專利名稱：利用反應性多層接合制備大尺寸結合物的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用反應性復合材料，如反應性多層箔在大尺寸結合區(qū)域上 的材料主體的接合。
背景技術：
諸如Weihs等人在美國專利6,534,194 B2和美國專利6,736,942上所說 明的反應性復合接合在室溫下非常適用于軟釬焊、熔接或者硬釬焊材料的工 藝。該工藝包括在兩層可熔材料之間夾入反應性復合材料(RCM)。然后， 將RCM和可熔材料放入將被接合的兩個部件之間，并引燃RCM。在RCM 內發(fā)生的自傳播反應使RCM內溫度迅速升高。反應釋放的熱熔化相鄰的可 熔材料層，冷卻后，可熔材料將兩個部件結合在一起。
或者，根據(jù)兩個部件的成分而不使用可熔材料層，將反應性復合材料直 接放入兩個部件之間。通過引燃RCM釋;^文的熱能熔化相鄰部件表面的材料 并由此使部件接合。
現(xiàn)在來看圖l,對用于執(zhí)行兩個部件IOA和10B的反應性復合接合工藝 的設備進行說明。將反應性復合材料的薄片或層12放入已被依次夾入部件 10A和10B的吻合表面(不可見)之間的可熔材料14A和14B的兩個薄片或層之間。然后例如用圖示的老虎鉗16將夾層組件壓在一起，并用例如火
柴18引燃反應性復合材料。反應通過RCM12迅速傳播，熔化可熔層14A 和14B。熔化層冷卻而使部件IOA和IOB接合在一起。RCM12通常為反應 性多層箔，可熔材料14A和14B通常為軟釬焊料或硬釬焊料。
反應性復合接合工藝與諸如利用熔爐或焊炬等常規(guī)接合技術相比，使兩 個部件10A和10B的接合過程更迅速。由此，在生產能力上能夠實現(xiàn)明顯 進步。此外，由于與反應性復合接合工藝相關的非常局部的加熱，可以無熱 損傷地軟釬焊或硬釬焊熱敏性部件以及諸如金屬和陶資等不同的材料。利用 反應性復合接合工藝可以無晶粒生長地軟釬焊或硬釬焊細晶粒金屬，而且可 以僅在局部偏離室溫的情況下熔接大塊非結晶材料，在最小化結晶的同時形 成高強度結合。
用于反應性復合接合工藝的反應性復合材料12通常為Weihs等人在美 國專利6,534,194 B2中所描述的納米結構材料。反應性復合材料12通常通 過將具有較大的、負的混合熱的元素如鎳和鋁交替蒸鍍數(shù)以百計的納米級層 來制造。最近的開發(fā)表明，通過改變交替層的厚度可以小心地控制反應熱及 反應速度。研究還表明通過改變箔的成分或者在制造后通過低溫退火可以控 制反應熱。進一 步了解到用于制造納米結構反應性多層的備選方法包括機械 加工。
通過使用反應性復合材料接合部件有兩個關鍵優(yōu)點快速以及使接合區(qū) 域的加熱局域化。增加的速度和局域化是相對常規(guī)軟釬焊或硬釬焊方法的優(yōu) 點，尤其是適用于涉及熱敏性部件或者諸如發(fā)生在金屬/陶瓷間結合等在熱 膨脹系數(shù)上存在較大差異的部件的應用。在常規(guī)熔接或硬釬焊中，在加工過 程中可能會毀壞或損壞熱敏性部件。在部件內的殘余熱應力可能會迫使隨后 進行諸如退火或熱處理等高費用和耗時的操作。相反，用反應性復合進行接 合使部件承受少量熱并僅產生非常局部的溫度上升。通常，僅充分加熱相鄰 的可熔層和部件的毗連表面。由此，對部件熱毀壞的風險被最小化。此外，反應性復合接合快速并產生具有成本效率、牢固和熱傳導的接合點。
然而常規(guī)反應性復合接合適用于接合長度低于約4英寸、面積低于約 16平方英寸的部件，接合更大的長度和面積則存在極大的挑戰(zhàn)。據(jù)觀察， 對于最佳接合而言，使表面盡可能地均勻和同時被接合和加熱的是有利的。 當長度和面積變得更大時，由單一引燃點則更加難于保持所需的反應同時性
和均勻性。此外，更大的接合區(qū)域尺寸超出易于制造的RCM的尺寸，需要 多片反應性箔來覆蓋接合點表面區(qū)域。盡管接合反應通過RCM迅速傳播， 但并不是大表面區(qū)域接合處的每一部分都可以被同時熔化，由此可能會引起 部件之間的結合不良。而且，增加要被接合的表面積對于在接合工藝中均勻 地應用到部件上的壓力提出了更加嚴格的要求。
因此，有利的是提供一種用于在表面區(qū)域上接合部件的反應性復合接合 工藝，該表面區(qū)域大于單個反應性復合材料薄片的尺寸，并在部件材料之間 產生牢固和相對均勻的結合。

發(fā)明內容
簡單地說，本發(fā)明提供一種通過在部件材料主體之間放入多個基本接續(xù) 的RCM薄片而在大尺寸區(qū)域上接合部件材料主體的方法。每一個基本接續(xù) 的RCM薄片通過能夠將能量反應從一個薄片傳遞到另一個薄片的橋材料與 至少一個相鄰的RCM薄片連接在一起。在一個或多個RCM薄片內引發(fā)引 燃反應并通過橋材料傳遍所有剩余的薄片，對相鄰薄片的材料引起迅速的局 部加熱，冷卻后形成部件材料主體間的結合。
在本發(fā)明的一個實施方式中，在大尺寸區(qū)域內的布置在將要被接合的部 件材料主體之間的多個基本接續(xù)的RCM薄片通過橋材料被連接在一起。橋 材料可以為反應性箔、金屬絲、層、粉末或者其它材料，其能夠直接或通過 熱傳導而將引燃反應從 一 個薄片傳遞到另 一 個薄片。橋材料具有隨著第一 RCM薄片的引燃而引燃第二 RCM薄片的反應性。在本發(fā)明的備選的實施方式中，在大尺寸區(qū)域內的布置在將被接合的部
件材料主體之間的多個基本接續(xù)的RCM薄片通過可熔材料的結構支撐接頭 連接在一起，以能夠易于安裝、運輸和固定要被接合的部件材料主體之間的 多個RCM薄片。
