專利名稱：可斷裂的固定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將構(gòu)件固定到金屬結(jié)構(gòu)件的固定系統(tǒng)，具體地，涉及將構(gòu)件固定到金屬板的固定系統(tǒng)。通過短時(shí)電弧焊接，包括環(huán)狀焊接表面的金屬柱栓固定到結(jié)構(gòu)件上，可斷裂的鎖緊螺帽螺紋連接到柱栓，將構(gòu)件固定到結(jié)構(gòu)件上。
背景技術(shù)：
金屬焊接柱栓通常是實(shí)心的不可壓縮體，其可通過標(biāo)準(zhǔn)的固定件沖壓方法，如棒材冷鐓，而形成。這種焊接柱栓通過使用已知的焊接裝置焊接到部件表面，焊接裝置通過向焊接柱栓提供能量以熔化圓形的焊接消耗材料件和部件基體材料部分。由于液態(tài)金屬的混合和冷卻，焊接柱栓固定到基體材料上。焊接裝置，尤其是焊槍，利用夾鉗夾持焊接柱栓，使其位于柱栓肩部和待焊接的端面之間區(qū)域。就在進(jìn)行接之前，一次將一個(gè)焊接柱栓放入焊槍口。這些柱栓的尺寸、重量和配置阻止了其在送風(fēng)供給焊槍(blow fed weld gun)的使用。
運(yùn)輸工業(yè)不斷增長(zhǎng)的燃料經(jīng)濟(jì)性要求導(dǎo)致了采用厚度越來(lái)越薄的材料。具體地，具有聚合物芯部的金屬?gòu)?fù)合材料，尤其是鋁復(fù)合材料，已經(jīng)有效地用于各種結(jié)構(gòu)的表面或外殼材料。通常通過將層壓材料側(cè)面固定到支承結(jié)構(gòu)，這些特別薄的金屬層壓材料連接或固定到支承結(jié)構(gòu)。為此，已經(jīng)知道將普通的焊接柱栓固定到層壓結(jié)構(gòu)，以得到柱栓與結(jié)構(gòu)的連接。
傳統(tǒng)上，焊接柱栓至少要燒穿薄層壓材料的第一層。焊接導(dǎo)致了應(yīng)力提高，應(yīng)力提高極大地削弱了焊接柱栓和層壓材料結(jié)合面的強(qiáng)度。焊接柱栓的重復(fù)荷載會(huì)導(dǎo)致結(jié)合面的塑性變形，以及柱栓與層壓材料結(jié)合面的過早失效。
已知的柱栓具有頭部和連接頭部的柄部。柱栓的頭部焊接到車身的金屬板上。焊接操作可根據(jù)已知的拉弧焊接方法進(jìn)行。在此方法中，柱栓先接觸金屬板，然后接通焊接電流，將柱栓從金屬板拉回，在柱栓和金屬板之間形成電弧。當(dāng)電弧燃燒時(shí)，柱栓頭部一部分和金屬板一部分熔化。當(dāng)產(chǎn)生足夠數(shù)量的熔化金屬時(shí)，將柱栓壓入熔池。這樣的焊接操作受到多個(gè)參數(shù)的影響。當(dāng)采用拉弧焊接方法焊接柱栓時(shí)，各個(gè)參數(shù)對(duì)誤差敏感性有不同的影響。
為了引弧，柱栓的頭部幾何形狀必須相應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文中，柱栓的頭部帶有帶錐形尖，這在本領(lǐng)域是公知的。還已知道柱栓可具有大致平面的頭部/前端，在前端中心形成引弧尖端?，F(xiàn)有技術(shù)還知道具有平面前端的柱栓。采用所謂的短時(shí)電弧焊將柱栓焊接到主體的金屬板上。短時(shí)電弧焊也稱作柱栓焊，其中金屬柱栓(螺紋柱栓)設(shè)置成接觸主體的金屬板。然后，接通控制電流，從主體的金屬板上再次輕微拉起金屬柱栓。同時(shí)形成電弧。然后接通焊接電流使金屬柱栓和主體金屬板的相對(duì)表面熔化。然后，將金屬柱栓下降到主體的金屬板上，使金屬結(jié)合。關(guān)斷焊接電流，整個(gè)熔合金屬進(jìn)行凝固。
然后，通常將鎖緊螺帽擰到柱栓上，從而柱栓從主體金屬板突出。螺帽用于將構(gòu)件固定到金屬板。通常，鎖緊螺帽由合成材料制成。柱栓可以帶有粗牙螺紋或細(xì)牙螺紋。螺帽設(shè)有相配合的螺紋。在粗螺紋的情況下，螺帽上可以只設(shè)置一個(gè)孔。然后，粗螺紋可在孔上切割出相應(yīng)的反向螺紋。
螺紋柱栓和主體金屬板的斷裂以不確定的方式發(fā)生。難以確定失效的原因是什么。此外，對(duì)斷裂的車身金屬板進(jìn)行維修要比維修斷裂的柱栓需要大得多的花費(fèi)。在柱栓斷裂時(shí)，可以將新的柱栓焊接到同一位置，金屬板的強(qiáng)度可以不受影響。
