[发明专利]焊接复合材料的方法及其制品

说明书

要求申请日期的权益

本申请要求享有美国专利申请第61/290,384号（于2009年12月28日申请）、第61/371,360号（于2010年8月6日申请）、第61/377,599号（于2010年8月27日申请）及第61/387,164号（于2010年9月28日申请）的申请日期的权益，以上专利的内容通过引用整体结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及通常用于将复合材料焊接到金属材料、或复合材料焊接到复合材料或以上两者的焊接方法，还涉及将复合材料焊接到包括焊接复合材料的制品的焊接方法，更具体地说，涉及其中所述复合材料包括聚合物层的焊接方法及制品。

背景技术

人们对减轻交通中使用的车辆及制品的重量兴趣浓厚。因此，人们不断寻找新的重量轻的材料，如包含一金属层和一聚合物层的复合材料。理想地，此类材料可以提供一种或多种好处，如重量减轻、强度重量比提高、成本降低等。

对许多应用来说，人们还希望此类复合材料可以焊接（即能够采用电阻焊来焊接）。人们普遍认识到，包括绝缘聚合物层的夹芯复合材料很难焊接，使其不适合这些应用。人们对于改善复合材料的焊接性进行了种种尝试，包括在聚合物层加入粉末形式的导电填料，从而提高聚合物层的导电性。为了补偿聚合物较差的导电性，认为必须加入含量相对较高的导电粉末。遗憾的是，加入导电粉末后，复合材料的机械性能和可拉性通常较差。

此外，此类材料通常需要采用特殊设备来加工（如，成型、焊接、冲压、拉伸等）。此外，人们希望得到一种焊接性得到改进的材料，例如，其特征在于通常较高的焊接电流范围，与范围广泛的各种基材焊接（优选采用某些或所有相同的焊接参数）的能力，或以上两种特征兼具。

人们继续需要一种克服上述一种或多种或甚至全部缺点的材料。例如，人们继续需要一种重量轻、刚性重量比提高、成本降低、焊接性能改进、机械性能良好、可拉性良好、能够采用现有的基础设施进行加工或具有以上任何特点组合的复合材料。

为了焊接某些结构，例如复合材料的较厚部分、要求间隔较密的焊接的制品等，复合材料的焊接可能还存在其它困难。因此，还需要一种焊接复合材料较厚部分的新型焊接方法。

附图说明

图1是根据本申请的教诲采用的示例性复合材料的横截面图；

图2A是芯层采用的示例性金属纤维的显微照片；

图2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、21和2J具有至少一个直边的示例性纤维的横截面图（与纤维长度方向垂直的方向）；

图3是包含金属纤维和聚合物的示例性芯层的显微照片；

图4是包含两个金属层、金属纤维和一聚合物的示例性重量轻的复合材料的显微照片；

图5是显示重量轻的复合材料焊接到合金化镀锌金属的焊点尺寸（单位：mm）和焊接电流（单位：kA）的关系图，焊接电流范围大约是2.0kA或更高；

图6是显示重量轻的复合材料焊接到未涂覆深冲优质钢的焊点尺寸（单位：mm）和焊接电流（单位：kA）的关系图，焊接电流范围大约是2.0kA或更高；

图7是显示重量轻的复合材料焊接到合金化镀锌金属的焊点尺寸（单位：mm）和焊接电流（单位：kA）的关系图，焊接电流范围大约是1.5kA或更高（例如大约1.7kA）；

图8是显示重量轻的复合材料焊接到热浸镀锌涂层金属的焊点尺寸（单位：mm）和焊接电流（单位：kA）的关系图，焊接电流范围大约是1.5kA或更高；

图9A和图9B是焊接工艺中不同时间焊接过程的示例性焊接组套（weld stack）的横截面图的一部分；

图10是电阻焊的示例性装置。

发明内容

意外的是，尽管复合材料中的聚合物的导电性通常较低，但是，本发明利用一个包括将基材材料与复合材料相接触的步骤，在焊点尺寸、焊接的较大工艺窗口方面或者在这两方面均得到了非常好的结果，其中所述复合材料包括一对被隔开的钢板及处于钢板之间的芯层；芯层的体积是复合材料总体积的大约25体积%（vol%）或更高；芯层包括布置在一束或多束纤维中的多根金属纤维（如钢纤维），所述纤维沿芯层厚度方向延伸，从而使所述芯层与钢板电接触；所述金属纤维与垂直于纤维长度方向的截面面积是大约1×10^-5mm²至大约2.5×10^-2mm²。