本公開涉及使用自攻鉚釘連接聚合物復合材料和其他材料的方法。

背景技術：

這里提供的背景描述是為了一般地呈現(xiàn)本公開的上下文。當前署名的發(fā)明人的工作就其在該背景部分所描述的以及在提交時可以不另外被作為是現(xiàn)有技術的多個方面的描述而言既不明確地也不隱含地被認可為是本公開的現(xiàn)有技術。

碳纖維增強熱塑性塑料(cfrtp)(例如碳纖維增強尼龍復合材料)具有高的強度/重量比，這使得這些材料適合用于汽車應用。例如，為了減少車輛重量，這些材料已經(jīng)用于諸如進氣歧管、空氣過濾器殼體、共振器、定時齒輪、散熱器風扇和散熱器箱的部件中。盡管有這些優(yōu)點，但由于目前可用于連接crftp材料的方法，crftp材料的應用數(shù)量有限。因此，需要改進的用于連接crftp材料的方法。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的原理連接第一材料層和第二材料層的第一示例性方法包括在第一層和第二層之間施加粘合劑層，并允許粘合劑層完全固化或至少部分固化。第一示例性方法進一步包括在粘合劑層固化之后利用鉚釘?shù)臒o頭端刺穿第一層，利用鉚釘?shù)臒o頭端使第二層變形，并且將鉚釘?shù)臒o頭端徑向向外彎曲。

根據(jù)本公開的原理連接第一材料層和第二材料層的第二示例性方法包括在第一層和第二層之間施加粘合劑層，并允許粘合劑層完全固化或至少部分固化。第二示例性方法進一步包括在粘合劑層固化之后利用鉚釘?shù)臒o頭端刺穿第一層，利用鉚釘?shù)臒o頭端使第二層變形，并且將鉚釘?shù)臒o頭端徑向向外且軸向向上朝向第一層彎曲。

從具體實施方式、權利要求書和附圖將會清楚本公開的其他應用領域。具體實施方式及特定實例僅僅是用于示例目的，而不是為了限定本公開的范圍。

附圖說明

從具體實施方式和附圖將更充分地理解本公開，其中：

圖1a、1b和1c是根據(jù)本公開用于連接沒有粘合劑的兩個材料層的示例性自攻鉚接系統(tǒng)的示意性剖視圖；

圖2a、2b和2c是根據(jù)本公開連接具有粘合劑的兩個材料層的示例性自攻鉚接系統(tǒng)的示意性剖視圖；

圖3是根據(jù)本公開的沒有粘合劑的示例性鉚接接頭的實際剖視圖；

圖4是根據(jù)本公開的具有粘合劑的示例性鉚接接頭的實際剖視圖，其中在允許粘合劑固化之后將自攻鉚釘插入兩個材料層中；

圖5是根據(jù)本公開的具有粘合劑的示例性鉚接接頭的實際剖視圖，其中在允許粘合劑固化之前將自攻鉚釘插入兩個材料層中；以及

圖6是圖解說明根據(jù)本公開使用自攻鉚釘將兩個材料層連接在一起的示例性方法的流程圖。

在附圖中，可以重復使用附圖標記來標識類似和/或相同的元件。

具體實施方式

一種用于連接crftp材料的方法被稱為自攻鉚接。在該方法中，將自攻鉚釘插入多個材料層(或工件)中以將各層連接在一起。鉚釘包括頭部和被設計成刺穿材料的無頭端部或尾部。當鉚釘向下插入層中時，尾部刺穿頂層，且然后使底層變形而不刺入底層。當尾部使底層變形時，頭部坐落在頂層中，并且模具使尾部徑向向外彎曲，使得各層被夾緊在頭部和尾部之間。

使用自攻鉚接連接crftp材料滿足大多數(shù)車輛應用的緊固速度和剝離強度要求。然而，由于與該方法相關的大量變形和crftp材料在室溫下的有限的可成形性，自攻鉚接可導致部件開裂。部件開裂可降低鉚接接頭的強度，這可降低部件質量。

根據(jù)本公開的自攻鉚接方法通過使用鉚釘和模具解決這些問題，這些鉚釘和模具設計成使得鉚釘?shù)奈膊吭谖膊繌较蛳蛲夂拖蛏蠌澢按倘氲讓?。此外，鉚釘和模具設計成使得鉚釘?shù)奈膊坎粌H徑向向外彎曲，而且還朝向工件向上彎曲以形成底切。進而，在鉚釘和工件之間形成機械互鎖，這使得部件開裂最小化并且降低了接頭強度對部件開裂的敏感性。

