專利名稱：用增強的聚合物復合緊固件結(jié)合鎂的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及使用纖維增強熱塑性或熱固性緊固件與通過將薄片金屬部件變形而形成的機械干涉結(jié)構(gòu)相合作，在所述薄片金屬部件中形成高搭接剪切強度接頭的方法，該薄片金屬部件的一個或多個可以是鎂合金。
背景技術(shù)：
高強度重量比材料越來越多的應用是在越來越高的汽車燃料經(jīng)濟性的尋求中采用的幾個策略之一，現(xiàn)有的汽車引入了各種這種材料，包括高強度鋼、高性能鋁合金和鎂合金。在這各種較高強度重量比材料中，鎂及其合金是有吸引力的，因為鎂的低密度以及其在適當加工時能夠?qū)崿F(xiàn)可接受的高強度。鎂是最具化學活性的常用汽車結(jié)構(gòu)金屬，且除非受到保護，否則在暴露于水溶液時其容易腐蝕，特別是在該水溶液與其他金屬接觸或包含金屬離子時。已經(jīng)開發(fā)了使汽車鎂合金的這些腐蝕趨勢最小化的處理和工藝，但在將鎂合金結(jié)合到不同金屬時，在含水電解質(zhì)存在下可能建立原電池。在該電池中，該鎂組分將是陽極且優(yōu)先腐蝕。在使用機械緊固件(例如鉚釘、螺栓或螺釘)時可以建立該電池。這些緊固件幾乎普遍都是由其他材料或合金(最通常是鐵，或者較不通常是鋁)制備的，且與鎂緊密接觸。因此，薄壁或片狀鎂部件通過穿透入該鎂制品或穿過該鎂制品的機械緊固件的任何結(jié)合，或者通過穿透入該鎂制品或穿過該鎂制品的機械緊固件而至所述薄壁或片狀鎂部件的任何結(jié)合，可能產(chǎn)生電解質(zhì)進入通道并促進在該緊固件附近的局部腐蝕。即使用阻擋涂層涂覆該鎂部件以抑制整體腐蝕或者即使將一個鎂合金制品與另一鎂制品連接，也可能發(fā)生這種腐蝕。因此，需要用于將鎂合金制品(特別是薄的或片狀制品)與其他片狀材料(包括其他鎂基合金)連接的改進方法和緊固件。

發(fā)明內(nèi)容
可以使用聚合物緊固件以能在兩個或更多個重疊薄工件(特別是片金屬工件)中進行搭接，該工件的至少一個是包含超過85wt%鎂的鎂合金。這種緊固件在該緊固件和鎂之間不產(chǎn)生電化腐蝕電勢。但是形成在通常平坦的工件中的該搭接頭的搭接剪切強度主要取決于該緊固件的強度，尺寸類似于金屬緊固件的未增強的聚合物可能不提供足夠的強度。本發(fā)明的目的是提供高搭接剪切強度接頭。可以使用優(yōu)選結(jié)合使用的兩種方法。 第一種使用纖維增強聚合物緊固件優(yōu)先于未增強的聚合物緊固件；第二種方法需要將該工件變形以使其彼此機械嚙合?？梢酝ㄟ^將通過擠出或pultrusion并切割到適合長度形成的桿狀物體或嵌條的端部鐓鍛而制備包括用纖維增強件增強的聚合物的聚合物緊固件。最通常物體的橫截面將是圓形的，但其他橫截面的物體也可以不加限制使用。該纖維增強件可以是連續(xù)纖維或?qū)R的短纖維，通常與該物體的軸共軸取向且均勻或不均勻分布在該物體橫截面內(nèi)。該緊固件的聚合物基體可以是熱塑性材料，使得在高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度時可以將其容易成形，而在環(huán)境溫度或約25°C保持最大強度。適合的基體可以包括較低性能的熱塑性材料，例如聚酰胺或聚丙烯，但在經(jīng)歷汽車油漆焙燒循環(huán)(160-20(TC至少20分鐘)的結(jié)構(gòu)中，尤其優(yōu)選具有較高玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化或結(jié)晶溫度的高性能熱塑性材料，例如聚鄰苯二酰胺、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亞胺、聚醚酮和聚亞芳基酮。也可以使用熱固性聚合物(熱固性材料)。熱固性材料可以提供比熱塑性材料更高的抗蠕變性和尺寸穩(wěn)定性，且可以優(yōu)選用于包括高溫暴露的應用。優(yōu)選這些將是B階環(huán)氧樹脂或低于其Tg可交聯(lián)的熱固性材料。B階環(huán)氧樹脂是其中在該樹脂和硬化劑之間僅發(fā)生有限反應以使得該產(chǎn)物是半固化、高粘性的但可變形的狀態(tài)的那些。在適度提高溫度時可以有利于變形。根據(jù)其配比，該B階環(huán)氧樹脂的部分固化可以發(fā)生在室溫，約25°C，或在更高的溫度。優(yōu)選固化溫度更高的熱固性材料。適合的實例包括環(huán)氧樹脂，例如用胺、酸酐或咪唑固化劑固化的基于雙酚A 二縮水甘油基醚的樹脂(例如Hexion Epon 828)或基于酚醛清漆的樹脂(例如Hexion Epon SU-2. 5)；用過氧化物固化且任選地用氧化鎂增稠的不飽和聚酯樹脂，例如基于丙二醇的那些；和用過氧化物固化且任選地用氧化鎂增稠的乙烯基酯樹脂(例如Ashland Derakane)0因此可以將由該熱固性材料形成的緊固件加熱以在該熱固性材料中產(chǎn)生全強度。這可以使用加熱燈或通過將該組裝部件通過烘箱而進行?？商娲兀梢酝ㄟ^暴露于紫外光或電子束而促進固化。適合的纖維增強材料可以包括玻璃和芳族聚酸胺纖維。倘若其能夠與該鎂確實隔離，那么碳纖維也可以是適合的。也可以使用混合纖維，纖維可以是編織的或以以其它方式成組或結(jié)合的，或者以各個纖維形式引入該基體中。例如，碳纖維可以位于編織芳族聚酸胺或玻璃纖維套筒的內(nèi)部以確保該碳纖維的隔離。