本申請(qǐng)要求于2014年2月3日提交的、標(biāo)題為“電阻焊接緊固件、裝置和方法(Resistance Welding Fastener,Apparatus and Methods)”的美國臨時(shí)申請(qǐng)No.61/934,951的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容包含于此作為參考。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于緊固零件、更具體地用于緊固金屬(包括不同(dissimilar)金屬)的緊固件、緊固裝置和方法。

背景技術(shù)：

已知具有多種用于接合和組裝零件或子單元的緊固件、裝置和方法，諸如焊接、鉚接和螺紋緊固件等。在一些情況下，需要成本劃算地將鋁零件、子單元和層等接合至由其他材料制成的其他零件、子單元和層等，上述其他材料諸如為鋼(裸鋼、涂層鋼、低碳鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼)、鈦合金、銅合金、鎂和塑料等。這些緊固難題的解決方案包括將機(jī)械緊固件/鉚釘與粘接劑和/或阻擋層結(jié)合以保持足夠的接合強(qiáng)度并同時(shí)將例如由于不同金屬的接合處存在的原電池效應(yīng)所引起的腐蝕最小化。一般不采用鋁和其他材料之間的的直接焊接，這是由于鋁和其他材料會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物，這會(huì)不利地影響機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性。在采用直接焊接的情況下，通常是一些固態(tài)類型的焊接(摩擦焊接、電阻對(duì)接焊、超聲焊接等)或硬釬焊/軟釬焊(brazing/soldering)技術(shù)以最少化金屬間化合物，但是這種接頭的機(jī)械性能有時(shí)較差或者僅適用于獨(dú)特的接頭幾何形狀。

在汽車行業(yè)，出于成本和周期的考慮，用于將鋼接合至鋼的現(xiàn)用技術(shù)是電阻點(diǎn)焊(RSW)(每個(gè)接頭少于3秒并且可以通過機(jī)械臂執(zhí)行)。已知的用于將鋁接合至鋼的方法包括：使用傳統(tǒng)的通孔鉚接/緊固件、自沖鉚接(SPR)，使用流鉆螺釘(FDS或其商品名EJOTS)、摩擦攪拌點(diǎn)焊/接合(FSJ)、摩擦塞焊(friction bit joining,FBJ)以及使用粘接劑。這些工藝中的每一個(gè)都比鋼-鋼電阻點(diǎn)焊(RSW)更具有挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)使用SPR將高強(qiáng)度鋁(240MPa以上)鏈接至鋼時(shí)，鋁在鉚接工藝期間能夠破裂。此外，高強(qiáng)度鋼(大于590MPa)難以刺穿，需要利用大、重的鉚接槍施加高幅值的力。FSJ在汽車行業(yè)使用不廣泛，因?yàn)榻宇^特性(主要是剝離和橫向張力)與SPR相比較低。此外，F(xiàn)SJ要求非常準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)和安裝。隨著接頭厚度的增加，工藝的周期可能急劇增加，其中，當(dāng)制造鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，5mm至6mm的接頭疊加可能需要7至9秒的總處理時(shí)間，這明顯高于RSW的2至3秒的周期。FBJ采用了塞(bit)，其旋轉(zhuǎn)穿過鋁，然后焊接至鋼。該工藝與FSJ類似，需要非常準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)和安裝，并且需要高的鍛壓力焊接至鋼。FDS包括將螺釘旋轉(zhuǎn)進(jìn)入工件，使其中一塊板材塑化，該板材然后與螺釘?shù)穆菁y互鎖。FDS通常從單側(cè)施加，并且需要與鋼板中的導(dǎo)孔對(duì)準(zhǔn)，使組裝復(fù)雜化且增加了成本。因此，仍然需要用于接合和組裝零件或子單元的替代緊固件、裝置和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開的主題涉及一種用于使用電阻焊接將導(dǎo)電的第一材料緊固至導(dǎo)電的第二材料的方法，包括：將第一材料和第二材料以物理接觸和電接觸的方式放置在一起，第一材料具有比第二材料更低的熔點(diǎn)；放置導(dǎo)電的緊固件以與所述第一材料物理接觸和電接觸，緊固件能夠焊接至第二材料并且具有比第一材料更高的熔點(diǎn)，以形成包括緊固件、第一材料和第二材料在內(nèi)的導(dǎo)電的堆疊件；在放置緊固件以形成堆疊件的步驟之前或之后，在緊固件與第一材料之間應(yīng)用密封劑；橫跨堆疊件施加電勢(shì)，引起電流流動(dòng)通過堆疊件并且引起電阻加熱，電阻加熱引起第一材料的軟化；將緊固件朝向第二材料推動(dòng)穿過軟化的第一材料；在緊固件接觸第二材料之后，將緊固件焊接至第二材料。

根據(jù)本公開的另一方面，緊固件具有帽和以直角從帽延伸出的桿部，密封劑的形式是密封劑珠、密封劑環(huán)、密封劑盤、密封劑帶或密封劑沉積物中的至少一種，密封劑應(yīng)用至第一材料附近的帽或第一材料的表面上的至少其中之一，該第一材料的表面是在放置的步驟期間緊固件將被放置的位置。

根據(jù)本公開的另一方面，密封劑是粘接劑、聚合物、釬焊材料或焊料中的至少一種。

根據(jù)本公開的另一方面，還包括使密封劑在電阻加熱的步驟期間能夠流動(dòng)的步驟，在焊接步驟完成后，密封劑遵循并覆蓋帽與第一材料之間的接合處的至少一部分。

根據(jù)本公開的另一方面，放置緊固件的步驟包括將緊固件保持在運(yùn)送網(wǎng)板(web)中并且將網(wǎng)板和緊固件移動(dòng)到第一材料上方的選定位置，并且進(jìn)一步包括在焊接步驟之后使網(wǎng)板與緊固件分離的步驟。

根據(jù)本公開的另一方面，在推動(dòng)的步驟期間以及分離的步驟之前，網(wǎng)板的一部分卡在緊固件與第一材料之間。

根據(jù)本公開的另一方面，網(wǎng)板的被卡住的部分是密封劑。

根據(jù)本公開的另一方面，一種用于使用電阻焊接將導(dǎo)電的第一材料緊固至導(dǎo)電的第二材料的緊固件，包括：帽；軸，從帽延伸出并具有位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部，當(dāng)緊固件放置在包括以電接觸方式定位的導(dǎo)電的第一材料和第二材料在內(nèi)的堆疊件中并且受到橫跨堆疊件施加的電勢(shì)時(shí)，緊固件能夠傳導(dǎo)通過堆疊件的電流，電流引起電阻加熱以及在位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部焊接至第二材料，在端部焊接至第二材料之后，第一材料卡在帽與第二材料之間，緊固件具有多個(gè)層，第一層具有第一組分，第二層具有不同于第一組分的第二組分。

根據(jù)本公開的另一方面，第一層是鋼，第二層是鋁。

根據(jù)本公開的另一方面，第一材料是鋼，第二材料是鋁，第二層在延伸穿過第一材料中的孔口并受到電阻焊接后接觸并接合至鋁的第二材料。

根據(jù)本公開的另一方面，第二層是沿著緊固件的整個(gè)下表面存在的下層，包括帽的底面、緊固件的軸的外表面以及軸的端部的外表面。

根據(jù)本公開的另一方面，第二層是沿著軸的位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部的下表面存在的下層。

根據(jù)本公開的另一方面，第二層是沿著帽的下表面和軸的外側(cè)表面但不在軸的位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部上存在的下層。

根據(jù)本公開的另一方面，軸的端部具有外圍凸臺(tái)，第二層鄰接外圍凸臺(tái)。

根據(jù)本公開的另一方面，第一層對(duì)焊接至第二材料是兼容的，第二層對(duì)焊接至第一材料是兼容的。

根據(jù)本公開的另一方面，第一層是鋼，第一材料是鋁，第二材料是鋼，第二層選自鈦、不銹鋼和冷噴涂鋁。

根據(jù)本公開的另一方面，第一層對(duì)焊接至第二材料是兼容的，第二層是電絕緣體，第一層延伸穿過電絕緣體以與第二材料電接觸。

根據(jù)本公開的另一方面，第二層選自陶瓷和聚合物。

根據(jù)本公開的另一方面，多個(gè)層包括插入在多個(gè)層中的兩個(gè)層之間的擴(kuò)散阻擋層，兩個(gè)層是不同的金屬，第一金屬相對(duì)于擴(kuò)散阻擋層是上層，第二金屬相對(duì)于擴(kuò)散阻擋層是下層。

根據(jù)本公開的另一方面，第一層是鋼、鈦和銅中的至少一個(gè)，第二層是鋁，擴(kuò)散阻擋層是高純度鋁、鈦或鋅中的至少一個(gè)。

根據(jù)本公開的另一方面，第二層連接至緊固件的端部。

根據(jù)本公開的另一方面，一種用于使用電阻焊接將導(dǎo)電的第一材料緊固至導(dǎo)電的第二材料的緊固件，包括：帽；軸，從帽延伸出并具有位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部，當(dāng)緊固件放置在包括以電接觸方式定位的導(dǎo)電的第一材料和第二材料在內(nèi)的堆疊件中并且受到橫跨堆疊件施加的電勢(shì)時(shí)，其中第一材料具有比第二材料更低的熔點(diǎn)，緊固件能夠傳導(dǎo)通過堆疊件的電流，電流引起電阻加熱以及在位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部焊接至第二材料，在端部焊接至第二材料之后，第一材料卡在帽與第二材料之間，軸在帽與位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部之間具有實(shí)心橫截面。

根據(jù)本公開的另一方面，帽中具有凹陷，凹陷能夠接納從焊接電極的表面延伸出的突起，電極尖端與帽之間的接觸表面面積超過尖端與第二材料的接觸表面面積。

根據(jù)本公開的另一方面，帽中具有圓形(radiused)凹陷，圓形凹陷能夠接納從焊接電極尖端突起的圓形表面。

根據(jù)本公開的另一方面，帽具有自其表面延伸出的突起，突起能夠被接納在焊接電極尖端的表面中的凹陷中。

根據(jù)本公開的另一方面，一種用于使用電阻焊接將導(dǎo)電的第一材料緊固至導(dǎo)電的第二材料的緊固件，包括：帽；軸，從帽延伸出并具有位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部，當(dāng)緊固件放置在包括以電接觸方式定位的導(dǎo)電的第一材料和第二材料在內(nèi)的堆疊件中并且受到橫跨堆疊件施加的電勢(shì)時(shí)，緊固件能夠傳導(dǎo)通過堆疊件的電流，電流引起電阻加熱以及在位于帽的遠(yuǎn)側(cè)的端部焊接至第二材料，在端部焊接至第二材料之后，第一材料卡在帽與第二材料之間，帽朝向軸的端部卷回，使得帽的外圍大致與端部共同延伸，并且緊固件還包括附接至帽的外圍的電絕緣體，絕緣體能夠防止電流與流動(dòng)通過端部的電流并行地流動(dòng)通過外圍，在絕緣體鄰接第一材料的表面時(shí)，帽能夠彎曲以適應(yīng)端部通過第一材料并焊接至第二材料。