針對(duì)背景技術(shù)提出的問題，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的通用型固定系統(tǒng)，具體地，在螺帽與焊接柱栓結(jié)構(gòu)的連接失效的情況下，固定系統(tǒng)幾乎不需要維修。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服所提到的固定系統(tǒng)的缺陷，結(jié)構(gòu)件和螺紋柱栓之間的焊接接頭的強(qiáng)度應(yīng)與柱栓的強(qiáng)度及螺帽的強(qiáng)度相互適應(yīng)。具體地，當(dāng)所施加的扭矩超過鎖緊螺帽擰到螺紋柱栓時(shí)可承受的規(guī)定扭矩，各強(qiáng)度應(yīng)相互適應(yīng)以便確保螺帽在柱栓斷裂之前斷裂，在螺帽沒有斷裂的情況下，柱栓應(yīng)先于結(jié)構(gòu)件斷裂。
這樣確保了無(wú)論何時(shí)，當(dāng)過高的扭矩施加到具有良好焊接接頭的柱栓時(shí)，在各種情況下，都是螺帽或柱栓而不是結(jié)構(gòu)件斷裂。這樣，由于不正確地調(diào)整扭矩扳手或扭力扳手或固定件的螺紋問題所引起的維修費(fèi)用得到降低。即使使用高強(qiáng)度的鎖緊螺帽，只要柱栓和結(jié)構(gòu)之間的焊接接頭良好，就可以避免大部分的結(jié)構(gòu)件損壞。
在這方面，“斷裂”是指構(gòu)件(鎖緊螺帽、柱栓、結(jié)構(gòu)件)的任何損壞，其中施加在各構(gòu)件上的扭矩不再傳遞到該固定鏈中下一個(gè)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件的斷裂通常表示出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，具體地，其脫離了焊接接頭的區(qū)域。這樣，本發(fā)明的目的完全實(shí)現(xiàn)。
本實(shí)施例具有的優(yōu)點(diǎn)是，要確保施加過高的扭矩時(shí)柱栓在結(jié)構(gòu)件斷裂之前斷裂，不必要強(qiáng)化結(jié)構(gòu)件(車身金屬板)。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，螺紋柱栓設(shè)有凸緣部分，該凸緣部分設(shè)置在焊接接頭附近，鎖緊螺帽是構(gòu)件對(duì)接凸緣，或鎖緊螺帽本身對(duì)接到凸緣。
根據(jù)另外的優(yōu)選實(shí)施例，柱栓是粗螺紋柱栓，當(dāng)與鎖緊螺帽螺紋連接時(shí)，該柱栓的外螺紋在鎖緊螺帽的孔上切出螺紋。根據(jù)可選的實(shí)施例，柱栓具有公制螺紋的細(xì)牙螺紋，鎖緊螺帽具有對(duì)應(yīng)的內(nèi)螺紋。
此外，柱栓的強(qiáng)度和鎖緊螺帽的強(qiáng)度最好相互適應(yīng)，當(dāng)所施加的扭矩超過鎖緊螺帽擰到柱栓應(yīng)承受的標(biāo)準(zhǔn)扭矩時(shí)，確保螺帽在柱栓斷裂之前斷裂。
大體上，鎖緊螺帽的預(yù)定斷裂扭矩小于柱栓的預(yù)定斷裂扭矩，柱栓的預(yù)定斷裂扭矩又小于結(jié)構(gòu)件的預(yù)定斷裂扭矩和/或結(jié)構(gòu)件與該柱栓之間焊縫的預(yù)定斷裂扭矩，這樣就可以獲得封閉的作用鏈。
根據(jù)又一實(shí)施例，提出了一種克服了現(xiàn)有技術(shù)缺陷的與拉弧焊接系統(tǒng)一起使用的焊接柱栓組件。該焊接柱栓組件包括具有環(huán)狀焊接區(qū)域的頭部。該環(huán)狀焊接區(qū)域的外徑與該頭部的外徑一致。該環(huán)狀焊接區(qū)域提供了與普通環(huán)狀焊接表面積大大致相等的焊接表面積，同時(shí)可改進(jìn)柱栓扭矩載荷在金屬板上的分布。
在不超出本發(fā)明的范圍的前提下，上述特征和下面將要說(shuō)明的特征不但可用于各示例中所提到的組合，也可以用于其它的組合或單獨(dú)使用。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種克服了現(xiàn)有技術(shù)缺陷的與拉弧焊接系統(tǒng)一起使用的焊接柱栓組件。該焊接柱栓組件包括具有環(huán)狀焊接區(qū)域的頭部。該環(huán)狀焊接區(qū)域的外徑與該頭部的外徑一致。該環(huán)狀焊接區(qū)域可提供與普通環(huán)狀焊接的表面積大致相等的焊接表面積，同時(shí)可改進(jìn)柱栓的扭矩載荷在金屬板上的分布。
在參考下面提供的詳細(xì)說(shuō)明之后，本發(fā)明的進(jìn)一步的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹敲黠@的。應(yīng)當(dāng)理解，詳細(xì)說(shuō)明和特定的實(shí)例盡管顯示了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，然而其只是為了說(shuō)明目的，而不會(huì)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。