纖維通常可以在該物體橫截面上均勻分布或者可以選擇性定位，例如以提供選擇性增強或有利于以最小纖維損傷鐓鍛，或者如在碳纖維的情況中那樣，以將其定位與該工件不可能接觸。也可以使用天然纖維，例如韌皮纖維，包括大麻和黃麻。該緊固件可以優(yōu)選通過將該纖維增強聚合物的短桿狀長度或物體插入在由重疊片形成的工件堆中共同形成的孔中而在面內(nèi)形成。該孔可以通過鉆孔或刺孔產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^將至少該鎂片加熱到約250°C以提高其延展度而進行刺孔。可以加熱到高于環(huán)境溫度的纖維增強聚合物的直徑的尺寸應當適合容易進入該孔中，同時在其和該物體之間提供最小的間隙?？梢孕鼻性撐矬w以容易插入。在插入該孔中之后，可以使該物體前進直至其從該堆的頂表面和底表面延伸出， 優(yōu)選在該堆的任一側(cè)上延伸出約相等的量。該延伸部分的長度應當優(yōu)選為該孔直徑的約 1. 2-2倍。因此，對于通常圓柱形的物體，該物體的長度應當優(yōu)選基本上等于該工件堆的厚度加上等于該孔直徑的2. 4-4倍的距離。然后可以將該物體的凸起部分鐓鍛以在該堆的每側(cè)上形成其尺寸超過該孔的頭部以將該堆的元件固定在一起。該鐓鍛可以同時進行以在該物體的每個端部施加大約相等的相反負荷，或者倘若適合施加與該鐓鍛力相反的反作用力，該鐓鍛可以順序進行。對于熱塑性材料，優(yōu)選將該物體預加熱到至少高于該熱塑性材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度，然后再插入該孔中。對于無定形聚合物，僅略微高于該玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度可以是適合的，而具有更多結(jié)晶特征的聚合物可能需要接近熔化溫度的溫度。對整個物體的預加熱將有利于鐓鍛并在鐓鍛過程中促進由該工件包圍的該物體部分中的變形。可以將熱固性材料插入并在室溫變形，但固化將通常需要將至少該緊固件加熱，例如使用加熱燈或?qū)⒃摻M合件通過爐子或加熱器。在一些應用中，固化可以在使用約160°C -200°C溫度的油漆固化烘箱中或用紫外或電子束固化進行。由該鐓鍛操作形成的頭部應當延伸明顯超出該片開口的邊緣，以有效拒絕水或鹽水溶液進入由該制孔工藝暴露出的清潔金屬表面。該頭部可以成形為簡單形狀，例如盤狀或穹頂狀，或者如果其更好地保證增強纖維在從柄部到頭部的連續(xù)性，那么也可以使用更復雜的頭部形狀。優(yōu)選該物體直徑(如果是圓柱形)的尺寸為該孔直徑的85%_95%，以能夠容易插入該物體并促進在鐓鍛過程中由該工件堆包圍的物體的部分或多或少的均勻壓縮而不會彎曲。在負載下，通常均勻壓縮的物體將橫向膨脹并向外伸展。因此，位于該工件堆開口中的物體部分將膨脹以緊密嚙合該清潔金屬孔邊緣并再次拒絕電解質(zhì)進入。該物體的初始直徑越大，填充該孔所需的變形就越小，因此93%-95%的更大物體尺寸是更優(yōu)選的。如果可以實現(xiàn)更精確的物體定位，和/或如果該物體能夠承受更大的插入力，那么可以使用高達該孔直徑的99%的更大物體以得到接近接近干涉的配合并使得對于該物體部分在該孔開口中的任何膨脹的需要最小化。在形成該孔之后在該片開口上施加阻擋涂層(例如轉(zhuǎn)化涂層)也可以是優(yōu)選的?？梢酝ㄟ^將該物體的端部鐓鍛與該堆中工件的選擇性共同變形相結(jié)合而實現(xiàn)接頭強度的進一步提高。在第一實施方案中，可以組裝兩個或更多個片，帶有通常共平面的重疊區(qū)域，其中至少一個片是包含超過85wt%鎂的鎂合金?？梢詫⒃撝丿B區(qū)域的至少一部分變形以在片中提供延伸到該片的平面外的配合凸起特征，且在負載在該片面內(nèi)時抵抗其被拉開。為了提高該鎂合金片的延展性，該變形可以在高于約250°C的溫度進行。將該片加熱到該溫度可以通過電阻加熱或任何其他方便的方法(例如電感加熱、摩擦加熱或激光加熱)實施。如果如剛剛所述將該配合凸起刺孔并用聚合物物體連接在一起，那么將使該工件凸起緊密嚙合。 該嚙合凸起將在機械上干擾，產(chǎn)生相互支持并促進搭接剪切接頭強度的提高。該凸起可以具有任何常規(guī)形狀和尺寸，但平底幾何形狀(其能使物體鐓鍛簡化)是優(yōu)選的。在第二實施方案中，首先在重疊工件(其至少之一是鎂合金)的堆中制備孔，鉆的或刺的。然后對該孔凸緣化，優(yōu)選在高于約250°C的溫度進行，以提高該鎂合金片的延展性。 可以通過用以該孔為中心的環(huán)形模具支撐該工件堆的一側(cè)并將圓柱狀成形工具從該工件堆的另一側(cè)驅(qū)入該孔中，而實施凸緣化。該圓柱狀成形工具可以具有錐形端部，其尺寸適合進入該孔。該環(huán)形模具經(jīng)過尺寸設計以具有基本上等于該圓柱形工具的直徑再加上該堆的厚度兩倍的開口。當該成形工具完全插入時，該孔周圍的工件層的每一彎曲90°并成形為垂直凸緣。每一垂直凸緣緊密嚙合相鄰工件中形成的凸緣以產(chǎn)生一系列嵌套的互鎖凸緣。在第一和第二實施方案中，通過將經(jīng)鐓鍛和適當尺寸化以排出前述電解質(zhì)的纖維增強聚合物物體插入，來完成該接頭。在測試該接頭時，該嵌套凸緣可能相互干擾，并為該接頭提供顯著的強度，這種貢獻是緊固件的貢獻以外的貢獻。當測試該接頭的搭接剪切時該嵌套凸緣貢獻可能最大?？梢允褂闷渌鼜碗s橫截面的成形工具與互補幾何形狀的支撐模具的結(jié)合，以產(chǎn)生非圓形輪廓的凸緣。例如為了將片的相對轉(zhuǎn)動限制在所述片的平面內(nèi)，可以使用橢圓形、 三角形或矩形輪廓。