專利名稱：在一個或多個連接點對兩個或多個型材件或金屬板進行機械連接和壓焊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種連接兩個或多個金屬板和/或型材件的方法。本發(fā)明特別涉及一種連接兩個或多個至少其一由高強度鋼構(gòu)成的金屬板和/或型材的方法。金屬板和/或型材件的焊接，特別是金屬板和/或型材件的壓焊是特別經(jīng)濟的方法，原因是其可以迅速地完成而不需要設(shè)備的主要費用支出并且能夠?qū)崿F(xiàn)永久粘合性連接。
背景技術(shù)：
然而，焊接僅可以在有限程度的范圍內(nèi)使用，因為其基本的先決條件是待被焊接的材料能夠很好地焊接在一起。主要地，相同或基本相同的金屬和金屬合金可以相互焊接在一起。例如鋁和鋼或銅和鋼的不同金屬或合金只能很困難地焊接在一起或根本不能焊接。
此外，不僅不同類型的鋼，而且相同類型的鋼通常也難以焊接在一起，特別是在通過例如點焊、凸焊或軋制縫焊的壓焊方法來實現(xiàn)焊接時。
為了將由金屬和金屬合金制成的金屬板和/或型材件連接，除了現(xiàn)有技術(shù)的焊接之外，還公知有許多機械連接方法，例如經(jīng)由鉚釘或螺釘?shù)姆€(wěn)固連接。然而，由于用于擰入螺釘或鉚接的導(dǎo)入孔通常具有機械“槽口”的作用，所以這些通常能夠?qū)崿F(xiàn)機械可釋放的連接具有非常差的長期強度。這些機械“槽口”由穿孔、鉆孔或切出孔或螺紋孔來實現(xiàn)，頻繁地造成過度的應(yīng)力，這在持久的載荷的情況下，可能會導(dǎo)致迅速的材料疲勞。通過焊接連接所獲得的長期強度對于穩(wěn)固的和/或摩擦機械連接通常是不可能的。
此外，已經(jīng)特別證實的是，存在大量的高強度和超高強度鋼，其僅能夠困難地焊接。特別地，通過壓焊的焊接僅在難以保持的非常精確限定的焊接條件下才有可能。
這些所稱的高強度和超高強度鋼特別用于汽車工程，以獲得輕重量的車體部分。在同等強度等級的情況下，通過采用高強度和超高強度鋼可以獲得例如相對較高的延伸率，從而獲得顯著較好的冷成形性。此外，與傳統(tǒng)鋼相比，可靠調(diào)整強度的范圍得以大大地擴展。因而，這些高強度和超高強度鋼使得輕量方式的構(gòu)造成為可能，并且這可以通過增加強度性能同時減小鋼板和型材的厚度而成為可能。
正在討論中的高強度鋼和超高強度鋼包括通過混合晶體硬化、通過晶粒細化、通過沉淀硬化以及通過增加強度的特殊形式、所稱“壓力硬化”方法進行調(diào)整過的鋼。在后者的方法中，熱成形的鋼或型材件在工具中淬火，從而形成高含量的馬氏體。
另一重要組的高強度或超高強度鋼是多相鋼。這些多相鋼強度的增加通過將除軟相之外的硬相也引入到顯微結(jié)構(gòu)中來實現(xiàn)。
這些多相鋼的第一重要組是所稱的雙相鋼，其顯微結(jié)構(gòu)基本上由馬氏體含量高達20％的鐵素體組成。
這些多相鋼的第二重要組是所稱的殘余奧氏體鋼，其在由鐵素體和嵌入貝氏體的組成的基體中包含有殘余奧氏體成分，該殘余奧氏體在形成硬馬氏體期間發(fā)生轉(zhuǎn)變。這些殘余奧氏體鋼以名稱“TRIP”鋼而公知?？s寫“TRIP”在這里代表“Transformation Induced Plasticity”。
這些多項鋼的第三組是所稱的復(fù)相鋼。在此，在均勻分布的非常細小顆粒狀的顯微結(jié)構(gòu)中，存在有非常細小的析出物，因而，除了例如馬氏體的非常硬的相之外，還存在有較軟的顯微結(jié)構(gòu)成分。
第四重要組是鐵素體-貝氏體相鋼，其具有由貝氏體和鐵素體構(gòu)成的顯微結(jié)構(gòu)。
