將焊接和膠接結合用以接合金屬元件的方法
2023-07-21 20:39:46
專利名稱：將焊接和膠接結合用以接合金屬元件的方法
技術領域：
本發明涉及一種接合金屬元件的方法，更加具體地說，本發明涉及一種接合金屬元件的方法，該方法包括把元件焊接在一起並且把粘合劑插入到焊接元件之間。
背景技術：
傳統上，以包括熔接焊接、固態焊接、化學/機械結合和機械接合和鎖緊在內的、各種各樣的技術使一些金屬元件接合在一起。在熔接焊接中，通過熔化金屬的接合，使這些元件接合在一起。當這些元件的熔化金屬被混合併且固化時，產生了這些元件之間的焊接。以熔接焊接為基礎的傳統過程包括氣體金屬弧焊接(如氣體鎢弧焊接)和雷射束焊接。在金屬元件的固態接合中，藉助在壓力作用下迫使這些零件在一起並且在這些元件之間的界面上施加熱量，或者如以摩擦攪動焊接(friction stir welding)或者鍛焊同時迫使塑化金屬在一起，以實現配合表面之間的界面擴散。金屬元件的化學/機械結合包括使用粘合劑、元件的鎖緊的機械接合，如通過螺栓、鉚釘和其它這樣的固定器的機械接合。
在結構冗餘比較重要或者在兩個元件之間需要額外密封的一些情況下，這些接合過程中的兩個過程可以結合起來使用以把它們的特別有利特性傳給接合的總體性能。使用兩個接合過程的這種方法已用於航空宇宙、汽車和交通工業中。典型地，使用機械固定器來接合元件和粘合劑或者密封劑。包括機械固定器和粘合劑在內的這些接合比較堅固並且可靠。
但是，熔接和以固態為基礎的焊接過程與化學/機械結合過程(例如使用粘合劑)相結合，產生了問題。在相同的接合區域上同時施加這兩個過程時，或者甚至當順序地進行這兩個過程時，產生了冶金的不相容。在焊接期間所形成的粘合劑(典型為有機材料)和熱熔化塑化金屬之間的接觸嚴重地損害了焊接接合和膠接的一體性。在一些情況下，焊接的熔化金屬和粘合劑之間的接觸產生了粘附力從而強烈地分解成能夠中斷焊接過程的穩定性的烴煙(如焊接弧、雷射束在鎖眼和熔化池中所產生的等離子體)，把汙染物加入到固化焊接部(在表面上產生了總開口和容積孔、焊口、夾雜物和過量的雜質)並且導致不一致的焊接幾何形狀。如果在產生焊接的同時施加粘合劑，那麼焊接藉助從粘合劑中所噴出的煙可變成移位或者改變的形狀，在不同的位置上被石化，或者形成不能控制的孔和遺漏，所有這些產生了較差的接合質量和均勻度。當熱塑化金屬接觸粘合劑時，一些粘合劑可以加入到金屬中並且作為連續的(如膜)或者片斷的汙染物分布在整個焊接部上。
相應地，仍然需要一種這樣的方法，即使用熔接或者固態焊接和膠接來接合金屬元件，該方法可以克服這些問題。
發明內容
本發明方法可以滿足這種需要，藉助物理地分開兩個接合過程，通過在兩個過程的施加之間進行物理分開和/或給它們的使用按順序排列，該方法結合了通過焊接的接合和通過粘合劑/密封劑的接合。該方法包括一些步驟提供具有第一接合表面的第一金屬元件；提供具有第二接合表面的第二金屬元件；使第一接合表面和第二接合表面熔接或者固態焊接在一起；及在第一和第二接合表面之間沉積粘合劑材料。粘合劑材料可以分配到在第二接合表面中所限定出的凹口中。第一元件可限定開口，從而能把粘合劑輸送到第二接合表面的凹口中。在焊接之前(使用可膨脹的、可硬化的粘合劑)，可預先放置粘合劑，或者在通過控制噴射來進行焊接之後，施加粘合劑。
這些焊接部可以是細長的，或者在多個位置上可以焊接這些元件，而粘合劑設置在位於這些焊接部之間的位置上。第二元件中的凹口包圍著這些焊接部。
粘合劑材料可以包括加強件如纖維或者網。加強件還可以包括鎖緊件，該鎖緊件與第一和第二接合表面中的至少一個相接合。此外，粘合劑材料可以膨脹。
本發明還包括裝配接合好的金屬元件，該接合好的金屬元件是根據本發明方法來製造出的。本發明方法特別適合在航空器機身的第一和第二元件之間、如在表面件和縱桁之間形成接合處，或者本發明方法特別適合接合機動車的元件。
通過結合附圖的下面描述可以完全理解本發明，其中相同標記在所有附圖中表示相同的零件。