將該堆中的片在升高溫度(大于250°C)變形以提高該鎂合金片的延展性可以是優(yōu)選的。在第三實施方案中，可以通過將嵌套的凸緣再彎曲90°彎曲度以形成180°的總彎曲度以將其彎到自身上，而使第二實施方案的嵌套凸緣幾何形狀進一步變形。在本結(jié)構(gòu)中，將該堆的下片圈閉在該上片的下側(cè)和該上片的彎折凸緣部分之間。該凸緣可以以可預測的一致方式彎曲，優(yōu)選使用2部分式工具。該第一部分支撐并引導第二部分，第二部分前進將該凸緣邊緣嚙合在雙曲型的模具表面上，并進一步逐漸前進將該邊緣向外張開以將其輥壓并彎曲到所需的180°彎曲度。再次，可以優(yōu)選通過將該嵌套凸緣區(qū)域加熱到至少250°C而提高至少該鎂合金片的延展度?？梢酝ㄟ^插入被鐓鍛并經(jīng)尺寸化以排出如前所述的電解質(zhì)的纖維增強聚合物物體而完成該接頭。在測試這種接頭時，該折疊的凸緣可以彼此干擾，并且為接頭提供顯著的強度，這是增強聚合物緊固件貢獻之外的貢獻。對于該第二實施方案，可以期望搭接剪切強度的很大提高。但是，由于變形更復雜，該接頭可以預期在更寬范圍的施加負載條件(包括張力和剝落)下具有提高的強度。在該第三實施方案的一個方面中，該孔形成工具可以形成具有一個或多個徑向延伸槽的孔，所述槽延伸到該凸緣的彎曲線以將該凸緣分隔成一系列弧形段。在該第三實施方案的第二方面中，該凸緣嚙合工具可以引入切割邊緣以將該凸緣分隔成一系列弧形段。 這些方面的弧形段可以能夠獨立變形以使該凸緣中的周向應變最小化。該實施和工藝可以適用于由聚合物或金屬緊固件固定的其他金屬和聚合物工件， 以促進該工件和該緊固件之間的合作作用并由此產(chǎn)生更牢固的接頭。本發(fā)明進一步體現(xiàn)在如下方面
1.用于在兩個或更多個重疊片的組合件中形成耐腐蝕接頭的方法，其中至少一個所述片包括包含至少85襯％鎂的鎂合金，每一片具有頂表面和底表面，所述方法包括
組裝所述片以具有平坦的重疊區(qū)域，其中一個片的底表面與重疊片的頂表面面對面接觸，所述平坦的重疊區(qū)域具有一個片的頂表面和另一片的底表面；
使所述片在所述重疊區(qū)域的至少一部分上變形以將重疊的片材料移置到所述重疊平坦區(qū)域的平面之外，并在所述移置的材料中形成孔，由此所述移置的片材料具有互鎖特征， 所述互鎖特征在機械上阻礙所述變形的片沿其接觸面滑動，所述孔具有形狀和尺寸；
將細長的可變形的纖維增強聚合物物體插入通過所述孔，所述聚合物物體具有長度、 形狀與所述孔的形狀互補的橫截面、和小于所述孔尺寸的橫截面尺寸；
將所述可變形的聚合物物體定位在所述孔中，以使所述物體長度的適合部分在所述變形的片的任一側(cè)延伸，以提供用于連接所述重疊片的連接材料；和
鐓鍛所述可變形物體的端部以形成兩個頭部，各自位于所述可變形物體的一個端部上，每一頭部具有下側(cè)面；和
連續(xù)鐓鍛所述可變形的纖維增強聚合物物體的端部，直至一個頭部的下側(cè)面接觸所述重疊區(qū)域的頂表面且所述第二頭部的下側(cè)面接觸所述重疊區(qū)域的底表面。
2.方面1的方法，其中形成所述互鎖特征的方法包括 在所述重疊區(qū)域中形成通過所有片的孔；
對所述重疊區(qū)域的頂表面施加具有形狀和尺寸的平底沖頭，同時用具有與所述沖頭互補形狀的模具支撐所述重疊區(qū)域的底表面，所述模具具有尺寸大于所述沖頭尺寸的模孔； 禾口
將所述片移置到所述模孔內(nèi)以在每一片的底表面上形成凸起并在每一片的頂表面上形成互補的凹陷，如此進行的尺寸化使得接觸的片的所述凸起和凹陷特征嵌套在一起。3.方面1的方法，其中形成所述互鎖特征的方法包括
在所述重疊區(qū)域中形成開口并延伸通過所述重疊區(qū)域中的所有片，所述開口具有中心線且每個片具有圍繞所述開口的切割邊緣；
將每一片圍繞中心位于所述開口中心線上的彎曲線彎曲，以在每個片中形成從每個片的頂表面沿著從所述片的頂表面到所述片的底表面的方向延伸并終止在所述片切割邊緣的凸緣，接觸片的凸緣是嵌套的；和
由最上面的片中的重疊區(qū)域的頂表面形成的內(nèi)凸緣表面限定了用于插入所述纖維增強聚合物物體的孔，所述孔延伸通過所述重疊區(qū)域中的所有片；且其中
延伸到所述重疊區(qū)域的底表面以外的所述纖維增強聚合物物體的長度經(jīng)選擇以能將每一片的切割邊緣嵌入所述可變形的纖維增強聚合物物體的第二鐓鍛頭部中。4.方面3的方法，進一步包括進一步變形所述嵌套凸緣以形成翻轉(zhuǎn)凸緣的步驟。5.方面2的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是熱塑性材料，且包括由以下構(gòu)成的組中之一聚酯、聚酰胺或聚丙烯、聚鄰苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亞胺、聚醚砜和聚亞芳基酮；和
進一步包括在鐓鍛之前將所述聚合物物體加熱到高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度并在鐓鍛之后將所述聚合物物體冷卻到低于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度的步驟。6.方面3的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是熱塑性材料，且包括由以下構(gòu)成的組中之一聚酯、聚酰胺或聚丙烯、聚鄰苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亞胺、聚醚砜和聚亞芳基酮；和
