專利名稱：通過反應(yīng)冶金的蓄電池接頭的接合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及焊接工藝，尤其涉及用于接合諸如鋁金屬或合金或者銅金屬或合金之類的金屬或金屬合金的工件的固態(tài)焊接工藝。
背景技術(shù)：
諸如鋁合金或銅合金之類的金屬的接合由于存在快速形成的氧化層以及它們固有的高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率而復(fù)雜化。點(diǎn)焊可能是困難的，并且需要對(duì)工件表面的準(zhǔn)備、高的電流、高作用力、以及機(jī)械對(duì)準(zhǔn)良好并且穩(wěn)定的電極。由于鋁工件合金與銅電極之間的反應(yīng)或者銅工件合金到銅電極的焊接，所以短的電極壽命是普遍的情況。所獲得的鋁工件之間的焊接能夠具有高的強(qiáng)度，但在某些條件下具有差的高周疲勞性能。用于車輛應(yīng)用的鋰電池需要將蓄電池的電池單元接合至導(dǎo)體或匯流條的工藝。蓄電池的電池單元通常將薄的鋁片和銅片用作電極襯底。這些電極片結(jié)合有延伸部(已知為接頭(tab))，其延伸到電池單元囊(pouch)的外側(cè)，并用于在蓄電池的組裝期間將電極片接合至銅導(dǎo)體或匯流條。通常在蓄電池構(gòu)造中使用兩種類型的接頭材料鋁和銅。在有些情況下，銅接頭和/或銅導(dǎo)體可涂覆有薄的鎳層以增強(qiáng)耐蝕性和接合性，而鋁接頭則涂覆以陽極氧化層。由于以下一些原因，所以將薄的接頭材料接合至厚得多的銅導(dǎo)體是困難的。第一， 層疊結(jié)構(gòu)需要在一次操作中將若干分開金屬件(例如，三個(gè)分開的接頭)接合至一個(gè)導(dǎo)體。 第二，層疊結(jié)構(gòu)中的一個(gè)包括已知形成脆性金屬間化合物的金屬組合，即銅和鋁。第三，導(dǎo)體與接頭之間的厚度比較高，通常為至少大約5:1。超聲波焊接已經(jīng)用于該應(yīng)用并獲得了一定的成功。超聲波焊接使得不同金屬的接合成為可能，并且能夠?qū)⒕哂忻黠@的片厚度差異的材料接合在一起。然而，因?yàn)槌暡芰?(即與片表面平行的振動(dòng))在橫跨片間界面時(shí)傳遞不好，所以在接合包含了超過兩片的層疊結(jié)構(gòu)中存在相當(dāng)大的困難。由于頂片與超聲波工具或超聲焊極直接接觸，所以頂片令人滿意地耦聯(lián)至超聲波能量源。因此，頂片與相鄰的片強(qiáng)烈地進(jìn)行反應(yīng)。然而，在層疊結(jié)構(gòu)中位置較低的片(包括導(dǎo)體條)卻沒有接收到同樣多的超聲波能量，因而所得到的焊接可能不會(huì)同樣地堅(jiān)固。還使用了諸如螺釘或夾具之類的機(jī)械緊固件。它們依賴于非常低的接觸電阻以獲得良好的電導(dǎo)率。然而，隨著時(shí)間的過去，由于例如氧化物之類的表面污染物的累積、或者由于緊固件的劣化，接觸電阻可能會(huì)劣化。還可使用焊料的接合。然而，具有助熔劑的焊料的使用(尤其對(duì)于鋁)可導(dǎo)致腐蝕性焊劑殘?jiān)男纬桑摳g性焊劑殘?jiān)绻煌ㄟ^清潔操作去除則可能隨著時(shí)間的過去使周圍材料或接合部劣化。這些操作增加了成本，并且在有些情況下根據(jù)組裝順序是不可能進(jìn)行的。因此，存在對(duì)用于將蓄電池的電池單元焊接至導(dǎo)體或匯流條的工藝的需求。

發(fā)明內(nèi)容
通過反應(yīng)冶金接合工藝(或加工)來接合諸如鋁和銅之類的金屬或金屬合金的工件。固態(tài)焊接通過如下方式形成為了與表面材料合金化并在原位置形成瞬時(shí)的、可運(yùn)動(dòng)的含液反應(yīng)產(chǎn)物(常常為共晶體或近共晶體的混合物)，將合適的反應(yīng)材料層放置在待焊接的表面之間。該含液相的形成用于在預(yù)期的焊接界面處去除氧化物及其他障礙以便進(jìn)行固態(tài)焊接。加熱組裝工件的界面區(qū)域以形成流動(dòng)的反應(yīng)產(chǎn)物，但維持在低于工件的固相線溫度的溫度。在用于其表面準(zhǔn)備功能的過程中，從界面擠出反應(yīng)產(chǎn)物，并將清潔的熱接觸固體表面擠壓到一起，以形成固態(tài)焊接。該工藝可用于將鋁或銅工件(包括鍍鎳的銅之類的金屬或合金)接合至其他鋁或銅工件(包括鍍鎳的銅之類的金屬或合金)?？蓪⒎磻?yīng)冶金接合工藝用于焊接許多不同的工件形式。例如，通過扁平的蓄電池電池單元接頭和具有平坦表面的導(dǎo)體、或者通過成形表面，可提供對(duì)向表面。首先將關(guān)于類似金屬合金的工件的接合(例如一個(gè)或多個(gè)銅合金的蓄電池電池單元接頭到銅合金導(dǎo)體的接合)來描述該反應(yīng)冶金接合工藝的應(yīng)用。用于工件的接合表面可首先被清除掉阻止待焊接表面之間的良好接觸的早先處理材料及其他雜質(zhì)。反應(yīng)冶金接合工藝包括將反應(yīng)材料層放置在銅的蓄電池電池單元接頭與銅導(dǎo)體之間，所述反應(yīng)材料可包括金屬元素或合金。