根據(jù)本公開的另一方面，一種用于使用電阻焊接將導(dǎo)電的第一材料的多個(gè)相鄰層緊固至導(dǎo)電的第二材料的方法，包括：將第一材料和第二材料以物理接觸和電接觸的方式放置在一起，第一材料具有比第二材料更低的熔點(diǎn)；放置導(dǎo)電的緊固件以與所述第一材料物理接觸和電接觸，緊固件能夠焊接至第二材料并且具有比第一材料更高的熔點(diǎn)，以形成包括緊固件、第一材料和第二材料在內(nèi)的導(dǎo)電的堆疊件；橫跨堆疊件施加電勢(shì)，引起電流流動(dòng)通過堆疊件并且引起電阻加熱，電阻加熱引起第一材料的軟化；將緊固件朝向第二材料推動(dòng)穿過軟化的第一材料的多個(gè)層；在緊固件接觸第二材料之后，將緊固件焊接至第二材料，第一材料的多個(gè)層在靠近緊固件穿過的位置處焊接至彼此。

根據(jù)本公開的另一方面，第二材料是第二緊固件，由第一材料制成的多個(gè)層在靠近第一緊固件和第二緊固件中的至少一個(gè)處焊接在一起。

根據(jù)本公開的另一方面，一種用于使用電阻焊接將導(dǎo)電的第一材料緊固至導(dǎo)電的第二材料的方法，包括：將第一材料彎曲成具有J形橫截面的構(gòu)造；將第二材料插入J形的曲線，其中，第一材料與第二材料物理接觸和電接觸，第一材料具有比第二材料更低的熔點(diǎn)；放置導(dǎo)電的緊固件以抵靠所述J形的短邊并且與所述第一材料物理接觸和電接觸，緊固件能夠焊接至第二材料并且具有比第一材料更高的熔點(diǎn)，以形成包括緊固件、第一材料和第二材料在內(nèi)的導(dǎo)電的堆疊件；橫跨堆疊件施加電勢(shì)，引起電流流動(dòng)通過堆疊件并且引起電阻加熱，電阻加熱引起在J形的短邊上的第一材料的軟化；將緊固件朝向第二材料推動(dòng)穿過軟化的第一材料；在緊固件接觸第二材料后，將緊固件焊接至第二材料。

緊固件插入穿過J形的短邊并焊接至第二材料而不影響J形的另一邊上的第一材料的外表面。

根據(jù)本公開的另一方面，對(duì)于多個(gè)緊固件重復(fù)該方法以形成底邊(hem)。

根據(jù)本公開的另一方面，一種用于應(yīng)用電阻焊接緊固件的電阻焊接電極的尖端，其中，尖端具有大鼻子形狀，大鼻子形狀具有靠近焊接電極的直徑較大部分和位于電極遠(yuǎn)側(cè)的直徑減小部分，直徑減小部分具有用于在焊接期間接觸緊固件的圓形端部。

根據(jù)本公開的另一方面，從直徑減小部分到直徑較大部分具有直壁形式的過渡，直壁相對(duì)于直徑較大部分的外壁成一角度設(shè)置。

根據(jù)本公開的另一方面，其中從直徑減小部分到直徑較大部分具有雙曲線形式的過渡。

根據(jù)本公開的另一方面，從直徑減小部分到直徑較大部分具有表面形式的過渡，表面具有的半徑是圓形端部的半徑的至少兩倍。

根據(jù)本公開的另一方面，一種用于使用電阻焊接將第一材料緊固至導(dǎo)電的第二材料的方法，包括：在第一材料中提供孔口；將第一材料與第二材料以物理接觸的方式放置在一起；提供導(dǎo)電的緊固件，緊固件具有帽和軸，帽比第一材料中的孔口更大，軸具有能夠穿過孔口的至少一部分，緊固件能夠焊接至第二材料；將緊固件的軸穿過孔口放置在第一材料中且與第二材料電接觸，以形成包括緊固件、第一材料和第二材料的堆疊件；

橫跨堆疊件施加電勢(shì)，引起電流流動(dòng)通過堆疊件并且引起電阻加熱，電阻加熱引起緊固件和第二材料的軟化；將緊固件焊接至第二材料并且將第一材料卡在帽與第二材料之間。

根據(jù)本公開的另一方面，第一材料是不導(dǎo)電的。

根據(jù)本公開的另一方面，第一材料是塑料。

根據(jù)本公開的另一方面，第一材料是陶瓷。

附圖說明

為了更完整地理解本公開，參照下面結(jié)合附圖對(duì)示例性實(shí)施例的詳細(xì)說明。

圖1是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的緊固件的立體圖。

圖2是沿著截面線2-2截取并沿箭頭方向看到的圖1的緊固件的橫截面圖。

圖3是與圖2所示的相同但具有不同尺寸的緊固件的橫截面圖。

圖4是順序地示出根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的緊固件插入穿過第一層并且焊接至第二層的示意圖。

圖5是順序地示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的緊固件插入穿過第一層并且焊接至第二層的示意圖。

圖6是順序地示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的緊固件插入穿過第一層并且焊接至第二層的示意圖。

圖7是順序地示出根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的緊固件插入穿過第一層并且焊接至第二層的示意圖。

圖8是順序地示出與圖7所示相同的緊固件插入穿過第一層并且經(jīng)由單側(cè)進(jìn)入(access)焊接至管狀構(gòu)件的示意圖。

圖9是順序地示出與圖7所示相同的緊固件插入穿過第一層并且以連續(xù)焊接形式焊接至第二層的示意圖。

圖10是順序地示出與圖7所示相同的相對(duì)的緊固件插入穿過第一層和第二層并且焊接至彼此的示意圖。

圖11是示出與圖7所示相同的緊固件定位在待緊固的不同材料堆疊層旁邊并在插入或焊接之前的示意圖。

圖12是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的點(diǎn)焊帽的側(cè)視圖。

圖13a和圖13b分別是根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的緊固件的平面圖和側(cè)視圖。

圖14a和圖14b分別是根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的緊固件的平面圖和側(cè)視圖。

圖15是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的緊固件沖壓工具的側(cè)視圖。

圖16是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的在應(yīng)用緊固件之前點(diǎn)焊裝置中的兩個(gè)金屬板的立體圖。

圖17a至圖17d是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖18至圖20分別是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的平面圖和橫截面圖。

圖21是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖22是插入穿過第一層并且焊接至第二層的圖21的緊固件的示意性橫截面圖。

圖23是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的插入穿過第一層并焊接至第二層的緊固件的示意性橫截面圖。

圖24是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖25是插入穿過第一層并焊接至第二層的圖24的緊固件的示意性橫截面圖。

圖26是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的兩部分緊固件的示意性橫截面圖，第一部分插入穿過支撐層并焊接至第二部分。

圖27是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的兩部分緊固件的示意性橫截面圖，第一部分插入穿過支撐層并焊接至第二部分。

圖28是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的帶有密封劑的緊固件的橫截面圖。

圖29是插入穿過第一層并焊接至第二層的圖28的緊固件的示意性橫截面圖。

圖30是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖31是插入穿過第一層用于焊接至第二層的圖30的緊固件的示意性橫截面圖。

圖32是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖33是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖34是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖35是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的鄰近焊接電極尖端定位的緊固件的示意性橫截面圖。

圖36是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖37是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖38是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的鄰近焊接電極尖端定位的緊固件的示意性橫截面圖。

圖39是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的鄰近焊接電極尖端定位的緊固件的示意性橫截面圖。

圖40是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的鄰近焊接電極尖端定位的緊固件的示意性橫截面圖。

圖41是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的一對(duì)緊固件的示意性橫截面圖，每一緊固件插入穿過相關(guān)的外層并焊接至公共的中間層。

圖42是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面圖。

圖43是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的示意性橫截面圖，其插入穿過J形層的一部分并焊接至由J形包圍的層。

圖44A和44B是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時(shí)與應(yīng)用后的示意性橫截面圖。

圖45是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的示意性橫截面圖，其插入穿過一對(duì)層并焊接至第三層。

圖46是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的一對(duì)緊固件的示意性橫截面圖，其插入穿過具有相當(dāng)?shù)暮穸鹊囊粚?duì)層并彼此焊接。

圖47是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的一對(duì)緊固件的示意性橫截面圖，其插入穿過具有不同的厚度的一對(duì)層并彼此焊接。

圖48是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的一對(duì)緊固件的示意性橫截面圖，其插入穿過一組三個(gè)層并彼此焊接。

圖49是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件的橫截面的照片，其插入穿過一對(duì)層并焊接至第三層。

圖50是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的一對(duì)緊固件的橫截面的照片，其插入穿過一對(duì)層并彼此焊接。

圖51是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的焊接電極和緊固件的示意性橫截面圖，其定位在一對(duì)層上。

圖52是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的焊接電極尖端和緊固件的示意性橫截面圖，其定位在一對(duì)層上。

圖53是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的焊接電極尖端和緊固件的示意性橫截面圖，其定位在一對(duì)層上。

圖54是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的焊接電極尖端和緊固件的示意性橫截面圖，其定位在一對(duì)層上。

圖55是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的焊接電極尖端和緊固件的示意性橫截面圖，其定位在一對(duì)層上。

圖56是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的焊接電極尖端和緊固件的示意性橫截面圖，其定位在一對(duì)層上。

圖57是根據(jù)本公開的可選實(shí)施例的緊固件和相關(guān)的材料層的示意性橫截面圖。

圖58是緊固件和用于相對(duì)于電阻焊接尖端和待緊固的材料層定位緊固件的相關(guān)的載體的示意性橫截面圖。

具體實(shí)施方式

圖1和圖2示出了緊固件10，其具有外圍帽12和錐形軸14，錐形軸14具有與帽12相對(duì)的鈍化的尖銳端部16。內(nèi)部中空H延伸穿過帽12并進(jìn)入軸14中。緊固件10可以由能夠支持電阻點(diǎn)焊工藝的導(dǎo)電金屬制成，例如，鋼或鈦。帽12具有邊緣到頂部尺寸CE以及直徑CD。桿部具有直徑SD以及從帽12到端部16的長(zhǎng)度SL。如下面所述，這些尺寸可以根據(jù)緊固件10被放置到的零件的使用而改變，例如，根據(jù)緊固件10用于接合的零件的厚度和類型而改變。在一個(gè)實(shí)例中，直徑CD可以在大約4mm至16mm的范圍，長(zhǎng)度SL在大約3mm至10mm的范圍，CE在大約0.5至3.0mm的范圍，SD在大約2至12mm的范圍。圖3示出了緊固件20，其與圖1的緊固件相同，但是具有不同的尺寸，即，具有包括更加尖銳的端部26的更細(xì)的軸24。

圖4示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的緊固件10a插入穿過第一金屬層11(例如，鋁合金)并且焊接至第二金屬層13(例如，鋼合金)，以形成層壓結(jié)構(gòu)L1。這在標(biāo)為A至E的順序階段中示出。如階段A處所示，該過程可以在具有相對(duì)的電極的傳統(tǒng)點(diǎn)焊站進(jìn)行，該相對(duì)的電極的尖端15a和17a示出為與金屬板/金屬層11、13間隔開，允許緊固件10a插入到尖端15a與層11之間。尖端15a可以具有表面S1，該表面S1具有在焊接過程中適應(yīng)、支撐、成形和/或保持緊固件10a的形狀。在階段B，由傳統(tǒng)的焊機(jī)(未示出)施加相對(duì)的力F1、F2以使尖端15b和17b朝向彼此移動(dòng)，將緊固件10b和層11、13卡在它們之間，并且在這些元件結(jié)合過程中施加電流I。力F1、F2和電流I貫穿階段B至E施加，各自的大小和持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)每個(gè)階段的要求而改變。例如，階段B中使鋁加熱/塑化所需要的電流I可以小于階段D和階段E中發(fā)生的將鋼焊接至鋼所需要的電流。類似地，力F1和F2可以改變以適應(yīng)變化的處理要求。