在本發(fā)明的一個變體中，多個基本接續(xù)的RCM薄片被放置在大尺寸區(qū) 域內將被接合的部件材料主體之間，直接鄰接將被接合的部件主體表面。
在本發(fā)明的備選的實施方式中，多個基本接續(xù)的RCM薄片被布置在大 尺寸區(qū)域內將被接合的部件材料主體之間。諸如軟釬焊料或者硬釬焊料等可 熔材料的薄片接近于RCM薄片和部件材料主體而放置?？扇鄄牧媳∑梢?在反應性復合材料的薄片之上、之下或者夾入反應性復合材料的薄片之中。 可熔材料薄片可以連續(xù)跨過相接續(xù)的R C M薄片的邊界，并且可選擇地充當 連結材料以便使RCM薄片連在一起。
本發(fā)明用于在大尺寸區(qū)域上接合部件材料主體的方法為在部件材料主 體之間布置至少一個RCM薄片。在RCM薄片周圍布置的多個引燃點引發(fā) 引燃反應，對相鄰所述薄片的材料引起迅速的局部加熱，經過冷卻在部件材 料主體之間形成結合。
部件材料主體之間布置至少一個RCM薄片。在外部壓力源和部件主體之間 放置至少一個隔板。由外部壓力源對排布施加壓力，促使部件主體;fe此相向 壓緊，以便在RCM薄片內引發(fā)引燃反應后控制部件主體之間形成結合。RCM 薄片內的引燃反應對相鄰薄片的材料引起迅速的局部加熱，經過冷卻在部件 材料主體之間形成結合。


結合附圖，基于將被詳細描述的示例性實施方式的說明，將更充分地展示 本發(fā)明的優(yōu)點、特性和各種附加特征。在附圖中圖1為圖示用于執(zhí)行兩個部件的常規(guī)反應性復合接合的現(xiàn)有技術設備
的示意圖2為表示通過根據(jù)本發(fā)明的大尺寸接合點來接合兩個主體所涉及步 驟的框圖3為通過在用于兩個部件主體之間形成大面積結合的結合區(qū)域內的 結構支撐接頭和引燃橋來有效連接的多個接續(xù)的反應性復合材料薄片的俯 視圖4為通過在用于兩個部件主體之間形成大面積結合的結合區(qū)域內的 結構支撐接頭和結合區(qū)域外的引燃橋來有效連接的多個接續(xù)的反應性復合 材料薄片的俯視圖5為圖示通過用于在薄片到薄片間傳播引燃反應的結合區(qū)域外的引 燃橋來有效連接若干接續(xù)的反應性復合材料薄片的示意圖6為夾入兩層可熔材料中的一對接續(xù)的反應性復合材料薄片的橫截 面圖7為表示用于實施本發(fā)明接合方法的部件和層的排布框圖； 圖8圖示了在根據(jù)本發(fā)明的方法形成結合點的過程中，用于同時引燃多 個反應性復合材料薄片的示例性排布；
圖10為用于說明邊緣空隙的根據(jù)本發(fā)明的方法形成的大尺寸接合的俯 視聲像圖11為根據(jù)本發(fā)明最優(yōu)負荷的接合方法形成的大尺寸接合的俯視聲像
圖12圖示了接續(xù)的反應性復合材料薄片、可熔材料支撐接頭、引燃橋
和引燃點的示例性排布；
圖13為根據(jù)圖12的排布而形成的大尺寸接合的俯視聲像圖14圖示了接續(xù)的反應性復合材料薄片、可熔材料支撐接頭、引燃橋和引燃點的示例性排布；
圖15為根據(jù)圖14的排布而形成的大尺寸接合的俯視聲像圖； 圖16為表示用于實施本發(fā)明接合方法的部件和層的第一示例性排布的 框圖；和
圖17為表示用于實施本發(fā)明接合方法的部件和層的第二示例性排布的框圖。
在附圖的各圖中，相同的附圖標記指代相應的部件。應該理解的是，附 圖僅用于說明本發(fā)明的概念，并沒有按照比例制作。
具體實施例方式
以下具體描述通過實施例來說明本發(fā)明，但不是為了限制本發(fā)明。所述 描述能夠使本領域技術人員制造和使用本發(fā)明，并描述了若干實施方式、修 改、變更、以及本發(fā)明的應用，包括目前認為是實施本發(fā)明的最佳方式。
在此使用的短語"大尺寸"用于描述接合處或結合區(qū)域，并理解為是指 接合處或結合區(qū)域的面積或長度超出應用在接合過程的 一個反應性復合材 料薄片的面積或長度，該尺寸大到在一個反應性復合材料薄片內的引燃反應 引起的單一傳播的波陣面不能在整個結合區(qū)域內實現(xiàn)所需的結合特性，或者
在接合處或結合區(qū)域的中心和邊緣之間出現(xiàn)負荷變化。例如，當所用的反應 性復合材料的薄片的面積低于16.0平方英寸、最長尺寸低于4.0英寸時，面 積至少為16.0平方英寸、長度至少為4.0英寸被認為是大尺寸。
本領域普通技術人員應該理解的是，在此使用的用語"反應性復合材料" 或"RCM"是指諸如反應性多層箔之類的結構，包括以受控方式間隔布置的 兩部分或更多部分的材料，以便基于適當?shù)募ぐl(fā)或放熱反應引發(fā)，在整個復 合材料結構中使放熱化學反應傳開而使所述材料進行放熱反應。這些放熱反 應可以在一個或多個引燃點對反應性復合材料進行電阻加熱、電感加熱、激 光脈沖、微波能或超聲攪動來引發(fā)。參照附圖，圖2為說明涉及利用至少兩個接續(xù)的反應性復合材料的薄片 12在具有大尺寸(大面積或長的度長)的接合處或結合區(qū)域上將兩個部件
主體IOA和IOB接合在一起的步驟的概括流程圖。最初，如框A所示，提 供在基本相適合的大尺寸吻合表面上將要進行接合的兩個部件主體10A和 IOB。事先可以用一層或多層的諸如軟釬焊料或硬釬焊合金等可熔材料14A 和14B來涂敷兩個部件主體10A和10B,或者可以將可熔材料14A和14B 的一個或多個薄片放在部件主體10A和10B之間。部件主體10A和10B可 以包括相同類型的材料，如黃銅，或者可以為不同類型的材料，如鎳和黃銅、 鋁和4太、-友化硼和鋼、減/ft硼和銅、；友^b硅和鋁、以及鵠-4太合金和銅4各合 金。