通過下文的具體介紹并結(jié)合附圖，可以更全面地理解本發(fā)明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的拉弧焊接柱栓的側(cè)視圖；圖2是根據(jù)圖1的拉弧焊接柱栓的仰視圖；圖3是連接到層壓板上的圖1拉弧焊接柱栓的側(cè)視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的固定系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意性截面圖；圖5是固定系統(tǒng)的改進(jìn)實(shí)施例的詳細(xì)的部分視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的固定系統(tǒng)的另外實(shí)施例的部分示意圖；圖7是本發(fā)明的固定系統(tǒng)的相關(guān)扭矩變化的定性顯示圖表；圖8和圖9是根據(jù)本發(fā)明的易開裂的螺帽的截面圖；圖10和圖11是可選的鎖緊螺帽的側(cè)視圖；以及圖12是介紹本發(fā)明的焊接參數(shù)的圖表。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例所做的介紹本質(zhì)上是示例性的，決不意味著要限制本發(fā)明、其應(yīng)用或其使用。
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的拉弧焊接柱栓10。焊接柱栓10由三個(gè)主要部件組成柄部12、頭部14和環(huán)狀焊接部分16。根據(jù)非限制性的實(shí)例，柄部12可以是M6螺紋固定件。同樣地，柄部可以采用松樹形連接件，或其它尺寸的螺紋固定件。
頭部14使用冷鐓法形成。采用M6固定件的頭部14具有約13毫米的外徑和約2毫米的厚度。頭部還具有約13毫米外徑的平面下表面15。該固定件的強(qiáng)度是頭部的厚度的函數(shù)。這樣，隨著頭部厚度的增加，通常焊接柱栓10的強(qiáng)度會(huì)增加。增加固定件的強(qiáng)度經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致該固定件和層壓材料接觸面出現(xiàn)不希望的失效。這種失效會(huì)導(dǎo)致固定件從層壓材料拉出，在薄金屬板中留下開孔。
環(huán)狀焊接部分16具有外徑18，該外徑18與頭部14下表面15的外徑相等。對(duì)于M6的柱栓柄部，頭部14的外徑約為13毫米。焊接部分16的內(nèi)徑約為11毫米。最終的焊接面積約為150毫米2。每個(gè)頭部14的厚度為T。焊接部分16的厚度19少于T值的50％，優(yōu)選為T值的大約20％到35％。
在這方面，頭部14具有連接板厚度21，該連接板厚度21可以改變以調(diào)整固定件10的失效模式。根據(jù)非限制性的實(shí)例，具有3.0毫米連接板厚度21的柱栓10在大于1820磅時(shí)具有拉伸斷裂模式，以及在扭扭矩載荷為140英寸-磅時(shí)具有螺紋滑扣的扭轉(zhuǎn)失效模式。對(duì)于2.5毫米連接板厚度21的柱栓10，在載荷大于約1730磅時(shí)基材發(fā)生拉伸斷裂，在載荷大于約140英寸-磅時(shí)發(fā)生固定件螺紋滑扣的扭轉(zhuǎn)失效。對(duì)于2.0毫米連接板厚度21的柱栓10，載荷大于約1700磅時(shí)出現(xiàn)柱栓拉伸失效，螺紋滑扣的扭轉(zhuǎn)失效出現(xiàn)在載荷大于約135英寸-磅時(shí)。對(duì)于連接板厚度21為1.5毫米的柱栓10，在載荷大于1830磅時(shí)基材失效，扭轉(zhuǎn)載荷大于120英寸-磅時(shí)連接板失效。對(duì)于連接板厚度21為1.0毫米的柱栓10，拉力載荷大于1400磅時(shí)柱栓在連接板發(fā)生斷裂，以及扭轉(zhuǎn)載荷大于75英寸-磅時(shí)連接板發(fā)生斷裂。
如下所述，設(shè)計(jì)柱栓的失效模式使得柄部在低于連接板部分的扭曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力水平下失效。另外，通過修改連接板厚度21，使連接板部分21的失效模式是在低于柱栓與焊縫結(jié)合面的失效水平但高于柱栓柄部的失效水平。