電流I將緊固件10b和層11、13加熱至鋁層11塑化并且能夠被緊固件10b移位/刺穿的溫度。鋁層由電流I電阻地加熱并且還通過來自緊固件10b和層13的傳導(dǎo)加熱。緊固件10b和層13具有比鋁層11更低的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率，使得通常由適用于對(duì)鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的電阻點(diǎn)焊機(jī)獲得的弱電流能夠用于生成使鋁層塑化以及進(jìn)行至層13的焊接所需的熱量，如下所述。由于鋁具有比鋼層13或緊固件10b(在該實(shí)例中也是鋼)更低的熔點(diǎn)，因此，鋁層11達(dá)到允許被緊固件10b移位并且允許緊固件10b的端部16b穿透鋁層11的塑性狀態(tài)。如階段C所示，緊固件10c插入鋁層11中，引起移位的塑化鋁的上涌部11U上升到層11的原始上表面11S之上。如階段D所示，緊固件10d完全穿透層11并與鋼層13接觸，緊固件10d的端部16d開始在鋼層13上熔化并變平，熔化的金屬的區(qū)域Pd開始在層13與緊固件的端部16d的交界面形成。區(qū)域Pd是層13和緊固件10d的金屬液化和混合處的焊接材料或“點(diǎn)焊熔核(nugget)”。如階段E所示，繼續(xù)施加的聚合力F1、F2和電流I導(dǎo)致桿部14e的長(zhǎng)度的一部分以及端部16e進(jìn)一步鈍化和熔化，同時(shí)熔化區(qū)域Pe擴(kuò)大。階段E還示出了帽12e下降至上表面11S的高度，覆蓋且密封因緊固件10e完全插入鋁層11所產(chǎn)生的上涌部11U。

在完成階段E之后，力F1、F2和電流I能夠被去除，并且收回尖端15e和17e。前述的過程能夠在有阻擋層的情況下進(jìn)行，例如，施加至表面11S和/或?qū)?1、13之間的漆料/底漆(未示出)或表面預(yù)處理的粘接劑層，只要該阻擋層不妨礙電流I流動(dòng)以產(chǎn)生電阻加熱。通過這種方式，能夠減少不同金屬層11、13之間的接觸，以及不期望的原電池反應(yīng)和腐蝕。緊固件10在穿透期間和該過程的各焊接階段期間的局部熔化允許緊固件10a適應(yīng)層11的多種厚度。

緊固件10a的帽12a限定了環(huán)形凹部，當(dāng)帽12a在鋁層11的表面11S上“見底”時(shí)，該環(huán)形凹部能夠接收、卡住以及封閉鋁和因穿透(階段B和C)和焊接(階段D和E)產(chǎn)生的金屬間化合物。包含鋁和金屬間化合物可以顯著改善因緊固件10a引起的腐蝕性能和接合強(qiáng)度。帽12a能夠在焊接過程之前在緊固件10a中形成或者能夠在焊接期間原位形成。如下面參照?qǐng)D8更充分地描述的，緊固件10a的幾何形狀及其與尖端15a和表面S1的相互作用/及尖端15a和表面S1對(duì)其的保持使得能夠?qū)崿F(xiàn)單側(cè)焊接(從一側(cè)焊接，而沒有直接與電極尖端15a相對(duì)的電極接觸構(gòu)件13提供反作用力)。尖端15a可以被成形為通過緊固件10a的彈力或彈簧加載被緊固件10a抓住，該彈力或彈簧加載在焊接期間將緊固件10a保持在尖端15a上，但是一旦完成焊接則分離。例如，尖端15a可以具有外圍凸臺(tái)或凹腔，緊固件10a的上邊緣彈性地并且可去除地抓住該外圍凸臺(tái)或凹腔。

緊固件10可以由薄鋼板形成，例如，厚度大約為1mm至4mm，但是可以根據(jù)層11、13的厚度制造成任意給定厚度，層的厚度越大則需要的緊固件的厚度越大?？蛇x地，緊固件10的軸14可以是實(shí)心或半實(shí)心的。不管緊固件的厚度/中空度(給定表面面積的密度)如何，軸14都可以在端部16焊接至板13時(shí)成比例地塌縮，使得當(dāng)焊接完成時(shí)(階段E)帽接觸板11的上表面11S和/或封閉任何金屬間化合物和上涌的區(qū)域11U。

焊接區(qū)域Pe的最終尺寸將取決于緊固件軸14e的開始和最終尺寸，即，直徑、長(zhǎng)度和軸壁的厚度。緊固件軸14e的尺寸越大，焊接區(qū)域Pe的尺寸越大。在一個(gè)實(shí)例中，將0.5mm至4.0mm厚的由鋁組成的板11附接至0.5mm至3.0mm厚的由鋼組成的板13，焊接直徑的范圍在2mm至8mm會(huì)表現(xiàn)出有益的剪切和撕裂強(qiáng)度特性。

為了使利用本公開的緊固件10制成的焊接成品的重量最小化，可以減小制造緊固件10所采用的板的規(guī)格。結(jié)果，緊固件軸14的減小的側(cè)壁強(qiáng)度可能引起其在焊接過程期間提前塌縮。為了對(duì)軸14進(jìn)行支撐，電極15a可以成形為延伸到中空H中，以在中空H內(nèi)部分地或完全地接合軸14的內(nèi)表面。圖5示出了可選的緊固件110在焊接過程中的兩階段，即，擠出穿過層11之前的階段B5和焊接之后的階段E5。電極尖端115具有表面S2，該表面S2支撐緊固件110的端部116，允許端部116被推動(dòng)穿過層11而不使端部116或軸(側(cè)壁)114變形。尖端115具有凹陷的環(huán)形表面S3，當(dāng)緊固件按壓完全穿過層11以形成如階段E5所示的焊接區(qū)域Pg時(shí)，該表面S3能夠響應(yīng)于緊固件110被壓靠在上涌部11U上而接納和形成/成形緊固件外圍110p的對(duì)應(yīng)區(qū)域。

圖6示出了使用緊固件110執(zhí)行點(diǎn)焊穿過上層11(如，鋁板)以將上層11緊固至下層13(如，鋼板)的更全面的步驟A6至F6的序列。如能夠理解的，該過程也可以稱為“電阻點(diǎn)緊固”或“電阻點(diǎn)鉚接”，原因是緊固件110可以描述為鉚釘，該鉚釘插入穿過層11、在層11中制造孔以及通過焊接接合至層13，緊固件的帽112將層11壓靠在層13上。隨著緊固件110穿透頂層11并且接合底層13，電極尖端115中的凹陷的環(huán)形表面S3封裝或密封層11，特別是封裝或密封上涌部11U。在一個(gè)實(shí)例中，階段B6和C6可以具有大小為例如從600磅到2000磅的相關(guān)力F_H和大小為例如從4000安培到24000安培的電流值I_H，其適合塑化厚度為2mm的第一鋁層11以及通過總直徑為16mm、總高度為3mm、平均壁厚為1.0mm的低碳鋼緊固件焊接至由厚度為1.0mm的780MPa鍍鋅涂層鋼構(gòu)成的第二層13。力和電流的這些大小僅僅是示例性的并且取決于緊固件110和層11、13的尺寸和組分。從階段B6過渡至C6的持續(xù)時(shí)間可以在大約0.2至2.0秒。進(jìn)一步參考該示例，并且緊固件110和層11、13使用相同的尺寸和特性，階段D6可以使用大小為例如從500到800磅的相關(guān)力F_W和大小為例如從6000至18000安培的電流值I_W，這適合開始緊固件110和下層13的熔化以形成熔化焊接區(qū)域Pd。在階段E6，力F_W的大小可以改變?yōu)榇笮槔鐝?00到1000磅的力F_T以及大小為例如從3000到12000安培的電流值I_T，以形成擴(kuò)展的焊接區(qū)域，以使該焊接回火并且給予其4mm至6mm的平均橫截面直徑。階段D6的完成可能耗費(fèi)例如0.1秒至0.5秒。在階段F6，可以撤回第一和第二電極尖端115、117。如可以理解的，由于上涌部11U迫使帽112與表面S3共形，建立了緊密相關(guān)的配合，在階段F6將第一尖端115從緊固件110f撤回可能有一些阻力。在一些應(yīng)用中，還可能優(yōu)選使用預(yù)成形的緊固件來減小撤回力、周期以及減小使帽112成形為與表面S3和上涌部11U共形所需的焊接力F_W的大小。

圖7示出了使用緊固件210執(zhí)行點(diǎn)焊穿過上層11(如，鋁板)以將上層11緊固至下層13(如，鋼板)的步驟A7至F7的序列。緊固件210被預(yù)先形成以具有與圖6的階段D6和E6中所示的已經(jīng)經(jīng)過焊接力成形后的緊固件110類似的形狀，使得上段能夠封裝和密封頂面，而不需要在焊接過程期間通過電極形成。由于緊固件210被預(yù)先形成，電極尖端215不需要凹陷的環(huán)形表面S3來將帽212成形為容納和密封第一層11的位于緊固件210穿透處附近的上涌部11U。因此，電極尖端215能夠逐漸變細(xì)(在表面S4、S5處被倒圓至對(duì)緊固件210的端部216進(jìn)行支撐的表面S2)。這允許加熱、焊接和回火力F_H、F_W、F_T以及加熱、焊接和回火電流I_H、I_W、I_T集中在較小的區(qū)域，允許使完成穿透、焊接和回火的力和電流減小。

圖4至圖7描述了直接接觸焊接，其中，電阻焊接電極(如，15a，17a)從相反兩側(cè)夾住工件/焊接疊層10a、11和13。如圖8所示，根據(jù)本公開的使用緊固件10、20、110和210的點(diǎn)焊能夠使用間接焊接從一側(cè)進(jìn)行。結(jié)構(gòu)S8，諸如鋼梁或任何其他形式的結(jié)構(gòu)可以連接至電勢(shì)源的一個(gè)極點(diǎn)以執(zhí)行焊接。另一極點(diǎn)向焊接尖端215提供電力以提供電力用于在階段B8和C8加熱，在D8焊接以及在E8回火。間接焊接通常在鋼上完成，但是難以在鋁與鋁的接頭上進(jìn)行。由于本公開允許利用由除鋁以外的材料制成的緊固件進(jìn)行焊接，其促進(jìn)了鋁層11(如，鋁板)與鋼結(jié)構(gòu)S8(如，鋼管)的結(jié)合。

在串聯(lián)(series)焊接中，兩個(gè)或更多個(gè)電極從一側(cè)接近。然后隨著焊接電流在呈串聯(lián)方式的多個(gè)槍之間流動(dòng)時(shí)形成多處焊接。圖9示出了本公開的焊接工藝和裝置能夠用于對(duì)緊固件210a和210b進(jìn)行串聯(lián)焊接以在單個(gè)焊接操作中接合層/構(gòu)件11、13。電流I_H通過電極215a、層11、13，通過導(dǎo)電支撐條S9，然后返回通過層11、13至電極215b。如前所述，電流I_H對(duì)層11加熱，允許層11被緊固件210a、210b穿透，該緊固件焊接接觸在層13上。整個(gè)過程類似于如上解釋的，但是僅示出了階段B9、D9和F9。串聯(lián)焊接通常不在鋁上進(jìn)行，而是一般使用鋼材料完成。由于本公開允許利用由除鋁以外的材料制成的緊固件進(jìn)行焊接，其促進(jìn)了鋁層11(如，鋁板)與鋼層/鋼板13或鋼結(jié)構(gòu)(諸如鋼管或箱形結(jié)構(gòu))通過串聯(lián)焊接結(jié)合。