接下來，如框B所示，將兩個或更多反應性復合材料薄片12以基本接 續(xù)布置的方式放入兩個部件主體10A和10B的吻合表面之間。本領域普通 技術人員應該理解的是，在此使用的術語"接續(xù)"是指反應性復合材料薄片 12的任何相鄰邊緣被安排得盡可能靠在一起，以形成基本無空隙的結合和 至少足夠接近以使相鄰的反應性復合材料的薄片12能夠有效地連在一起而 成為單一組件。接續(xù)的RCM薄片無須彼此實體接觸。
為了有效地連接相鄰的RCM薄片12,在薄片12之間(如圖3和圖4 所示)形成若干結構支撐橋或接頭20。橋或接頭可以由在部件主體IOA和 10B之間形成部分結合的可熔材料20形成，或者可以由能夠在相鄰的RCM 薄片之間傳遞引燃反應的反應性材料22形成。通過使用橋或接頭20、 22, 兩個或更多相鄰的RCM薄片12在組件24內^^固定在一起，這樣在安裝、 運輸期間，以及在大尺寸結合區(qū)域內放置在部件主體10A和10B的配合表 面之間時，維持彼此之間的相對位置。
結構支撐橋或接頭20可以為在組件24內將接續(xù)的RCM薄片12固定 在一起的幾種形式中的任何一種。在一個示例性實施方式中，結構支撐橋或 接頭20為軟金屬或可熔材料薄片的形式，例如被冷壓或輥壓到RCM薄片12上的銦。
優(yōu)選由反應性材料形成結構支撐橋或接頭20,這樣就能在相鄰的薄片
12之間的引燃或傳導熱能以使在第一薄片12A內引發(fā)的反應通過橋或接頭 而在相鄰的薄片12B中繼續(xù)。引燃橋或接頭22的配置可以為有助于在接續(xù) 的RCM薄片12之間傳遞反應的幾種形式中的任何一種。例如，引燃橋或接 頭22可以為反應性多層箔，與用于RCM薄片12的材料相似或相同，或者 包含具有較大負混合熱的區(qū)域或層的材料的細金屬線的形式。這些引燃橋或 接頭22的配置可以用少量的膠或用小片可熔焊料粘附到一個或兩個接續(xù)的 薄片12上。除了傳遞引發(fā)的反應，引燃橋或接頭22可以為實際結構，也就 是對RCM薄片12的布置提供結構支撐，或者可以是實際上的非結構支撐。 例如非結構支撐引燃橋22可以為具有較大的負混合熱的材料的松散或壓緊 的粉末混合物的形式。
有利的是，不同形式的橋和接頭20、 22與RCM薄片12的尺寸相比很 小，并不妨礙位于結合區(qū)域的任何可熔材料的流動，或者在接合過程中具有 部件主體吻合表面的平整度。
現(xiàn)在看圖3，其中顯示了多個接續(xù)RCM薄片12的示例性排布，其中多 個接續(xù)RCM薄片12由焊料裝配接頭20和可燃橋22布置并連接以在兩個部 件主體(未圖示)之間形成覆蓋大面積結合區(qū)域26的反應性復合材料薄片 組件24。在圖3所示的布置中，焊料裝配接頭20和可燃橋22都被包含在 大面積結合區(qū)域26內。布置在組件24周圍的箭頭指示與組件24相關的多 個引燃或反應引發(fā)點。
圖4說明了由焊料裝配接頭20和可燃橋22布置并連接多個接觸RCM 薄片12以在兩個部件主體(未圖示)之間形成覆蓋大面積結合區(qū)域26的反 應性復合材料薄片組件24的第二示例性排布。在圖4所示的排布中，軟釬 焊料裝配接頭20被包含在大面積結合區(qū)域26內，而可燃橋22被放置在大 面積結合區(qū)域26外。通過在大面積結合區(qū)域26外放置可燃橋22，可燃橋22可以用膠帶或其它不能位于大面積結合區(qū)域內的方式附著到組件24的薄 片12上。因此橋可用于固定組件24內的薄片12，以及用于引燃結合反應， 如布置在組件24周圍的箭頭指示的多個引燃或反應引發(fā)點。
在大面積結合區(qū)域26內，通過壓制或者使用最少量的膠可以將焊料接 頭20固定到組件24的薄片12上。如果由于擔心合金化而不希望采用與接 合點內用作可熔材料的焊料不同的用于接頭20的焊料，則可以將所需焊料 的小的接頭用膠粘到反應性薄片上，優(yōu)選最小量的膠。
圖5說明了由焊料裝配接頭20和可燃橋22布置并連接多個接續(xù)RCM 薄片12以在兩個部件主體(未圖示)之間形成覆蓋大線性尺寸結合區(qū)域30 的RCM薄片組件24的第三示例性排布。如果可燃橋22放置在接合區(qū)域內 可以用膠或小片軟釬焊料將可燃橋22附著到反應性薄片12上，或者如果可 燃橋22放置在接合區(qū)域外，則可用膠帶。
本領域普通技術人員將知道，構成圖3、 4和5所示的不同組件24的 RCM薄片12的數(shù)量可以依據(jù)大面積結合區(qū)域26或大線性尺寸結合區(qū)域30 的尺寸和外形的不同而不同。較佳地，將RCM薄片12布置在組件24內， 以使在相鄰薄片12之間的間隙G盡可能遠離結合區(qū)域的內部，尤其是與結 合區(qū)域的邊緣平行的間隙G。同樣應認識到，接頭20和引燃橋22的位置和 數(shù)量可以依據(jù)組件24的特定應用和幾何形狀的不同而不同，可提供在結合 區(qū)域內布置過程中將組件24以穩(wěn)定的構造固定，并且在組件24的薄片12 之間可以以大體迅速和均勻的方式傳遞反應。