進一步包括在鐓鍛之前將所述聚合物物體加熱到高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度并在鐓鍛之后將所述聚合物物體冷卻到低于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度的步驟。7.方面4的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是熱塑性材料，且包括由以下構(gòu)成的組中之一聚酯、聚酰胺或聚丙烯、聚鄰苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亞胺、聚醚砜和聚亞芳基酮；和
進一步包括在鐓鍛之前將所述聚合物物體加熱到高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度并在鐓鍛之后將所述聚合物物體冷卻到低于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度的步驟。8.方面2的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是部分固化的或以其它方式增稠的熱固性材料，且包括由以下構(gòu)成的組中之一環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂；和
進一步包括在鐓鍛之后固化所述熱固性材料的步驟。9.方面3的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是部分固化的或以其它方式增稠的熱固性材料，且包括由以下構(gòu)成的組中之一環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂；和
進一步包括在鐓鍛之后固化所述熱固性材料的步驟。
10.方面4的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是部分固化的或以其它方式增稠的熱固性材料，且包括由以下構(gòu)成的組中之一環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂；和
進一步包括在鐓鍛之后固化所述熱固性材料的步驟。11.方面2的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是由由韌皮、玻璃、芳族聚酰胺和石墨構(gòu)成的組的纖維之一增強的。12.方面3的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是由由韌皮、玻璃、芳族聚酰胺和石墨構(gòu)成的組的纖維之一增強的。13.方面4的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是由由韌皮、玻璃、芳族聚酰胺和石墨構(gòu)成的組的纖維之一增強的。14.方面3的方法，其中所述開口是非圓形的。15.方面4的方法，其中所述開口是非圓形的。16.方面2的方法，其中所述孔是圓形的且具有直徑，所述纖維增強聚合物物體是直徑為所述開口直徑的85-99%的圓柱體，且所述聚合物物體延伸到所述重疊區(qū)域的頂表面和底表面以外為所述開口直徑的約1. 2-2倍的距離。17.方面3的方法，其中所述孔是圓形的且具有直徑，所述纖維增強聚合物物體是直徑為所述開口直徑的85-99%的圓柱體，且所述聚合物物體延伸到所述重疊區(qū)域的頂表面以外為所述開口直徑的約1. 2-2倍的距離。18.方面4的方法，其中所述孔是圓形的且具有直徑，所述纖維增強聚合物物體是直徑為所述開口直徑的85-99%的圓柱體，且所述聚合物物體延伸到所述重疊區(qū)域的頂表面以外為所述開口直徑的約1. 2-2倍的距離。19.方面1的方法，其中將至少所述鎂片加熱到高于約25°C的溫度。20.方面1的方法，其中將至少所述鎂片加熱到約250°C的溫度。


圖1顯示了適于在多個重疊金屬片上形成嵌套凸起的沖頭和模具的截面。圖2顯示了圖1的凸起的截面，示意性地描述了經(jīng)定位以鐓鍛插入在該凸起中制備的孔中的纖維增強聚合物物體的第一設計的上下鐓鍛工具。圖3顯示了在該物體的端部已經(jīng)鐓鍛以形成接頭之后與圖2中所示的接頭相同的截面。圖4顯示了具有錐形沖頭已經(jīng)部分插入的開口的兩個重疊金屬片的截面。所述片支撐在以該沖頭和該片中的開口為中心的模具上。圖5顯示了在該沖頭沖程末端處的重疊金屬片的結(jié)構(gòu)的截面視圖，且顯示了多個連續(xù)嵌套凸緣的形成。圖6顯示了在插入和鐓鍛纖維增強聚合物物體之后圖5的金屬片結(jié)構(gòu)。圖7以橫截面顯示了圖5的嵌套凸緣的進一步變形以形成多個嵌套的翻轉(zhuǎn)凸緣。圖8顯示了在圖4的片中形成的開口幾何形狀的一個方面的平面圖。圖9顯示了圖4中所示的開口幾何形狀的第二方面的平面圖。圖10顯示了使用第二設計的鐓鍛工具來鐓鍛放置在重疊片(具有翻轉(zhuǎn)嵌套凸緣) 中形成的的孔內(nèi)的纖維增強聚合物物體。
圖11顯示了通過用圖8中所示的鐓鍛工具來鐓鍛制備的成形纖維增強聚合物物體。