圖1是接合之前的一對金屬元件的橫剖視圖；圖2示出了使用支撐板根據本發明來焊接和分配粘合劑之後的、圖1的元件；圖3是圖2的焊接元件的頂視圖；圖4是兩個元件之間的接合處的焊接部和粘合劑的另一布置的橫剖視圖；圖5是兩個元件之間的接合處的焊接部和粘合劑的另一布置的橫剖視圖；圖6是使用可膨脹粘合劑和焊接的一對接合金屬元件的橫截面圖；圖7是使用具有加強件的粘合劑根據本發明來接合的焊接元件的橫剖視圖；圖8是使用具有加強件的粘合劑根據本發明來接合的焊接元件的橫剖視圖；圖9是使用具有加強件的粘合劑根據本發明來接合的焊接元件的橫剖視圖；圖10是使用鎖緊件、粘合劑和焊接來接合的金屬元件的橫剖視圖。
具體實施例方式
出於下文的解釋目的，術語「上部」、「下部」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」和它的派生詞如它在附圖中所取向那樣來論及本發明。但是，應該知道的是，除了明確地具體說明是相反的之外，本發明可以採取各種各樣的替換變形和步進順序。還應該知道，在附圖中所示出的及在下面說明中所描述的具體裝置和過程是本發明的簡單示例性實施例。因此，涉及這裡所公開的實施例的具體尺寸大小和其它物理特性不能被認為是限制性的。
本發明涉及一種使用粘合劑或者密封劑的熔接或者固態焊接來生產接合金屬元件的方法。本發明的重要特徵是，藉助分開接合體，可以避免結合過程的兩種的相互不利作用，這些接合體藉助時間和空間上的每個過程來生產。根據本發明所產生的焊接是熔接焊接或者固態焊接，並且在下文中一般稱為「焊接」。合適的熔接焊接過程包括氣體金屬弧焊接、雷射束焊接、電子束焊接和電阻縫焊。合適的固態焊接過程包括摩擦攪動焊接、鍛造(forging)、鉚接和超聲波縫焊。本發明特別適合於用在接合鋁合金元件上。
參照圖1和2，具有露出表面4和第一接合表面6的第一金屬元件2定位在具有第二接合表面10的第二金屬元件8上。圖1示出了作為片型產品的第一元件2和作為結構元件如肋的第二元件8。這種布置並不意味著是限制性的；根據本發明的方法，也可以接合金屬元件的其它形狀。第一元件2限定出至少一個開口12。開口12與在第二元件8中所限定出的凹口14對準。開口12和凹口14被定尺寸和構成成用來通過開口12把粘合劑分配到凹口14中。凹口14被示成和描述成在第二元件8中限定出，但是它們可以在第一元件2的第一接合表面6或者在元件2、8的兩個表面中限定。
參照圖2，粘合劑材料16被插入(例如，被噴射)通過開口12並且填充凹口14。粘合劑16也可以填充開口12。在分配粘合劑之前或者在把粘合劑分配到凹口14之後，元件2和8在位置18上被焊接在一起。圖2所示出的焊接18被示成是摩擦攪動焊接的結果。如果在形成焊接18(通過放置粘合劑/密封劑墊或者類似物)之前把粘合劑16加入到凹口14中，那麼有助於通過支撐件如支撐板20來支撐第二元件8，支撐板提供了這樣的表面，即當把第一元件2推靠在第二元件8上以確保粘合劑16與第一接合表面相接觸直到粘合劑16凝固為止時，第二元件8支承在該表面上。用在本發明中的可噴射粘合劑/密封劑材料的非限制性例子包括環氧基結構粘合劑、矽和聚硫化物。
參照圖3，凹口14可以是連續的並且包圍著焊接18的長度。元件2中的若干開口12被示出。開口12的數量和布置依賴於凹口14的尺寸大小。包圍焊接18的粘合劑用來加強元件2和8之間的結合以及使位於元件2、8之間的焊接18的部分與環境密封起來。
在圖4的實施例中，在分配粘合劑16之前，在凹口14的邊緣外部形成密封焊接22。藉助把元件2和8的邊緣接合在一起，可以把粘合劑16分配到凹口14中而沒有使用支撐板20或者其它裝置來強制形成元件2和8之間的緊密配合。
圖2所示的另一個實施例的特徵在於，粘合劑擋壁(或者墊)24設置在第二元件8的邊緣處。粘合劑擋壁24佔據了凹口14＇的周邊部分，該周邊部分延伸到第二元件18的邊緣。在分配粘合劑16之前，粘合劑擋壁24被插入到凹口14＇的周邊中。粘合劑擋壁24粘到第一和第二元件2和8上並且在焊接或者分配粘合劑16期間使元件2和8相互保持接觸，因此不需要支撐板20或者類似裝置。預先形成的擋壁24可以是帶形式的環氧基結構粘合劑(epoxy-based structuraladhesives)。