由于所有這些高強度鋼和超高強度鋼具有含有多相和脆性相的顯微結(jié)構(gòu)，所以他們共同之處是都僅能非常差地被焊接。特別地，含有例如由貝氏體和馬氏體為代表的硬相的鋼，或因焊接而在其中增加地形成有這些硬相的鋼僅可以困難地通過壓焊，特別是通過點焊以粘合性方式連接。通常，在焊點顯微結(jié)構(gòu)中，過多含量的馬氏體和/或貝氏體積聚，導(dǎo)致脆化，從而引起焊接的有限或較差的長期強度。
此外，已經(jīng)證實的是，上述高強度鋼不僅僅難以相互焊接或者較差地焊接。甚至對于例如傳統(tǒng)軟鋼的容易焊接鋼本身的焊接連接也僅僅在有限的程度下才可能。在此也頻繁地觀察到不僅在焊點的表面上，而且在焊點顯微結(jié)構(gòu)的內(nèi)部可能出現(xiàn)的裂紋。
此外，高強度鋼和超高強度鋼具有回彈性能，其可能在壓焊期間特別是在點焊期間產(chǎn)生困難。
這些回彈性能需要因設(shè)備而增加費用。由于高強度和超高強度鋼的回彈，通常在待焊接的金屬板和/或型材之間產(chǎn)生間隙。然而，在壓焊的情況下，特別是在點焊的情況下，必須要通過急劇地增加點焊作用力來補償在壓力機中所產(chǎn)生的該間隙。這需要對待施加的點焊作用力進行調(diào)節(jié)，所述點焊作用力為在各情況中待被補償?shù)拈g隙厚度的函數(shù)。
借助于在壓焊期間或點焊期間所使用的焊鉗將回彈的鋼板或型材壓在一起會導(dǎo)致這樣的情況，即在點焊之后，還沒有達到其完全承載強度的仍然熱的焊點不得不承受因夾緊在一起而產(chǎn)生的鋼板或型材件內(nèi)部的應(yīng)力。為了解決該問題，因此，焊鉗必須在相當(dāng)長的在后保持時間(post-holding)保持關(guān)閉。這又使得生產(chǎn)的循環(huán)時間急劇延長。循環(huán)時間的延長又導(dǎo)致成品線上的生產(chǎn)量的減小。生產(chǎn)量的減小又造成待生產(chǎn)的產(chǎn)品的成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種連接特別是車體構(gòu)造中的兩個或多個金屬板和/或型材件的新方法，至少其中之一由高強度鋼構(gòu)成。該方法克服了上述困難，即提供在生產(chǎn)方面的永久和安全的焊接連接，與傳統(tǒng)的點焊相比，焊接時間同時縮短。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過連接兩個或多個的金屬板和/或型材件的方法來實現(xiàn)，至少其中之一由高強度鋼構(gòu)成，包括如下步驟a)將金屬板或型材件在一個或多個連接點穩(wěn)固和/或摩擦機械地連接，以及然后b)通過壓焊將所述連接點熱連接。
采用該方法，一方面有可能使得在待被連接的兩個金屬板和/型材件之間實現(xiàn)優(yōu)秀的穩(wěn)定機械連接非常迅速地成為可能，從而使得由于待被處理的高強度鋼的回彈性能而導(dǎo)致的在壓力機中出現(xiàn)的間隙能夠顯著和有效地合攏。并且在通過壓焊對連接點進行隨后的焊接時，可以避免不經(jīng)濟地和耗時地對在各情況中必須通過焊鉗施加的點焊作用力進行調(diào)整。
采用該方法，一方面，可以將不同類型的鋼相互焊接，至少其中一種鋼的類型是不易進行焊接的，因為它們是高和超高強度鋼。另一方面，不易焊接的同一類型的鋼也可以明顯地相互連接。因此，該方法不僅適合于將高強度和超高強度鋼相互連接，而且也適合于將高強度鋼和超剛強度鋼與傳統(tǒng)易于焊接的軟鋼連接。
此外，該方法還適合于將高強度鋼與其他金屬或金屬合金連接。特別地，可以將鋁與高強度鋼連接。