具體實施例方式鎂及其合金的易腐蝕性需要使用特別方法以防止或抑制在含鎂結(jié)構(gòu)中的腐蝕。在將鎂合金與另一金屬在水溶液存在下電接觸的情況下這是特別重要的。例如，在例如機動車輛門的應用中，該門的下部將暴露于道路噴灑物，其可能包含除冰鹽或其他化學物質(zhì)。對于至少一些應用，可以用一些惰性阻擋層覆蓋該鎂或?qū)⒃撴V與較不易腐蝕的金屬分隔開。然而，在該鎂合金與該較不易腐蝕的金屬的結(jié)合位置處，將會發(fā)生金屬與金屬的直接接觸。實際上，因為鎂合金的優(yōu)選結(jié)合方案是通過使用機械緊固件(例如尤其是螺栓、 螺釘、鉚釘)進行的，因此即使這些緊固件也可能會促進電化腐蝕，因為這些緊固件典型是由鋼或鋁制備的。因此，即使在其中要將一種鎂合金結(jié)合到另一鎂合金上的情況中，使用機械緊固件也可能需要特別考慮。由于緊固件而造成的鎂合金腐蝕的一種抑制方法是使用不易腐蝕的聚合物緊固件，其可以是纖維增強的以提高強度。對于薄鎂制品，特別是鎂片制品，優(yōu)選的結(jié)合裝置是纖維增強的聚合物物體，插入一堆工件中的配合孔中并在各端鐓鍛以形成頭部或類似結(jié)構(gòu)，其下部與對接的工件表面接觸。然后各頭部的下側(cè)面將該堆夾在一起。在形成該頭部的同時，將該物體在該孔內(nèi)的部分(更通常稱作柄部)壓縮并膨脹以填充該孔。該物體的端部可以基本上同時或順序鐓鍛以形成頭部。該物體的尺寸應當選擇以確保該柄部不彎曲且形成的鐓鍛頭部對該工件的固定最好。這可以用具有其直徑在孔直徑的約85-95%，更優(yōu)選93-95%范圍內(nèi)且其延伸到該工件表面以外的距離是該孔直徑1. 2-2倍的柄部的物體實現(xiàn)。因為該頭部是在將該物體插入該孔中之后形成的，因此優(yōu)選將該纖維增強的聚合物物體(如果其包括熱塑性聚合物基體)加熱到高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度?？梢詫⑦m合的熱固性材料(例如B等級環(huán)氧樹脂)在環(huán)境溫度下插入；其他的可交聯(lián)熱固性材料也可以，前提是將其保持低于其Tg或玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。適合的B等級環(huán)氧樹脂的特別實例可以包括環(huán)氧樹脂，例如用胺或咪唑固化劑固化的雙酚A基樹脂的二縮水甘油醚；或者用過氧化物固化且任選地用氧化鎂增稠的聚酯或乙烯基酯樹脂。通過將熱塑性物體加熱到高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度并使其在塑性狀態(tài)變形可以使該熱塑性物體可靠地變形而不會斷裂或破裂。一旦冷卻到低于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，該熱塑性材料將再次獲得其較高的強度并適宜地將該工件保持在該堆中。該熱塑性材料可以是較低性能的熱塑性材料，例如聚酰胺或聚丙烯。但是，在其中該熱塑性材料將會暴露于熱循環(huán) (例如用于固化車體油漆的熱循環(huán)，典型地160-200°C至少20分鐘)的應用中，具有較高玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化或結(jié)晶溫度的高性能熱塑性材料(例如聚鄰苯二甲酰胺或聚苯硫醚)是優(yōu)選的，但也可以使用其他的，包括聚酰胺-酰亞胺、聚醚砜和聚亞芳基酮。熱固性聚合物的物體可能需要升高溫度固化以使得可以在室溫或約25°C將其插入并鐓鍛。在插入和鐓鍛之后，至少對該緊固件局部加熱將能使聚合物固化并得到最大的緊固件強度。這種固化可以通過例如加熱燈或可以通過使用加熱工具或通過將該緊固件(和組合件)放入爐子或烘箱(例如油漆烘焙爐)中而促進。應當認識到本領域中已知的任何固化工藝都可以使用，包括暴露于紫外輻射或暴露于電子束。該物體的尺寸應當選擇以增強接頭強度同時使該物體的尺寸和質(zhì)量最小化。優(yōu)選可以用纖維(短纖維或更優(yōu)選的連續(xù)纖維)增強該熱塑性材料。適合制備的纖維可以包括玻璃或芳族聚酰胺纖維。在其將不會直接接觸任何鎂片的情況下，也可以使用碳纖維。也可以使用混合纖維，且可以將纖維各個引入或者可以將其組合成編織或紡織形式以提高纖維之間的合作作用。纖維可以通常均勻分布在該物體橫截面上，或者可以選擇性定位，例如以提供選擇性增強或便于在使纖維損傷最小的情況下進行鐓鍛。例如，在本發(fā)明的一個方面中，碳纖維可以位于沿該物體的長度延伸的編織的芳族聚酰胺纖維或玻璃纖維套筒內(nèi)部以確保將該碳纖維與該工件隔離開。也可以使用天然纖維，例如韌皮纖維。韌皮纖維的特征為長的強纖維束，其包括莖的外部且包括亞麻、大麻、洋麻、印度麻、苧麻和黃麻。這種纖維具有較高的抗張強度和 0. 28-0. 62的較低比重的結(jié)合以產(chǎn)生特別高的比強度(即強度與重量比)?？梢允褂胮ultrusion或擠出以形成延長長度的纖維增強材料并然后切割該延長長度以形成適當長度的物體而容易地形成纖維增強物體。盡管該物體的橫截面可以優(yōu)選為圓形，但如果優(yōu)選，那么pultrusion和擠出都適用于制備橫截面不是圓形(包括不規(guī)則橫截面)的物體。圖1顯示了本發(fā)明的第一實施方式的橫截面視圖。用平底沖頭16將由模具18支撐的由以重影顯示的部分重疊的片工件12和14構(gòu)成的工件堆10壓出凹痕。平底沖頭16 位于模具18的喉口或模孔19上的中心。隨著沖頭16前進，首先與該工件接觸，然后進入模具喉口 19中，該工件變形到該片的平面以外。典型地通過使用與模具18相對定位的粘結(jié)劑17將抑制該片的彎曲。片12和14的這種面外變形可以在由片12’和14’構(gòu)成的變形的工件堆10’中形成嵌套的平底斜壁特征20和22。