如圖6所示，代替裝配接頭20,可以將具有引燃橋22的兩個或更多個 RCM薄片12的組件24封裝在諸如軟釬焊料或硬釬焊料等可熔材料層32A 和32B之間。這種封裝允許將要被處理的可熔材料層32A和32B以及RCM 薄片12的組件24作為一個單元，便于在結合區(qū)域內進行布置。RCM薄片 12可以通過輥壓、擠壓或者其它適當方式結合到可熔材料層32A和32B上 以確保封裝保持結構牢固。一旦形成組件24,無論是否有可熔層32A和32B，則放入將被接合的 部件IOA和10B之間的結合區(qū)域26內。如圖2的框C所示，將要接合的部 件IOA和10B壓在一起以在結合區(qū)域26上提供大體均勻的壓力?？梢允褂?各種設備和技術來在結合區(qū)域26上實現(xiàn)部件IOA和IOB之間的大體均勻的 壓力，例如液壓機或機械壓力機。如圖7所示，具有適宜隔板34的部件10A 和10B可以放入一對壓板36A和36B之間。以下更詳細地描述隔板34的選 擇以及隔板34對形成在結合區(qū)域26內的得到的結合的效果?？梢詫⑾鹉z片 等可選擇放入的適應層38放入在部件排布中的部件1 OA或10B和相鄰的壓 板之間以在接合過程中調節(jié)在部件10A和10B的外表面與壓板36A和36B 的表面上的任何缺陷?？梢酝ㄟ^任何適當方式將壓力施加到壓板36A和36B 上，例如通過具有自動壓力控制的液壓機。
如圖2的框D所示，最后一步是引燃構成組件24的RCM薄片12。當 結合大面積時，在組件24的周圍邊緣的多個點上對稱地引燃RCM薄片12 是有利的，如圖3和4中由引燃點箭頭所示的點。如之前所述，不具有在結 合區(qū)域26外的邊緣的內部薄片12隨后通過跨過組件24中的引燃橋22傳播 的反應引燃。通過同時應用如圖8所示的電脈沖、或者通過激光脈沖、電感、 微波輻射或超聲能量可以方便地實施組件24內薄片12的同時引燃。
本領域普通技術人員應知道，可以使用各種能夠向引燃點同時傳遞引燃 能的設備。例如，可以使用由與每一個引燃點相連的電容器和開關組成的電 路。所有的開關由總開關控制，以使電容器同時充電和放電。來自電容器的 電脈沖通過開關傳到RCM薄片12上的引燃點，并通過壓板36A和36B電 接地，引燃在組件24內的薄片12，最終在部件IOA和IOB之間形成結合。 或者，可以將單獨的大電容器和開關并聯(lián)連接到所有的引燃點，以使電容器 放電產生的能量同時到達組件24周圍的所有引燃點以引燃每一個薄片12。
在結合過程中，已知隨著引燃組件24內的薄片12，在部件主體10A和 IOB之間的不均勻的負荷分布將會引起品質低劣的具有間隙(空隙)存在的
16結合。在加荷機件的壓板36A和36B與結合區(qū)域26的尺寸相比明顯過大或 過小時，通常會產生不均勻的負荷分布。在要被接合的一個或兩個部件10A 和10B相對較薄時，可能會加重此問題。當壓板36A和36B與結合區(qū)域26 的尺寸相比過大時，在結合區(qū)域26的周圍邊緣附近的壓力大于在結合區(qū)域 26的中心附近的壓力，由此在結合區(qū)域26的中心附近可能會產生空隙。這 已被圖9所示的結合區(qū)域26的俯視超聲波聲像圖或C-掃描的中心附近的白 色可見區(qū)域說明。
相反，當壓板36A和36B與結合區(qū)域26相比尺寸過小時，在結合區(qū)域 26的中心附近的壓力大于在結合區(qū)域26的周圍邊緣附近的壓力，由此在結 合區(qū)域26的周圍邊緣出現(xiàn)空隙，如圖10所示的結合區(qū)域26的俯視超聲波 聲像圖或C-掃描的周圍邊緣的白色可見區(qū)域所顯示的空隙。
為了對結合區(qū)域26以均勻的方式分布壓板36A和36B的負荷，將一個 或多個與結合區(qū)域26尺寸匹配的隔板34放入部件IOA、 10B與一個或兩個 壓板36A、 36B之間。通過不j吏用一個或兩個隔^反34而最初形成的一企測結 合的結果處理可以確定一個或兩個隔板34的理想厚度。評價在部件IOA和 10B之間得到的結合以證實空隙的存在。至于壓板36A和36B大于結合區(qū) 域26的應用，可以通過在結合區(qū)域26的中心區(qū)的空隙面積與結合區(qū)域26 的總面積的比率來表征結合質量。為了減少空隙面積，對厚度逐漸增加的隔 板34在部件IOA和IOB之間進行另外的結合檢測過程，直到獲得對于結合 過程的理想的空隙面積與結合區(qū)域面積的比率。較佳地，在每一個結合^r測 過程間使隔板34的厚度加倍，直至獲得所需比率。
對于只能容忍沒有或僅少量的邊緣空隙的大面積接合應用可以改進結 合過程。對于這些應用，由在結合區(qū)域26的外部區(qū)的空隙面積與總接合面 積的比率所定義的邊緣空隙百分比可以用上述方法得到。如果使隔板厚度加 倍的方法產生了可接受的中心空隙的百分比且沒有邊緣空隙，則得到最佳的 隔板厚度。另一方面，如果該方法產生了可接受的中心空隙的百分比，但測到邊緣具有 一些空隙百分比，則隔板厚度應該減少至當前和前一個隔板厚度 的平均厚度。重復此方法直至具有確定厚度的隔板34產生了最少量的中心
空隙和理想的邊緣空隙。這已被圖11所示的結合區(qū)域26的俯視超聲波聲像 圖或C-掃描的中心附近的小的白色區(qū)域和周圍邊緣附近普遍缺乏的任何白 色可見區(qū)域說明。
至于壓板36A和36B與結合區(qū)域26相比過小的應用，可以通過在結合 區(qū)域26的外部區(qū)的空隙面積與結合區(qū)域的總面積的比率來表征結合質量。 為了減少空隙面積，對厚度逐漸增加的隔板34在部件IOA和IOB之間進行 另外的結合檢測過程，直到獲得用于結合過程的空隙面積與結合區(qū)域面積的 理想比率。較佳地，在每一個結合檢測過程之間使隔板34的厚度加倍，直 至獲得所需比率。
通過以下6個實施例進一步說明本發(fā)明用于在大尺寸結合區(qū)域26上接 合部件主體IOA和10B的方法。 實施例1