該方法特別地適合于最初提到的壓力硬化鋼、雙相鋼、鐵素體-貝氏體相鋼、殘余奧氏體鋼、復(fù)相鋼以及馬氏體相鋼。
在本發(fā)明的第一實施例中，機械連接通過穿透連接的方式發(fā)生。穿透連接也通過術(shù)語“壓接”而公知。在待被連接的金屬板和/或型材件已經(jīng)設(shè)置有穿透點之后，一塊大致小片狀的焊接材料通常插入到穿透連接點的凹處，然后對設(shè)置有焊接材料的穿透連接點進行壓力焊接。
在本發(fā)明的可替代實施例中，機械連接通過連接件發(fā)生。連接件隨后在壓焊中用作焊接材料。該機械連接的實施例為鉚接。另一實施例為螺釘連接。然后，導(dǎo)入預(yù)先沖制的孔中的鉚釘和/或鉚釘又在隨后的壓焊期間用作焊接材料。
本發(fā)明的又一實施例為通過穿孔鉚釘(punch rivet)對待被連接的金屬板和/或型材件進行穩(wěn)固和摩擦機械連接。導(dǎo)入到待被連接的金屬板和/或型材件中的穿孔鉚釘又在隨后的壓焊期間用作焊接材料。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，重要的是，所采用的連接件由易于焊接的鋼構(gòu)成，所述的連接件可以例如是上述的鉚釘、螺釘或穿孔鉚釘或在穿透連接期間所采用的焊接材料。易于焊接的材料通常是具有完全鐵素體或鐵素體-珠光體顯微結(jié)構(gòu)的軟鋼，例如根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10130，特別是DC04、DC05和DC06類型的鋼。
此外，可以例如采用表面滲氮對連接件進行表面硬化，以使得由于穿孔鉚釘沒有太強地發(fā)生塑性變形而獲得特別好的穿孔性能。除了表面滲氮之外，還可以考慮退火和隨后的淬火來對連接件進行表面硬化。同樣，可以想到的是，對連接件的邊緣進行短暫的感應(yīng)淬火或火焰淬火。
D06類型鋼為IF鋼，換句話講，即所謂的“無縫”鋼。對于IF鋼來講，通過完全去除在鋼廠中通過真空處理降低到最低含量的碳和氮元素，通過結(jié)合于相應(yīng)的軋制和退火條件采用鈮和/或鈦進行微合金化，來實現(xiàn)其機械特性。
連接件還可以具有例如鋅、鎳或銅的薄金屬涂覆層，這改善與待被連接的金屬板和/或型材件的冶金連接。特別地，采用該涂覆層，可以對在焊點顯微結(jié)構(gòu)區(qū)域中混合化合物和/或擴散化合物的形成施加有效的影響。
所采用的壓焊方法典型地為電阻焊接。在電阻焊接的情況中，還優(yōu)選的是點焊。然而，還可以使用另一電阻焊接方法，例如凸焊(proiection welding)或軋制縫焊(rolled seam welding)。
根據(jù)本發(fā)明的方法非常適合于汽車工程領(lǐng)域，特別適合于車體部分的制造，所述車體部分采用高強度和/或超高強度鋼以輕重量構(gòu)造方式進行制造。
然而，還可以將該方法用于不同類型的任務(wù)，例如用于造船、軍事部門、建筑或機械工程的特定領(lǐng)域，這些地方推薦采用高強度和/或超高強度鋼。
在用于車體構(gòu)造的情況中，采用根據(jù)本發(fā)明的方法，可以采用輕重量構(gòu)造的方式制造車體部分，并且其不同之處在于，在被處理的高強度和超高強度鋼之間由點焊典型產(chǎn)生的焊接連接點不存在裂紋，并且可以非常迅速地產(chǎn)生，而且設(shè)備的成本相對較低。
此外，所制造的焊點的質(zhì)量檢驗顯著地得以簡化，原因是焊點具有幾乎完全的鐵素體或鐵素體-珠光體焊點顯微結(jié)構(gòu)，該顯微結(jié)構(gòu)具有較低含量的貝氏體或馬氏體，由于這些焊點顯微結(jié)構(gòu)相對于金屬板或型材件的顯微結(jié)構(gòu)具有顯著的差別，所以其可以通過公知的超聲波檢驗方法得到很好的檢驗。