雖然前述實(shí)例提到的緊固件10、20、110、210由鋼制成，但是緊固件10、20、110、210可以由任意材料制成，并且第一層11和后續(xù)(第二)層13的組分和數(shù)量也可以改變。為了穿透像層11這樣的中間層，緊固件10……210應(yīng)該由比在加熱/穿透階段(如，B6，C6(圖6))期間被穿透的中間層11熔點(diǎn)更高的材料制成。為了進(jìn)行焊接階段，如D6，緊固件110的材料必須與其將要電阻焊接的層(如，層13)兼容。例如，如果層13由高強(qiáng)度(大于590MPa)鍍鋅鋼制成，則緊固件110可以由例如標(biāo)準(zhǔn)鋼、低碳鋼、高強(qiáng)度鋼(大于590MPa)或不銹鋼等級(jí)制成。

圖10示出了緊固件210c可以與相對(duì)的緊固件210d一起使用，以通過彼此點(diǎn)焊焊接來接合一對(duì)層11a、11b(例如，由鋁或鎂制成)，從而使得帽212c、212d將層11a、11b卡在其間。階段A10至F10示出的步驟在使用電阻加熱、穿透層以及焊接方面與上述步驟(例如，參照?qǐng)D4至圖7描述的)相似，但是它們分別沿相反方向穿透中間層11a、11b、接觸并焊接至彼此而不是緊固件210c、210d到達(dá)它們所焊接的層13。

圖11示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的可被接合的層的多種組合。如組合G所示，材料的疊層可以是鋁11A和鋼13S，與如上在圖7的階段B7中所述和示出的疊層相同。如上所述，緊固件210能夠被推動(dòng)穿過鋁層11A并且焊接至鋼層13S。組合H示出了兩層鋁11A1和11A2與鋼層13S的疊層。如前，緊固件210能夠被推動(dòng)穿過鋁層11A1和11A2，然后焊接至鋼層13S。組合I示出了一層鋁11A和一層鎂11M與鋼層13S的疊層。緊固件210能夠被推動(dòng)穿過鋁層11A和鎂層11M，然后焊接至鋼層13S。組合J示出了外層的鎂11M和中間層的鋁11A以及鋼層13S的疊層。緊固件210能夠被推動(dòng)穿過鎂層11M和鋁層11A，然后焊接至鋼層13S。在G、H、I和J所示的每個(gè)疊層中，緊固件210都可以用于固定所示的層壓結(jié)構(gòu)。層的材料、厚度和數(shù)量的其他組合也可能由本公開的緊固件210、110、20、10緊固。

圖12示出了焊接電極尖端215，其具有連接套管部215S和焊接部215W，焊接部215W具有倒圓的錐形表面S4和S5。像這樣的尖端能夠從CMW(Contacts Metal Welding，www.cmwinc.com)得到并且被稱為G帽。

圖13a和圖13b示出了帽螺母，該帽螺母被改變用途以用作根據(jù)本公開的緊固件。緊固件310具有帽312、軸314和端部316。用于與配對(duì)的工具318相互作用的突耳318可以用于將緊固件310保持在如尖端115的電極尖端上，并且還可以用于在緊固件被推動(dòng)穿過中間層11和/或當(dāng)緊固件焊接至層13時(shí)扭轉(zhuǎn)該緊固件。

圖14a和圖14b分別是根據(jù)本公開的另一實(shí)施例的緊固件410的側(cè)視圖和平面圖。如圖15所示，緊固件410能夠使用沖壓工具和支撐模具制造成沖壓件。帽412在曲線C1處過渡到軸414，軸414在曲線C2處過渡到端部416。當(dāng)曲線C1繞著緊固件410的對(duì)稱軸線S旋轉(zhuǎn)并且由邊緣412e及其在軸414上的投影劃界時(shí)，曲線C1限定出空間V1，該空間V1能夠包含且封閉被穿透的層的上涌部，例如，如圖5的11U所示。

圖15示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的緊固件沖壓工具505。該沖壓工具可以用于由庫存材料520(例如，鋼板)形成如緊固件410的緊固件。緊固件沖壓工具505包括具有成形表面522S(以虛線示出)的鐓粗模522(upset die)。成形工具524(虛線)由沖頭526(以虛線示出的軸)驅(qū)動(dòng)，沖頭526與鐓粗模522結(jié)合作用，以由庫存材料520形成緊固件410(圖14a，14b)。在所示實(shí)施例中，當(dāng)被沖頭526向下驅(qū)動(dòng)穿過庫存材料520時(shí)，成形工具524既將緊固件410從庫存材料520切斷也對(duì)其進(jìn)行成形?？蛇x地，可以通過單獨(dú)的沖頭從庫存材料切割具有形成緊固件410所要求的尺寸的盤形坯料(未示出)，并且在沖頭526被向下驅(qū)動(dòng)抵靠鐓粗模522之前加載到坯料保持器530中，以將坯料成形為緊固件410。彈簧532可以插到保持帽534和坯料保持器530之間，以在緊固件410已經(jīng)由緊固件沖壓工具505沖壓完成后使沖頭526返回到中間位置。沖頭526可以連接至沖頭保持器528，沖頭保持器528被以傳統(tǒng)方式機(jī)械地、液壓地或氣動(dòng)地驅(qū)動(dòng)用以致動(dòng)沖頭和壓力機(jī)。

圖16示出了焊接疊層605，其中，在穿透或焊接之前，緊固件610抵靠第一和第二層611、613定位。第一層611可以是鋁、鎂或銅板，第二層可以是鋼、鈦或鉻鎳鐵合金板。層611、613和緊固件610夾在第一和第二尖端615、617之間，第一和第二尖端615、617與可商購的電點(diǎn)焊機(jī)(如，可從Centerline Welding有限公司獲得的250kVA焊接站)的下電極和上電極640、642電連接。

在根據(jù)本公開執(zhí)行的焊接操作的一個(gè)實(shí)例中，采用了可商購的250kVA座式交流電阻點(diǎn)焊機(jī)來加熱和將緊固件/鉚釘插入穿過鋁板并焊接至鋼支撐板。上電極尖端615是稱為G帽(類似于圖12的尖端215)的可商購的電極，下電極尖端617是標(biāo)準(zhǔn)的平面的(16mm直徑，RWMA型C-Nose)。如圖13a和13b所示的標(biāo)準(zhǔn)帽螺母610被用作鉚釘。要接合的零件是1.5mm的7075-T6鋁合金以及0.7mm的270MPa的鍍鋅鋼。如圖16所示，帽螺母610放置在G帽電極615上，然后抵靠疊層中的鋁板611。生成持續(xù)時(shí)間大約1.5秒的9000安培的電流脈沖來引起帽螺母610穿透鋁板611。穿透之后，帽螺母610通過大約15kA持續(xù)0.166秒的電流脈沖焊接至鋼。獲得了直徑大約5mm、位于鋼帽螺母和0.7mm的270MPa的鋼板之間的焊接按鈕。

本公開的各方面包括低零件變形，因?yàn)橐o固的層(如11、13)在焊接期間被壓縮保持，并且熱影響區(qū)主要限制在緊固件10的帽(如，帽12)的范圍內(nèi)。緊固件(如緊固件10、20、110、210、310、410、610)關(guān)于第一層11形成空間以困住由緊固件穿透第一層11而移位的金屬間化合物或材料。緊固件(如，10……610)能夠被用于緊固多種層厚度和多個(gè)不同種類材料的層，即，通過選擇具有合適尺寸和材料組分的緊固件。另外，歸因于其形成材料的彈性以及緊固件的形狀，可在一厚度范圍內(nèi)操作給定緊固件10……610。例如，當(dāng)緊固件410被用于適應(yīng)多種厚度時(shí)，帽412可以相對(duì)于軸414彈性地彎曲，并且當(dāng)焊接至層13時(shí)彈性地壓在層(例如，層11)上。帽412抵靠層(例如，層11)進(jìn)行彈性按壓可以有助于在緊固件處在適當(dāng)位置時(shí)建立和保持緊固件10……610的外周周圍的密封。

本公開的緊固件10……610可以被施加穿過層(如，層11、13)之間施加的粘接劑和/或其他涂層和/或穿過施加至頂層11的涂層。通過使用緊固件形成的焊接處(如圖4中的Pe)既不會(huì)穿透層13也不會(huì)影響層13的與該焊接處相反的表面，從而保持外觀、抗腐蝕性以及防水。在緊固件穿透期間，例如，在圖4的階段C以及焊接階段、階段D，緊固件10c、10d和10e將連續(xù)塌縮并且沿著焊接區(qū)域Pd、Pe擴(kuò)展，將金屬間化合物從焊接區(qū)域推出。本公開的方法和裝置與開發(fā)用于鋼板電阻焊的傳統(tǒng)RSW設(shè)備兼容并且該緊固件10……610能夠由多種材料制成，諸如，多種等級(jí)的鋼(低碳鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼)、鈦、鋁、鎂和銅。本公開的緊固件可以被選擇性地涂覆(鍍鋅、鍍鋅擴(kuò)散、熱浸鍍、鍍鋁)以改善抗腐蝕性。

如上所述，本公開的緊固件10……610可以通過單側(cè)或兩側(cè)進(jìn)入焊接來使用。緊固件10……610不需要導(dǎo)孔，但是也能夠與鋁板或頂板中的導(dǎo)孔一起使用。導(dǎo)孔還可以用于允許電流流動(dòng)穿過介電層，諸如粘接劑層或抗腐蝕涂層/抗腐蝕層。使用緊固件10……610產(chǎn)生的焊接質(zhì)量能夠根據(jù)應(yīng)用于由焊接留下的腔的質(zhì)量保證測(cè)量進(jìn)行測(cè)試，即，測(cè)量該腔的尺寸。還可以在例如層13的背面(鋼的一面)使用超聲NDE技術(shù)來監(jiān)控焊接質(zhì)量。

與FDS(EJOTS)、SPR以及SFJ相比，用于施加本公開的緊固件10……610的裝置具有更小的尺寸，從而允許進(jìn)入更緊密的空間。與SPR相比，本公開的裝置和方法使用了更低的插入力，這是因?yàn)樵诰o固件插入階段，例如，見圖4的階段C，第一層11被加熱/軟化。本公開的方法和裝置提供了接合高強(qiáng)度鋁(在SPR操作期間容易破裂)以及接合至高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼的能力，這是因?yàn)椴恍枰迷摼o固件刺穿鋼金屬而是使緊固件焊接至鋼金屬。

本公開的裝置和方法不需要旋轉(zhuǎn)零件并且有益于解決零件裝配問題，因?yàn)檎麄€(gè)工藝在關(guān)于如何將各組成層/零件固定在一起方面類似于傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊(RSW)。此外，應(yīng)用緊固件10……610能夠快速地進(jìn)行，從而提供了類似于傳統(tǒng)RSW的快處理速度。本公開的裝置和方法能夠同時(shí)用在鍛造和鑄造的鋁產(chǎn)品上，并且當(dāng)將鋁焊接至鋼時(shí)可以用于產(chǎn)生兼容的金屬接頭而不是可能具有低接頭強(qiáng)度的雙金屬焊接處。如上所述，本公開的裝置和方法可以用于接合由不同材料構(gòu)成的多個(gè)層，例如，兩層鋁，一層鋼；一層鋁，兩層鋼；或者一層鋁、一層鎂以及一層鋼。

圖17a示出了像圖14a的緊固件410的緊固件710的橫截面圖，其中，帽712、軸714和端部716的厚度基本具有恒定厚度。端部716是平坦的。

圖17b示出了緊固件810，其中，端部816是平坦的并具有比帽812的軸814更大的厚度。

圖17c示出了緊固件910，其具有經(jīng)倒圓的端部916，端部916具有恒定的厚度。在一個(gè)實(shí)例中，半徑R在1到6英寸的范圍內(nèi)。

