專(zhuān)利名稱(chēng)：將焊接和膠接結(jié)合用以接合金屬元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種接合金屬元件的方法，更加具體地說(shuō)，本發(fā)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并且把粘合劑插入到焊接元件之間。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，以包括熔接焊接、固態(tài)焊接、化學(xué)/機(jī)械結(jié)合和機(jī)械接合和鎖緊在內(nèi)的、各種各樣的技術(shù)使一些金屬元件接合在一起。在熔接焊接中，通過(guò)熔化金屬的接合，使這些元件接合在一起。當(dāng)這些元件的熔化金屬被混合并且固化時(shí)，產(chǎn)生了這些元件之間的焊接。以熔接焊接為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)過(guò)程包括氣體金屬弧焊接(如氣體鎢弧焊接)和激光束焊接。在金屬元件的固態(tài)接合中，借助在壓力作用下迫使這些零件在一起并且在這些元件之間的界面上施加熱量，或者如以摩擦攪動(dòng)焊接(friction stir welding)或者鍛焊同時(shí)迫使塑化金屬在一起，以實(shí)現(xiàn)配合表面之間的界面擴(kuò)散。金屬元件的化學(xué)/機(jī)械結(jié)合包括使用粘合劑、元件的鎖緊的機(jī)械接合，如通過(guò)螺栓、鉚釘和其它這樣的固定器的機(jī)械接合。
在結(jié)構(gòu)冗余比較重要或者在兩個(gè)元件之間需要額外密封的一些情況下，這些接合過(guò)程中的兩個(gè)過(guò)程可以結(jié)合起來(lái)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(gè)接合過(guò)程的這種方法已用于航空宇宙、汽車(chē)和交通工業(yè)中。典型地，使用機(jī)械固定器來(lái)接合元件和粘合劑或者密封劑。包括機(jī)械固定器和粘合劑在內(nèi)的這些接合比較堅(jiān)固并且可靠。
但是，熔接和以固態(tài)為基礎(chǔ)的焊接過(guò)程與化學(xué)/機(jī)械結(jié)合過(guò)程(例如使用粘合劑)相結(jié)合，產(chǎn)生了問(wèn)題。在相同的接合區(qū)域上同時(shí)施加這兩個(gè)過(guò)程時(shí)，或者甚至當(dāng)順序地進(jìn)行這兩個(gè)過(guò)程時(shí)，產(chǎn)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(jī)材料)和熱熔化塑化金屬之間的接觸嚴(yán)重地?fù)p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(chǎn)生了粘附力從而強(qiáng)烈地分解成能夠中斷焊接過(guò)程的穩(wěn)定性的烴煙(如焊接弧、激光束在鎖眼和熔化池中所產(chǎn)生的等離子體)，把污染物加入到固化焊接部(在表面上產(chǎn)生了總開(kāi)口和容積孔、焊口、夾雜物和過(guò)量的雜質(zhì))并且導(dǎo)致不一致的焊接幾何形狀。如果在產(chǎn)生焊接的同時(shí)施加粘合劑，那么焊接借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(chǎn)生了較差的接合質(zhì)量和均勻度。當(dāng)熱塑化金屬接觸粘合劑時(shí)，一些粘合劑可以加入到金屬中并且作為連續(xù)的(如膜)或者片斷的污染物分布在整個(gè)焊接部上。
相應(yīng)地，仍然需要一種這樣的方法，即使用熔接或者固態(tài)焊接和膠接來(lái)接合金屬元件，該方法可以克服這些問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明方法可以滿(mǎn)足這種需要，借助物理地分開(kāi)兩個(gè)接合過(guò)程，通過(guò)在兩個(gè)過(guò)程的施加之間進(jìn)行物理分開(kāi)和/或給它們的使用按順序排列，該方法結(jié)合了通過(guò)焊接的接合和通過(guò)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(tài)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(kāi)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(yù)先放置粘合劑，或者在通過(guò)控制噴射來(lái)進(jìn)行焊接之后，施加粘合劑。
這些焊接部可以是細(xì)長(zhǎng)的，或者在多個(gè)位置上可以焊接這些元件，而粘合劑設(shè)置在位于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(qiáng)件如纖維或者網(wǎng)。加強(qiáng)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(gè)相接合。此外，粘合劑材料可以膨脹。
本發(fā)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(jù)本發(fā)明方法來(lái)制造出的。本發(fā)明方法特別適合在航空器機(jī)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(fā)明方法特別適合接合機(jī)動(dòng)車(chē)的元件。
通過(guò)結(jié)合附圖的下面描述可以完全理解本發(fā)明，其中相同標(biāo)記在所有附圖中表示相同的零件。


圖1是接合之前的一對(duì)金屬元件的橫剖視圖；圖2示出了使用支撐板根據(jù)本發(fā)明來(lái)焊接和分配粘合劑之后的、圖1的元件；圖3是圖2的焊接元件的頂視圖；圖4是兩個(gè)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(gè)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(duì)接合金屬元件的橫截面圖；圖7是使用具有加強(qiáng)件的粘合劑根據(jù)本發(fā)明來(lái)接合的焊接元件的橫剖視圖；圖8是使用具有加強(qiáng)件的粘合劑根據(jù)本發(fā)明來(lái)接合的焊接元件的橫剖視圖；圖9是使用具有加強(qiáng)件的粘合劑根據(jù)本發(fā)明來(lái)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(lái)接合的金屬元件的橫剖視圖。
具體實(shí)施例方式