通過提供外徑與頭部14外徑相等的環(huán)狀焊接部分16，基材金屬板的熱量可分布在較大的區(qū)域。對(duì)金屬板表面的損壞會(huì)降低，并且焊接柱栓10與表面結(jié)合面的強(qiáng)度會(huì)提高。例如，根據(jù)本發(fā)明，M6的焊接柱栓的結(jié)合面可以承受約400英寸-磅的扭轉(zhuǎn)載荷。
通過將柄部12的扭轉(zhuǎn)斷裂強(qiáng)度設(shè)置為約80英寸-磅，可使柄部在柱栓脫離并損壞金屬板層壓結(jié)構(gòu)前扭轉(zhuǎn)斷裂，這樣可保持基材的完整性。
正如圖3所示，當(dāng)柱栓10焊接到層壓板20時(shí)，焊接區(qū)域26將柱栓10連接到層壓板的上層23。在焊接過程中，上層23部分地連接到層壓板20的下層25。中間聚合物層27保持與上層23和下層25相連接。中間聚合物層27具有支承層壓結(jié)構(gòu)20的作用。另外，可以相信，中心連接柱栓下面的層壓板到環(huán)狀焊縫內(nèi)，有助于分散扭曲應(yīng)力，從而可增強(qiáng)環(huán)狀焊縫26的抗扭強(qiáng)度。這與傳統(tǒng)的燒透或剝離聚合物層27的柱栓不同。
為了例示本發(fā)明的應(yīng)用，圖3顯示了柱栓10和結(jié)構(gòu)板或?qū)訅航Y(jié)構(gòu)20之間的熔化連接。焊接前，柱栓10的設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)于圖1的柱栓，為避免重復(fù)，可參考圖1的介紹。
使用中，放置圖1的柱栓10與層壓結(jié)構(gòu)20相接觸，其中環(huán)狀焊接部分16的平面邊22與層壓結(jié)構(gòu)20相接觸。然后，施加焊接電流。施加焊接電流后，將柱栓10拉開以形成電弧。當(dāng)電弧燃燒時(shí)，柱栓10的平面邊22和結(jié)構(gòu)20的一部分會(huì)熔化。在規(guī)定時(shí)間之后，將柱栓10插入到熔化金屬中。在插入之前或者插入過程中焊接電流關(guān)斷。然后，使焊縫冷卻。如圖3所示，周邊22的一部分已經(jīng)熔化。部分熔化金屬進(jìn)入了環(huán)狀焊接區(qū)域所形成的腔體24內(nèi)。焊縫形狀大致為環(huán)狀。柱栓10和結(jié)構(gòu)20具有預(yù)設(shè)的公共焊接區(qū)域26。當(dāng)然，本發(fā)明的其它所示的實(shí)施例可以相似的方式操作。
本發(fā)明的固定系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例標(biāo)示為9。固定系統(tǒng)9用于固定構(gòu)件11，在構(gòu)件11具有部分的合成材料并橫穿有孔13的情況下，固定到結(jié)構(gòu)層20，在當(dāng)前的情況下結(jié)構(gòu)層20是車身金屬板20。
固定系統(tǒng)9包括螺紋柱栓10，通過柱栓焊接工藝焊接到車身的層壓或均勻金屬板20。此外，固定系統(tǒng)9包括由可斷裂材料制成的鎖定螺帽68，可以螺紋連接到柱栓10。
柱栓10包含頭部14。在目前的情況下，頭部14意味著相當(dāng)大直徑的部分，最好是柱栓10的柄部12直徑的兩倍。
在柱栓焊接過程中，柱栓10頭部14的下側(cè)焊接到金屬板20的上側(cè)。在圖4和圖5示意性地顯示了焊縫26。在頭部14的相反側(cè)設(shè)有柄部12，其上形成有粗螺紋。
在粗螺紋和頭部14之間的過渡區(qū)域，柱栓10設(shè)有削弱區(qū)域28，本示例中，該削弱區(qū)域28由可選擇的周邊槽30形成。削弱區(qū)域28代表柱栓的預(yù)定斷裂點(diǎn)，如下面將要詳細(xì)說(shuō)明的。
鎖緊螺帽68具有孔70，孔70的直徑適合柄部12的直徑。將粗螺紋設(shè)計(jì)成自攻螺紋，因此當(dāng)鎖緊螺帽68擰到柱栓10時(shí)，內(nèi)螺紋在孔70上攻出。可選擇，鎖緊螺帽68是金屬螺帽，該螺帽配置成在預(yù)定的扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)斷裂。該斷裂可發(fā)生在螺帽68的螺紋或者主體。
如圖4所示，構(gòu)件11的孔13套到柱栓10上。然后，擰上鎖緊螺帽68，使得構(gòu)件11固定在頭部14上側(cè)和鎖緊螺帽68下側(cè)之間。
在圖4中，示意性地顯示了施加到鎖緊螺帽68上的扭矩M在螺紋區(qū)域如何轉(zhuǎn)換成軸向力A以及切向力T，其中軸向力A在柱栓10上產(chǎn)生了拉力，切向力T再對(duì)柱栓10施行相應(yīng)的扭矩。圖5中顯示了固定系統(tǒng)9的改進(jìn)10’。在固定系統(tǒng)9中，柱栓10’設(shè)計(jì)具有頭部14’，其位于柄部12’和焊接部分26之間。