特別地已經(jīng)證實的是，用于檢測焊點表面和/或焊點內(nèi)部區(qū)域中裂紋的超聲波檢驗方法只有在對現(xiàn)有技術(shù)的高強度和/或超高強度鋼進行點焊連接的情況中的某些條件下才能使用。通過對焊點顯微結(jié)構(gòu)進行微拋光的一系列研究和通過各種彩色穿透方法，可以證實在那里產(chǎn)生了裂紋，而這不能通過超聲波檢驗方法檢測到。
因此，采用根據(jù)本發(fā)明的方法，可以在相對于現(xiàn)有技術(shù)得以改善的生產(chǎn)量時間內(nèi)生產(chǎn)車體部分，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，生產(chǎn)安全性也得以顯著地改善。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法不僅可以實現(xiàn)更快的生產(chǎn)，而且還大大地簡化和加快了成品車體部分的質(zhì)量檢驗。
此外，與傳統(tǒng)制造的含有高強度和/或超高強度鋼的車體部分相比，本發(fā)明提供了進一步的優(yōu)點，由于可以隨后改善焊接連接而不需要保持非常難以調(diào)整的焊接工藝窗口，所以可以快速和毫無問題地完成對有缺陷焊接連接點的修復(fù)。這提供了在生產(chǎn)線上進行修復(fù)以及在修理車間中對已交付的機動車輛進行修復(fù)的容易和經(jīng)濟的可能性。


通過實例在附圖中示出了本發(fā)明，并且在下文中借助附圖對其進行了詳細的說明，其中圖1a)至圖1f)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的順序的示意圖；圖2a)示出了由圖1a至e中的方法所獲得的穿孔鉚接連接的特有標(biāo)記的顯微圖，以及圖2b)示出了由圖1a至f的方法步驟所獲得的穿孔鉚接連接的特有標(biāo)記的顯微圖。
具體實施例方式
根據(jù)附圖，首先第一金屬板1和第二金屬板2設(shè)置成相互連接并且形成組件。所示出的第一金屬板1和所示出的第二金屬板2在此均由高強度鋼構(gòu)成。兩金屬板具有大約1.5mm的厚度。
接下來，第一金屬板1和第二金屬板2導(dǎo)入穿孔鉚接裝配工具3中。穿孔鉚接工具3包括沖頭設(shè)置在其中的進給突出部4。進給突出部4引導(dǎo)沖頭5，穿孔鉚釘6設(shè)置在沖頭5的底部端。沖頭5定位在其中的進給突出部4以及引導(dǎo)的穿孔鉚釘6位于組件之上，用于將第一金屬板1和第二金屬板2連接在一起。在待連接的該組件之下是模具7。
在第一金屬板1和第二金屬板2導(dǎo)入到如圖1a所示的穿孔鉚接裝配工具3中之后，組件被位于頂部的進給突起部4和位于底部的模具7夾緊。這示出在圖1b中。
在此之后，實際的穿孔鉚接方法如圖1c所示那樣開始。在該情況中，配置成半中空鉚釘而設(shè)置的穿孔鉚釘6壓在第一金屬板1之上，因而穿過該第一金屬板1。當(dāng)穿孔鉚釘6隨后在下部的第二金屬板2中展開時，穿孔鉚接過程結(jié)束，如圖1d所示。兩個金屬板1和2隨后穩(wěn)固地和摩擦機械地相互連接。
在這里使用的穿孔鉚釘由高強度IF鋼構(gòu)成，換句話講，由所謂的高強度“無縫”鋼構(gòu)成。在IF鋼中，通過完全去除在鋼廠中已經(jīng)通過真空處理降低到最低含量的碳和氮元素，通過結(jié)合于軋制和退火條件采用鈮和/或鈦進行微合金化，來實現(xiàn)其機械特性。為了增加強度，通過合金化加入錳和/或磷。
此外，穿孔鉚釘?shù)膸缀涡螤?、模?的構(gòu)造以及所施加的連接力與由殘余奧氏體鋼制成的待連接金屬板1和2的材料特性匹配。