所述被放置在接合表面之間并抵靠著接合表面的材料將被加熱，并用于通常通過擴(kuò)散到工件元素中和與工件元素合金化來與對(duì)向的工件表面反應(yīng)，以形成包括合適量的低熔化溫度液體的反應(yīng)產(chǎn)物(即，形成低于任一對(duì)向工件的固相線的液體)。形成反應(yīng)產(chǎn)物，以去除工件的銅基(或鋁基)材料之間的焊接部的氧化物及其他化學(xué)障礙物。除液體之外，反應(yīng)產(chǎn)物可包括形成的固體、或夾帶的固體等，但低熔化溫度的液體是反應(yīng)產(chǎn)物的必需部分。居間反應(yīng)材料的成分和量被預(yù)定，以形成合適量的液體反應(yīng)產(chǎn)物和關(guān)于該液體反應(yīng)產(chǎn)物的合適的流動(dòng)性，以清潔所述表面，然后(與包括在該液體反應(yīng)產(chǎn)物里的任何固體一起)被大致從界面擠出。這在低于工件的固相線溫度的溫度下實(shí)現(xiàn)。因此，居間反應(yīng)材料與工件表面的反應(yīng)從工件去除材料。這可能改變工件的關(guān)鍵尺寸。因此，諸如通過計(jì)算、憑經(jīng)驗(yàn)或通過試驗(yàn)來預(yù)定被插入的反應(yīng)材料的量，以在不過度地去除工件材料的情況下制備工件表面。另外，工件材料可設(shè)計(jì)有額外的厚度，以補(bǔ)償在接合反應(yīng)期間出現(xiàn)的變薄。插入的反應(yīng)材料可以采用薄片、線、網(wǎng)、碎片或顆粒的形式。在將銅合金的蓄電池電池單元接頭接合至銅導(dǎo)體的實(shí)施例中，選擇所添加的材料，以接觸對(duì)向的片材表面中的銅并與其反應(yīng)，從而形成具有低于大約1085 °C的熔點(diǎn)的共晶狀低熔點(diǎn)相。存在與銅形成低熔點(diǎn)液體的許多元素。這些元素包括Al、Si和Si。Al和Si均與Cu形成共晶體，并且共晶體對(duì)于Cu-Al而言具有M8 ！的熔點(diǎn)，而對(duì)于Cu-Si而言具有802 ！的熔點(diǎn)。Cu-Si系統(tǒng)具有從420 °C至902 °C的低熔點(diǎn)的寬廣范圍的相。除純金屬外，可將合金用作添加劑，該添加劑包括基底金屬與添加元素的組合，例如Cu-Al或Cu-Si合金。另外，由于Cu與P之間的共晶體具有比Cu的熔點(diǎn)低得多的710 °C的熔點(diǎn)，并且對(duì)于減少和/或去除銅上的表面氧化物是已知的，所以由Cu-P合金組成的添加劑可用于接合銅襯底。為了使鍍鎳的銅接頭彼此接合和/或接合至鍍鎳的銅導(dǎo)體，添加劑應(yīng)形成具有低于大約1085 °C的熔點(diǎn)的共晶狀液體，并且還應(yīng)與鎳的鍍層反應(yīng)從而局部地去除鎳的鍍層。 鎳的鍍層通常大約10微米厚，或者為銅接頭片的大約5%。如上所述，與Cu形成低熔點(diǎn)液體的元素包括Al、Si和Si。Al和Si均與Cu形成共晶體，并且這些共晶體對(duì)于Cu-Al而言具有M8 ！的熔點(diǎn)，而對(duì)于Cu-Si而言具有802 ！的熔點(diǎn)。Cu-Si系統(tǒng)具有從420 1至902 °C的低熔點(diǎn)的寬廣范圍的相。為了有效地穿透鎳的鍍層，添加劑應(yīng)不會(huì)與鎳形成高熔點(diǎn)的金屬間化合物，而是應(yīng)與鎳具有低溫的共晶體。Al在640 ！與M具有共晶體，但形成了鎳鋁的金屬間化合物(Al3Ni)。為了反應(yīng)有效，鋁添加劑和鎳層應(yīng)不會(huì)產(chǎn)生過量的Al3Ni (42 wt. % Al(wt.%為重量百分比))。為了確保最少有50%的液體作為反應(yīng)產(chǎn)物，應(yīng)當(dāng)有足夠的 Al可用，使得反應(yīng)產(chǎn)物的總成分低于大約30 wt.%Ni0在假定兩襯底上存在10微米厚的鎳的鍍層時(shí)，需要的純Al添加劑的最小體積僅為鎳的鍍層的體積的大約70%，或者假定均勻的Al箔，則所述箔僅為大約14微米厚(Al的密度為2. 70 g/cm3,Ni的密度為8. 90 g/cm3)。 箔越厚，則導(dǎo)致形成更大量的液體。這將確保共晶液體可溶解掉鎳的鍍層并且開始與襯底的反應(yīng)，而不會(huì)形成過量的高熔點(diǎn)的金屬間化合物。由于Ni和Si形成液體的最低溫度為 954 V，所以硅不會(huì)很好地起作用。因?yàn)閮H非常富含鋅的合金具有低熔點(diǎn)(例如具有80wt. % Si的Y相具有881 °C的熔點(diǎn))，所以鋅同樣不會(huì)很好地起作用。除純金屬外，可將合金用作添加劑，該添加劑包括基底金屬與添加元素的組合，例如Cu-Al合金。為了將鋁電極接合至銅導(dǎo)體(或?qū)~電極接合至鋁導(dǎo)體)，添加劑應(yīng)形成具有低于鋁的熔點(diǎn)(即660 °C)的低熔點(diǎn)材料。由于Al在M8 ！與Cu形成共晶體，所以Al可用作添加劑。一旦共晶體形成并開始與襯底的反應(yīng)，則該反應(yīng)可通過消耗鋁片電極和銅導(dǎo)體材料來繼續(xù)。在該情況下，可通過利用加熱接合部的合適的時(shí)間，或優(yōu)選地通過利用一旦消耗設(shè)定量的片/導(dǎo)體材料就終止反應(yīng)的壓板的位移控制來維持對(duì)接合工藝的控制。