根據下面過程來使上述的第一和第二元件2、8之間的接合部可以通常接合起來。藉助固定裝置和/或使用粘著點接合(tack spot joint)如通過接觸點焊(resistance spot welding)或者鉚焊或者任選地藉助施加密封焊接22或者粘合劑擋壁(adhensive dam)24，以合適的相對空間關係來放置要被接合的元件2、8。第一元件2被熔接或者固態焊接到第二元件8上。粘合劑16通過開口12噴射到凹口14中，同時如所需要的那樣任選地通過支撐板20，使第一元件2保持鄰接第二元件8。粘合劑16在室溫下可需要硬化，或者加熱到凝固。此外，在焊接之前，粘合劑/密封墊可以放置到位於元件2和8之間的凹口中，因此在焊接之後不需要噴射粘合劑。
參照圖6，在沒有使用要接合的元件中的凹口的情況下來實現本發明。在焊接之前，使可膨脹的粘合劑件101夾在第一元件102和第二元件108之間。在粘合劑件101的位置之間形成焊接18。粘合劑件101的材料被硬化或者被活化以使它們的尺寸增大，這些放大地示出在圖6中。箭頭所示的壓力施加到處於粘合劑件101的位置上的第一元件102中，從而使元件102和108粘附在一起。
如圖7-9所示一樣，除粘合劑材料16外，凹口14還可以包括加強件和合適的加強件包括金屬纖維110(參見圖7)和金屬網112(參見圖8)或者它們的結合體，如圖9所示，在該結合體中，凹口14包含粘合劑材料16、以及纖維110和網112。
在本發明的另一個實施例中，要接合起來的兩個元件限定出凹口用以接受粘合劑材料。在圖10中，第一元件202具有第一接合表面206，第二元件208具有第二接合表面210。接合表面206限定具有多個延伸部215a的凹口214a。接合表面210同樣限定出具有延伸部215b的凹口214b。粘合劑材料216給凹口214a和214b的內表面上加襯。鎖緊件230成形成安裝在鄰接凹口214a和214b內。鎖緊件230由塑料、纖維加強的材料或者類似物來製成。粘合劑材料216用來把鎖緊件230粘附到第一和第二元件202和206中的每一個上。如其它實施例一樣，在使用鎖緊件230的粘合劑接合的位置之間形成熔接或者固態焊接18。用於凹口214a和215b和鎖緊件230的其它結構是可以的。
根據本發明來裝配金屬元件，有利於兩個接合過程的結構冗餘。包括加熱如氣體金屬弧焊接、雷射束焊接和摩擦攪動焊接在內的大部分焊接過程產生了焊接和熱量影響區域，這些區域具有次於被接合起來的金屬的性能的機械性能。藉助使膠接與焊接相結合起來，膠接的強度可以補償弱化的焊接區域。此外，膠接克服了一些焊接接合處如重疊穿過接合處的固有較短疲勞壽命。接合元件的裝配更加能容忍損壞並且使裂縫的延伸量最小化。粘合劑或者粘合劑/密封劑隔開這些元件之間的界面，從而防止溼氣移動，或者其它腐蝕材料在其它情況下觸發加速的裂縫腐蝕攻擊。一般地，使焊接的邊緣與粘合劑材料隔開大約1-3mm是有利的。
本領域普通技術人員容易知道，在沒有脫離公開在前述說明中的原理的情況下，可以對本發明進行一些改進。這些改進應該被認為落入下面的權利要求的範圍內，除非這些權利要求藉助它們的文字清楚地表明了其它情況。相應地，在這裡詳細描述過的特殊實施例只是解釋性的而不是限制本發明範圍，而本發明的範圍產生了附加權利要求的整個寬度和它的一些及所有的等同替換。
權利要求
1.一種接合的金屬元件的組件，它包括第一元件，它具有露出的表面和第一接合表面；第二元件，它具有鄰接所述第一接合表面的第二接合表面；粘合劑材料，它設置在所述第一接合表面與所述第二接合表面之間；及熔化焊接部或者固態焊接部，它從所述露出表面延伸到所述第二元件中。
2.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述第二接合表面限定接受所述粘合劑材料的凹口。