存在與鉚釘和模具的設計有關的幾個參數(shù)，這些參數(shù)影響鉚釘?shù)奈膊渴欠翊倘氲讓樱约拔膊吭诖檀┕ぜ笫欠癯蚬ぜ蛏蠌澢?。此外，工件的?guī)格(或厚度)以及工件彼此堆疊的順序影響連接操作期間鉚釘?shù)男袨椤Ｒ虼?，需要徹底的試錯法測試來找到最佳的工藝參數(shù)，例如鉚釘和模具設計，其產(chǎn)生最大的接頭強度。

在一個實例中，鉚釘和模具的設計可以被優(yōu)化以在鉚釘用于連接3毫米(mm)的crftp材料層時產(chǎn)生最大接頭強度，所述3毫米(mm)的crftp材料層被堆疊在2mm的crftp材料層上。然而，如果將2mm層堆疊在3mm層的頂部上，則鉚釘和模具必須重新設計以產(chǎn)生最大接頭強度。因此，每當各層的堆疊順序改變時，鉚釘和模具必須重新設計。

根據(jù)本公開的自攻鉚接方法通過在兩個材料層之間施加粘合劑并且在將鉚釘插入兩層之前允許粘合劑完全固化或至少部分固化來解決這些問題。通過在兩層之間施加粘合劑并允許粘合劑固化，鉚釘基本上插入到具有兩層的單個工件中，而不是插入到兩個單獨的工件中。結果，鉚釘和模具的設計可以被優(yōu)化以產(chǎn)生最大的接頭強度，而不考慮各層彼此堆疊的順序。因此，根據(jù)本公開使用粘合劑的自攻鉚接方法可以用于減少鉚釘和模具設計的數(shù)量。

如上所述，在常規(guī)的自攻鉚接方法中，當鉚釘向下插入兩個crftp材料層中時，尾部刺穿頂層，且然后使底層變形而不刺入底層。因此，如果在頂層和底層之間施加粘合劑，并且在鉚釘被向下插入層中之前允許粘合劑固化，則插入鉚釘可導致部件開裂，這可導致粘合劑周圍的部件脫層。因此，常規(guī)的自攻鉚接方法不涉及在將鉚釘插入固化層之前在兩個crftp材料層之間施加粘合劑。

相反，如上所述，在根據(jù)本公開的自攻鉚接方法中，當鉚釘向下插入兩個crftp材料層中時，尾部刺入底層。此外，尾部徑向向外和向上彎曲以在鉚釘和工件之間形成機械互鎖。因此，粘合劑可以施加在兩層之間并且在將鉚釘插入兩層之前允許固化，因為機械互鎖使得當在各層之間施加粘合劑時可發(fā)生的部件開裂和脫層最小化。因此，粘合劑可用于減少車輛應用所需的鉚釘和模具設計的數(shù)量，而不降低鉚接接頭的剝離強度。

現(xiàn)在參考圖1a、1b和1c，圖解說明了用于連接沒有粘合劑的多個材料層的示例性自攻鉚接方法。在該方法中，第一材料層10和第二材料層12定位于設置在鉚釘插入工具16下方的模具14上。第一層10和第二層12可以是相對平坦的片材，并且模具14可以是具有中空內(nèi)部或空腔18的圓柱形。鉚釘插入工具16包括具有中空內(nèi)部22的管20和可在管20的中空內(nèi)部22內(nèi)移動的活塞24。活塞24保持具有頭部28和無頭端部或尾部30的自攻鉚釘26。尾部30經(jīng)構造以刺穿材料。例如，尾部30具有鋒利的遠端31?；蛘撸膊?0的遠端31可以是鈍的。

一旦第一層10和第二層12定位在模具14上，鉚釘插入工具16沿向下方向17移動，直到鉚釘插入工具16的管20接觸第一層10，如圖1a所示。在該位置中，第一層10和第二層12夾緊在鉚釘插入工具16的管20和模具14之間。然后啟動鉚釘插入工具16的活塞24以使鉚釘26沿向下方向17朝向模具14的底表面32移動。

當活塞24沿向下方向17移動鉚釘26時，鉚釘26的尾部30刺入第一層10，如圖1b所示。當活塞24繼續(xù)沿向下方向17移動鉚釘26時，鉚釘26的尾部30刺入并使第二層12變形，如圖1c所示。當尾部30使第二層12變形時，形成在模具14的底表面32上的半球形突出部34使尾部30徑向向外彎曲并且沿向上方向35朝向第一層10彎曲?；钊?4可以沿向下方向17移動，直到活塞24移動至少預定距離和/或直到由活塞24施加在鉚釘26上的力大于或等于預定力為止。