為了使鋁的蓄電池電池單元接頭(金屬或合金)彼此接合，添加劑應(yīng)與具有660 V 的熔點(diǎn)的鋁形成低熔點(diǎn)液體。合適的添加劑包括銅、硅、鋅和鎂。由鋁與這些元素形成的二元合金的最低固相線溫度對(duì)于Cu-Al而言為M8 °C，對(duì)于Si-Al而言為577 °C，對(duì)于Si-Al 而言為381 °C，而對(duì)于Mg-Al而言為437 °C。只要在低于工件的固相線溫度的溫度提供合適的液體體積，則包括上述元素的合金就可用作反應(yīng)材料。合金可用作反應(yīng)材料，該反應(yīng)材料可包括工件基底金屬與添加元素的組合，例如用于接合鋁合金部件的Al-Si合金或 Al-Si-Cu 合金。作為本發(fā)明的另一實(shí)施例，可使用顆粒的混合物，該顆?；旌衔锞哂羞M(jìn)行反應(yīng)以形成含液相的明顯不同的成分。例如，合適的銅與鋁顆粒的混合物將產(chǎn)生與鋁接合表面反應(yīng)并潤(rùn)濕鋁接合表面的液體，但卻是在不消耗過量的待接合部件的情況下產(chǎn)生相當(dāng)大量的反應(yīng)產(chǎn)物。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，工件中的一方或兩者的接合面可形成有表面特征，例如用于保持界面反應(yīng)材料的諸如凹痕、隆起、淺凹口或空腔。在空腔的情況下，工件可通過用于接合對(duì)向的工件表面的襯墊或突起而結(jié)合。工件材料的這些表面特征被成形以臨時(shí)保持反應(yīng)材料，直到所組裝的工件被加熱以開始焊接工藝為止。然后，反應(yīng)材料與工件表面特征反應(yīng)，以形成具有其低熔點(diǎn)液體的反應(yīng)產(chǎn)物并找平用于焊接的工件表面。在形成于均勻厚度的片中的特征(諸如凹痕或隆起)的情況下，這些特征臨時(shí)保持反應(yīng)材料，直到所組裝的工件被加熱以開始焊接工藝為止。然后，反應(yīng)材料與工件表面特征反應(yīng)，并且隨著這些特征在負(fù)載作用下變形而遍布整個(gè)表面，以形成連續(xù)的焊接部。具有居間反應(yīng)材料的工件可支撐在合適的框架、夾具、吊架等等上。加熱設(shè)備和擠壓設(shè)備用于將工件壓靠在反應(yīng)材料上，并將反應(yīng)材料加熱至低于工件的固相線溫度的溫度，但加熱至適于促進(jìn)形成反應(yīng)產(chǎn)物并清潔金屬表面的溫度。在本發(fā)明的許多實(shí)施例中，組裝的工件可直接支撐在用于工件的受控加熱和擠壓的機(jī)構(gòu)或設(shè)備上。例如，合適成形的加熱塊可用于接合工件的背側(cè)(即非接合側(cè))。這樣的加熱塊(例如可以是電阻加熱塊)被成形以接合面向外的工件表面，從而將工件的接合面壓靠在共同延伸地放置的反應(yīng)材料上，并通過工件中的至少一個(gè)工件將熱傳導(dǎo)至反應(yīng)材料。但本發(fā)明的實(shí)踐不局限于電阻加熱。許多其他的加熱裝置和能量給予裝置可用于對(duì)放置在待接合的表面處的反應(yīng)材料進(jìn)行加熱。該反應(yīng)冶金實(shí)踐對(duì)于將工件焊接到一起非常有用。根據(jù)本發(fā)明，該方法被實(shí)施以管理焊接物件的尺寸，并使構(gòu)件在焊接界面處的畸變最小。這可能在工件具有僅幾毫米或更小的厚度時(shí)(例如通常為大約0. 2 mm厚的蓄電池電池單元接頭時(shí))是尤其需要考慮的問題。這樣的尺寸控制通過如下方式實(shí)現(xiàn)控制由反應(yīng)材料消耗和作為反應(yīng)產(chǎn)物丟棄的工件材料的量，以及控制工件在接合期間所經(jīng)歷的變形量。對(duì)于例如小于1 mm厚度的非常薄的材料的情形而言，在期望特定的最終材料厚度的情況下，可以較大的厚度生產(chǎn)材料，然后通過反應(yīng)和應(yīng)力將該材料便薄至期望的最終厚度。在加熱步驟中精密控制界面的溫度，以在保持低于工件面的固相線溫度的同時(shí)形成流動(dòng)的反應(yīng)產(chǎn)物。例如，在鋁-銅共晶體可在大約M8 °C熔化的同時(shí)，AA6061工件可具有大約582 °C的固相線。熱電偶和溫度控制器可用于控制界面溫度。應(yīng)仔細(xì)留意界面處壓力的施加，以使焊接區(qū)的畸變最小。所應(yīng)用的第一壓力可用于形成清潔金屬表面的反應(yīng)產(chǎn)物，然后第二壓力用于使反應(yīng)產(chǎn)物從經(jīng)過清潔的面之間移位。但是，將壓力和工件位移保持在使被清潔的熱焊接面的不期望變形最小化的水平?？赏ㄟ^例如作用于加熱器塊的伺服電機(jī)、或通過塊之間的機(jī)械止動(dòng)件來控制界面位移。因此，本發(fā)明的反應(yīng)冶金接合工藝可以被實(shí)施，以在寬廣范圍的表面區(qū)域上的金屬表面之間形成固態(tài)焊接。該工藝適用于片材至片材的焊接，并且適用于在許多其他鍛造和鑄造工件形狀之間形成焊接。本發(fā)明還提供了以下方案