沖頭16和模具喉頭19具有互補的橫截面，將認識到如果沖頭16和模孔19的橫截面都是圓形時，該平底斜壁特征20和22將具有錐形杯的形狀。然而，可以為了包裝或其他原因所需或優(yōu)選而使用其他的沖頭和喉頭橫截面。片12和14至少一個可以是鎂合金。鎂合金的室溫可模鍛性或延展性通常比汽車車體中所用的鋁合金和大多數(shù)鋼鐵都要差。因此，在該工件堆中形成的凹陷的最大深度‘D’ (圖2)通常將受到該鎂合金元件可以忍受而不會斷裂的最大變形的限制。優(yōu)選深度‘D’至少等于且優(yōu)選超過該片厚度的兩倍。如果該鎂片的室溫延展性不足以實現(xiàn)特別設計的深度 ‘D’，那么可以通過在成形之前將該變形區(qū)域至少局部加熱到至少250°C而增強該鎂合金片的延展性。這種加熱可以通過使用單獨電極的電阻加熱而實現(xiàn)，或者如果圖1的模具元件可能是電絕緣的，可以通過將電流在沖頭16和模具18之間通過而實現(xiàn)。也可以通過將適合幾何形狀的線圈放在將變形的區(qū)域附近而使用電感加熱。也可以采用其他方法，例如通過旋轉(zhuǎn)沖頭16而使用摩擦加熱或通過將激光輻射直接作用于片14的下部而使用激光加熱。在圖2中，已經(jīng)通過例如鉆孔、刺孔、激光切割或其他適合的方法在嵌套特征20和 22中制造對齊的基本相同尺寸的孔M和26。如圖所示，在該片經(jīng)過面外變形之后制造孔對和沈，但該步驟順序并不是必需的?？讓蜕蛞部梢栽谠撈?jīng)過面外變形之前制備。在使用機械工藝(例如刺孔或鉆孔)時，可以將該鎂合金首先加熱到高于250°C以使該孔周圍的邊緣裂紋最少化。將由沿其長軸對齊的纖維27增強的聚合物物體觀插入該孔中。用于鐓鍛該物體并成形以為該鐓鍛的頭部引入通常圓頂形狀的工具示為上部工具30和下部工具32。該物體(如果是熱塑性材料)可以加熱到高于該熱塑性材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度。這可以使用例如聚焦輻射(例如加熱燈或激光)或更簡單地通過在將其插入孔中之前預加熱該物體而進行。該物體在達到所需溫度之后可以然后迅速鐓鍛以在該物體28’的端部形成頭部 34和36，如圖3中所示。為了簡化舉例說明，該頭部34和36中的纖維取向顯示為平行于該物體部分觀’中的纖維取向。然而將認識到該頭部34和36中的聚合物的流動將是復雜的，且促進纖維在該物體頭部部分中的較不規(guī)則分布。為了方便且容易表示，用僅由兩個工件片構(gòu)成的工件堆顯示這種和其他實施方案。然而，本領域技術(shù)人員將認識到所述的實施和工藝可以容易地延伸到包含多于兩個工件片的工件堆。圖4中顯示了本發(fā)明的第二實施方案，其顯示了由工件片42和44(其至少一個是鎂合金)構(gòu)成的工件堆40的橫截面視圖。通過前述方法之一在該片中制備對齊的尺寸基本上相同的由切割邊界48和46限制的開口，工件堆40位于模具60上，由切割邊界48和46 限制的開口位于模具喉部62中的中央。沖頭50由柄部56、錐部M和端部52構(gòu)成，沿位于模具喉部的中心并基本上垂直于該片表面的對稱軸58以箭頭62所示方向前進。沖頭50的端部52的尺寸和結(jié)構(gòu)使得其就像錐形沖頭部分M的一部分那樣通過該開孔。然而，沖頭、?？缀推押穸鹊南鄬Τ叽缡沟脹_頭50的連續(xù)前進將造成錐形部分M首先嚙合該開口邊緣46和48并然后向下使其凸緣化。當沖頭50完全嚙合時，即柄部56與凸緣66接觸時，如圖5中所示，在片44和42 中形成完全成形的基本上垂直的凸緣64和66。此外，凸緣64和66嵌套并干擾以抑制變形片42’和44，的橫向運動。任選地，可以使用粘合劑68，其中心與模具60的中心同軸，以箭頭62方向在片 42’和44’上施加壓力以使片42’和44’的無凸緣部分上的彎曲和差的片嵌套最小化。當由切割邊緣46和48限制的開口位于距該片的邊緣少于1或2個孔徑時，粘結(jié)劑68的使用將是最優(yōu)選的。沖頭50和形狀互補的模具喉部62可以具有圓形的橫截面，但也可以使用其他規(guī)則和不規(guī)則幾何形狀的橫截面。將認識到非圓形橫截面沖頭和模具喉部的使用除了抑制橫向運動之外還將為變形片42’和44’的相對運動提供阻力。再次，由于鎂合金的室溫延展性有限，因此將該鎂合金加熱到高于250°C的溫度以避免裂縫可以是有利的。類似于圖3中所示的工序，可以將由此處示為短的不連續(xù)的且纖維方向平行于聚合物物體的軸的纖維71增強的可以是熱塑性材料(圖6)的該聚合物物體70插入由最里面的凸緣66的內(nèi)壁67限定的孔中，加熱并使用成形模具鐓鍛以形成由柄部73連接的頭部72 和74。優(yōu)選地，聚合物物體70的定位使其充分延伸到該凸緣的端部(切割邊緣46、48)以外以為頭部74提供足以包圍切割邊緣46、48的材料。更優(yōu)選地，如圖6中所示，該流足夠廣泛以完全包圍該凸緣區(qū)域并密封片44’的下側(cè)面，以使得在該纖維增強聚合物頭部和片 44’的下側(cè)面之間不產(chǎn)生裂縫。