在此實施例中，如圖3所示，將反應性或引燃橋22和裝配接頭20布置 位于在結合區(qū)域26的周圍邊緣內部的組件24上。如圖7的總體排布所示， 將在鎳圓盤部件10A (厚度為0.2英寸)和黃銅圓盤部件10B (厚度為0.6 英寸)之間形成的結合區(qū)域26中的各部件安裝在壓板36A和36B之間。結 合區(qū)域26是外徑為17.7英寸、面積為246平方英寸的圓形。將例如錫鉛焊 料等可熔材料層32A和32B預施加到鎳和黃銅主體IOA和IOB上。為了覆 蓋結合區(qū)域26,通過跨過間隙G壓入總數(shù)為12個的銦焊料接頭20使總共 16個RCM薄片12(Ni-Al, 8(Vm厚，反應速度7m/s )被預組裝作為如圖3 所示的組件24。為了確保反應跨過間隙G傳播，將6個反應性箔引燃橋22 跨過間隙G附著在結合區(qū)域26內。使用額外的小塊銦焊料以使反應性箔引 燃橋22附著在RCM薄片12上。
將黃銅圓盤10B放置在平面上，使具有錫鉛焊料的預施加層32B的一面朝上。將組件24的各部分以最小間隔的間隙G相鄰放置在黃銅圓盤10B 的上面，以便完全覆蓋結合區(qū)域26。將鎳圓盤10A以具有錫鉛焊料的預施 加層32A面朝下放置在反應性多層箔上，與組件24中的RCM薄片12( Ni-Al, 80(im厚，反應速度7m/s)接觸。將0.75英寸厚、17.7英寸直徑的鋁隔板 34放置在鎳圓盤IOA上并與其對齊。用上述方法通過用尺寸不同的隔板制 造的若干接合來預先確定隔板厚度。將表面積匹配的硬橡膠薄層38放置在 鋁隔板34上以在接合過程中調節(jié)在黃銅和鎳圓盤10A和10B外表面與用于 施加負荷的壓力機36A、 36B的壓板表面上的任何缺陷。整個排布被轉移到 液壓機上，對該排布施加負荷107,000Ibs。然后同時在圖3中箭頭標示的環(huán) 繞圓周的12個引燃點上電引燃組件24內的薄片12,使部件主體10A和10B 彼此結合。 實施例2
在此實施例中，如圖4所示，將裝配接頭20布置在結合區(qū)域26的周圍 邊緣內部的組件24上，而將反應性或引燃橋22放置在結合區(qū)域26的周圍 邊緣外部。如圖7的總體排布所示，將在鎳圓盤部件10A(厚度為0.2英寸) 和黃銅圓盤部件10B(厚度為0.6英寸)之間形成的結合區(qū)域26中各部件被 安裝在壓板36A和36B之間。結合區(qū)域26是外徑為17.7英寸、面積為246 平方英寸的圓形。同以上實施例1 一樣，將諸如錫鉛焊料等可熔材料的層 32A和32B預施加到4臬和黃銅主體10A和10B上。為了覆蓋結合區(qū)域26, 通過跨過間隙G壓入總數(shù)為3個的銦焊料接頭20使總數(shù)為8個的RCM薄 片12預組裝作為如圖4所示的組件24。為了確保反應跨過間隙G傳播，將 8個反應性箔引燃橋22跨過間隙G附著在結合區(qū)域26外部。使用小片高溫 膠帶(Kapton⑧)以提供引燃橋22和RCM薄片12之間的附著力，并進而用于 對組件24提供結構支撐。
接下來，將黃銅圓盤10B放置在平面上，使具有錫鉛焊料的預施加層 32B的一面朝上。將組件24的各部分以最小間隔間隙G相鄰放置在黃銅圓盤10B的上面，以便完全覆蓋結合區(qū)域26。將鎳圓盤IOA放置在反應性多 層箔上，使具有錫鉛焊料的預應用層32A的一面朝下，與組件24的RCM 薄片12接觸。將0.75英寸厚、17.7英寸直徑的鋁隔板34放在鎳圓盤10A
定隔板厚度。將表面積匹配的硬橡膠的薄層38放置在鋁隔板34上以在接合 過程中調節(jié)在黃銅和鎳圓盤10A和10B外表面與用于施加負荷的壓力機 36A、 36B的壓板表面上的任何缺陷。整個排布被轉移到液壓機上，對該排 布施加負荷107000Ibs。然后同時在圖4內箭頭標示的環(huán)繞圓周的16個引燃 點上電引燃組件24內的薄片12,使部件主體IOA和IOB彼此結合。 實施例3
在此實施例中，如圖12所示，將裝配接頭20和引燃橋22放置在組件 24上，即有在結合區(qū)域26周圍邊緣的內部的也有在外部的。根據(jù)圖7所示 的總體排布，由0.3英寸厚的銅合金圓盤U0A)和0.5英寸厚的銅合金圓 盤(10B)構成的部件主體10A和10B與所述組件一起被布置在結合區(qū)域 26內。結合區(qū)域26是直徑為13英寸、面積為133平方英寸的圓形。將錫 鉛焊料用作可熔材料層32A和32B。通過跨過薄片間隙G壓入4個銦焊料 接頭20使9個RCM薄片12預組裝為圖12所示的組件布置24。為了確保 反應跨過間隙G傳播，在重要邊界上附著10個反應性引燃橋22， 2個在結 合區(qū)域26內部，8個在結合區(qū)域26外部。各部件如圖7所示進行排布，0.5 英寸厚的銅圓盤IOB在底部，但銅圓盤10B下沒有可選擇放置的隔板34， 然后將組件24放置在結合區(qū)域26內，再之后將0.3英寸的銅圓盤IOA放置 在上面。將鋁隔板34固定在0.3英寸的銅圓盤10A上并與其對齊。表面積 尺寸匹配的硬泡沫薄層充當適應層78。整個布置被轉移到液壓機上，并由 液壓機對該設備施加57，850Ibs的負荷。然后同時在圖12中箭頭標示的均勻 環(huán)繞圓周布置的12個引燃點上電引燃薄片12以引發(fā)結合形成反應。
對所得的接合組件進行超聲(聲學)掃描以測定結合質量。圖13示出了典型的聲學掃描圖，具有包括殘存空氣的結合質量差的區(qū)域，所述殘存空 氣已知為空隙，顯示為結合區(qū)域26的周圍邊緣相鄰的亮白色區(qū)域?？障读?br> 以總結合面積百分比測定低于1%，表明是高質量的結合。圖13中的暗線表