當(dāng)柱栓10’焊接到車身14的金屬板時(shí)，在平面邊22和金屬板20之間會(huì)產(chǎn)生焊縫26’。因此，在金屬板20上側(cè)和頭部14’下側(cè)之間保持有間隔36。
選定焊接部分26的直徑大于柄部12’的直徑。因此，大體上，焊縫26’可以獲得比焊接部分16直徑等于柄部12’給定直徑時(shí)更大的強(qiáng)度。
圖6顯示了固定系統(tǒng)9的另外的實(shí)施例。固定系統(tǒng)9用于將金屬管形式的構(gòu)件42固定到另一個(gè)結(jié)構(gòu)件44，例如車身的金屬板。固定系統(tǒng)9具有螺紋柱栓10，其通過柱栓焊接工藝焊接到車身金屬板44。此外，固定系統(tǒng)9包括鎖緊螺帽68，具有合成材料的夾持件形式。
柱栓10具有頭部14，其對(duì)應(yīng)于圖5的固定系統(tǒng)9的頭部14’。柱栓10和車身的金屬板20之間的焊縫如52所示。柱栓10的柄部12設(shè)有螺紋。如在58處所示意性顯示的，柱栓10的柄部12和頭部14之間的過渡區(qū)域被削弱。在固定系統(tǒng)9中，僅當(dāng)柄部12的直徑明顯小于頭部14的直徑時(shí)，該削弱可以實(shí)現(xiàn)，焊接部分位于頭部14的下面且未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，柄部12和頭部14之間的過渡部分設(shè)計(jì)成具銳利邊的角部。
在此，將合成材料夾持件擰到柱栓10上，直到夾持件68的下側(cè)觸到頭部14上側(cè)。將金屬管形式的構(gòu)件42專門地固定到合成材料夾持件68上。在所示的實(shí)施例中，凹部64設(shè)置用于容納金屬管42。此外，合成材料夾持件68具有柔性座鎖帶66，該鎖帶66設(shè)計(jì)用于封閉凹部64，因此可容納金屬管42并鎖定在夾持件68中。
可以理解，在圖4到6的所有三個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)實(shí)例的柱栓10和車身的金屬板20可以由鋼、鋼合金、鋁或鋁合金制成。也可以理解，鎖定螺帽68可以由合成材料以外的其它材料制成，只要其可滿足下面參考圖7說(shuō)明的強(qiáng)度要求。
構(gòu)件12可以選擇為金屬構(gòu)件。對(duì)應(yīng)地，構(gòu)件42可以是合成材料構(gòu)件。在所有三個(gè)實(shí)施例中，單獨(dú)構(gòu)件的強(qiáng)度是彼此適應(yīng)的，如圖6示意性地顯示。
圖7所示的扭矩M施加到鎖定螺帽68上以將構(gòu)件12固定到車身的金屬板上，M位于圖7中的橫坐標(biāo)。為了構(gòu)件12獲得適當(dāng)固定，需要以額定扭矩MN來(lái)擰螺帽68，如圖7所示，該扭矩MN定性為大于0。額定扭矩MN具有容許區(qū)域TN，通常通過扭矩扳手或扭力扳手的所施加的額定扭矩MN在該容許區(qū)域TN內(nèi)變化。
假定在施加額定扭矩MN時(shí)零件以及焊縫28都未失效，構(gòu)件14獲得適當(dāng)固定。在圖7中額外顯示了鎖緊螺帽68的預(yù)定斷裂扭矩MM。預(yù)定斷裂扭矩MM定性為大于額定扭矩MN。預(yù)定斷裂扭矩MM具有容許區(qū)域TM，在容許區(qū)域TM內(nèi)鎖緊螺帽68會(huì)斷裂或其螺紋會(huì)破壞。同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意，容許區(qū)域TM和TN沒有交叉，但是直接毗鄰。
圖7另外顯示了柱栓10的預(yù)定斷裂扭矩MG。預(yù)定斷裂扭矩MG定性為大于鎖緊螺帽68的預(yù)定斷裂扭矩MM。預(yù)定斷裂扭矩MG具有與鎖緊螺帽68的容許區(qū)域TM不相交但相鄰的容許區(qū)域。
最后，圖7中的MS顯示焊縫26的預(yù)定斷裂扭矩。該預(yù)定斷裂扭矩MS顯著大于柱栓10的預(yù)定斷裂扭矩MG。焊縫26的預(yù)定斷裂扭矩MG同樣具有容許區(qū)域TS。
焊縫26的預(yù)定斷裂扭矩MS的容許區(qū)域TS與容許區(qū)域TG不相交叉，而是遠(yuǎn)離容許區(qū)域TG相當(dāng)大的距離。因此，可確保柱栓10所能承受的最大預(yù)定斷裂扭矩MG(容許區(qū)域TG的上限)顯著小于焊縫26可能斷裂的最小預(yù)定斷裂扭矩MS。
為簡(jiǎn)單起見，圖7只提到焊縫26一個(gè)斷裂。然而，可以理解，這也意味著焊縫的斷裂和/或車身金屬板的斷裂。額定扭矩和預(yù)定斷裂扭矩的這種“封閉過程和固定鏈”確保了，在各種操作條件下，替換導(dǎo)致最低費(fèi)用的構(gòu)件是經(jīng)常斷裂的構(gòu)件。