與圖3相反，圖6中所示的纖維71的圖案更容易使該纖維增強的聚合物物體在鐓鍛過程中經(jīng)過復雜流動。然而，這種描述并不意于代表可以實現(xiàn)的任何特定的纖維分布。圖7-9中描述了第三實施方案。圖7描述了由成形工具76的成形表面82造成的凸緣64和66 (圖5)的進一步變形，成形表面82進一步將該凸緣彎曲以將其自身向回彎曲以形成嵌套的翻轉(zhuǎn)凸緣64’和66’。該成形工具76的端部81當如箭頭84所示朝向時，其尺寸和結(jié)構(gòu)使其進入由內(nèi)凸緣66的內(nèi)壁67形成的孔(圖6)中，以使得該切割邊緣46和48 接觸工具80的彎曲成形表面82。工具76的連續(xù)運動將賦予凸緣64和66力矩，將其向回卷曲或彎曲以形成翻轉(zhuǎn)的凸緣。背襯板75支撐該工件堆的相反表面，且可以任選地包括特征例如凸起78，以與工具76的空腔80嚙合用于引導工具76。將認識到用于形成該翻轉(zhuǎn)凸緣所需的變形是相當大的，且在該工件片上將施加顯著的應變，特別是在切割表面46和48處。已知切割邊緣(例如46和48)在小于未切割部分中產(chǎn)生裂縫所需的抗張應變下可能斷裂。因此再次優(yōu)選至少將該鎂合金片加熱到高于 250°C的溫度以提高其延展性。任選地，如在圖5所示的工藝中對帶槽開口 47或分段開口 49 (例如圖8和9中所示的)進行凸緣化以降低切割邊緣處的應變并降低邊緣斷裂可能性可以是優(yōu)選的。如圖8中所示，開口 47的邊緣90包括多個弓形段92 (此處未加限制地示為圓弧) 和多個終點在該凸緣的彎曲位置96處(顯示在重影中)的徑向槽94。該凸緣因此將分段成一系列通常對接的凸緣段，例如段98，而不是連續(xù)的。在圖9中，形成邊緣90’的開口 49的弓形段92’的數(shù)量減少，間隙94’(類似于圖8的“槽”94)的程度也明顯提高。因此通過沿彎曲線96’彎曲而對例如98’的段的凸緣化將導致僅幾個凸緣段。然而，圖8和圖9的結(jié)構(gòu)都將產(chǎn)生一系列獨立的不相連接的凸緣段，并由此容許該凸緣應變一定程度的松弛。凸緣應變的降低將有助于實施方案2和實施方案3的實施。開口 47和49由于其非圓形的形狀，因此將優(yōu)選通過用成形工具刺孔而形成。優(yōu)選地，可以將鎂片加熱到約250°C以提高其延展性并抑制開裂。對開口 47和49凸緣化之后形成的孔的形狀的考慮表明其將是不規(guī)則形狀的。為了確保該纖維增強的聚合物物體(例如圖2中的觀)完全膨脹以充滿該開口，使用欠尺寸的互補形狀橫截面物體可以是適合的，需要該物體適合地朝向該開口。圖10顯示了由纖維103增強的聚合物物體102(其可以是熱塑性材料)，其插入由嵌套的翻轉(zhuǎn)凸緣64’和66’形成的開口中(圖7中所示)。預期在將該物體(如果是熱塑性材料)加熱到高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度之后，將使用成形工具106和104鐓鍛該物體的端部。 如果增強的聚合物物體102的基體是需要升溫固化的熱固性材料，其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度將高于室溫且這種熱固性材料也將在鐓鍛之前需要一些加熱。室溫固化的熱固性材料可以在室溫變形。成形工具104和106與圖2中所示的成形工具30和32的不同之處在于其除了引入該工具30和32的成形空腔的通常圓頂形式之外還引入從該空腔的約中心處向外延伸的尖端錐形凸起。工具104和106形狀的這種變化意于是解釋性的而非限制性的?？梢允褂脤挿秶念^部工具幾何形狀以使物體102的縱向纖維103在鐓鍛之后在該頭部內(nèi)更好地重新分布。該物體或柄部的增強纖維與該物體的軸線對齊。如果如圖2中所示，在鐓鍛該物體的端部中使用具有通常穹頂形凹槽的頭部成形工具30和32，那么該可流動的聚合物基體將對稱變形為與該穹頂形凹槽互補的形狀。然而所得到的增強纖維的移置將是更隨意的且將取決于該纖維的性質(zhì)、纖維密度、特定纖維的位置和纖維是紡織還是編織的或者以其它方式彼此合作相關。工具104和106 (圖10)的形狀尋求為纖維引入適度向外的傾斜，而不誘發(fā)明顯纖維斷裂以使得至少一些纖維可以保持連續(xù)。理想地，優(yōu)選甚至懸掛在該孔的邊緣上的外部纖維通常都保持連續(xù)，如圖11中示意性所示，其中纖維103’從頭部108通過柄部102’到相對頭部110是連續(xù)的。再次，這種表示意于是建議性的而非代表性的可用更復雜形狀的工具實現(xiàn)的纖維分布。盡管結(jié)合該第三實施方案的實施描述，但設計用于提高該頭部中的纖維分布(包括但不局限于所示的幾何形狀)的控制的鐓鍛工具可以適用于所有實施方案中。圖11的構(gòu)造能使工件片之間產(chǎn)生機械干擾，其抵抗面外負荷(例如沿該緊固件的柄部軸施加的抗張負荷)并合作支持該增強熱塑性緊固件抵抗該負荷。所述實施和工藝能使該緊固件和工件之間產(chǎn)生合作相互作用以產(chǎn)生更牢固的接頭。已經(jīng)通過公開一些優(yōu)選實施方案描述了本發(fā)明的實施，特別是其中一個或多個待連接的工件是鎂合金的實施方案。這些示例性的實施方案并不意于限制本發(fā)明的范圍，其可適用于其他接頭，例如在使用金屬緊固件連接其他工件層疊時或在使用聚合物緊固件連接聚合物片時。例如，在鋁合金中產(chǎn)生高強度接頭可能是需要的。典型的鋁合金可以在室溫(或約 25°C)變形。三個所述實施方案各自都可以通過使鋁合金堆疊的片適當變形而實施在這種鋁合金堆疊上。然后可以通過鐓鍛金屬或纖維增強的聚合物物體而保護該鋁片堆。該物體可以是適于室溫變形的鋁合金。類似地，可以將熱塑性聚合物片加熱到高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度并依照本發(fā)明的實施而變形?？梢詫⒃撟冃蔚木酆衔锲鋮s到室溫并使用如前所述的鐓鍛金屬或聚合物或增強聚合物物體對其加固。
權(quán)利要求
