁卩釘纟皮驅動進入和/或穿過元件，或者位于元件的模具一側，其是鉚釘側的相對側。注意元件和機械緊固工具之間的接觸時間小于1.5秒(見圖3A)，優(yōu)選小于1.2秒。注意圖3A涉及具有4至5.3mm的組合厚度的元件的連接。在另一實施例中，機械緊固器是塑料鉚釘。機械緊固器還可以是例如螺松、螺釘、螺母或雙頭螺柱。在又一實施例中，機械緊固方法包括利用機械工具使元件的部分變形。利用機械工具使元件的部分變形將元件的部分形成為機械緊固器，一般以元件的互鎖變形部的形式。機械緊固方法可以是轉結式方法或壓力連接方法，例如無模轉結或無模鉚釘轉結，其中機械工具以沖壓工具和模具的形式。再次參考圖1A、1B、1C和1D,示出了根據本發(fā)明實施例的用于將元件連接在一起的設備10的可替換布置，主要用于試驗目的。設備10包括以鉚釘槍11和模具14的形式的機械緊固工具，其作用于以自沖鉚釘形式的機械緊固器(未示出)而將元件連接在一起。鉚釘槍11安裝在C框架12上。設備IO還包括激光束產生器件13,用于提供入射到至少一個元件的至少一部分上的激光束能量。如圖1A至1D所示，激光束產生器件13與元件間隔一定距離。從而，通過以遠離元件的該距離提供入射到部分上的激光束，激光產生器件13能夠提高該部分的可成形型，而不必物理接觸該部分。以關于元件15的不同的布置在圖1A、1B、1C和1D中示出了鉚4丁沖倉11和激光束發(fā)生裝置13。在圖1A,激光束發(fā)生裝置13提供入射在元件15激光束，同時在圖1B中，激光束是平行的并入射在鉚釘一側18上。在圖1C中，激光束發(fā)生裝置13提供入射在元件模具一側17上的會聚激光束，同時在圖1D中，激光束是平行的并入射在模具一側17上。另外，在圖1D中，激光束發(fā)生裝置13提供與鉚釘槍11和模具14(圖1D中未示出)共軸的激光束，然而在圖1A、1B和1C中，關于鉚4丁4全11(和模具14)非共軸地設置激光束。如果激光束發(fā)生裝置布置得使其能夠提供與鉚4丁槍11共軸并入射在元件鉚釘一側17上的激光束，進而在使用之前或過程中能夠進行鉚釘或鉚釘槍11的至少部分的加熱，以便最小化在連接過程中從元件15到鉚釘和鉚釘槍11損失的熱量。類似地，激光束與模具14的共軸對準并入射在模具一側18上能夠在使用之前和/或期間能夠進行模具14的至少部分的加熱以便最小化熱損失。鉚釘桿的長度可以關于將要連接在一起的元件的組合厚度優(yōu)化，以產生最大強度的無裂縫接點。鉚釘桿長度應當大于將要連接在一起的元件的組合厚度，以便實現連接過程中鉚釘桿的張開(flaring)并且還使鉚釘足以刺穿所有元件。鉚釘桿的長度還依賴于鉚釘的直徑。例如，對于5mm直徑的鉚釘，最佳的桿長度是2至4mm,其大于將要連接的元件的組合厚度。接點的強度可通過使用較硬的鉚釘改進。這是因為接點的任何破損(failure)可能發(fā)生在將要連接的元件中而不是鉚釘中。圖8A說明了當使用更長和更硬的鉚釘時，在兩個3mmAM50元件之間連接強度的改進?？墒?，當使用更硬的鉚釘時，鉚釘桿較少傾向于在連接過程中張開，這可在連接的元件中形成不期望的裂縫。為了克服這個問題，模具14可具有不同于平板或平坦壓凹模具的形狀，該形狀促使鉚釘桿和待連接的元件在連接過程中遠離模具中心流動，使得鉚釘桿適當地張開并且待連接的元件承受較低的主要應變并由此使裂開的可能性更小(參見圖8b)。特別適當形狀的模具是"錐形"模具(圖4中所示)，其具有凸起的中心部分。凸起的中心部分可以是彎曲的或具有直的邊緣(即，三角形的)。模具(平坦和錐形的模具)的準確形狀可通過調節(jié)模具直徑(D)、模具深度(d),倒角(a),曲率半徑(Rl、R2、R3)或尖端高度(t)根據各種條件最優(yōu)化，如圖4所示。另一適當形狀的模具是半環(huán)形模具。最優(yōu)化模具形狀的條件包括鉚釘長度，鉚釘硬度，將要連接的元件的組合厚度，形成元件的材料以及接點所需的強度。圖8A還示出了當在平坦壓凹模具上關于更長和更硬的鉚釘使用錐形模具時接點強度的改進。