當活塞24停止沿向下方向17移動時，鉚釘26的頭部28完全坐落在第一層10中，并且尾部30徑向向外和向上彎曲，以形成機械互鎖。結果，第一層10和第二層12被夾緊在鉚釘26的頭部28和鉚釘26的尾部30之間，使得第一層10和第二層12通過鉚釘26連接在一起。鉚釘插入工具16然后沿向上方向35移動，使鉚釘26留在第一層10和第二層12中的適當位置。向下方向17和向上方向35可以被稱為軸向方向，并且尾部30彎曲的徑向向外方向垂直于這些軸向方向。

尾部30可以僅部分地插入到第二層12中，或者尾部30可以完全插入穿過第二層12。此外，尾部30可以朝向第一層10向上彎曲不同程度。例如，尾部30可以僅稍微向上彎曲，如圖1c所示，或者尾部30可以向上彎曲更大的程度，使得尾部30的遠端指向第一層10。

可以優(yōu)化與鉚釘26和模具14的設計相關的幾個參數(shù)，以確保尾部30刺入第二層12，并且尾部30在刺入第一層10和第二層12之后朝向第一層10向上彎曲。這些設計參數(shù)可以包括鉚釘26的長度36、突出部34的高度38、突出部34的其他幾何形狀、模具14中的空腔18的深度40、空腔18的直徑42、空腔18的體積和/或兩個或更多個上述參數(shù)之間的關系。另外，這些設計參數(shù)中的一個或多個可以基于第一層10的第一厚度44、第二層12的第二厚度46、包括在第一層10和第二層12中的材料的類型和/或包括在第一層10和第二層12中的材料的強度來確定。

在一個實例中，鉚釘26的長度36可以比第一厚度44和第二厚度46的總和大至少40％。因此，如果第一厚度44和第二厚度46各自為2.5mm，則鉚釘26的長度36可以為至少7mm。在其他實例中，突出部34的高度38可以在從0mm到2mm的范圍內(nèi)，并且空腔18的深度40可以在從0.5mm到2mm的范圍內(nèi)。

在圖1a、1b和1c中，包圍突出部34的模具14的底表面32的部分是平坦的。然而，在各種實施方式中，模具14的底表面32可限定完全圍繞突出部34延伸的環(huán)形槽，并且具有u形橫截面。槽可接合第二層12和/或尾部30以在向上方向35上彎曲尾部30。

現(xiàn)在參考圖2a、2b和2c，圖解說明了用于連接具有粘合劑的多個材料層的示例性自攻鉚接方法。在該方法中，將粘合劑層48施加到第一層10和第二層12中的至少一個上，且然后將第一層10放置在第二層12上，使得粘合劑層48設置在第一層10和第二層12之間。在一個實例中，粘合劑是ma530。

粘合劑層48具有第三厚度50，其可以是第一層10和第二層12的第一厚度44和第二厚度46和/或第一層10和第二層12的材料強度的函數(shù)。在一個實例中，第三厚度50可以在第一厚度44和第二厚度46之和的3％和30％之間。因此，如果第一厚度44和第二厚度46各自為2.5mm，則第三厚度50可以在0.15mm和1.5mm之間。在另一個實例中，第三厚度50可以在第一厚度44和第二厚度46之和的5％和25％之間。因此，如果第一厚度44和第二厚度46各自為2.5mm，則第三厚度50可以在0.25mm和1.25mm之間。

在將粘合劑層48施加在第一層10和第二層12之間之后，允許粘合劑層48完全固化或至少部分固化。在一個實例中，允許粘合劑層48完全固化包括將粘合劑層48暴露于室溫達第一預定時間段(例如60分鐘至90分鐘)。在另一個實例中，允許粘合劑層48完全固化包括將粘合劑層48加熱至預定溫度(例如，約100攝氏度(℃))，保持第二預定時間段(例如10分鐘)。在另一個實例中，允許粘合劑層48至少部分固化包括將粘合劑層48暴露于室溫達第一預定時間段的至少第一預定百分比(例如10百分比(％)、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。在另一個實例中，允許粘合劑層48至少部分固化包括將粘合劑層48加熱至預定溫度，保持第二預定時間段的至少第二預定百分比(例如10百分比(％)、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。

一旦粘合劑層48完全固化或至少部分固化，則第一層10和第二層12以及粘合劑層48定位在模具14上，如圖2a所示。該方法的其余部分類似于參考圖1a、1b和1c描述的方法。然而，與圖1a、1b和1c的方法相比，鉚釘26插入粘合劑層48以及第一層10和第二層12。