1.用于在兩個或更多個重疊片的組合件中形成耐腐蝕接頭的方法，其中至少一個所述片包括包含至少85襯％鎂的鎂合金，每一片具有頂表面和底表面，所述方法包括組裝所述片以具有平坦的重疊區(qū)域，其中一個片的底表面與重疊片的頂表面面對面接觸，所述平坦的重疊區(qū)域具有一個片的頂表面和另一片的底表面；使所述片在所述重疊區(qū)域的至少一部分上變形以將重疊的片材料移置到所述重疊平坦區(qū)域的平面之外，并在所述移置的材料中形成孔，由此所述移置的片材料具有互鎖特征， 所述互鎖特征在機械上阻礙所述變形的片沿其接觸面滑動，所述孔具有形狀和尺寸；將細長的可變形的纖維增強聚合物物體插入通過所述孔，所述聚合物物體具有長度、 形狀與所述孔的形狀互補的橫截面、和小于所述孔尺寸的橫截面尺寸；將所述可變形的聚合物物體定位在所述孔中，以使所述物體長度的適合部分在所述變形的片的任一側(cè)延伸，以提供用于連接所述重疊片的連接材料；和鐓鍛所述可變形物體的端部以形成兩個頭部，各自位于所述可變形物體的一個端部上，每一頭部具有下側(cè)面；和連續(xù)鐓鍛所述可變形的纖維增強聚合物物體的端部，直至一個頭部的下側(cè)面接觸所述重疊區(qū)域的頂表面且所述第二頭部的下側(cè)面接觸所述重疊區(qū)域的底表面。
2.權(quán)利要求1的方法，其中形成所述互鎖特征的方法包括 在所述重疊區(qū)域中形成通過所有片的孔；對所述重疊區(qū)域的頂表面施加具有形狀和尺寸的平底沖頭，同時用具有與所述沖頭互補形狀的模具支撐所述重疊區(qū)域的底表面，所述模具具有尺寸大于所述沖頭尺寸的?？?； 禾口將所述片移置到所述?？變?nèi)以在每一片的底表面上形成凸起并在每一片的頂表面上形成互補的凹陷，如此進行的尺寸化使得接觸的片的所述凸起和凹陷特征嵌套在一起。
3.權(quán)利要求1的方法，其中形成所述互鎖特征的方法包括在所述重疊區(qū)域中形成開口并延伸通過所述重疊區(qū)域中的所有片，所述開口具有中心線且每個片具有圍繞所述開口的切割邊緣；將每一片圍繞中心位于所述開口中心線上的彎曲線彎曲，以在每個片中形成從每個片的頂表面沿著從所述片的頂表面到所述片的底表面的方向延伸并終止在所述片切割邊緣的凸緣，接觸片的凸緣是嵌套的；和由最上面的片中的重疊區(qū)域的頂表面形成的內(nèi)凸緣表面限定了用于插入所述纖維增強聚合物物體的孔，所述孔延伸通過所述重疊區(qū)域中的所有片；且其中延伸到所述重疊區(qū)域的底表面以外的所述纖維增強聚合物物體的長度經(jīng)選擇以能將每一片的切割邊緣嵌入所述可變形的纖維增強聚合物物體的第二鐓鍛頭部中。
4.權(quán)利要求3的方法，進一步包括進一步變形所述嵌套凸緣以形成翻轉(zhuǎn)凸緣的步驟。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是熱塑性材料，且包括由以下構(gòu)成的組中之一聚酯、聚酰胺或聚丙烯、聚鄰苯二甲酰胺、聚苯硫醚、聚酰胺-酰亞胺、聚醚砜和聚亞芳基酮；和進一步包括在鐓鍛之前將所述聚合物物體加熱到高于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度并在鐓鍛之后將所述聚合物物體冷卻到低于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度的溫度的步驟。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是部分固化的或以其它方式增稠的熱固性材料，且包括由以下構(gòu)成的組中之一環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂和乙烯基酯樹脂；和進一步包括在鐓鍛之后固化所述熱固性材料的步驟。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述纖維增強聚合物物體是由由韌皮、玻璃、芳族聚酰胺和石墨構(gòu)成的組的纖維之一增強的。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述開口是非圓形的。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述孔是圓形的且具有直徑，所述纖維增強聚合物物體是直徑為所述開口直徑的85-99%的圓柱體，且所述聚合物物體延伸到所述重疊區(qū)域的頂表面和底表面以外約為所述開口直徑的1.2-2倍的距離。
10.權(quán)利要求1的方法，其中將至少所述鎂片加熱到約250°C的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及用增強的聚合物復合緊固件結(jié)合鎂。公開了用于在多個重疊薄金屬片工件(其至少之一包括至少85wt%鎂片)中形成防腐蝕接頭的方法。該緊固件是纖維增強聚合物桿，其形狀和尺寸適于插入每一片中形成的同軸開口內(nèi)并隨后在每一端鐓鍛以形成頭部。在至少一些接頭加載樣式下，工件片變形以形成協(xié)同補償該緊固件強度的機械干擾特征。該方法可以用于其他工件和緊固件組成。
文檔編號F16B5/04GK102478039SQ201110375539
公開日2012年5月30日 申請日期2011年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月23日
發(fā)明者J. 伯格 E., T. 卡特 J., C. 萊夫 L., H. 富斯 P. 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司