減少接合復合工件中腐蝕的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及材料相似或不同的接合工件。進一步來說，本發明涉及減少通過機械緊固件而形成在工件間的電化學路徑導致的電化學腐蝕。
【背景技術】
[0002]在很多行業廣泛使用鉚釘作為機械緊固件來連接組件(例如，片材)。近年來，基于聚合物的復合材料已被廣泛地使用在目的諸如為減少重量部件和緊固件的應用場合中。
[0003]使用快速且容易的鉚釘允許相對迅速的組裝、一致的機械性能和流線型安裝的外觀，使得鉚接在諸如橋梁構件的組裝和汽車工件的連接領域中成為一種可靠且經濟的組裝方法。鉚釘通常與類似的異種金屬一起使用，諸如，鋁、不銹鋼和銅之間的組合，等等。
[0004]在安裝之前，鉚釘主體(例如，盲鉚釘)由鉚釘頭和光滑的圓柱形鉚釘桿組成。該鉚釘主體使用芯軸而被設置的，該芯軸杯驅動通過鉚釘主體。在安裝時，鉚釘主體被放入安裝工具，且然后被插入工件內的穿孔或預鉆孔。致動安裝工具將芯軸拉入鉚釘主體并牢固地將工件夾緊在一起。當芯軸到達預定的斷裂載荷，芯軸斷裂并從該設置的鉚釘主體移除。芯軸的一小部分保留在鉚釘桿的底部，以確保夾緊力被保持在接合處。在最終形式中，鉚釘桿變形(已知為鐓鍛)，從而使鉚釘桿膨脹的比原始的鉚釘桿直徑更大，因此保持鉚釘主體在適當位置。
[0005]使用預鉆孔來進行鉚接會導致接合處完整性的未來問題。與預鉆孔相關的問題包括諸如但不限于，用錯誤尺寸的鉆頭來鉆孔、預定的預鉆孔中心標記的鉆出、以及忘記清理工件中的孔的毛刺，這會在孔內且從而在接合處產生碎肩。此外，在必須是平頭鉚接的情況下，忘記提供頂部和/或底部凹陷或使機加工的埋頭孔太淺或太深會導致接合處的未來問題。此外，需要預先鉆出一些孔會使制造過程的成本和時間明顯增加。
[0006]另外，使用預鉆孔會增加工件發生電化學腐蝕的可能性。當異種工件在存在有電解質(例如，水)的情況下相互接觸時，電化學過程(已知為電化學反應)發生。電化學反應，已知為電化學腐蝕，以較快的速度腐蝕一種金屬且以較慢的速度腐蝕另一種。腐蝕速率取決于a)導體的電勢的差異、b)電解質的導電率、和c)接觸區域的相對大小。
[0007]用鉚釘來連接復合工件，尤其是導電的復合工件，需要付出特別的努力去減少或防止電化學腐蝕。通常電化學腐蝕可以與通過連接的工件的接觸和密封而產生的噪音相關聯。在鉚釘在該處連接工件的表面區域上的腐蝕會產生噪音(例如，研磨或刺耳聲)和與密封工件相關的問題。此外，在高水分含量的環境(例如，空調)中，電化學腐蝕會導致在工件的接合位置(既，在鉚釘)處的過早分解，引起可能的接合處故障。
[0008]之前進行過試圖減少和/或避免電化學腐蝕的嘗試，其中腐蝕逐漸威脅到接合處的耐用性，例如，在工件之間形成屏障。屏障可包括添加到工件的一個或多個部分的涂漆、或插入工件之間以防止直接接觸的墊圈和/或墊片。給鉚釘桿增加保護涂層(例如，陽極氧化處理)也被用來防止電化學腐蝕。
[0009]雖然屏障和涂層提供防腐處理，但是屏障和涂層增加了鉚釘桿的表面，因為屏障/涂層被放置在鉚釘主體的外表面上，其占據了比鉚釘主體的基底金屬更大的空間。增加的表面可能會造成不期望的低的機械加工公差或裝配公差的潛在問題。例如，在螺紋加工小孔來接受緊固件的情況下(例如，當在飛行器或汽車行業中用于連接表面時)，外表面涂層可能會造成鉚釘桿阻滯在孔螺紋內。而且，當屏障和涂層被使用時，很難確保在鉚釘插入時保持屏障和涂層的完整性(例如，沒有劃痕)。屏障和涂層的劃痕可能是在鉚釘插入時造成的，并形成電化學腐蝕的反應活性部位，從而引起在接合處的噪音和密封問題以及接合處的過早失效的風險。
【發明內容】
[0010]鑒于上述缺陷，需要一種鉚釘，它能夠減少/防止兩個接合的工件之間的電化學腐蝕。該鉚釘在安裝發生時還會在工件內形成腔，而無需使用預鉆孔。
[0011 ]本技術涉及鉚釘組件，包括由一種材料構成的鉚釘主體和由不同于鉚釘主體的材料構成的芯軸。