方案1. 一種在第一金屬或金屬合金工件與第二金屬或金屬合金工件之間形成固態(tài)焊接的方法，所述第一金屬或金屬合金為鋁或銅，所述第二金屬或金屬合金為鋁或銅，所滿足的條件是當(dāng)所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金中的一個(gè)是鋁時(shí)，所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金中的另一個(gè)為銅，所述方法包括
選擇反應(yīng)材料，所述反應(yīng)材料為金屬元素、或者兩種或更多元素的合金、或兩種或更多不同元素或合金的混合物，采用的形式為被放置在所述第一金屬合金工件的第一接合表面與所述第二金屬合金工件的第一接合表面之間，并且與所述第一金屬合金工件的第一接合表面和所述第二金屬合金工件的第一接合表面接觸，所述金屬元素或合金選擇成在被加熱至低于所述第一金屬合金的固相線溫度的溫度時(shí)至少與所述第一金屬合金工件的第一接合表面反應(yīng)，以形成包括所述金屬元素和所述第一金屬合金元素的含液反應(yīng)產(chǎn)物；
制備所述第一金屬合金工件和所述第二金屬合金工件的組件，其中所述第一金屬合金工件和所述第二金屬合金工件的相應(yīng)的面對(duì)面的第一接合表面由所述反應(yīng)材料分開，所述反應(yīng)材料的量被預(yù)定，以便在形成反應(yīng)產(chǎn)物中消耗所述工件中的一個(gè)或兩者的指定量；
以第一壓力水平擠壓所述組件，使得所述對(duì)向的第一接合表面接合所述反應(yīng)材料，并加熱所述反應(yīng)材料達(dá)預(yù)定時(shí)間以形成所述反應(yīng)產(chǎn)物，并消耗所述對(duì)向的工件的一部分； 將基本上所有形成的反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出；以及在將基本上所有形成的反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出之后，保持所述第一接合表面彼此抵靠，直到在所述第一接合表面之間形成固態(tài)焊接接合部為止。方案2.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金和所述第二金屬或金屬合金為銅。方案3.根據(jù)方案2所述的方法，其中，所述反應(yīng)材料包括鋁、硅或鋅中的至少一種金屬元素，或者包括它們的合金。方案4.根據(jù)方案2所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金、或者所述第二金屬或金屬合金、或者所述兩者具有鎳涂層。方案5.根據(jù)方案4所述的方法，其中，反應(yīng)材料為鋁或其合金。方案6.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金為鋁。方案7.根據(jù)方案6所述的方法，其中，所述反應(yīng)材料包括鋁或其合金。方案8.根據(jù)方案6所述的方法，其中，存在至少兩個(gè)第一金屬或金屬合金工件， 其中所述第一金屬或金屬合金工件在與所述第一接合表面相對(duì)的側(cè)面上具有第二接合表面，其中所述第二第一金屬或金屬合金工件具有第一接合表面，并且還包括
選擇第二反應(yīng)材料，所述第二反應(yīng)材料為金屬元素、或者兩種或更多元素的合金、或者兩種或更多不同元素或合金的混合物，其形式為被放置在所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面與所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面之間，并與所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面和所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面接觸，所述金屬元素或合金選擇成在被加熱至低于所述第一金屬或金屬合金的固相線溫度的溫度時(shí)，至少與所述第二第一金屬或金屬合金工件的所述第一接合表面反應(yīng)，以形成包括所述金屬元素和所述第一金屬或金屬合金元素的第二含液反應(yīng)產(chǎn)物；以及
制備所述組件，其中所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面與面對(duì)面的所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面由所述第二反應(yīng)材料分開。方案9.根據(jù)方案8所述的方法，其中，所述第二反應(yīng)材料包括銅、硅、鋅或鎂中的至少一種金屬元素或它們的合金。方案10.根據(jù)方案1所述的方法，還包括將所述組件上的壓力提高至較高的壓力水平，以幫助將基本上所有形成的反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出。方案11.根據(jù)方案1所述的方法，還包括
在所述工件中的至少一個(gè)工件的接合表面中形成用于反應(yīng)材料的空腔，并將反應(yīng)材料放置在所述空腔中；以及
制備所述工件的組件，使得所述反應(yīng)材料在受熱時(shí)與限定所述空腔的所述接合表面的合金材料反應(yīng)，從而形成所述反應(yīng)產(chǎn)物。