模具14可配有涂層，其是無粘性的，和/或耐熱的和/或抗氧化的，以便延長模具14的使用年限并控制模具14和將要連接的最低元件之間的摩擦。示例為了證明本發(fā)明的實施例，在不同條件下，使用提高至少一個元件的一部分的可成形性的激光以及將自沖鉚釘用作機械緊固器連接許多不同對的元件。給出幾個示例，其中結合自沖鉚釘(SPR)設備使用2.5kWNd:YAG激光。SPR設備是2級液壓鉚釘裝定器，其包括一個雙作用液壓缸和一個預夾緊液壓缸。對于實驗室試驗的目的，激光束入射在模具一側上的元件上，如圖1C中示意性所示，并且以大約45。入射。定位光束聚焦透鏡以便在接近用于SPR連接的模具內直徑的11士0.8mm的元件上產生恒定的激光光點尺寸。恒定能量注入剖面，如圖2E中所示，傳遞到工件(元件)。能量輸入或激光功率的能級以及激光停留時間是主要的方法參數。借助機械加工閘板(shutter)實行激光束的應用。記錄來自激光加工閘板的電壓信號。還監(jiān)^L連接過程中的夾緊和鉚釘調整壓力。利用紅外(IR)熱成像照相機監(jiān)視元件的激光照射面的表面溫度。連接多種厚度和合金的元件。以下給出的示例是針對《美與鎂(Mg/Mg)以及鋁與《美(Al/Mg)的激光輔助SPR連接。標記慣例(labelingconvention)虧)證鉚釘一側上的元件與模具一側上的元件。所用材料包括2至3mm厚的高壓力壓鑄件(HPDC)AM50和AM60鎂合金，3.3mm厚的帶狀鑄件AZ31-0鎂合金，2mm厚的A15005-H34鋁合金板，以及1.5或3mm厚的A16060-T5鋁合金擠壓板。19使用具有5mm直徑的桿和多種桿長度以及硬度級的空心鋼鉚釘。注意到，8L3鉚釘是8mm長并具有指定L3的硬度的鉚釘。根據L3鉚釘比L2鉚釘硬并且L4鉚釘比L3鉚釘硬，使用硬度L2、L3和L4的鉚釘。根據"錐形"模具剖面，如圖4中示意性所示，或"平，，模具剖面，多個不同形狀的模具用于測試。示例1為了產生無裂縫接點，改變激光功率和停留時間以局部地預加熱模具一側上的鎂合金元件至適于提高其可成形性的溫度。因此，根據直到3.6秒的預定加熱時間和圖3A中所示元件的多種組合示例性確定激光功率輸出。在圖3B至3E示出了相應接點的外部和內部的外觀。示例2圖5A示出了連接兩個厚元件的典型的激光預加熱和SPR循環(huán)。溫度曲線示出了關閉閘板之后的溫度下降；溫度中隨后的峰值是由于進入紅外照相機的窗口(view)的測量范圍內的SPR工具所引起。因此，SPR開始之后的IR溫度數據不指示連接過程中的元件溫度，但提供了關于多級SPR方法的信息，所述信息與夾緊和鉚釘調整的壓力數據一致。SPR方法的夾緊和鉚釘調整(rivetsetting)階段的總持續(xù)時間由此確定為激光輔助SPR的幾個試驗中的平均值1.47±0.03秒，并且通過減少夾緊開始和鉚釘調整開始之間的時間延遲減少至隨后試驗中的1.29±0.07秒。這可通過改變SPR設備的可編程邏輯控制器的一個設定參數予以實現。實際上，這減少了元件和機械SPR工具之間的接觸時間，進而減少了熱損失。熱損失還是由于遠離激光照射部分的熱擴散以及進入元件其余部分的熱擴散而引起。圖5B和5C分別示出了用于補償熱損失和產生無裂縫接點的激光功率和停留時間。因此，借助激光加熱的元件的表面溫度"t是高至元件熔點的80%,這能通過在夾緊過程中與SPR工具接觸防止熔化并補償熱損失，使得鉚釘調整過程中的元件溫度落入適當提高其可成形性的溫度范圍內。這匯總于表格l中。完成連接方法(除相對于彼此定位元件外)所用的總時間確定為小于5秒(根據隨后的試驗)，如圖6中所示。20<table>tableseeoriginaldocumentpage21</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>上面表格1示出了通過激光加熱的元件的表面溫度提升至元件熔點的80%,通過在夾緊過程中與SPR工具相接觸防止熔化并補償熱損失，使得鉚釘調整過程中的元件溫度落入適當提高其可成形性的溫度范圍內。