圖17d示出了緊固件1010，其具有經(jīng)倒圓的端部1016以及在端部1016與軸1014的結(jié)合處的凸條(spline)1014s。凸條1014s可以與對(duì)稱軸線/旋轉(zhuǎn)軸線S對(duì)齊或相對(duì)該軸線S成角度A設(shè)置。該凸條可以用于在緊固件被按壓穿過層11時(shí)沿特定方向(例如直線或螺旋方向)引導(dǎo)緊固件和/或被用作防止層11相對(duì)于安裝的緊固件1010旋轉(zhuǎn)的防旋轉(zhuǎn)特征。

圖18至20示出了緊固件1110，其具有比其寬度W更大的長(zhǎng)度L。在一個(gè)實(shí)例中，長(zhǎng)度L可以在8mm到25mm的范圍，并且寬度在4mm到8mm的范圍。

圖21示出了緊固件1210的橫截面圖，其具有在1212c處會(huì)合的左部1210a和右部1210b。緊固件1210是圍繞對(duì)稱線/旋轉(zhuǎn)線S的旋轉(zhuǎn)體，使得端部1216a、1216b形成可以焊接至基板的連續(xù)環(huán)形表面，如下面進(jìn)一步所示。

圖22示出了緊固件1210插入穿過第一層11(例如，由鋁制成)并且在焊接區(qū)域Pa、Pb焊接至層13(例如，由鋼制成)，其將具有連續(xù)的環(huán)形形狀。該環(huán)形的焊接區(qū)會(huì)在與例如通過使用圖14a所示的緊固件410形成的盤形焊接區(qū)相比更大的表面區(qū)域上分布。尖端1215具有在緊固件1210被加熱和向尖端1217按壓時(shí)容納和支撐緊固件1210的表面1215s。

圖23示出了插入穿過第一層11并在焊接區(qū)域Pa、Pb焊接至第二層13的緊固件1310的橫截面圖。如圖21所示，緊固件1310是圍繞對(duì)稱線/旋轉(zhuǎn)線S的旋轉(zhuǎn)體，使得焊接區(qū)域Pa和Pb是焊接至層13的連續(xù)環(huán)形焊接區(qū)的一部分。緊固件1310以帶螺紋的中央容座1342為特征，中央容座1342具有螺紋1342t，其適合接納配對(duì)的帶螺紋的緊固件，如螺栓(未示出)。以這種方式，緊固件1310能夠執(zhí)行兩個(gè)功能，即，將層11保持至層13以及提供允許通過配對(duì)的帶螺紋的緊固件(未示出)裝配至另一構(gòu)件或結(jié)構(gòu)(未示出)的帶螺紋的容座。尖端1315具有用于在焊接時(shí)容納容座1342的凹部1315r。

圖24和圖25示出了像緊固件1310的緊固件1410，但是該緊固件1410具有端部開放的帶螺紋1442t的容座部1442。如圖25所示，在準(zhǔn)備安裝緊固件1410時(shí)，層11和13優(yōu)選地被鉆孔或者以其他方式提供容座部1442能夠插入穿過的配對(duì)的孔11h、13h。然后可以通過電阻焊執(zhí)行層11的穿透以及至層11的焊接，如上所述。尖端1415具有用于在其被按壓穿過層11并焊接至層13時(shí)對(duì)緊固件1410進(jìn)行支撐的表面1415s。尖端1417具有凹部1417r，凹部1417r容納焊接過程期間延伸穿過層11、13的容座部1442。

圖26示出了緊固件1510，其具有上部1510u和下部1510l，上部1510u和下部1510l可以焊接在一起以將緊固件附接至層11，例如，鋁層。下部1510l以帶螺紋的容座1510t為特征。緊固件1510可以由鋼或鈦制成。焊接過程的執(zhí)行如前所述，區(qū)別僅在于，在上部被推動(dòng)穿過鋁層11之后，上部1510u焊接至下部1510l，而不是焊接至第二層13。如前所述，焊接區(qū)域Pa、Pb是環(huán)形焊接區(qū)的一部分，因?yàn)榫o固件1510是旋轉(zhuǎn)體。層11被卡在凸緣部1510f與帽1512之間。緊固件1510允許由第一材料(例如，鋼或鈦)制成的帶螺紋的容座1510t附接至由不同金屬(例如，鋁或鎂)制成的層11。

圖27示出了緊固件1610，其具有上部1610u和下部1610l，上部1610u和下部1610l可以焊接在一起以將緊固件附接至例如由鋁制成的層11。下部1610l以帶螺紋的螺栓1610s為特征。緊固件1610可以由鋼或鈦制成。焊接過程的執(zhí)行如前所述，區(qū)別僅在于，在上部被推動(dòng)穿過鋁層11之后，上部1610u焊接至下部1610l，而不是焊接至第二層13。焊接區(qū)域Pa大致是盤形的，緊固件1610是旋轉(zhuǎn)體。層11被卡在凸緣部1610f與帽1612之間。緊固件1610允許由第一材料(例如，鋼或鈦)制成的帶螺紋的螺栓1610s附接至由不同金屬(例如，鋁或鎂)制成的層11。

圖28和圖29示出了自密封緊固件1710，其具有應(yīng)用至靠近帽1712與軸1714的結(jié)合處的下面的密封劑1728的珠(bead)。該密封劑可以是粘接劑或聚合物并且可以如液體、膠體或膏一樣應(yīng)用，并且可以在緊固件1710使用之前固化成固體或半固體或者可以保持柔軟或液體狀態(tài)。當(dāng)緊固件1710用于通過將緊固件1710焊接至基板13或另一緊固件1710而將層11(鋁)、層13(鋼)的材料連接在一起時(shí)，例如，如上關(guān)于緊固件210所述的(圖10)，該密封劑會(huì)經(jīng)歷狀態(tài)的改變，例如，如果是固體，其可能因通過電阻導(dǎo)致的熔化所實(shí)現(xiàn)的緊固件1710插入穿過中間層11所產(chǎn)生的熱量而熔化或者在形成焊接處1710W的焊接階段期間產(chǎn)生的熱量而熔化。在緊固件1710及其焊接至的金屬冷卻后，密封劑1728可以在與頂層11的表面以及該表面中的任何上涌部11U共形后返回固態(tài)，從而利用頂層11與緊固件1710之間的密封提供密封的接頭1710J。密封劑1728防止了環(huán)境中存在的物質(zhì)(例如，氧氣或水分)的滲入，該滲入能夠?qū)е戮o固件1710、板11、13和/或焊接處1710W的腐蝕?？蛇x地，在焊接處1710W完成之后，該密封劑1728可以仍然是半固體或膠體的。密封劑1728可以以幾種不同的方式應(yīng)用，包括：(i)作為緊固件制造中的一個(gè)步驟應(yīng)用至緊固件1710；(ii)正好在用于形成焊接接頭之前應(yīng)用至緊固件1710；例如，在接觸外板11之前，通過將珠(在壓力下由噴嘴噴射)——一種預(yù)成形為固體或半固體形式的環(huán)(并且放置在緊固件1710上)——或者密封劑帶(以可斷開的條帶的形式提供，或者通過接觸噴涂器涂上或者在壓力下噴上)應(yīng)用至緊固件1710?？蛇x地，密封劑1728可以應(yīng)用至板11的表面，例如，其形式為布置在頂面11S上緊固件1710將插入的位置或者在接合過程之前在板11中的導(dǎo)孔的外圍的粘接劑點(diǎn)。密封劑1728可以通過使用當(dāng)前應(yīng)用在飲料罐端部加襯工藝中的“封口膠澆注機(jī)(compound liner)”設(shè)備應(yīng)用至緊固件。美國專利No.6,887,030中公開的技術(shù)(其全部?jī)?nèi)容結(jié)合于此作為參考)可以用于在應(yīng)用密封劑1728期間停止緊固件1710旋轉(zhuǎn)，從而減小對(duì)應(yīng)用至緊固件1710的密封劑1728的保護(hù)性涂層的破壞。密封劑1728能夠與上述的緊固件10、110、210等以及層11、13、11M等中的任何一個(gè)一起使用。圖29示出了緊固件1710焊接至層13以后的密封劑1728。密封劑1728能夠部分地或者完全填充緊固件1710的下面1710U與板11的上表面11S之間的腔。密封劑1728能夠提供腐蝕防護(hù)，增加緊固件1710與頂面11S之間的接頭強(qiáng)度，和/或避免水/水分進(jìn)入接頭J。

圖30和圖31示出了雙層緊固件1810的橫截面圖，其具有例如由鋼、鈦、銅或第一鋁合金(如，1xxx)制成的第一層1810S以及例如由鋁或不同類型的鋁合金(如，6xxx)制成的第二層1810A。該緊固件1810可以由多合金雙層板(1xxx覆蓋在6xxx上等)或多材料雙層板(鋁覆蓋鋼，鋁覆蓋銅，等)形成(如，沖壓)。圖31示出了由雙層緊固件1810、例如由鋁或鋁合金制成的第一板11以及由鋼、鈦、銅、鎂或與層11的合金不同的另一種合金制成的第二板13形成的接頭1810J的橫截面圖。該雙層緊固件1810允許焊接至鋁構(gòu)件11，即，通過將層1810A焊接至板11。在該實(shí)例中，板13中形成了孔口1810H，使得緊固件1810能夠被插入穿過孔口1810H而不是通過電阻加熱熔化穿過。該方法的一個(gè)方面在于，其允許從單側(cè)將鋼板或構(gòu)件13接合至鋁板或構(gòu)件11(如，管子)。該雙層緊固件1810允許使用低電流值發(fā)生焊接，因?yàn)閷?810S(其可以例如是鋼)與電極頭1815接觸，在焊接期間提供了對(duì)層1810A和板11的增強(qiáng)的加熱。在第一個(gè)方法中，層1810A可以由硬釬焊合金制成或包括硬釬焊合金，從而允許硬釬焊接合至相對(duì)的板11而不是電阻焊接。這對(duì)于減小所需的焊接電流的大小是有益的。在需要低熱量輸入的情況下可以使用該接頭1810J將鋁板或塑料板13接合至鋁板11以防止板13熔化。在本實(shí)施例的另一方面，可以使用由鋁疊在鋼上形成的緊固件1810接合多個(gè)鋁板。緊固件1810的鋼層1810S將接觸電極1815，而鋁側(cè)1810A將接觸鋁板11(在該實(shí)施例中，板13也是鋁)。由于施加了焊接熱，鋼層1810S將提供增強(qiáng)的加熱，使得緊固件1810的鋁部1810A能夠在低電流下與鋁板11、13焊接。在本實(shí)施例的另一方面，層1810S可以由覆蓋至鋁部1810A的銅形成。銅部1810S將與電極1815接觸，鋁部1810A將接觸并焊接至鋁板11、13。在此實(shí)施例中，緊固件1810的銅部1810S將表現(xiàn)出良好的傳熱性和低電極磨損。

圖32示出了三金屬緊固件1910，其具有層1910S、1910M和1910A。中間層1910M可以被選擇以防止當(dāng)緊固件1910暴露于升高的溫度以提供接頭強(qiáng)度時(shí)外層1910S、1910A之間的擴(kuò)散。中間層1910M可以由多種材料組成，包括但不限于高純度鋁、鈦或鋅。在一個(gè)實(shí)例中，外層1910S是鋼，底部的外層1910A是鋁。中間層1910M可以選擇為鈦的薄層，其可以防止鋁層1910A和鋼層1910S在高溫下(大于200℃)擴(kuò)散。