方案12.根據(jù)方案1所述的方法，其中，所述第二金屬或金屬合金工件的厚度與所述第一金屬或金屬合金工件的厚度的比率至少為3:1。方案13.根據(jù)方案1所述的方法，還包括將所述第一接合表面的位移限制到預(yù)定值。方案14.根據(jù)方案13所述的方法，其中，利用伺服槍或機(jī)械止動(dòng)件來控制將所述接合表面的所述位移限制到預(yù)定值。方案15.根據(jù)方案1所述的方法，還包括冷卻所述第一金屬或金屬合金工件。方案16.根據(jù)方案15所述的方法，其中，在將所述組件擠壓到一起的同時(shí)冷卻所述第一金屬或金屬合金工件的一部分。方案17. —種在至少兩個(gè)第一金屬或金屬合金工件與第二金屬或金屬合金工件之間形成固態(tài)焊接的方法，所述第一金屬或金屬合金為鋁或銅，所述第二金屬或金屬合金為鋁或銅，所滿足的條件是當(dāng)所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金中的一個(gè)是鋁時(shí)，所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金中的另一個(gè)為銅，所述方法包括
選擇第一反應(yīng)材料，所述第一反應(yīng)材料為金屬元素、或者兩種或更多元素的合金、或者兩種或更多不同元素或合金的混合物，其形式為被放置在所述第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面與所述第二金屬或金屬合金工件的第一接合表面之間，并與所述第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面和所述第二金屬或金屬合金工件的第一接合表面接觸，所述金屬元素或合金選擇成在被加熱至低于所述第一金屬或金屬合金的固相線溫度的溫度時(shí)， 至少與所述第一金屬或金屬合金工件的所述第一接合表面反應(yīng)，以形成包括所述金屬元素和所述第一金屬或金屬合金元素的第一含液反應(yīng)產(chǎn)物；
選擇第二反應(yīng)材料，所述第二反應(yīng)材料為金屬元素、或者兩種或更多元素的合金、或者兩種或更多不同元素或合金的混合物，其形式為被放置在所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面與所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面之間，并與所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面和所述第二金屬或金屬合金工件的第一接合表面接觸， 其中所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面在與所述第一接合表面相對(duì)的側(cè)面上， 所述金屬元素或合金選擇成在被加熱至低于所述第一金屬或金屬合金的固相線溫度的溫度時(shí)，至少與所述第二金屬或金屬合金工件的所述第一接合表面反應(yīng)，以形成包括所述金屬元素和所述第一金屬或金屬合金元素的第二含液反應(yīng)產(chǎn)物；
制備所述至少兩個(gè)第一金屬或金屬合金工件和所述第二金屬或金屬合金工件的組件， 其中一個(gè)第一金屬或金屬合金工件的所述第一接合表面與面對(duì)面的所述第二金屬或金屬合金工件的第一接合表面由所述第一反應(yīng)材料分開，并且所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面與面對(duì)面的所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面由所述第二反應(yīng)材料分開，所述第一反應(yīng)材料的量被預(yù)定，以便在形成反應(yīng)產(chǎn)物中消耗所述第一金屬或金屬合金工件或者所述第二金屬或金屬合金工件或者所述兩者的指定量，所述第二反應(yīng)材料的量被預(yù)定，以便在形成反應(yīng)產(chǎn)物中消耗所述第一金屬或金屬合金工件的指定量；
以第一壓力水平擠壓所述組件，使得所述對(duì)向的接合表面接合所述第一反應(yīng)材料和所述第二反應(yīng)材料，并加熱所述第一反應(yīng)材料和所述第二反應(yīng)材料達(dá)預(yù)定時(shí)間，以便形成所述第一反應(yīng)產(chǎn)物和所述第二反應(yīng)產(chǎn)物，并消耗所述對(duì)向工件的一部分；將所述組件上的壓力提高至較高的壓力水平，以在將所述接合表面的位移限制到預(yù)定值的同時(shí)，將基本上所有形成的第一反應(yīng)產(chǎn)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出；以及