出于下文的解釋目的，術(shù)語(yǔ)“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(lái)論及本發(fā)明。但是，應(yīng)該知道的是，除了明確地具體說(shuō)明是相反的之外，本發(fā)明可以采取各種各樣的替換變形和步進(jìn)順序。還應(yīng)該知道，在附圖中所示出的及在下面說(shuō)明中所描述的具體裝置和過(guò)程是本發(fā)明的簡(jiǎn)單示例性實(shí)施例。因此，涉及這里所公開(kāi)的實(shí)施例的具體尺寸大小和其它物理特性不能被認(rèn)為是限制性的。
本發(fā)明涉及一種使用粘合劑或者密封劑的熔接或者固態(tài)焊接來(lái)生產(chǎn)接合金屬元件的方法。本發(fā)明的重要特征是，借助分開(kāi)接合體，可以避免結(jié)合過(guò)程的兩種的相互不利作用，這些接合體借助時(shí)間和空間上的每個(gè)過(guò)程來(lái)生產(chǎn)。根據(jù)本發(fā)明所產(chǎn)生的焊接是熔接焊接或者固態(tài)焊接，并且在下文中一般稱(chēng)為“焊接”。合適的熔接焊接過(guò)程包括氣體金屬弧焊接、激光束焊接、電子束焊接和電阻縫焊。合適的固態(tài)焊接過(guò)程包括摩擦攪動(dòng)焊接、鍛造(forging)、鉚接和超聲波縫焊。本發(fā)明特別適合于用在接合鋁合金元件上。
參照?qǐng)D1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(chǎn)品的第一元件2和作為結(jié)構(gòu)元件如肋的第二元件8。這種布置并不意味著是限制性的；根據(jù)本發(fā)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(gè)開(kāi)口12。開(kāi)口12與在第二元件8中所限定出的凹口14對(duì)準(zhǔn)。開(kāi)口12和凹口14被定尺寸和構(gòu)成成用來(lái)通過(guò)開(kāi)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(gè)表面中限定。
參照?qǐng)D2，粘合劑材料16被插入(例如，被噴射)通過(guò)開(kāi)口12并且填充凹口14。粘合劑16也可以填充開(kāi)口12。在分配粘合劑之前或者在把粘合劑分配到凹口14之后，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(dòng)焊接的結(jié)果。如果在形成焊接18(通過(guò)放置粘合劑/密封劑墊或者類(lèi)似物)之前把粘合劑16加入到凹口14中，那么有助于通過(guò)支撐件如支撐板20來(lái)支撐第二元件8，支撐板提供了這樣的表面，即當(dāng)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(shí)，第二元件8支承在該表面上。用在本發(fā)明中的可噴射粘合劑/密封劑材料的非限制性例子包括環(huán)氧基結(jié)構(gòu)粘合劑、硅和聚硫化物。
參照?qǐng)D3，凹口14可以是連續(xù)的并且包圍著焊接18的長(zhǎng)度。元件2中的若干開(kāi)口12被示出。開(kāi)口12的數(shù)量和布置依賴(lài)于凹口14的尺寸大小。包圍焊接18的粘合劑用來(lái)加強(qiáng)元件2和8之間的結(jié)合以及使位于元件2、8之間的焊接18的部分與環(huán)境密封起來(lái)。
在圖4的實(shí)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。借助把元件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(méi)有使用支撐板20或者其它裝置來(lái)強(qiáng)制形成元件2和8之間的緊密配合。
圖2所示的另一個(gè)實(shí)施例的特征在于，粘合劑擋壁(或者墊)24設(shè)置在第二元件8的邊緣處。粘合劑擋壁24占據(jù)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上并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(lèi)似裝置。預(yù)先形成的擋壁24可以是帶形式的環(huán)氧基結(jié)構(gòu)粘合劑(epoxy-based structuraladhesives)。
根據(jù)下面過(guò)程來(lái)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(lái)。借助固定裝置和/或使用粘著點(diǎn)接合(tack spot joint)如通過(guò)接觸點(diǎn)焊(resistance spot welding)或者鉚焊或者任選地借助施加密封焊接22或者粘合劑擋壁(adhensive dam)24，以合適的相對(duì)空間關(guān)系來(lái)放置要被接合的元件2、8。第一元件2被熔接或者固態(tài)焊接到第二元件8上。粘合劑16通過(guò)開(kāi)口12噴射到凹口14中，同時(shí)如所需要的那樣任選地通過(guò)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于元件2和8之間的凹口中，因此在焊接之后不需要噴射粘合劑。
參照?qǐng)D6，在沒(méi)有使用要接合的元件中的凹口的情況下來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)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于粘合劑件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(qiáng)件和合適的加強(qiáng)件包括金屬纖維110(參見(jiàn)圖7)和金屬網(wǎng)112(參見(jiàn)圖8)或者它們的結(jié)合體，如圖9所示，在該結(jié)合體中，凹口14包含粘合劑材料16、以及纖維110和網(wǎng)112。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，要接合起來(lái)的兩個(gè)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(gè)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(nèi)表面上加襯。鎖緊件230成形成安裝在鄰接凹口214a和214b內(nèi)。鎖緊件230由塑料、纖維加強(qiáng)的材料或者類(lèi)似物來(lái)制成。粘合劑材料216用來(lái)把鎖緊件230粘附到第一和第二元件202和206中的每一個(gè)上。如其它實(shí)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(tài)焊接18。用于凹口214a和215b和鎖緊件230的其它結(jié)構(gòu)是可以的。