類似地，可以調(diào)整連接板厚度21使其具有連接板厚度21斷裂扭矩，其位于柱栓柄部的斷裂扭矩Mg和焊縫22的斷裂扭矩MS之間。發(fā)生失效，環(huán)狀焊縫結(jié)構(gòu)可留下斷裂的環(huán)狀頭部，其通過焊接區(qū)域連接到金屬板結(jié)構(gòu)。
當(dāng)將鎖緊螺帽68擰到構(gòu)件12上時(shí)，如果無(wú)意中施加了過高的扭矩M(大于容許區(qū)域TN的上限)，由于螺帽的預(yù)定斷裂扭矩MM顯著小于柱栓10的預(yù)定斷裂扭矩MG，并且實(shí)際上容許區(qū)域TM和TG沒有交叉，所以在各種情況下，都出現(xiàn)螺帽斷裂或螺帽螺紋撕裂。
如圖4所示，如果無(wú)意中選擇了不正確的鎖緊螺帽68(具有過高強(qiáng)度的鎖緊螺帽)，在各種情況下，容許區(qū)域TG和TM之間顯著分開的距離可確保柱栓10優(yōu)先斷裂(通常在預(yù)定斷裂點(diǎn)30或螺紋破壞)，因此不會(huì)對(duì)焊縫26或車身的金屬板20造成損壞。
對(duì)所有固定系統(tǒng)9可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤源，這樣可確保焊縫26和車身的金屬板20不會(huì)無(wú)意損壞。
出于柱栓10的質(zhì)量控制，通常在擰緊鎖緊螺帽68之前，會(huì)向柱栓施加與特定鎖緊螺帽68的預(yù)定斷裂扭矩MM相等的測(cè)試扭矩。玻璃纖維強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)螺帽常常用于這種目的。如果在該測(cè)試中無(wú)意中施加了過高的扭矩，在各種情況下，容許區(qū)域TG和TS之間的距離可確保柱栓10斷裂，而焊縫26和車身的金屬板20不會(huì)損壞。
上述的各種扭矩和閉合作用鏈可對(duì)應(yīng)地應(yīng)用在圖5和圖6的實(shí)施例中。在圖6的實(shí)施例的情況下，合成材料夾持件68代表鎖緊螺帽。
可以理解，柱栓10和鎖緊螺帽68之間的螺紋配合應(yīng)當(dāng)選定以便在鎖緊螺帽68的螺紋損壞的情況下，仍然能夠旋開，以防止在旋開時(shí)不必要的高扭矩再施加到柱栓10、46上。因?yàn)槭情]合作用鏈，鎖緊螺帽68、18(通常由合成材料制成)就是“最弱鏈環(huán)”。次弱鏈環(huán)是固定柱栓10。焊縫26或52具有最大的強(qiáng)度。
將柱栓10一個(gè)位置削弱特別有利，該削弱設(shè)計(jì)成使得柱栓10可在結(jié)構(gòu)件和柱栓的焊縫區(qū)域斷裂之前在削弱位置斷裂。
可以許多方式來(lái)影響局部削弱，例如，材料選擇，柱栓結(jié)構(gòu)等。在柱栓10的螺紋不能使用的情況下，即，不能夠傳送扭矩時(shí)，也應(yīng)當(dāng)理解為斷裂?；蛘?，斷裂可以理解為，柱栓10整體上相對(duì)其底部折斷，基本上沒有在結(jié)構(gòu)上損壞焊縫。當(dāng)柱栓10具有削弱凹部，尤其是周邊凹槽時(shí)，特別有利。
根據(jù)本發(fā)明，該削弱的凹部，通過根據(jù)本發(fā)明的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)形式，可確保當(dāng)施加過大的扭矩時(shí)柱栓10先于結(jié)構(gòu)件斷裂。削弱的凹部可以通過如機(jī)械加工形成。
圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的螺帽68，用于限制作用的扭矩，其具有螺紋部分82和從側(cè)面看為漏斗形的管狀部分84。設(shè)計(jì)作為間隙或頸縮部分的預(yù)定斷裂點(diǎn)86位于螺紋部分82和管狀部分84之間。換句話，預(yù)定斷裂點(diǎn)86的外徑小于螺紋部分82的外徑或外部尺寸，也小于管狀部分84的外徑或外部尺寸。后者可以設(shè)計(jì)成例如漏斗形，可從螺紋部分82的內(nèi)螺紋88的外徑或公稱直徑開始，在遠(yuǎn)離后者的方向上變寬。
圖10所示的圓柱形設(shè)計(jì)可以代替圖9所示的管狀部分84的漏斗形設(shè)計(jì)。該圓柱形設(shè)計(jì)的管狀部分85優(yōu)選的直徑大于螺紋部分82的內(nèi)螺紋88的外徑或公稱直徑。