根據給予的合金、變形速度(應變速率)以及應變級和分布，適于鎂元件的SPR形成的溫度范圍可以是100-350°C。后者依賴于使用的模具和鉚釘以及元件的厚度。圖7A示出了利用8mm-L3鉚釘和llmm(直徑)xi.2mm(深度)的BD2錐形模具剖面產生的3mm+3mmHPDCAM50接點的溫度和相應外觀。對于不充足的加熱，SPR工具的熱損失變得非常明顯，并且元件的連接發(fā)生在其中延展性是一個問題的形成溫度范圍內。由于低延展性產生的裂縫可通過提升元件溫度克服，如圖7A中例子#11和12所示。對于過熱或初始熔化(例如，由于過高的功率，太長的激光停留時間或激光照射的增加吸收)，元件的連接發(fā)生在其中熱脆性變成問題的熱加工作溫度范圍內，如圖7中#8和9所示，對此，峰值表面溫度不在紅外照相機的測量范圍。在常規(guī)的等溫熱加工狀況下，溫度通常不超過合金熔點的50至60%。直到80%固相線的峰值表面溫度是可能的(參見表格1),因為溫度對應的時間是短的并且連接所用時間小于1.3秒。更高的溫度能夠容納更高的應變或增加的變形，例如當使用較長或較硬的鉚釘產生厚的接點，該接點具有更大鉚釘互鎖和更高強度，如圖7B中所示，如果使用恰當的模具剖面，則如圖8A和8B所示。因此，借助激光輔助連接參數的適當選擇和控制，能夠實現可重現的溫度曲線，如圖8C中所說明的，進而產生具有足夠強度的連接(參見圖10C,與圖8C相關聯(lián)的連接強度)。示例3在使用和不使用激光的不同條件下連接許多不同對的元件以提高至少一個元件的一部分的可成形性進而評估其作用。圖9中示出了比較在使用和不使用激光的情況下形成的接點的圖像。利用具有比圖3B至3E中示例1中所示的更長和/或更硬的桿的鉚釘產生接點。應當注意，不僅防止了在使用激光提高可成形性時底部元件的裂開，還在使用激光時在存在具有周圍材料的鉚釘頭的更好接觸。在圖10中，根據利用不同鉚釘和模具產生的不同元件組合的單點接點給出一些靜態(tài)搭接剪切(shear)測試數據。圖IO示出了產生激光輔助SPR接點以符合強度需求的變化。在本發(fā)明的隨后權利要求和之前的描述中，除由于表達語言或必要含義上下文另外要求的情況外，文字"包括"表示包括的意義，即指定狀態(tài)特征的存在而不排除本發(fā)明多種實施例中其它特征的存在或添加。應當清楚地了解，盡管在此參考了現有技術公布，該參考并不構成任意的這些文件形成澳大利亞或任意其它國家中現有技術的公共常識部分的許可。權利要求1.一種用于將元件連接在一起的方法，該方法包括以下步驟相對于彼此定位元件；利用激光提高至少一個元件的至少一部分的可成形性；以及利用機械緊固方法將元件連接在一起。2.如權利要求1所述的方法，其中機械緊固方法在接近于至少一個元件的所述一部分處進行。3.如權利要求1或2所述的方法，其中激光功率輸出在100瓦至5000瓦之間。4.如權利要求I或2所述的方法，其中激光功率輸出在100瓦至2500瓦之間。5.如任一在前權利要求所述的方法，其中適當提高元件的可成形性所用的時間小于3.5秒。6.如任一在前權利要求所述的方法，其中適當提高可成形性并利用機械緊固方法將元件連接在一起所用的時間小于10秒。7.如任一在前權利要求所述的方法，其中元件的可成形性可以通過將所述一部分的溫度提升至元件熔點(固相線)的80%適當地提高。8.如任一在前權利要求所述的方法，其中該方法還包括預備元件的所述一部分的表面以提高激光能量的吸收的步驟。9.如權利要求8所述的方法，其中預備表面的步驟包括使表面粗糙。10.如權利要求8或9所述的方法，其中預備表面的步驟包括清潔表面。11.如權利要求8或9中任一項所述的方法，其中預備表面的步驟包括對表面施加光吸收涂層。12.如任一在前權利要求所述的方法，其中該方法還包括在提高可成形性的步驟之前，在待連接的至少兩個元件之間施加粘性材料的步驟。13.如任一在前權利要求所述的方法，其中該方法還包括將元件相對于彼此夾緊在它們的位置。14.