在制造了所完成的穿孔鉸接連接之后，位于組件之上的進給突出部4與位于其中的沖頭5一起移開，并且在下側(cè)的模具7從連接點移開，如圖1e所示。
設(shè)置有穿孔鉚釘6的金屬板1和2隨后導(dǎo)入點焊裝置8中。點焊裝置具有電源主連接(未示出)、焊接電流源(未示出)以及兩個銅電極9和10。
其直徑也可以大于穿孔鉚釘6直徑的銅電極9和10設(shè)置在位于組件中的穿孔鉚釘6的表面上和包含有穿孔鉚釘6的第二金屬板2的下側(cè)上。然后，包括有穿孔鉚釘6、第一金屬板1和第二金屬板2的組件最初被銅電極9和10穩(wěn)固地擠壓，位于焊接電流源的變壓器產(chǎn)生高電流并且對組件加熱。
由于銅電極9和10在待產(chǎn)生焊點的區(qū)域具有相對較小的直徑，所以電流導(dǎo)過非常狹窄的橫截面。該效應(yīng)通過組件的電阻進一步增加。穿孔鉚釘6區(qū)域中的組件一旦進入松軟狀態(tài)，銅電極9和10就將組件壓在一起，以使其冶金地連接。然后切斷電流，并且組件在焊點區(qū)域中冷卻。然后，焊接的組件從點焊裝置8上移開。
圖2a示出了拋光截面中的穿孔鉚釘連接，其中穿孔鉚釘6采用了埋頭釘。由于底切H和剩余底部強度Rb，通過圖1a至e中實現(xiàn)的方法可以產(chǎn)生穩(wěn)固和摩擦機械連接。
在進行了圖1f中的點焊之后，該穩(wěn)固和摩擦的機械連接變成粘合性連接，其顯微圖示出在圖2b中。
在此示出的焊點顯微結(jié)構(gòu)S在其內(nèi)部實際上不具有貝氏體和馬氏體，原因是在這里采用了由高強度IF鋼制成的穿孔鉚釘6。焊點的顯微結(jié)構(gòu)S主要是鐵素體或珠光鐵素體顯微結(jié)構(gòu)。
顯微結(jié)構(gòu)在指向第一金屬板1和第二金屬板2的其邊緣處還具有混合化合物和擴散化合物。在這些邊緣處的顯微結(jié)構(gòu)為硬化顯微結(jié)構(gòu)。
整個的焊點顯微結(jié)構(gòu)S具有高的塑性，特別是在內(nèi)部沒有裂紋。與點焊高強度鋼和/或超高強度鋼的傳統(tǒng)焊點顯微結(jié)構(gòu)相比，在這些焊點顯微結(jié)構(gòu)S中，甚至在表面上都不會發(fā)生裂紋。
附圖標(biāo)記列表1第一金屬板2第二金屬板3穿孔鉚接裝配工具4進給突出部5沖頭6穿孔鉚釘7模具8點焊裝置9第一銅電極10第二銅電極H底切Rb剩余底部強度S焊點顯微結(jié)構(gòu)
權(quán)利要求
1.一種通過如下步驟連接兩個或多個金屬板或型材件的方法a)以形狀和/或作用力鎖定方式在一個或多個連接點對所述金屬板或型材件機械連接，并且隨后b)通過壓焊對所述的連接點進行熱連接。
2.一種通過如下步驟連接兩個或多個金屬板或型材件的方法，所述金屬板或型材件中的至少其一由高強度鋼構(gòu)成a)以形狀和/或作用力鎖定方式在一個或多個連接點對所述金屬板或型材件機械連接，并且隨后b)通過壓焊對所述的連接點進行熱連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述金屬板或型材件由不同類型的鋼構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述金屬板或型材件由相同類型的鋼構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求2至4中任何一項所述的方法，其中，所述高強度鋼是壓力硬化鋼或雙相鋼或鐵素體-貝氏體相鋼。
6.如權(quán)利要求2至4中任何一項所述的方法，其中，所述高強度鋼是復(fù)相鋼或殘余奧氏體鋼或馬氏體相鋼。