示在接合過程中已被熔融焊料填充的單個薄片之間的裂隙或間隙。非直線的 暗線是由于在接合過程中發(fā)生的反應性復合材料的單個薄片由于反應中的 體積收縮而產生的破裂而形成。在反應性多層箔的單片之間的被填充的間隙 為直線，揭示了在接合之前已將反應性復合材料的單個薄片的圖案預組裝到
組件24中。 實施例4
在此實施例中，如圖14所示，將具有裝配接頭20的RCM薄片12的 組件24布置在方形結合區(qū)域26內，并且在方形結合區(qū)域26周圍邊緣的外 部具有引燃橋22。將被結合的部件IOA和10B由0.5英寸厚的鋁制方形板 10A和0.5英寸厚的鈦-鋁-釩合金方形板10B構成。結合區(qū)域26規(guī)定了邊長 為12英寸、面積為144平方英寸的方形。錫銀焊料被用于提供在兩個部件 主體IOA、 10B上的可熔材料層32A和32B。通過跨過薄片12間的間隙G 壓入2個銦焊料接頭20使6個尺寸相等的RCM薄片12預組裝為圖14所示 的樣式。為了確保反應跨過間隙G傳播，在結合區(qū)域26外部的重要邊界上 附著6個反應性多層箔引燃橋22。如圖7的總體排布所示，將0.5英寸厚、 邊長為12英寸的鋁制方形隔板34放置在平面上。然后將鈦合金部件主體 IOB、反應性多層箔組件24和鋁部件主體IOA放置在隔板34的上面。將與 第一隔板尺寸相同的第二方形鋁隔板34放置在鋁部件主體10A的上面并與 其對齊。放置在第二隔板34上面的硬橡膠薄層充當適應層38。整個組裝的 排布^^轉移到液壓纟幾上，并通過壓纟反36A和36B對該組裝的排布施加 62640Ibs的負荷。然后同時在圖14的箭頭標示的均勻地環(huán)繞圓周布置的10 個引燃點上電引燃薄片12,在部件主體IOA和IOB之間引發(fā)結合反應。
對所得的在部件主體IOA和10B之間的接合進行超聲掃描以測定結合質量。圖15示出了聲學掃描圖。以總結合面積百分比測定的空隙量低于1%, 表明是高質量結合。圖15中水平和垂直的暗線表示在接合過程中已被熔融 焊料填滿的單個薄片之間的間隙。由此根據(jù)超聲C-掃描圖能夠清楚地觀察
到，6個反應性復合材料的薄片有效地接合了兩個部件主體IOA和IOB。 實施例5
在此實施例中，如圖16的示意圖所示，利用RCM薄片12的組件24 同時使一組分立部件磚40A 40F與單一的基礎部件主體42相接合。每個 分立部件磚40A 40F由碳化硼(B4C)構成，并具有長為6.25英寸、寬為 6英寸、厚為0.25英寸的尺寸規(guī)格。單一的基礎部件主體42包括總尺寸為 26.25英寸長、7.25英寸寬、0.31英寸厚的銅板。結合區(qū)域26具有長為25 英寸、寬為6英寸、面積為150平方英寸的矩形形狀。預施加到銅板42和 每個碳化硼磚40A 40F上的錫4艮焊料充當可熔材料層32A和32B。如圖5 所示，在結合區(qū)域26的外部通過用膠帶粘接10個反應性多層箔引燃橋22 跨過薄片12之間的間隙G使6個RCM薄片12預組裝為組件24,增加了所 有薄片12同時引燃的可能性。將銅板42放置在平面上，使具有錫銀焊料的 層32B的一面朝上。組件24被放置在銅板42的上面，以便完全覆蓋結合區(qū) 域26。將每個碳化硼磚40A-40F以所需配置放置在組件24的上面，使具 有錫銀焊料的層32A的一面朝下，與組件24內的RCM薄片12接觸。在本 實施例中，將碳化硼磚40A~ 40F首尾相連放置，彼此接觸并與矩形結合區(qū) 域26對齊，如圖16所示。與結合區(qū)域26的配置匹配的由硬橡膠薄層組成 的適應層38被放在碳化硼磚40A 40F上，并與結合區(qū)域26對齊。鋁制隔 板34放在適應層38上并與結合區(qū)域26對齊。整個排布被轉移到液壓機上， 并通過壓板36A和36B對該排布施加65，250Ibs的負荷。然后同時在與每個 引燃橋22和組件24的每一端對應的12個均勻布置的點上電引燃RCM薄片 12，在銅板42和碳化硼磚40A - 40F之間引起結合反應。
實施例6在此實施例中，如圖17所示，利用RCM薄片12的組件24在匹配的 非平面(彎曲)表面上結合兩個彎曲部件主體44A和44B。特別地，將包括 厚度為0.015英寸的彎曲鋼薄片的部件主體44A結合到包括彎曲碳化硼瓦的 部件主體44B上。結合區(qū)域沒有局限于規(guī)則形狀，并具有約lll平方英寸的 表面積。錫銀焊料的可熔層32A和32B被預施加到薄片鋼和碳化硼瓦上。 在不規(guī)則彎曲結合區(qū)域26的外部通過跨過間隙G用膠帶粘附6個反應性多 層箔引燃橋22,并壓入2個銦焊料接頭在結合區(qū)域26內跨過間隙G使6個 RCM薄片12預組裝為組件24。將碳化硼瓦放置在外形配合模46上，使具 有錫銀焊料的可熔層32B的面朝上。外形配合模46上排列橡膠的適應層38 以調節(jié)表面缺陷。由包括每片寬為3英寸的4片銀-錫-鈦焊料(S-Bond⑧"0) 組成的自立可熔層48被放置在碳化硼瓦44B上。然后將RCM組件24放置 在自立可熔層48的上面，以便完全覆蓋不規(guī)則彎曲結合區(qū)域26。接下來將 鋼薄片44A放置在組件24的上面，使具有錫銀焊料的可熔層32B的面朝下， 與RCM薄片12接觸。將外形配合模50放在鋼薄片44A上，并將整個排布 轉移到液壓機上。通過壓板36A和36B對組件施加32,000Ibs的負荷，并同 時在環(huán)繞結合區(qū)域26的周圍邊緣均勻布置的10個點上電引燃反^性復合材
在以上結構和過程中可以進行各種變化而不背離本發(fā)明的范圍，以上描 述或附圖所示的所有內容用于說明性解釋，而非限制的意思。