在將基本上所有形成的反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出之后，保持所述第一接合表面彼此抵靠，直到在所述第一接合表面之間形成固態(tài)焊接的接合部為止。方案18.根據(jù)方案17所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金和所述第二金屬或金屬合金為銅。方案19.根據(jù)方案18所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金、或者所述第二金屬或金屬合金、或者所述兩者具有鎳涂層。方案20.根據(jù)方案17所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金為鋁，而所述第二金屬或金屬合金為銅。方案21.根據(jù)方案17所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金為銅，而所述第二金屬或金屬合金為鋁。方案22.根據(jù)方案17所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金具有鎳涂層。由以下的詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明的以上及其他的優(yōu)點(diǎn)和新的有用結(jié)果對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將變得顯而易見。


圖1A-1C示出了工藝的示意性剖視圖，其例示出在固態(tài)接合的發(fā)展中的三個(gè)階段。工件和加熱塊的尺寸不必按比例繪制，而是為了對(duì)焊接工藝的實(shí)施例進(jìn)行例示。圖2示出了整體表面特征的第一實(shí)施例，所述整體表面特征可結(jié)合到工件中的一個(gè)或兩者的接合表面中，以接納反應(yīng)材料并使得能夠?qū)偟慕雍喜亢穸冗M(jìn)行較好的控制。圖3示出了整體表面特征的第二實(shí)施例，所述整體表面特征可結(jié)合到工件中的一個(gè)或兩者中，以接納反應(yīng)材料并使得能夠?qū)偟慕雍喜亢穸冗M(jìn)行較好的控制。圖4是在接合金屬部件的工藝的實(shí)施例中用于加熱焊接界面并向焊接界面施加壓力的設(shè)備(電阻焊槍臂)的示意圖。圖5是工藝的實(shí)施例的示意圖，其中待焊接的兩個(gè)工件的幾何形狀禁止或防止用于加熱焊接界面的雙側(cè)接近途徑。圖6例示了工藝的實(shí)施例，其中將要形成在不平行的表面上的兩個(gè)構(gòu)件之間的多個(gè)接合部。圖7示出了利用本發(fā)明制成的焊接件的局部段的低倍顯微圖片，其中示出了接合部、一些俘獲的銅焊合金和排出的銅焊合金。圖8示出了圖7所示的焊接件的一部分的高倍顯微圖片，其中示出了接合部和一些俘獲的銅焊合金。圖9A-C示出了工藝的另一實(shí)施例的示意性剖視圖，其中示出了銅的蓄電池電池單元接頭到銅導(dǎo)體的接合的發(fā)展的三個(gè)階段。圖10A-C示出了工藝的另一實(shí)施例的示意性剖視圖，其中示出了鋁的蓄電池電池單元接頭到銅導(dǎo)體的接合的發(fā)展的三個(gè)階段。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及用于接合金屬或金屬合金工件的固態(tài)焊接工藝。在接合表面之間臨時(shí)地形成包括流動(dòng)的低熔化溫度的含液材料的反應(yīng)產(chǎn)物。流動(dòng)材料形成為待接合表面與預(yù)置材料之間的反應(yīng)產(chǎn)物，所述預(yù)置材料關(guān)于其與基底金屬合金進(jìn)行反應(yīng)的能力而專門選擇。 在所施加的力的作用下，反應(yīng)產(chǎn)物從接合部移走并留下清潔的無氧化物的鋁或銅的表面， 該清潔的無氧化物的鋁或銅的表面在繼續(xù)的壓力作用下形成金屬至金屬的結(jié)合。該工藝可以被實(shí)施，以管理工件的對(duì)向表面的消耗和變形。在本發(fā)明的許多實(shí)施例中，該工藝可用于在銅金屬或合金或者鋁金屬或合金的工件與其它的銅金屬或合金或者鋁金屬或合金的工件之間形成固態(tài)焊接界面。鋁基合金的示例為AAllOO (643 °C的固相線溫度)、AA1060 (固相線為646 °C)和AA1350 (固相線為646
0O0該工藝經(jīng)常可用于在接合部位置處焊接具有相對(duì)薄的壁的片材或其它工件。圖 IA — IC用于例示這樣的實(shí)施例。在圖IA中，在此以重疊構(gòu)造示出的兩個(gè)金屬工件10和20位于兩支撐塊15與25 之間，并且相應(yīng)地使顆粒反應(yīng)材料層12位于待焊接的工件10、20的預(yù)期結(jié)合表面之間。在工件由鋁合金形成的情況下，反應(yīng)材料例如可以是元素銅、鎂、硅和/或鋅。這些元素的混合物或包含這些元素的合金可用作反應(yīng)材料。對(duì)反應(yīng)材料的顆粒形式的描述并不意圖是限制性的。還可使用諸如箔、線、網(wǎng)或織物之類的替代形式，但是，如在本說明書稍后部分中更完全地揭示的那樣，具有不規(guī)則幾何形狀的材料形式(諸如顆粒、線或織物)在某些特定的實(shí)施例中可提供超過箔的優(yōu)點(diǎn)。反應(yīng)材料12可以作為固體被手動(dòng)或機(jī)動(dòng)地(或通過機(jī)器人)輸送到接合部區(qū)域，或者專門用于顆粒形式，作為可分配流體中的彌散物或糊料而被夾帶，所述可分配流體對(duì)于該工藝是有益的，或者所述可分配流體在處理期間將蒸發(fā)掉。