3.如權利要求2所述的組件，其特徵在於，所述第一元件的露出表面限定一開口，該開口與所述凹口對準，用以把所述粘合劑材料輸送到所述凹口中。
4.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述焊接部是熔焊部。
5.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述焊接部是固態焊接部。
6.如權利要求2所述的組件，其特徵在於，所述凹口包圍所述焊接部。
7.如權利要求6所述的組件，其特徵在於，所述焊接部是細長的。
8.如權利要求1所述的組件，它包括若干所述焊接部，其中所述粘合劑材料設置在所述焊接部之間的位置。
9.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述焊接部與所述粘合劑材料隔開大約1-3mm。
10.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述粘合劑材料包括加強件。
11.如權利要求10所述的組件，其特徵在於，所述加強件包括與所述第一和第二接合表面中的至少一個相接合的鎖緊件。
12.如權利要求10所述的組件，其特徵在於，所述加強件包括多個纖維或者一網。
13.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述粘合劑材料可以膨脹。
14.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述第一和第二元件是航空器機身的元件。
15.如權利要求14所述的組件，其特徵在於，所述第一元件包括表面件，所述第二元件包括縱梁。
16.如權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述第一和第二元件是機動車的元件。
17.一種接合金屬元件的方法，該方法包括下面這些步驟提供具有第一接合表面的第一元件；提供具有第二接合表面的第二元件；及以任何順序，使第一接合表面和第二接合表面熔接或者固態焊接在一起；及在第一和第二接合表面之間沉積粘合劑材料。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，沉積粘合劑材料的所述步驟包括把粘合劑材料分配到在第二接合表面中所限定的凹口中。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於，沉積粘合劑材料的所述步驟包括在焊接之前把由粘合劑材料的墊設置到凹口中。
20.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，沉積粘合劑材料的所述步驟包括通過在第一元件中所限定的開口來分配粘合劑材料，該開口與凹口相流體連通。
21.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，所述焊接步驟包括把第一接合表面熔接焊接到第二接合表面上。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述焊接步驟包括把第一接合表面固態焊接到第二接合表面上。
全文摘要
一種接合金屬元件(2、8)的方法具有下面這些步驟在這些元件之間沉積粘合劑材料(16)，並且通過固態或者熔接焊接把這些元件焊接在一起。焊接部(18)與粘合劑材料(16)分隔開並且被如此地形成，以致可以防止粘合劑材料(16)露出到焊接部(18)中。在由時間和空間所分開的這些元件中形成兩種結合(膠粘和焊接)。
文檔編號B23K9/02GK1859996SQ200480028505
公開日2006年11月8日 申請日期2004年8月30日 優先權日2003年8月29日
發明者I·斯託爾, S·F·麥克利裡, P·L·普萊斯 申請人:美鋁公司