權利要求
1、一種在大尺寸結合區(qū)域中使第一部件主體與至少一個另外的部件主體結合的方法，包括以下步驟在第一部件主體和每個另外的部件主體之間布置至少一個反應性復合材料薄片；和在所述反應性復合材料薄片中引發(fā)放熱反應，所述放熱反應在大尺寸結合區(qū)域上使所述第一部件主體和所述至少一個另外的部件主體之間形成結合。
2、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述大尺寸結合區(qū)域的表面積大 于單個反應性復合材料薄片的表面積。
3、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述大尺寸結合區(qū)域的至少一維 尺寸大于單個反應性復合材料薄片的相應尺寸，所述至少一維尺寸相應于長 度或寬度中的至少一個。
4、 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括通過第一部件主體和每個另外的部件主體在至少一個所述反應性復合 材料薄片上施加壓力，所述壓力在引發(fā)所述放熱反應之前和過程中施加。
5、 根據(jù)權利要求4所述的方法，進一步包括在施加所述壓力之前，靠近部件主體放置至少一個隔板，所述隔板在所 述結合形成中改變空隙的形成。
6、 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括在所述第一部件主體和所述至少一個反應性復合材料薄片之間布置可 熔材料層。
7、 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括在所述至少一個反應性復合材料薄片和每個所述至少一個另外的部件 主體之間布置可熔材料層。
8、 根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括在第一部件主體和每個另外的部件主體之間布置所述至少一個反應性 復合材料薄片的步驟之前，在至少兩層可熔材料之間封裝所述至少一個反應 性復合材料薄片。
9、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述布置的步驟包括在第一部件 主體和每個另外的部件主體之間放置多個相鄰的反應性復合材料薄片；和其中在所述多個相鄰薄片的每一個中引發(fā)所述放熱反應。
10、 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中在多個所述相鄰的反應性復合材 料薄片中的所述放熱反應基本同時被引發(fā)。
11、 根據(jù)權利要求9所述的方法，進一步包括在所述多個相鄰的反應性復合材料薄片之間布置至少一個引燃橋，其中 所述引燃橋在所述相鄰的反應性復合材料薄片之間傳遞引發(fā)的放熱反應。
12、 根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述引燃橋包括反應性復合材 料、多層金屬絲、反應性化合物的松散混合物和反應性化合物的緊密混合物 中的至少一種。
13、 根據(jù)權利要求9所述的方法，進一步包括使所述多個相鄰的反應性復合材料薄片的每一個固定在反應性復合材 料組件內。
14、 根據(jù)權利要求13所述的方法，進一步包括在所述多個相鄰的反應性復合材料薄片之間固定至少 一 個結構支撐接頭。
15、 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述至少一個結構支撐接頭由 可熔材料構成。
16、 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述至少一個結構支撐接頭在 所述相鄰的反應性復合材料薄片之間傳遞引發(fā)的放熱反應。
17、 根據(jù)權利要求13所述的方法，進一步包括使相鄰的反應性復合材料薄片的接續(xù)的邊緣結合以形成所述組件。
18、 根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述接續(xù)的邊緣用有機粘合劑結合。
19、 根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述接續(xù)的邊緣用可熔材料結合。
20、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述放熱反應通過電流引發(fā)。
21、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述放熱反應通過電阻加熱引發(fā)。
22、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述放熱反應通過至少一個激光 脈沖引發(fā)。
23、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述放熱反應通過電感加熱引發(fā)。
24、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述放熱反應通過微波能引發(fā)。
25、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述放熱反應通過超聲攪動引發(fā)。