這些過程對(duì)于接合領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是熟知的。工件經(jīng)受通過支撐塊施加的并在方向上垂直于支撐塊的第一壓力P，該第一壓力 P足以在接觸的工件表面11和21與反應(yīng)材料12之間至少建立良好的機(jī)械接觸。在圖IB中，在仍然處于壓力ρ的作用下的同時(shí)，將工件10和20以及顆粒反應(yīng)材料12加熱至工藝溫度T，該工藝溫度T足夠使反應(yīng)材料12擴(kuò)散到工件的表面11和21的鋁合金成分或銅成分中，或以另外的方式與所述鋁合金成分或銅成分相互作用，以形成反應(yīng)產(chǎn)物14。反應(yīng)產(chǎn)物14包括低熔點(diǎn)液體，該低熔點(diǎn)液體結(jié)合有原始的反應(yīng)材料、通過與工件10、20的表面11、21的反應(yīng)以及工件10、20的表面11、21的部分溶解所引入的額外的元素組分。該低熔化溫度的液體還可包括從表面11和21去除的固體氧化物等。應(yīng)意識(shí)到的是，顆粒反應(yīng)材料12可選擇成具有這樣的初始成分，所述初始成分使得來自工件10和20 的合金元素的加入不會(huì)將反應(yīng)產(chǎn)物14的熔點(diǎn)提高至高于工藝溫度T的溫度。更優(yōu)選地，另外的元素添加到反應(yīng)材料12中以形成反應(yīng)產(chǎn)物14將導(dǎo)致反應(yīng)材料12的熔點(diǎn)的進(jìn)一步降低，例如在三元、四元或更多元組分的共晶合金中所觀察到的那樣。如上所述，反應(yīng)材料12可以不同的和/或組合的固體形式來使用，諸如顆粒、線、 網(wǎng)、片或膜。但居間材料的成分和形狀被選擇成破壞待焊接的鋁或銅金屬或合金工件的對(duì)向表面(諸如表面11、21)上的氧化膜及其他表面成分，以形成流體的含液反應(yīng)產(chǎn)物14?？赏ㄟ^對(duì)氧化膜的額外機(jī)械破壞來促進(jìn)反應(yīng)產(chǎn)物14更快速的形成，所述氧化膜在加熱期間出現(xiàn)于組裝的對(duì)向表面11和21與居間反應(yīng)材料12之間。這可通過利用機(jī)械運(yùn)動(dòng)和超聲波激勵(lì)來實(shí)現(xiàn)，所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)可以是與接合表面橫向的運(yùn)動(dòng)，而所述超聲波激勵(lì)可在遠(yuǎn)離焊接區(qū)的便利位置處施加并通過支撐塊15和25傳送至焊接區(qū)。優(yōu)選的是，具有液體或液體與固體的反應(yīng)產(chǎn)物14的流動(dòng)性在所施加的壓力ρ的作用下可導(dǎo)致其在工件10與20之間的整個(gè)加壓接觸區(qū)域上的分布，從而形成反應(yīng)區(qū)16，反應(yīng)區(qū)16可以比反應(yīng)材料12的顆粒原始分布在其上的區(qū)域更大。已描述了當(dāng)采用在反應(yīng)溫度T處為固體的較高熔點(diǎn)的反應(yīng)材料時(shí)的本發(fā)明的實(shí)踐。應(yīng)意識(shí)到的是，在反應(yīng)溫度T時(shí)為液體的低熔點(diǎn)反應(yīng)材料同樣合適。由于所施加的壓力P，所以從反應(yīng)區(qū)16部分地排出含液反應(yīng)產(chǎn)物14，但在本發(fā)明的預(yù)期實(shí)踐中，熔化的反應(yīng)產(chǎn)物14的薄膜將存在于無氧化物的工件表面11’與21’之間， 以防止它們彼此接觸。更重要的是，熔化反應(yīng)產(chǎn)物14的薄膜防止大氣中的氧進(jìn)入反應(yīng)區(qū) 16，并從而使得表面11’和21’能夠持續(xù)地免于氧化。在圖IC中，圖IB所示的接合部構(gòu)造經(jīng)受第二壓力P (如果需要，多于兩個(gè)壓力)， 該第二壓力P通常明顯大于P，并足以大致完全從反應(yīng)區(qū)16排出反應(yīng)產(chǎn)物14，從而在仍然處于操作溫度T的同時(shí)使得無氧化物的工件表面11’與21’能夠獲得密切接觸，并因此在反應(yīng)區(qū)16中通過剩余反應(yīng)產(chǎn)物14在其周邊產(chǎn)生固態(tài)結(jié)合。替代性地，接合部構(gòu)造可經(jīng)受一個(gè)施加的壓力，在該一個(gè)施加的壓力的作用下發(fā)生反應(yīng)，并且在該一個(gè)施加的壓力下大致完全排出反應(yīng)產(chǎn)物。然而，兩個(gè)壓力水平或一個(gè)壓力水平和有限位移(如以下所描述地)是優(yōu)選的。最后，使被接合的工件大約冷卻至室溫，并允許反應(yīng)產(chǎn)物14凝固。然后，可從焊接區(qū)的周邊去除反應(yīng)產(chǎn)物14。應(yīng)意識(shí)到的是，通過壓力ρ或壓力P的施加，產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)的位移。如上所述，人們相信，與壓力P相關(guān)聯(lián)的位移有益于使氧化物層破碎或破裂，否則氧化物層將阻止反應(yīng)。