所介紹的兩個(gè)實(shí)施例(漏斗形或圓柱形)可方便地幫助減少開始部分所述的問題，在內(nèi)螺紋88的上部，也許在突出到管狀部分84的柱栓10(未顯示)，存在較強(qiáng)摩擦的情況下，預(yù)定斷裂點(diǎn)86根本不會(huì)開始承載，因?yàn)榱Φ囊雰H僅通過該節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生，而是還要通過柱栓10端部，如圖9和圖10所示，至少管狀部分84具有用于工具的第二肩部結(jié)構(gòu)90，在最簡(jiǎn)單的情況下，工具可為開口扳手或類似的外部工具。用于內(nèi)部工具的第三肩部結(jié)構(gòu)92優(yōu)選設(shè)計(jì)成管狀部分84，例如，其可為四邊形或六邊形等。具體地，為了拆卸組裝好的螺帽94，在螺紋部分82區(qū)域具有用于另外工具的第一肩部結(jié)構(gòu)89，工具同樣最好是外部工具。
圖11顯示了圖9或圖10所示的鎖緊螺帽68的俯視圖，螺帽具有類似尺寸的第一肩部89和第二肩部90?？蛇x擇提供的凸緣有利地改進(jìn)了結(jié)構(gòu)件(未示出)在螺帽94區(qū)域內(nèi)的配合或緊密度。此外，該鎖緊螺帽68可防止與其結(jié)合的柱栓10從金屬板上撕開。
如圖6所示，根據(jù)本發(fā)明，鎖緊螺帽68優(yōu)選具有不同尺寸的第一肩部結(jié)構(gòu)89和第二肩部結(jié)構(gòu)90。因此，例如第一肩部結(jié)構(gòu)89可以具有大于第二肩部結(jié)構(gòu)90的尺寸，特別是對(duì)于，如圖所示，不可比較的多邊形。
根據(jù)本發(fā)明的螺帽84優(yōu)選采用合成材料，尤其是聚酰胺之類的聚合物。這樣的優(yōu)點(diǎn)是，特別在預(yù)定斷裂點(diǎn)86的區(qū)域可以由不同于螺紋部分82和/或管狀部分84的材料尤其是較軟的材料構(gòu)成，即，額定扭矩限制不僅可以經(jīng)由預(yù)定斷裂點(diǎn)86的幾何形狀獲得，而且還可以或者專門地經(jīng)由選擇性地處理過的適當(dāng)質(zhì)量的材料獲得。
圖12顯示介紹本發(fā)明的焊接參數(shù)的圖表。所示圖表顯示了具有三個(gè)特定區(qū)域的焊弧電流相對(duì)焊弧時(shí)間，其中焊弧電流單位為安培。將可接受的焊接區(qū)域定義為當(dāng)柱栓處于載荷狀況下時(shí)，大于90％的柱栓失效是柱栓斷裂而不是焊接區(qū)域16開裂。第一區(qū)域80的焊接對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的柱栓和根據(jù)本發(fā)明(標(biāo)示為U)的柱栓10都是不可接受的。所示的虛線包圍的區(qū)域81代表了對(duì)于根據(jù)本發(fā)明(標(biāo)示為A)的柱栓10來(lái)說(shuō)可以接受的焊接。所示的實(shí)線包圍的第三區(qū)域83代表了對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的柱栓和本發(fā)明的柱栓10都可以接受的焊接區(qū)域。
從表中可以看到，本發(fā)明的柱栓10顯示了焊接工藝的重大改進(jìn)。通過使可接受的焊接參數(shù)的范圍增加，可以顯著地改進(jìn)自動(dòng)焊接工藝并減少費(fèi)用。該表顯示出了當(dāng)柱栓固定到薄金屬板時(shí)，柱栓10可接受的焊接可以采用大于50毫秒的焊弧時(shí)間和少于150安培的焊弧電流。該表的數(shù)據(jù)采用了等于或少于0.90毫米厚度的金屬層壓板。
對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明本質(zhì)上只是示例性的，因此，在不脫離本發(fā)明的要旨的前提下的變化應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種變化不應(yīng)認(rèn)為是偏離了本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種可焊接的固定件包括具有第一厚度的頭部；具有第二厚度的環(huán)狀焊接區(qū)域，所述第二厚度小于第一厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可焊接的固定件，其特征在于，所述頭部包含具有第一外徑的外壁，所述環(huán)狀焊接區(qū)域具有與第一外徑相等的第二外徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可焊接的固定件，其特征在于，所述固定件還包括螺紋柄部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可焊接的固定件，其特征在于，所述柄部包括位于所述頭部附近的削弱部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可焊接的固定件，其特征在于，所述第二厚度是第一厚度的大約20％到大約35％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可焊接的固定件，其特征在于，所述第一厚度大于1.5毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可焊接的固定件，其特征在于，所述第一厚度大于2.0毫米。