7.如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的方法，其中，所述機械連接通過散步連接來實現(xiàn)，并且在該散步連接中，導(dǎo)入了用于隨后壓焊的焊接材料。
8.如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的方法，其中，所述機械連接通過連接件來實現(xiàn)，并且該連接件在隨后壓焊過程中用作焊接材料。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述機械連接通過鉚接或螺釘連接來實現(xiàn)，并且鉚釘或螺釘在隨后壓焊過程期間用作焊接材料。
10.如權(quán)利要求1至6中任何一項所述的方法，其中，所述機械連接通過穿孔鉚接來實現(xiàn)，并且穿孔鉚釘在隨后壓焊期間用作焊接材料。
11.如權(quán)利要求7至10中任何一項所述的方法，其中，所述焊接材料由能很好適于焊接的軟鋼構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述軟鋼是IF鋼。
13.如權(quán)利要求1至12中任何一項所述的方法，其中，所述壓焊通過電阻焊接來實現(xiàn)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述壓焊通過點焊來實現(xiàn)。
15.一種將如權(quán)利要求1至14中任意一項所述的方法用于制造機動車輛的車體部分的用途。
16.具有至少兩個型材件或金屬板的機動車輛的車體部分，所述型材件或金屬板中的至少其一由高強度鋼構(gòu)成，其特征在于，以形狀和/或作用力鎖定方式在一個或多個連接點對所述型材件或金屬板機械連接，并且所述型材件或金屬板經(jīng)由焊接材料被壓焊。
17.具有至少兩個型材件或金屬板的機動車輛的車體部分，所述型材件或金屬板中的至少其一由高強度鋼構(gòu)成，其特征在于，以形狀和/或作用力鎖定方式在一個或多個連接點對所述型材件或金屬板機械連接，并且連接部件壓焊在所述型材件或金屬板上。
18.如權(quán)利要求16或17所述的車體部分，其特征在于，所述型材件或金屬板中至少其一包括壓力硬化鋼、雙相鋼、鐵素體-貝氏體相鋼、殘余奧氏體鋼、復(fù)相鋼或馬氏體相鋼。
19.如權(quán)利要求要求16至18中任何一項所述的車體部分，其中，在其點焊內(nèi)部的抗焊連接點具有基本上無貝氏體和無馬氏體的結(jié)構(gòu)。
20.如權(quán)利要求要求17至19中任何一項所述的車體部分，其特征在于，所述型材件或金屬板經(jīng)由穿孔鉚釘以形狀和/或作用力鎖定方式被機械連接，并且所述型材件或金屬板在所述穿孔鉚釘處被點焊在一起。
全文摘要
本發(fā)明公開一種連接特別是車體部分的兩個或多個金屬板或型材件的方法，以及車體部分。用于連接其中之一典型地由高強度鋼構(gòu)成的兩個或多個金屬板或型材件的所述方法包括如下步驟a)以穩(wěn)固和/或非穩(wěn)固方式在一個或多個連接處對所述金屬板或型材件機械連接，從而b)采用壓焊對所述連接處進行熱連接。本發(fā)明的方法使得特別是在機動車輛領(lǐng)域中生產(chǎn)具有高質(zhì)量點焊連接的車體部分成為可能。
文檔編號B23P11/00GK1938120SQ200580009842
公開日2007年3月28日 申請日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月27日
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