26、 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中在所述至少一個反應性復合材料 薄片中引發(fā)所述放熱反應的步驟包括在多個引燃點同時引發(fā)在所述至少一 個反應性復合材料薄片內的所述放熱反應。
27、 根據(jù)權利要求26所述的方法，其中所述》文熱反應以基本對稱的方 式從所述大尺寸結合區(qū)域的外部向中心傳播。
28、 一種通過權利要求1所述的方法在第一部件主體和至少一個另外的 部件主體之間形成的接合。
29、 一種結合結構，包括 至少兩個部件主體；和布置在所述至少兩個部件主體之間的在結合區(qū)域內的多個反應性復合 材料薄片的殘余物。
30、 根據(jù)權利要求29所述的結合結構，其中所述多個反應性復合材料 薄片的每一個的所述殘余物被所述結合區(qū)域內的均勻間隙隔開。
31、 根據(jù)權利要求29所述的結合結構，其中所述多個反應性復合材料 薄片的所述殘余物顯示從結合區(qū)域的外部向結合區(qū)域的中心基本對稱的反 應波陣面?zhèn)鞑ツＪ健?br> 32、 一種用于在多個反應性復合材料薄片的組件內引發(fā)放熱反應的方法，包括在組件內的每個相鄰的反應性復合材料薄片之間連接至少 一 個引燃橋，用于在所述多個反應性復合材料薄片的每一個之間提供引燃通道； 在組件內的至少第 一反應性復合材料薄片上引發(fā)放熱反應；和 在組件內相鄰的反應性復合材料薄片之間通過所述引燃橋傳導放熱反應。
33、 根據(jù)權利要求32所述的方法，其中從連接到所述第一反應性復合 材料薄片的引燃橋的引燃引發(fā)在所述第 一反應性復合材料薄片內的所述放 熱反應。
34、 根據(jù)權利要求32所述的方法，其中所述引燃橋的每一個包括反應 性復合材料、多層金屬絲、反應性化合物的松散混合物和反應性化合物的緊 密混合物中的至少一種。
35、 根據(jù)權利要求32所述的方法，其中所述引發(fā)放熱反應包括在多個 所述反應性復合材料薄片內基本同時引發(fā)放熱反應。
36、 根據(jù)權利要求32所述的方法，其中所述引發(fā)放熱反應的步驟包括 在反應性復合材料薄片內的多個點上基本同時引發(fā)放熱反應。
37、 一種組件，包括通過至少一種連接方式相互連接的至少兩個相鄰的 反應性復合材料薄片。
38、 根據(jù)權利要求37所述的組件，其中所述連接方式為結構支撐接頭。
39、 根據(jù)權利要求38所述的組件，其中所述結構支撐接頭由可熔材料 構成。
40、 根據(jù)權利要求37所述的組件，其中所述連接方式被配置為在所述 相鄰的反應性復合材料薄片之間傳遞引發(fā)的放熱反應。
41、 根據(jù)權利要求37所述的組件，其中所述連接方式是在所述相鄰的 反應性復合材料薄片的接續(xù)邊緣之間的結合。
42、 根據(jù)權利要求41所述的組件，其中所述結合通過有機粘合劑形成。
43、 根據(jù)權利要求41所述的組件，其中所述結合包含可熔材料。
44、 一種通過權利要求1所述的方法制造的結合結構。
45、 根據(jù)權利要求44所述的結合結構，其中大尺寸結合區(qū)域具有大于 16平方英寸的面積。
46、 根據(jù)權利要求44所述的結合結構，其中大尺寸結合區(qū)域具有大于 4英寸的長度。
47、 一種在大尺寸結合區(qū)域上使第一部件主體和至少一個另外的部件主 體結合的方法，包括在第一部件主體和每一個另外的部件主體之間布置至少一個反應性復 合材料薄片；和在所述薄片上的多個引燃點同時引發(fā)在所述反應性復合材料薄片內的 放熱反應，所述放熱反應在大尺寸結合區(qū)域上使在所述第一部件主體和所述 至少 一 個另外的部件主體之間形成結合。
48、 一種在大尺寸結合區(qū)域上使第一部件主體和至少一個另外的部件主 體結合的方法，包括在第一部件主體和每一個另外的部件主體之間布置至少一個反應性復 合材料薄片；在至少一個所述部件主體和外部壓力源之間布置至少一個隔板； 由所述外部壓力源對大尺寸結合區(qū)域施加壓力；和 在所述反應性復合材料薄片內引發(fā)放熱反應，所述放熱反應在大尺寸結 合區(qū)域上使在所述第一部件主體和所述至少一個另外的部件主體之間形成結合。
49、 根據(jù)權利要求48所述的方法，其中選擇所述至少一個隔板以改變 所述結合的特性。
50、根據(jù)權利要求49所述的方法，其中選擇所述至少一個隔板以改變所 述結合的內部的空隙分布。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在大尺寸結合區(qū)域上接合材料的部件主體(10A、10B)的方法，該方法通過在所述主體和相鄰的可熔材料(14A、14B)薄片之間放置多個基本接續(xù)的反應性復合材料薄片(12)使所述主體結合。通過引燃橋材料(22)有效地連接接續(xù)的反應性復合材料薄片(12)，使在一個薄片(12)內的引燃反應引起其它薄片內的引燃反應。均勻壓力的施加和一個或多個接續(xù)的反應性復合材料薄片(12)的引燃引起放熱反應以傳播到整個結合區(qū)域，熔合任何相鄰的可熔材料薄片(14A、14B)并在部件主體(10A、10B)之間形成結合。
文檔編號B23K20/08GK101448600SQ200680054675
公開日2009年6月3日 申請日期2006年4月25日 優(yōu)先權日2006年4月25日
發(fā)明者埃倫·M·海揚, 奧馬爾·M·克尼奧, 杰西·E·紐森, 艾倫·杜克漢姆, 蒂莫西·萊恩·魯?shù)? 賈伊·S·蘇布拉馬尼亞姆, 邁克爾·V·布朗 申請人:反應性納米技術有限公司