如權利要求13所述的方法，其中夾緊的步驟發(fā)生在利用機械工具將元件連接在一起的步驟之前。15.如權利要求13或14所述的方法，其中夾緊的步驟與利用機械緊固方法將元件連接在一起的步驟同時發(fā)生。16.如權利要求13至15中任一項所述的方法，其中夾緊的步驟發(fā)生在利用機械緊固方法將元件連接在一起的步驟之后。17.如任一在前權利要求所述的方法，其中機械緊固方法是轉結式方法或壓力連4姿方法。.18.如權利要求1至16中任一項所述的方法，其中機械緊固方法包括使用機械緊固器。19.如權利要求18所述的方法，其中機械緊固器是自沖鉚釘。20.如權利要求19所述的方法，其中將元件連接在一起的步驟是自沖鉚接方法，其中，通過鉚釘槍形式的機械緊固工具對自沖鉚釘起作用，以推動鉚釘進入和/或穿過元件。21.如權利要求19所述的方法，其中機械工具還包括模具。22.如權利要求21所述的方法，其中該方法包括利用激光加熱模具的步驟。23.如權利要求18所述的方法，其中機械緊固器是螺栓、螺母、螺釘或雙頭螺柱。24.如權利要求18至23中任一項所述的方法，其中該方法進一步包括在將元件連接在一起的步驟之前加熱機械緊固器的步驟。25.如權利要求24所述的方法，其中利用激光加熱機械緊固器。26.如權利要求1至16中任一項所述的方法，其中機械緊固方法包括利用機械工具使元件的一部分變形以將元件的所述一部分變形為機械緊固器。27.如任一在前權利要求所述的方法，其中該方法進一步包括沿連接線在多個離散位置處重復將元件連接在一起的步驟。28.如權利要求27所述的方法，其中該方法進一步包括重復提高至少一個元件的多個離散部分的可成形性的步驟。29.如權利要求28所述的方法，其中該方法進一步包括同時提高所迷多個離散部分中的一些或全部的可成形性。30.如任一在前權利要求所述的方法，其中該方法進一步包括將單個激光束分開以提高至少一個元件的多個部分的可成形性。31.如權利要求30所述的方法，其中每個分開的激光束的激光功率輸出是100-5000瓦。32.如權利要求30所述的方法，其中每個分開的激光束的激光功率輸出是100-2500瓦。33.如任一在前權利要求所述的方法，其中激光束入射在與機械工具作用于元件以進行才幾如戈緊固方法的一側相對的一側。34.—種用于將元件連接在一起的設備，該設備包括用于提供入射在至少一個元件的至少一部分上的激光束的激光束發(fā)生裝置，以及用于作用于機械緊固器以將元件連接在一起的機械緊固工具。35.如權利要求34所述的設備，其中機械緊固工具包括用于作用于機械緊固器的鉚釘槍。36.如權利要求34所述的設備，其中機械工具包括沖壓工具，該沖壓工具用于使元件的一部分變形為元件的互鎖變形部。37.如權利要求35或36所述的設備，其中機械緊固工具還包括^t具。38.如權利要求37所述的設備，其中模具包括剖面平坦的壓凹。39.如權利要求37所述的設備，其中模具包括壓凹，該壓凹成形為促使待連接的元件流動遠而離模具的中心。40.如權利要求37或39所述的設備，其中模具包括剖面為錐形的壓凹。41.如權利要求37所述的設備，其中模具包括平坦的板。42.如權利要求37至41中任一項所述的設備，其中模具具有不粘附涂層。43.如權利要求37至42中任一項所述的設備，其中^t具具有耐熱涂層。44.如權利要求37至43中任一項所述的設備，其中模具具有耐氧化涂層。45.如權利要求34至44中任一項所述的設備，其中該設備還包括夾緊工具，用于將元件相對于彼此夾緊在它們的位置。全文摘要本發(fā)明公開一種用于將元件連接在一起的方法，該方法包括以下步驟相對于彼此定位元件；利用激光提高至少一個元件的至少一部分的可成形性；以及利用機械緊固方法將元件連接在一起。文檔編號B21J15/00GK101495253SQ200780028239公開日2009年7月29日申請日期2007年5月31日優(yōu)先權日2006年5月31日發(fā)明者伊馮娜·C·杜蘭德特,宋維前,布賴恩·登普斯特,斯圖爾特·布萊克特,米蘭·布蘭特申請人:鑄造Crc有限公司