圖33示出了雙層緊固件2010，其具有接合至沖壓的/冷成形的鋼部2010S的鋁盤2010A。鋁盤2010A能夠通過多種方式接合至鋼部2010S，不限于冷焊接、超聲、摩擦焊接、電阻對(duì)接焊(upset butt welding)、高壓力焊接、機(jī)械的或硬釬焊/軟釬焊?？蛇x地，鋁盤2010A可以在將鋼部2010S成形為所示形狀之前接合至金屬絲形式的鋼部2010S(冷焊接、壓力焊接)。緊固件2010可以以與圖31所示的緊固件1810相同的方式使用以將板13緊固至板11。

圖34示出了像圖33的緊固件2010一樣的三層緊固件2110，但其具有置于層2110S(例如，由鋼制成)與層2110A(例如，由鋁制成)之間的附加層2110T(例如，由鈦制成)。緊固件2110可以以類似于圖31的緊固件1810和圖33的緊固件2010的方式使用，但是，該附加層2110T可以用于以圖32所示的具有中間層1910M的緊固件1910類似的方式防止層2110A與2110S之間的擴(kuò)散并因此可以是對(duì)于高溫應(yīng)用是有用的。

圖35示出了具有機(jī)械互鎖部分2210A、2210S的緊固件2210。該機(jī)械互鎖可以通過模鍛、鍛造、鐓鍛或彎曲來完成。例如，部分2210A可以形成有外圍凹部2210AR，部分2210S可以形成有向內(nèi)延伸的外圍唇部2210SL。部分2210A然后可以被推入部分2210S，使得外圍凹部2210AR和外圍唇部2210SL互鎖。這也可以通過鍛造模使部分2210S圍繞部分2210A塌縮并壓縮部分2210S以產(chǎn)生互鎖關(guān)系。在第一方面，2210S和2210A的材料可以是不同的鋁合金(1xxx與6xxx，4xxx與6xxx，4xxx與鋁-鋰)或不同的材料(鋼和鋁，鋁和鎂，鋁和鈦等)。緊固件2210被示出相對(duì)于電極尖端2215定位，并且可以與圖31所示的緊固件1810類似地使用。

圖36示出了緊固件2310，其具有靠近緊固件2310的帽2312和桿部2314圍繞部分2310S定位的保護(hù)套管2310T。該保護(hù)套管2310T可以在緊固件2310與其所穿透的板之間提供腐蝕防護(hù)。例如，在部分2310S是鋼并且通過電阻加熱穿過鋁板11焊接至鋼板13的情況下，如圖6和圖7所示，涂層2310T可以是鈦、不銹鋼或冷噴涂鋁。如圖37所示(示出了套管2410A)，套管2310T能夠機(jī)械地互鎖至部分2310S，通過冷噴涂、等離子噴涂等應(yīng)用。保護(hù)套管2310T可以由金屬制成或者由具有低導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的材料(諸如陶瓷)制成。在這一方面，該低(熱/電)傳導(dǎo)性材料將使熱量和電流集中通過緊固件2310的端部2316，實(shí)現(xiàn)比在不存在保護(hù)套管2310T的情況更低的電流需求來完成與層13的焊接。一旦焊接至層13，例如，將鋁層11緊固至鋼層13(見圖6和圖7)，保護(hù)套管2310就可以用以將部分2310S(可能由鋼制成)與其穿過的鋁層11隔離，從而防止因不同金屬之間的接觸和原電池效應(yīng)引起的腐蝕。

圖37示出了緊固件2410，其具有以類似于圖36描述的緊固件2310的方式設(shè)置在部分2410S上的保護(hù)套管2410A。該保護(hù)套管2410A通過圓邊2416R保持在緊固件2410上，該圓邊2416R將套管2410A卡在圓邊2416R與帽部2412之間。圓邊2416R可以預(yù)成形，套管2410A從圓邊2416R上方滑過，然后由模具壓縮，或者套管2410A可以滑到軸2414上，然后形成圓邊2416R，例如，通過鐓鍛/鍛造。與緊固件2310一樣，緊固件2410可以表現(xiàn)出增強(qiáng)的抗腐蝕性和傳熱性，并且可以以類似的方式使用來將第一板或構(gòu)件11(例如，由鋁制成)連接至第二板或構(gòu)件13(例如，由鋼制成)，見圖6和圖7。由于圓邊2416R是在緊固件被推動(dòng)穿過中間層11時(shí)(見圖6和圖7)的首要元件并且可能由鋼形成，其將形成穿過中間層11的孔口，該孔口足夠大來容納套管2410A，使得套管本身不需要對(duì)在中間層11中形成孔口起作用，因此免于在緊固件2410被按壓通過中間層11時(shí)變形或在軸2414上變松。

圖38示出了“半實(shí)心”緊固件2510，其具有實(shí)心軸2514。帽2512具有電極凹陷2512D，該電極凹陷2512D配對(duì)地容納電極2515的電極延伸部2515E。這種布置可以用于減少電極2515的磨損。在一個(gè)實(shí)例中，電極凹陷2512D和電極延伸部2515E各自具有大約4至8mm的直徑和1到4mm的深度。由于軸2514是實(shí)心的，其并不像薄壁軸(如圖1和圖2所示的緊固件10的軸14)一樣容易塌縮。當(dāng)穿透中間層11(例如，由鋁制成)以抵達(dá)要焊接的層13(例如，由鋼制成)時(shí)(見圖6和圖7)，緊固件2510的軸2514較短而不必塌縮。因此，緊固件2515抵達(dá)層13更快。這減少了電流流動(dòng)通過電極2515和緊固件2510的時(shí)間，減少了電極腐蝕并提高了工藝的生產(chǎn)率。電極延伸部2515E與電極凹陷2512D之間的接觸面積相比于光滑配合的表面增加了電接觸面積，從而減小了電阻并提供了在緊固件2510的布置期間維持緊固件2510和電極2515的相對(duì)位置的機(jī)械連接。

圖39示出了“實(shí)心”緊固件2610，其具有實(shí)心軸2614。帽2612具有上電極接收表面2612S，上電極接收表面2612S具有例如1到6英寸的恒定半徑，這允許了使用具有類似半徑的傳統(tǒng)的圓角點(diǎn)焊電極2615。這種關(guān)系減少了對(duì)特殊電極設(shè)計(jì)和修整設(shè)備的需要并且還降低了電極磨損。帽2612可以是成比例的，以允許向插入過程期間軸2614被推動(dòng)穿過的板11(見圖6和圖7)塌縮，當(dāng)完全插入時(shí)，帽2612抵靠板11變平。小型尖端元件2616T能夠從緊固件2610的端部2616延伸出，其可以用于集中電流和加熱以幫助開始要被刺穿的板11的加熱/軟化，并且其開始焊接至板13。

圖40示出了類似于緊固件2610的實(shí)心緊固件2710，但其具有從圓形表面2712S向上延伸出的電極對(duì)準(zhǔn)突起2712P。該突起2712P可以被接納在電極2715的配合凹部2715R中。配合的突起2712P和凹部2715R可以幫助保持緊固件2710在插入與焊接過程期間(穿過板11焊接至板13，如圖6和圖7所示)與電極2715對(duì)準(zhǔn)。突起2712P的半徑可以為例如3/16”至1/4”。雖然凹部2715R需要獨(dú)特的電極幾何形狀，但其與傳統(tǒng)的電極修整設(shè)備兼容。

圖41示出了接頭2800J，其中，一對(duì)相對(duì)的緊固件2810A、2810B例如通過電阻加熱和壓力分別穿透層11A、11B(諸如鋁板)，并且焊接至中央層13(例如，由鋼制成)。為了獲得此構(gòu)造，緊固件2810A、2810B可以同時(shí)插入穿過(在一個(gè)操作中)鋁板11A、11B并且焊接至鋼層13?？蛇x地，緊固件2810A、2810B可以按順序地插入和焊接。

圖42示出了具有延伸的抓握范圍(grip range)的緊固件2910的橫截面圖。帽2912向下延伸直到與軸2912差不多的程度。由絕緣材料制成的環(huán)2912I附接至帽2912的末端端部，使得環(huán)2912I的底部邊緣與端部2916大約是共同延伸(co-extensive)的。在使用期間，緊固件2910可以放置在板11(例如，由鋁制成)的表面上并且然后如上所述(例如，關(guān)于圖6和圖7)通過電阻焊機(jī)由電阻加熱，以穿透板11并焊接至下面的板13(例如，由鋼制成)。由于環(huán)2912I是絕緣體，電流僅通過端部2916。在端部2912按壓穿過板11時(shí)，隨著端部2016穿過板11，環(huán)2912I鄰接板11。因此，帽2912彎曲至允許端部2916抵達(dá)并焊接至板13所必要的程度，而環(huán)2912I鄰接板11。結(jié)果，軸2914能夠穿透多種厚度的板11并且(它的環(huán)2912I)將仍然按壓板11迫使其與板13接觸。

圖43和圖44示出了第一板11(例如，由鋁合金制成)抵靠第二板13(例如，由鋼制成)定位。第一板11被彎曲以形成J形11J，其包圍板13的邊緣13E。板11通過緊固件3010堆疊至J形11J附近的板13和邊緣13E，該緊固件3010穿過板11的一個(gè)厚度11T并且在3010W處焊接至鋼板13，形成接頭3000J。如所示，焊接處3010W并不影響板11的剩余部分11R，使得接頭3000J適合于像汽車車身這樣的在板的剩余部分11R需要光滑表面外觀的應(yīng)用中。如圖44A所示，電極3015和3017可以從相同方向接近，電極3015按壓緊固件3010，電極3017按壓接觸鋼板13。隨著電阻加熱軟化板11，緊固件3010被按壓穿過板11并焊接至板13。如圖44B所示，多個(gè)緊固件3010可以用于沿著板13的邊緣13E形成“卷邊(hem)”3010H，J形11J包裹邊緣13E。卷邊的接頭3010H可以采用粘接劑來輔助將板11、13保持在一起。

圖45示出了一對(duì)板11A、11B(例如，由鋁制成)通過緊固件3110連接至層13(例如，由鋼制成)。該緊固件3110在接觸并隨后在3110W處焊接至鋼板13并形成接頭3100J之前已經(jīng)穿透鋁板11A、11B兩者(例如，通過電阻加熱)。在接頭3100J中，來自穿透和焊接的熱量(例如，緊固件3110發(fā)射出的熱量，該緊固件3110可以是鋼)將緊固件3130附近的鋁板11A和11B局部熔化，在板11A和11B之間產(chǎn)生部分地或完全環(huán)繞緊固件3110的焊接處3110W2。焊接處3110W2加固了鋁板11A、11B并且強(qiáng)化了接頭3100J。鋁板11A、11B可以具有相同的或不同的厚度。在一個(gè)板接合面或全部板接合面之間可以存在粘接劑。

圖46示出了通過兩個(gè)相對(duì)的緊固件3210A、3210B(例如，由鋼制成)將兩個(gè)板11A、11B(例如，由鋁制成)連接的接頭3200J。緊固件3210A、3210B可以以與圖10所示實(shí)施例類似的方式通過一對(duì)相對(duì)的焊接電極從相對(duì)兩側(cè)同時(shí)安裝。緊固件3210A、3210B被推進(jìn)在一起并且通過電阻加熱穿透鋁板11A、11B，然后焊接至彼此，形成焊接處3210W。如上參照?qǐng)D45所示的實(shí)施例所述，在穿過板11A、11B時(shí)，鋼緊固件3210A、3210B將與之鄰近的鋁板11A、11B局部加熱并在緊固件3210A、3210B之間創(chuàng)建了部分地或完全包圍焊接處3210W的焊接處3210W2。圖46示出了具有相同厚度的板11A、11B導(dǎo)致采用對(duì)稱的接頭3200J，但是如下所示，該過程將用于具有不同規(guī)格的板11A、11B。在另一個(gè)可選實(shí)施例中，可以采用具有不同的操作范圍(軸長(zhǎng)度)的兩個(gè)不同的緊固件3210A、3210B，較長(zhǎng)的長(zhǎng)度應(yīng)用于具有較大厚度的板，較短的長(zhǎng)度應(yīng)用于具有較小厚度的板。