根據(jù)本發(fā)明來(lái)裝配金屬元件，有利于兩個(gè)接合過(guò)程的結(jié)構(gòu)冗余。包括加熱如氣體金屬弧焊接、激光束焊接和摩擦攪動(dòng)焊接在內(nèi)的大部分焊接過(guò)程產(chǎn)生了焊接和熱量影響區(qū)域，這些區(qū)域具有次于被接合起來(lái)的金屬的性能的機(jī)械性能。借助使膠接與焊接相結(jié)合起來(lái)，膠接的強(qiáng)度可以補(bǔ)償弱化的焊接區(qū)域。此外，膠接克服了一些焊接接合處如重疊穿過(guò)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并且使裂縫的延伸量最小化。粘合劑或者粘合劑/密封劑隔開(kāi)這些元件之間的界面，從而防止?jié)駳庖苿?dòng)，或者其它腐蝕材料在其它情況下觸發(fā)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(kāi)大約1-3mm是有利的。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員容易知道，在沒(méi)有脫離公開(kāi)在前述說(shuō)明中的原理的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行一些改進(jìn)。這些改進(jìn)應(yīng)該被認(rèn)為落入下面的權(quán)利要求的范圍內(nèi)，除非這些權(quán)利要求借助它們的文字清楚地表明了其它情況。相應(yīng)地，在這里詳細(xì)描述過(guò)的特殊實(shí)施例只是解釋性的而不是限制本發(fā)明范圍，而本發(fā)明的范圍產(chǎn)生了附加權(quán)利要求的整個(gè)寬度和它的一些及所有的等同替換。
權(quán)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(shè)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(tài)焊接部，它從所述露出表面延伸到所述第二元件中。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，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(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述第一元件的露出表面限定一開(kāi)口，該開(kāi)口與所述凹口對(duì)準(zhǔn)，用以把所述粘合劑材料輸送到所述凹口中。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述焊接部是熔焊部。
5.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述焊接部是固態(tài)焊接部。
6.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述凹口包圍所述焊接部。
7.如權(quán)利要求6所述的組件，其特征在于，所述焊接部是細(xì)長(zhǎng)的。
8.如權(quán)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(shè)置在所述焊接部之間的位置。
9.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述焊接部與所述粘合劑材料隔開(kāi)大約1-3mm。
10.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述粘合劑材料包括加強(qiáng)件。
11.如權(quán)利要求10所述的組件，其特征在于，所述加強(qiáng)件包括與所述第一和第二接合表面中的至少一個(gè)相接合的鎖緊件。
12.如權(quán)利要求10所述的組件，其特征在于，所述加強(qiáng)件包括多個(gè)纖維或者一網(wǎng)。
13.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述粘合劑材料可以膨脹。
14.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述第一和第二元件是航空器機(jī)身的元件。
15.如權(quán)利要求14所述的組件，其特征在于，所述第一元件包括表面件，所述第二元件包括縱梁。
16.如權(quán)利要求1所述的組件，其特征在于，所述第一和第二元件是機(jī)動(dòng)車(chē)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(tài)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(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，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(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，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(shè)置到凹口中。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，沉積粘合劑材料的所述步驟包括通過(guò)在第一元件中所限定的開(kāi)口來(lái)分配粘合劑材料，該開(kāi)口與凹口相流體連通。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，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(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述焊接步驟包括把第一接合表面固態(tài)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)，并且通過(guò)固態(tài)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(kāi)并且被如此地形成，以致可以防止粘合劑材料(16)露出到焊接部(18)中。在由時(shí)間和空間所分開(kāi)的這些元件中形成兩種結(jié)合(膠粘和焊接)。
文檔編號(hào)B23K9/02GK1859996SQ200480028505
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2004年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者I·斯托爾, S·F·麥克利里, P·L·普萊斯 申請(qǐng)人:美鋁公司