一旦第一層10和第二層12定位在模具14上，鉚釘插入工具16沿向下方向17移動，直到鉚釘插入工具16的管20接觸第一層10，如圖2a所示。在該位置中，第一層10和第二層12夾緊在鉚釘插入工具16的管20和模具14之間。然后啟動鉚釘插入工具16的活塞24以使鉚釘26沿向下方向17朝向模具14的底表面32移動。

當活塞24沿向下方向17移動鉚釘26時，鉚釘26的尾部30刺入第一層10，如圖2b所示。當活塞24繼續(xù)沿向下方向17移動鉚釘26時，鉚釘26的尾部30刺入并使第二層12變形，如圖2c所示。當尾部30使第二層12變形時，模具14的底表面32上的突出部34使尾部30徑向向外彎曲并且沿向上方向35朝向第一層10彎曲。活塞24可以沿向下方向17移動，直到活塞24移動至少預定距離和/或直到由活塞24施加在鉚釘26上的力大于或等于預定力為止。

當活塞24停止沿向下方向17移動時，鉚釘26的頭部28完全坐落在第一層10中，并且尾部30徑向向外和向上彎曲，以形成機械互鎖。結果，第一層10和第二層12被夾緊在鉚釘26的頭部28和鉚釘26的尾部30之間，使得第一層10和第二層12通過鉚釘26連接在一起。鉚釘插入工具16然后沿向上方向35移動，使鉚釘26留在第一層10和第二層12及粘合劑層48中的適當位置。

尾部30可以僅部分地插入到第二層12中，或者尾部30可以完全插入穿過第二層12。此外，尾部30可以朝向第一層10向上彎曲不同程度。例如，尾部30可以僅稍微向上彎曲，如圖2c所示，或者尾部30可以向上彎曲更大的程度，使得尾部30的遠端指向第一層10。

可以優(yōu)化與鉚釘26和模具14的設計相關的幾個參數(shù)，以確保尾部30刺入第二層12，并且尾部30在刺入第一層10和第二層12之后朝向第一層10向上彎曲。這些設計參數(shù)可以包括鉚釘26的長度36、突出部34的高度38、突出部34的其他幾何形狀、模具14中的空腔18的深度40、空腔18的直徑42、空腔18的體積和/或兩個或更多個上述參數(shù)之間的關系。另外，這些設計參數(shù)中的一個或多個可以基于第一層10的第一厚度44、第二層12的第二厚度46、包括在第一層10和第二層12中的材料的類型和/或包括在第一層10和第二層12中的材料的強度來確定。

在一個實例中，鉚釘26的長度36可以比第一厚度44和第二厚度46的總和大至少40％。因此，如果第一厚度44和第二厚度46各自為2.5mm，則鉚釘26的長度36可以為至少7mm。在其他實例中，突出部34的高度38可以在從0mm到2mm的范圍內(nèi)，并且空腔18的深度40可以在從0.5mm到2mm的范圍內(nèi)。

上述自攻鉚接方法可以用于連接多個crftp材料層、連接多個另一種類型的材料層，或者連接多個不同材料層。在一個實例中，第一層10和第二層12中的每一個包括聚合物復合材料例如crftp或由其組成。在另一個實例中，第一層10和第二層12中的一個包括聚合物復合材料(例如crftp)或由其組成，且第一和第二層中的另一個包括諸如不銹鋼的金屬。在又一個實例中，第一層10和第二層12中的每一個包括諸如不銹鋼的金屬或由其組成。

沒有粘合劑的鉚接接頭52的實例在圖3中示出，并且具有粘合劑的鉚接接頭54的實例在圖4中示出。鉚接接頭52是使用參照圖1a、1b和1c描述的自攻鉚接方法形成。鉚接接頭54是使用參照圖2a、2b和2c描述的自攻鉚接方法形成。在鉚接接頭52和54兩者中，crftp材料的第一層56和第二層58通過由不銹鋼制成的自攻鉚釘60連接在一起。然而，僅鉚接接頭54包括施加在第一層56和第二層58之間的粘合劑層62，并且允許在鉚釘60插入層56和58之前固化。鉚接接頭52和54的測試顯示，鉚接接頭52的剝離強度實際上小于鉚接接頭54的剝離強度。因此，在第一層56和第二層58之間施加粘合劑不僅減少了車輛應用所需的鉚釘和模具設計的數(shù)量，而且還增加了鉚接接頭的剝離強度。