[0012]鉚釘主體包括鉚釘頭和鉚釘桿，兩者均由配置為減少和/或消除在工件(多個)和鉚釘主體之間的電化學腐蝕的材料構成。在一個方面，當鉚釘主體與工件中的至少一個是導電的時，鉚釘主體由減少工件和鉚釘主體之間的電化學路徑的材料構成。然而，當鉚釘主體由非導電材料構成時，電化學路徑可以在鉚釘主體和導電工件之間被消除。此外，非導電的鉚釘主體被配置為具有的玻變或熔融轉變溫度高于工件的玻變或熔融轉變的溫度。
[0013]芯軸包括芯軸桿和芯軸帽，芯軸桿和芯軸帽中的每一個均由導電材料構成，例如金屬。芯軸主體允許芯軸主體連接到安裝工具，用于插入芯軸主體和鉚釘主體到一個或多個工件中。
[0014]鉚釘主體通過鉚釘桿接收芯軸桿。芯軸桿包括定位成與鉚釘桿連接的芯軸帽。芯軸桿被安裝工具接收且芯軸帽通過摩擦鉚接使工件(多個)局部變形，以安裝鉚釘主體。在摩擦鉚接期間，芯軸帽形成腔，該腔延伸通過工件(多個)的上表面和下表面。
[0015]在一些實施例中，鉚釘桿包括一個或多個脊，每個脊具有不同于鉚釘桿的尺寸。脊(多個)被配置成與一個或多個工件互鎖。在一些實施方案中，構成脊(多個)的材料與鉚釘桿的材料相同或相似。在替換實施方案中，脊(多個)包括成分不同于鉚釘桿材料的材料。
[0016]在一些實施例中，鉚釘主體還包括與鉚釘頭相關的墊圈。墊圈被配置為接觸工件的上表面以促進密封。
[0017]本技術還涉及一種方法，使用鉚釘主體連接工件(多個)而不需要預鉆孔。該方法包括使用摩擦鉚接，其導致通過安裝工具施加扭矩(例如，正常的旋轉力)到鉚釘主體而產生的熱。由于在芯軸帽接觸工件的位置處的局部變形/融化，快速旋轉的鉚釘主體被推入工件(多個)。使用摩擦鉚接減少和/或消除了工件的裂紋，例如，復合的工件(多個)，其可以是脆性的。
[0018]本發明提供下列技術方案。
[0019]技術方案1.一種裝置，用于接合第一工件和第二工件，包括:
鉚釘主體，其包括(i )具有上表面和下表面的鉚釘頭，其中所述下表面與上表面相對，并被配置成在所述裝置被用于接合工件時定位在第一工件的上表面附近或與之接觸，和
(11)附連到所述鉚釘頭的下表面的鉚釘柄，其中所述鉚釘主體由第一材料組成;和芯軸，其包括(i )芯軸桿，被配置成待定位在所述鉚釘柄的至少一部分內，和(i i )芯軸帽，定位在所述芯軸桿的與所述鉚釘柄接觸的一部分上，其中所述芯軸由不同于第一材料的第二材料組成。
[0020]技術方案2.如技術方案I所述的裝置，其中，所述芯軸帽當被用于接合工件時形成了在所述工件內發展的腔，該腔從第一工件的上表面延伸，經過第一工件的下表面和第二工件的上表面，然后到達或超過第二工件的下表面。
[0021]技術方案3.如技術方案I所述的裝置，其中:
所述鉚釘柄具有第一直徑；
所述鉚釘軸具有不同于第一直徑的第二直徑；
所述鉚釘柄具有從鉚釘柄延伸的脊;和
所述脊被配置為與第一工件和第二工件中的一者或兩者互鎖。
[0022]技術方案4.如技術方案3所述的裝置，其中所述脊包括在組成上與所述鉚釘主體的材料相同或相似的材料。
[0023]技術方案5.如技術方案3所述的裝置，其中所述脊包括不同于所述鉚釘主體的第一材料的材料。
[0024]技術方案6.如技術方案I所述的裝置，進一步包括墊圈，其鄰近所述鉚釘頭的下部并被配置為在所述裝置被用于接合工件時接觸第一工件的上表面。
[0025]技術方案7.一種系統，用于接合第一工件和第二工件，包括:
鉚釘主體，其包括(i)具有上表面和下表面的鉚釘頭，其中所述下表面與上表面相對并被配置成在所述裝置被用于接合工件時定位在第一工件的上表面附近或與之接觸，和(ii)附連到所述鉚釘頭的下表面的鉚釘柄，其中所述鉚釘主體由第一材料組成;和
芯軸，其包括(i)芯軸桿，被配置成待定位在所述鉚釘柄和所述鉚釘頭的至少一部分內，和(ii)芯軸帽，定位在所述芯軸桿的與所述鉚釘柄和鉚釘頭接觸的一部分上，其中所述芯軸由不同于第一材料的第二材