圖47示出了通過兩個(gè)相對(duì)的緊固件3310A、3310B(例如，由鋼制成)連接兩個(gè)板11A、11B(例如，由鋁制成)的接頭3300J。緊固件3310A、3310B可以以與圖10所示的實(shí)施例類似的方式通過一對(duì)相對(duì)的焊接電極從相反兩側(cè)同時(shí)安裝。緊固件3310A、3310B被推進(jìn)在一起并且通過電阻加熱穿透鋁板11A、11B，然后焊接至彼此，形成焊接處3310W。如上參照?qǐng)D45和圖46所示的實(shí)施例所述，在穿過板11A、11B時(shí)，鋼緊固件3310A、3310B將與之鄰近的鋁板11A、11B局部加熱并在緊固件3310A、3310B之間創(chuàng)建了部分地或完全包圍焊接處3310W的焊接處3310W2。圖47示出了具有不相等厚度的板11A、11B導(dǎo)致采用不對(duì)稱的接頭3300J。如所示出的，緊固件3310A、3310B具有致使不在板11A、11B之間的接合面3311I處產(chǎn)生焊接處3310W的相等的操作范圍(operational reaches)(軸長(zhǎng)度)。接頭3310J的一個(gè)方面在于，穿過接頭3300J的加載路徑沿著幾個(gè)方向(不在同一軸線上)，所以其將具有增強(qiáng)的機(jī)械性能。如上所述，接頭3300J能夠在具有或不具有粘接劑(例如，應(yīng)用在接合面處3311I)的情況下使用。鋁板11A、11B之間的焊接區(qū)域3310W2能夠通過選擇焊接過程期間采用的焊接進(jìn)度安排來選擇性地制造得更大或更小?？梢栽黾宇~外的加熱循環(huán)以延展鋁焊接區(qū)域3310W2，并增加接頭3300J的總體性能。

圖48示出了通過兩個(gè)相對(duì)的緊固件3410A、3410B(例如，由鋼制成)連接三個(gè)板11A、11B、11C(例如，由鋁制成)的接頭3400J。緊固件3410A、3410B可以以與圖10所示的實(shí)施例類似的方式通過一對(duì)相對(duì)的焊接電極從相反側(cè)同時(shí)安裝。緊固件3410A、3410B被推進(jìn)在一起并且通過電阻加熱穿透鋁板11A、11B、11C，然后焊接至彼此，形成焊接處3410W。如上參照?qǐng)D45至圖47所示的實(shí)施例所述，在穿過板11A、11B、11C時(shí)，鋼緊固件3410A、3410B將與之鄰近的鋁板11A、11B、11C局部加熱并在緊固件3410A、3410B之間創(chuàng)建了部分地或完全包圍焊接處3410W的焊接處3410W2。圖48示出了大約具有相等厚度的板11A、11B、11C，致使采用對(duì)稱的接頭3400J。如所示，緊固件3410A、3410B具有相同的操作范圍(軸長(zhǎng)度)，使得當(dāng)它們接合以形成焊接處3410W時(shí)，它們大致在板11B的中間，這導(dǎo)致不在板11A、11B、11C之間的接合面處3411I1、3411I2產(chǎn)生焊接處3410W，并因此具有增強(qiáng)的機(jī)械性能。如上所述，該接頭3400J能夠在具有或不具有粘接劑(例如，應(yīng)用在接合面處3411I1、3411I2)的情況下使用。鋁板11A、11B、11C之間的焊接區(qū)域3410W2能夠通過選擇焊接過程期間采用的焊接進(jìn)度安排來選擇性地制造得更大或更小?？梢栽黾宇~外的加熱循環(huán)以延展鋁焊接區(qū)域3410W2，并增加接頭3400J的總體性能。板11A、11B、11C能夠具有相同或不同厚度并且具有相同或不同的合金類型。緊固件3410A、3410B能夠設(shè)計(jì)成在鋁板11A、11B、11C的堆疊件的中央接觸或者在將使接頭性能最大化并延伸加載路徑的另一位置接觸。

圖49是被切開以示出其橫截面的接頭3500J的照片。接頭3500J將1.0mm厚的由C710-T4鋁合金制成的兩個(gè)鋁板11A、11B連接在緊固件3510和由0.9mm厚的鍍鋅鋼制成的鋼板13之間。緊固件3510是G1A鉚釘。焊接區(qū)域3510W2顯示了緊固件3510附近的板11A、11B的融合。該焊接在沒有導(dǎo)孔的情況下在板11A、11B上進(jìn)行。接頭3500J利用8kA(千安)、400毫秒預(yù)加熱加上16kA、100毫秒焊接脈沖的焊接輸入以及800lb(磅)壓力創(chuàng)建。該樣本在切開獲得橫截面時(shí)有一些變形。

圖50是被切開以示出其橫截面的接頭3600J的照片。接頭3600J將1.6mm厚的由7075-T6鋁合金制成的兩個(gè)鋁板11A、11B連接在兩個(gè)緊固件3610A、3610B之間。緊固件3610A、3610B是G1A鉚釘。焊接區(qū)域3610W2顯示了緊固件3610A、3610B附近的板11A、11B的融合。該焊接在沒有導(dǎo)孔的情況下在板11A、11B上進(jìn)行。接頭3500J利用8kA、400毫秒預(yù)加熱加上12kA、300毫秒焊接脈沖的焊接輸入以及800lb壓力創(chuàng)建。

圖51示出了電極3715，其包括具有標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀的尖端3715T。該電極尖端3715T插入并且通過配合的錐形表面3715TS1、3715TS2保持在電極軸3715S中。尖端3715T具有鉚接表面3715RS，該鉚接表面3715RS具有大約8mm的半徑R。電極3715示出為與緊固件3710接觸，緊固件3710具有短的、實(shí)心軸3714和具有凹形表面3712CS的寬帽3712，凹形表面3712CS可以具有曲率半徑R1，該半徑R1大約等于尖端3715T的鉚接表面371RS的半徑。緊固件3710在堆疊的板11(例如，由鋁制成)和板13(例如，由鋼制成)上保持在合適位置?！鞍雽?shí)心”緊固件3710適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的電極半徑。電極3715在行業(yè)中是普遍使用的并且提供優(yōu)秀的電極磨損和修整能力。電極定向與垂直方向的偏差經(jīng)常發(fā)生，在高量生產(chǎn)中尤其如此。圓形接觸表面3712CS允許電極相對(duì)于垂直方向具有少量的傾斜度并且仍然能夠用于驅(qū)動(dòng)和焊接緊固件3710。對(duì)于非常厚的穿透需求(4mm或更大)，緊固件3710的軸3714與電極(例如，15、115、215)在緊固件(例如，10、110、210)中穿透得相對(duì)較深的其他緊固件設(shè)計(jì)(例如，圖1至圖11所示)相比將會(huì)非常厚。緊固件3710可以通過運(yùn)送板或運(yùn)送帶或一些其他裝置進(jìn)給至焊接電極3715，以在電極接觸(將緊固件按壓在待接合的工件上)之前將其保持在合適位置。

圖52示出了電極尖端3815T，其具有“大鼻子(bottlenose)”幾何形狀。如圖51所示，電極尖端3815T將插入并且保持在像3715S的電極軸中。尖端3815T具有鉚接表面3815RS，鉚接表面3815RS具有大約4mm的半徑R。電極尖端3815T示出為與緊固件3810接觸，該緊固件3810具有短的實(shí)心軸3814，例如，具有大于1.5mm的長(zhǎng)度。緊固件3810具有寬帽3812，寬帽3812具有凹形表面3812CS，凹形表面3812CS可以具有與尖端3815T的鉚接表面3815RS的曲率半徑大致相等的曲率半徑。緊固件的高度總體大約為4到5mm。緊固件3810定位在板11(例如，由鋁制成)和板13(例如，由鋼制成)上?！鞍雽?shí)心”緊固件3810容納該“大鼻子”形尖端3815T。如上所述，電極定向與垂直方向的偏離經(jīng)常發(fā)生，并且圓形的接觸表面3812CS允許電極相對(duì)于垂直方向具有少量的傾斜度并且仍然能夠用于驅(qū)動(dòng)和焊接緊固件3810。表面3815RS的較小的半徑為與焊接電極有角度偏移時(shí)工作提供了增加的靈活性并且提供了電極在緊固件3810內(nèi)部更大的穿透，這將更像板與板的點(diǎn)焊。此外，這種類型的尖端幾何形狀將與更寬范圍的緊固件軸長(zhǎng)度一起工作，因?yàn)椋?dāng)焊接板11、13具有4mm或更大的厚度時(shí)不需要非常厚的基部。電極尖端3815T的較小半徑“鼻子”將具有緊密地配合接觸表面3812CS上的半徑的表面3815RS。從表面3815RS到電極尖端3815T的外壁3815OW的過渡可以通過使用多種形狀來實(shí)現(xiàn)，這些形狀包括：較大的半徑、具有一角度的直壁或雙曲線,如圖52至55所示(圖52示出了雙曲線)。電極尖端3815T保留了圖51所示的標(biāo)準(zhǔn)電極的優(yōu)勢(shì)，諸如優(yōu)秀的電極磨損和電極修整。

圖53示出了尖端3815T的大鼻子形狀可以容納多種緊固件(例如，3910)和堆疊件的厚度，使得電極尖端3815T能夠利用同一電極工具處理寬范圍的堆疊件厚度。

圖54示出了另一類型的大鼻子形電極尖端4015T，其可以減小電極磨損。鉚接表面4015RS的半徑R具有比圖52和圖53所示的更小的半徑，即3mm對(duì)4mm?？傊T接表面4015RS的半徑應(yīng)當(dāng)大于2mm但是小于8mm，優(yōu)選為3到6mm。在圖54中，緊固件接觸表面4010CS具有4mm的半徑，稍微大于鉚接表面4015RS。鉚接表面4015RS通過以相對(duì)于外壁4015OW成例如45度的角度設(shè)置的直壁4015TW過渡到外壁4015OW。電極尖端4015T表現(xiàn)出可操作性，而不管電極尖端4015T的角度和x、y方向的偏移以及相對(duì)于緊固件4010的定位。在一些應(yīng)用中，優(yōu)選地，接觸表面4010CS的半徑稍微大于鉚接表面4015RS的半徑，并且在一個(gè)實(shí)施例中，接觸表面4010CS可以從3到12mm或4到8mm。

圖55示出了可以減小電極磨損的電極尖端4115T。鉚接表面4115RS的半徑R可以從3mm到8mm。鉚接表面4115RS通過具有大半徑(例如，50到150mm之間)的曲線壁4115TW過渡到外壁4115OW。該幾何形狀提供了增強(qiáng)的熱傳遞和冷卻。