圖5示出了具有粘合劑的鉚接接頭64，它是使用類似于參照圖2a、2b和2c描述的自攻鉚接方法的方法形成。然而，并非在第一層56和第二層58之間施加粘合劑層62且在將鉚釘60插入層56和58之前使粘合劑固化，而是在粘合劑固化之前，將鉚釘60插入層56和58中。該鉚接接頭的測試顯示其剝離強度小于鉚接接頭54的剝離強度。剝離強度的這種差異的原因是當鉚釘60插入到層56和58中時，粘合劑從圖5的未固化接頭擠出。因此，在層56和58之間僅留下少量的粘合劑以將層56和58保持在一起。因此，在將鉚釘60插入層62和64之前，允許粘合劑完全固化或至少部分固化，提高了鉚接接頭的剝離強度。

另外，類似于沒有粘合劑的鉚接接頭52，當鉚釘60插入層56和58中時，鉚接接頭64中的層56和58的堆疊順序影響鉚釘60的行為。因此，類似于鉚接接頭52，可需要徹底的試錯法測試來為鉚接接頭64找到最佳的工藝參數(shù)，例如鉚釘和模具設計，其產(chǎn)生最大的接頭強度。因此，在將鉚釘60插入層56和58之前，允許粘合劑完全固化或至少部分固化，避免了這種額外的工作和相關成本。

現(xiàn)在參考圖6，用于連接第一材料層和第二材料層的示例性方法70在72處開始。在74處，將粘合劑層48施加在第一層10和第二層12之間。在76處，允許粘合劑層48完全固化或至少部分固化。在一個實例中，允許粘合劑層48完全固化包括將粘合劑層48暴露于室溫達第一預定時間段(例如60分鐘至90分鐘)。在另一個實例中，允許粘合劑層48完全固化包括將粘合劑層48加熱至預定溫度(例如，約100℃)，保持第二預定時間段(例如10分鐘)。在另一個實例中，允許粘合劑層48至少部分固化包括將粘合劑層48暴露于室溫達第一預定時間段的至少第一預定百分比(例如10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。在另一個實例中，允許粘合劑層48至少部分固化包括將粘合劑層48加熱至預定溫度，保持第二預定時間段的至少第二預定百分比(例如10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％)。

在78處，方法70確定粘合劑層48是否完全固化或至少部分固化。在一個實例中，當粘合劑層48已經(jīng)被加熱到預定溫度，保持第二預定時間段時，方法70可以確定粘合劑層48完全固化。如果粘合劑層48完全固化或至少部分固化，則方法70在80處繼續(xù)。否則，方法70返回76。

在80處，第一層10和第二層12定位于模具14上。在82處，鉚釘26插入穿過第一層10并且至少部分地插入到第二層12中。在84處，鉚釘26的無頭端或尾部30徑向向外且軸向向上朝向第一層10彎曲。方法70在86處結束。

上述描述本質上僅是說明性的，并且決不意圖限制本公開、其應用或使用。本公開的廣泛教導可以通過各種形式來實現(xiàn)。因此，雖然本公開包括了特定實例，但是本公開的真實范圍不應該局限于此，因為在研讀了附圖、說明書和以下權利要求后，其他修改將變得顯而易見。應當理解，在不改變本公開的原理的情況下，方法中的一個或多個步驟可以以不同的順序(或同時地)執(zhí)行。此外，雖然每個實施例在上面被描述為具有某些特征，但是關于本公開的任何實施例描述的那些特征中的任何一個或多個可以在任何其它實施例的特征中實現(xiàn)和/或與其組合，即使該組合沒有明確描述。換句話說，所描述的實施例不是相互排斥的，并且一個或多個實施例彼此的置換保持在本公開的范圍內(nèi)。

使用包括“連接”、“接合”、“聯(lián)接”、“鄰近”、“臨近”、“在...頂部”，“在...之上”，“在......之下”和“設置”的各種術語來描述元件之間(例如在模塊、電路元件、半導體層等之間)的空間和功能關系。當在上述公開中描述了第一和第二元件之間的關系時，除非明確地描述為“直接的”，否則該關系可以是直接關系，其中在第一和第二元件之間不存在其它中間元件，但是也可以是間接關系，其中在第一和第二元件之間存在一個或多個中間元件(空間上或功能上)。如本文所使用的，短語a、b和c中的至少一個應當被解釋為意味著使用非排他性邏輯“或”的邏輯(a或b或c)，并且不應被解釋為表示“a的至少一個、b的至少一個和c的至少一個”。

除非使用短語“用于...的裝置”或在使用短語“用于...的操作”或“用于...的步驟”的方法權利要求的情況下明確地陳述元件，否則在權利要求中所述的元件都不旨在是35u.s.c.§112(f)的含義內(nèi)的裝置加功能元件。