8.一種建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，包括具有頭部和環(huán)狀焊接區(qū)域的固定件，所述頭部具有第一厚度，所述環(huán)狀焊接區(qū)域具有小于第一厚度的第二厚度；位于可焊接的固定件和所述結(jié)構(gòu)之間的環(huán)狀焊縫，將所述可焊接的固定件連接到所述結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，還包括連接到所述頭部的螺紋柄部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，所述頭部包括連接板部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，所述柱栓設(shè)置成，可使所述柄部具有第一失效載荷，連接板具有大于第一失效載荷的第二失效載荷。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，所述環(huán)狀焊接具有大于第一失效載荷的第三失效載荷。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，所述柱栓還包括螺帽，其設(shè)置成在第四失效載荷下斷裂，所述第四失效載荷小于第三失效載荷。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)是金屬層壓件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，所述金屬層壓件包括聚合物層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，所述金屬層壓件包括第一金屬層和第二金屬層，所述聚合物層位于第一金屬層和第二金屬層之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，所述焊接區(qū)域部分位于第一金屬層和第二金屬層之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述建筑結(jié)構(gòu)上的柱栓，其特征在于，環(huán)狀焊接區(qū)域內(nèi)的聚合物層與第一金屬層和第二金屬層相連接。
19.一種將螺紋柄部連接到結(jié)構(gòu)的方法，包括提供連接到所述螺紋柄部的頭部，所述頭部具有第一厚度；和環(huán)狀焊接部分，所述環(huán)狀焊接區(qū)域具有小于第一厚度的第二厚度；定位所述環(huán)狀焊接部分，使其接觸所述結(jié)構(gòu)；向所述環(huán)狀焊接部分施加電流；從所述結(jié)構(gòu)拉回所述環(huán)狀焊接部分，形成電弧從而熔化金屬；以及將所述頭部插入所述熔化金屬，形成柱栓與結(jié)構(gòu)的結(jié)合面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，提供頭部是提供環(huán)狀焊接部分，其厚度為第一厚度的大約20％到大約35％。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，向所述焊接部分施加的電流是小于950安培的電流。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，拉回所述頭部的時(shí)間大于50毫秒。
全文摘要
提供了一種固定系統(tǒng)，該固定系統(tǒng)具有包括環(huán)狀焊接部分(26)的焊接柱栓(10)以及可斷裂的螺帽。該可斷裂的螺帽和柱栓結(jié)構(gòu)配置成可在扭轉(zhuǎn)載荷的作用下先于結(jié)構(gòu)部件失效而失效。
文檔編號(hào)F16B37/06GK1703585SQ03825513
公開日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2003年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月7日
發(fā)明者S·拉馬薩米, M·德拉考特, E·D·墨菲 申請(qǐng)人:紐飛利有限公司