圖56示出了以上關(guān)于圖54描述的大鼻子形電極尖端4015T，其處在與緊固件4010不對(duì)準(zhǔn)的定向，例如，處在與垂直于板11、13的方向存在多達(dá)30度的角度偏移α處。大鼻子形尖端4015T將適應(yīng)多達(dá)30度或更多的角度不對(duì)準(zhǔn)并且仍然提供可行的電接觸和機(jī)械接觸。如果緊固件4010具有稍微更大的半徑R，其將通過電極尖端4015T推動(dòng)緊固件4010穿過板11或者適應(yīng)與理想生產(chǎn)裝配的變化來增強(qiáng)點(diǎn)焊裝置的能力。調(diào)節(jié)角度不對(duì)準(zhǔn)的能力對(duì)于一般采用大的、平面電極的突起型焊接工藝來說是新的，并且代表了本文公開的技術(shù)與傳統(tǒng)電阻焊接的另一顯著區(qū)別。

圖57示出了復(fù)合材料緊固件4250、4260和4270，它們各自分別具有多個(gè)部件4250A、4250B、4260A、4260B和4270A、4270B。如圖所示，部件4250A、4260A和4270A可以是像如上公開的緊固件10、110、210、310等中的任一個(gè)的緊固件。部件4250B、4260B和4270B的形式可以是被按壓裝配或粘接至緊固件部件4250A、4260A和4270A的材料板。板構(gòu)件4250B、4260B和4270B可以由如下材料組成，包括：聚合物、樹脂、粘接劑(以上的a和b)或金屬(a、b和c)。板構(gòu)件4250B、4260B和4270B可以與一塊較大的網(wǎng)板(web)是一體的并且可以從該較大的網(wǎng)板切割下來，在通過如上所述的電阻加熱和焊接來應(yīng)用緊固件4250、4260等的過程期間，該較大的網(wǎng)板用作使緊固件4250等相對(duì)于待緊固的材料(例如，圖4-7的板11、13)定位的運(yùn)輸或保持機(jī)構(gòu)。部件4250B、4260B和4270B可以被選擇成保持卡在由緊固件4250A、4260A和4270A形成的接頭中。例如，板構(gòu)件4250B、4260B和4270B可以是用于密封和保護(hù)由緊固件形成的接頭免受腐蝕的塑料/聚合物密封劑。

如果板構(gòu)件4250B、4260B和4270B是金屬的并且與更大的結(jié)構(gòu)是一體的，該更大的結(jié)構(gòu)例如為用作輸送/定位機(jī)構(gòu)的帶或板，那么與該帶或板的附接可以通過打孔的或其他的脆弱連接實(shí)現(xiàn)，以允許在使用相關(guān)的緊固件4250A、4260A、4270A時(shí)板構(gòu)件4250B、4260B和4270B與該更大的結(jié)構(gòu)斷開。板構(gòu)件4250B、4260B和4270B可以由多種材料制成，例如，不銹鋼、鋁釬焊合金、高純度鋁等，以減小電化學(xué)(galvanic)腐蝕可能性和/或延伸緊固件4250A、4260A、4270A與其可能接觸的所有表面(例如，板11、13)之間的接頭結(jié)合。如果采用了釬焊合金，可以回流以沿著接觸表面提供改善的濕潤和改善的結(jié)合性能。板構(gòu)件4250B、4260B和4270B可以與對(duì)應(yīng)的緊固件4250A、4260A和4270A機(jī)械地關(guān)聯(lián)，例如，過盈配合，或其他方式，例如通過表面吸引或使用粘接劑粘接。板構(gòu)件4250B、4260B和4270B的組分和功能可以類似于圖36和圖37的套管2310T和/或2410A或與其相同。緊固件4250A、4260A、4270A和板構(gòu)件4250B、4260B和4270B可以在執(zhí)行緊固操作之前裝配，并且可以基于緊固任務(wù)的要求和目的而選擇緊固件4250A、4260A、4270A和板構(gòu)件4250B、4260B、4270B的不同組合。

圖58示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的用于將緊固件4310加載在焊接電極的尖端4315T與即將通過電阻焊接與緊固件4310緊固在一起的工件(例如，板11、13)之間的進(jìn)給機(jī)構(gòu)4380和介質(zhì)4382。緊固件4310由介質(zhì)4382安裝和運(yùn)送，介質(zhì)4382可以是在進(jìn)給機(jī)構(gòu)4380的左側(cè)L和右側(cè)R的盤簧(coil)之間運(yùn)行的帶或皮帶的形式。該介質(zhì)可以由導(dǎo)輥或另一種形式的引導(dǎo)件(諸如滑槽或引導(dǎo)表面4380S1、4380S2)引導(dǎo)通過框架4380F，使得由該介質(zhì)運(yùn)送的緊固件4310在電極尖端4315T與板11之間周期性地出現(xiàn)。電極尖端被周期性地上下移動(dòng)以如本公開中前文所述地通過電阻加熱和焊接執(zhí)行穿透/焊接操作。進(jìn)給機(jī)構(gòu)4380還可以相對(duì)于板11上下移動(dòng)。當(dāng)緊固件4310被應(yīng)用至板11、13時(shí)，介質(zhì)4382可以部分或完全消耗掉?？蛇x地，介質(zhì)4382的剩余部分4382R可以穿過被應(yīng)用的緊固件4310并且被收卷輥或其他收取機(jī)構(gòu)收取，用于丟棄或再利用。如上關(guān)于圖57所述，介質(zhì)4382可以被選擇成對(duì)緊固件4310形成的接頭提供有益屬性，例如，介質(zhì)4382可以是密封劑或降腐蝕膜、粘接劑或釬焊介質(zhì)。兩種形式的介質(zhì)4382A和4382B具有用于接納緊固件4310的開口4382O。

本公開的緊固件10、110、210等以及緊固方法的方面包括以下內(nèi)容。用于應(yīng)用緊固件的過程與低零件變形相關(guān)，因?yàn)椴牧蠈?例如，11、13)和緊固件10、110等在焊接期間保持被壓縮，并且熱影響區(qū)卡在帽(例如，12)以下。帽12可以具有預(yù)成形的凹部或彎曲部以形成凹部來容納和困住由焊接操作移位的熔化的金屬、金屬間化合物等。由于給定的緊固件(例如，10、110等)在穿透和焊接階段期間可以變形，例如，熔化和塌縮，其能夠處理一系列厚度的待緊固的板(例如，11、13)。在緊固件穿透和焊接期間，隨著緊固件10、110等沿著焊接區(qū)域塌縮和擴(kuò)展，金屬間化合物被從焊接區(qū)域移位。當(dāng)緊固件10、110等(即其帽12)壓縮頂板(如，11)時(shí)，在電極15、115、215等的影響下，其將會(huì)停止，此時(shí)，帽12密封頂板11。緊固件10、110等可以通過應(yīng)用在板11、13之間的粘接劑來應(yīng)用。由于緊固件10、110、210等焊接或釬焊至第二板13的一側(cè)，板13的另一側(cè)未被刺穿并保持防水。本公開的焊接工藝與傳統(tǒng)的開發(fā)用于鋼板電阻焊接的RSW設(shè)備(例如，汽車制造中使用的)是兼容的。

緊固件10、110、210等可以由多種材料制成，諸如不同等級(jí)的鋼(低碳鋼、高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、不銹鋼)、鈦、鋁、鎂和銅并且可以被涂層(鍍鋅(galvanized)、鍍鋅擴(kuò)散(galvaneal)、熱浸鍍、鍍鋁)以改善抗腐蝕性。緊固件10、110、210等可以通過單側(cè)或兩側(cè)進(jìn)入焊接技術(shù)來應(yīng)用。在一個(gè)方法中，未使用導(dǎo)孔，緊固件刺穿經(jīng)由電阻加熱而軟化的第一層11。在另一方法中，導(dǎo)孔可以設(shè)置在頂板11中，該頂板11可以是鋁、塑料，或者在緊固件具有鋁制軸端部16的實(shí)例中，第一板可以是鋼、鈦或銅并且第二板是鋁。在緊固件被插入穿過第一板中的導(dǎo)孔的實(shí)例中，第一板不需要是導(dǎo)電的并且不需要具有比第二板更低的熔化溫度，因?yàn)榫o固件不通過電阻加熱穿透第一板。質(zhì)量保證測(cè)量可以在破壞性分解將緊固件固定至第二板的焊接處所留下的腔上進(jìn)行，例如，檢查焊接處的尺寸，例如，深度、體積等。可以在板的與焊接緊固件相反的一側(cè)使用超聲NDE技術(shù)來監(jiān)視焊接質(zhì)量。

應(yīng)用本公開的緊固件10、110、210等的設(shè)備具有比FDS(EJOTS)、SPR和SFJ更小得多的占用空間(footprint)，從而允許進(jìn)入更緊湊的空間。用于驅(qū)動(dòng)本公開的緊固件的插入力與SPR中使用的力相比更低，因?yàn)殇X板11或者被加熱，或者被打孔，便于緊固件插入，增強(qiáng)了對(duì)在SPR操作期間易于產(chǎn)生破裂的高強(qiáng)度鋁進(jìn)行接合的能力。本公開的方法還有助于接合高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼，因?yàn)闊o需利用緊固件刺穿金屬鋼，取而代之的是，緊固件焊接至金屬板。本公開的方法不需要旋轉(zhuǎn)緊固件或工件來促進(jìn)零件裝配，因?yàn)樵摴に囋诖雍系牧慵绾喂潭ㄟ@方面與傳統(tǒng)的RSW類似。緊固件10、110可以在與傳統(tǒng)的RSW的處理速度大致相同的處理速度應(yīng)用，并且該工藝既能夠同時(shí)用于鍛造鋁和鑄造鋁。由于避免了將鋁焊接至鋼，因此也避免了與雙金屬焊接相關(guān)的低接頭強(qiáng)度問題。本公開的工藝允許緊固鋁、鋼以及其他金屬的多個(gè)板，例如：2層鋁和1層鋼；1層鋁和2層鋼；或1層鋁、1層鎂和1層鋼。

在應(yīng)用緊固件10、110、210等期間，被緊固件穿透的第一板11或板11A、11B也可能熔化并焊接在一起，從而增加了焊接區(qū)域和整個(gè)接頭的強(qiáng)度。緊固件可以由多種材料制成，用于焊接至兼容的板13，并且可以是多層的，使得緊固件可以具有將適合焊接與避免腐蝕相結(jié)合的機(jī)械和電化學(xué)特性。例如，緊固件可以制造成具有由鋁制成并兼容于焊接至鋁制的第二鋁板13的端部，但是具有由鋼、鈦或銅制成的層以改善其機(jī)械性能。多層緊固件在高溫應(yīng)用中可能是有用的并且可以包括一層或多層材料來防止橫跨多材料界面的擴(kuò)散。

膜、粘接劑或涂層可以應(yīng)用至緊固件或引入緊固件與第一板11之間以改善帽12與板11的密封。本公開的工藝通過包含向軸的端部卷回的后退帽可以用于接合寬范圍的板厚度，該軸的端部可以涂覆絕緣物質(zhì)以避免通過帽/板11的界面導(dǎo)電，該帽在加熱穿透階段期間彎曲以容納堆疊件的不同厚度。本公開考慮到由各種材料制成的緊固件，包括鋁、鋼、不銹鋼、銅和鈦。該緊固件能夠由兩種或更多種不同類型的鋁制成，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電阻焊接和低熱量處理，諸如電阻硬釬焊或軟釬焊。由于零件在焊接工藝期間保持在壓力下，本公開的利用緊固件制造的接頭以及方法能夠表現(xiàn)出改善的疲勞性能。

應(yīng)理解，本文描述的實(shí)施例僅僅是示例性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離要求保護(hù)的主題的精神和范圍的情況下做出多種變化和修改。所有這些變化和修改應(yīng)包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。