然而，由于除反應(yīng)材料12已轉(zhuǎn)化成反應(yīng)產(chǎn)物14的反應(yīng)區(qū)16之外，壓力P還施加至工件10和 20的加熱區(qū)域，所以與壓力P相關(guān)聯(lián)的位移可能是有害的。加熱區(qū)域比相鄰的冷區(qū)域軟，并因此可更容易被支撐塊15和25壓印出凹痕。任何這樣的壓痕都導(dǎo)致接合部中的工件的變薄，并因此可降低其強(qiáng)度。由于工件10和20的一部分已經(jīng)與反應(yīng)材料12進(jìn)行反應(yīng)而消耗以及隨后從接合部排出，它們已不能對(duì)接合部有所貢獻(xiàn)，所以接合部強(qiáng)度由變薄而引起的進(jìn)一步的降低可能是不期望的?？紤]用于接合部和總體系統(tǒng)(反應(yīng)材料和工件)的冶金的設(shè)計(jì)需求，從而實(shí)踐該工藝，以將工件界面處的變薄或變形限制到合適的程度。例如，考慮0.5 mm厚的鋁片到相同的片的結(jié)合，其中將銅箔用作反應(yīng)材料并將鋁的最大損失限制到每片0. 1 mm，。采用這些條件和約束，并已知所形成的反應(yīng)產(chǎn)物(14)為具有大約Mwt. %的銅的成分的Al-Cu共晶體， 直接計(jì)算出的是，銅箔的厚度應(yīng)小于0.03 mm。這當(dāng)然假定了可容易地得到期望厚度的箔。 此外，當(dāng)考慮更復(fù)雜的合金系統(tǒng)時(shí)，所得到的反應(yīng)產(chǎn)物(14)的成分可能不是先驗(yàn)已知的?？紤]到這兩個(gè)問題，需要確認(rèn)替代方法。因此，在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，替代強(qiáng)加的壓力P，優(yōu)選地強(qiáng)加位移δ，該位移δ足以獲得期望的固態(tài)焊接，但意在限制接合部變薄或使接合部的變薄最小。于是隨著工藝的進(jìn)行，本發(fā)明的實(shí)踐需要對(duì)支撐塊的控制從負(fù)載控制(壓力P的施加)到位移控制(位移 δ的強(qiáng)加)的轉(zhuǎn)換。用于獲得上述情形的裝置為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知。圖1示出了由諸如可在軋制品或擠壓制品中觀察到的大體上平坦或平滑的接合表面構(gòu)成的工件10和20。然而，還可設(shè)想的是，在接合表面形成有淺的凹陷或凹處并且抵靠另一工件的互補(bǔ)的對(duì)向接合表面放置的情況下實(shí)踐本發(fā)明，該淺的凹陷或凹處用于容納反應(yīng)材料。例如，較重的鍛造制品或鑄造制品在無需單獨(dú)的機(jī)械加工步驟的情況下提供了引入淺的容器的機(jī)會(huì)，該淺的容器用于將反應(yīng)材料臨時(shí)地保持在工件否則平坦或無特征的接合表面中。容器的壁或側(cè)面的低限制表面便利地提供了用于與所放置的反應(yīng)材料進(jìn)行反應(yīng)的鋁合金或銅合金。圖2中示出這樣的凹陷或凹處的示例。圖2是工件的局部視圖，其中具有工件的預(yù)期接合表面的一部分。在該實(shí)施例中，工件可以是擠壓或鑄造物體，其中接合表面部分 40形成有在工件40的預(yù)期正常水平上突出小的距離(例如大約一毫米左右)的若干平行條 42。在此，接合表面40是較大的擠壓或鑄造工件的一部分。反應(yīng)材料12的離散顆粒(或線或其他形狀)被示出在條42的上表面43上和在條42之間的112處。當(dāng)?shù)挚恐诙ぜM裝該工件時(shí)，條42的表面43可初始地接合相對(duì)的接合表面。當(dāng)將組裝工件的接合表面壓到一起并加熱所述表面時(shí)，反應(yīng)材料12和112可與條42的材料反應(yīng)并且與對(duì)向表面反應(yīng)， 以形成具有其低熔點(diǎn)液體的內(nèi)容物的反應(yīng)產(chǎn)物。條42在該反應(yīng)中可被消耗，以在工件之間為待形成的焊接部提供更大的表面區(qū)域。優(yōu)選預(yù)定反應(yīng)材料的量以及條的尺寸和數(shù)量(或限制材料的其他凹陷)，以去除所述條并便于流動(dòng)的反應(yīng)產(chǎn)物的排出。反應(yīng)材料112在凹陷或空腔中的這種分布在本發(fā)明的許多實(shí)踐中都是有益的。反應(yīng)材料與空腔之間增加的接觸可增強(qiáng)反應(yīng)物與工件接合表面之間的相互作用。更大表面積的表面被暴露于用于去除表面氧化物層的反應(yīng)材料。并且，即使沒有被反應(yīng)材料完全地消耗，任何剩余的表面突起可通過壓力P變形，以減小工件的總變形并產(chǎn)生能夠經(jīng)歷期望的固態(tài)結(jié)合的大體上平坦的界面。圖3示出這樣的工件接合表面的進(jìn)一步的變型，其中在工件表面40上形成十字形的條或壁42，以限定用于包含反應(yīng)材料顆粒112的淺空腔44。應(yīng)意識(shí)到的是，條的上表面 43盡管描繪成平坦的，但可制成一系列構(gòu)形、尤其是可使得相對(duì)工件上的氧化層更有效的破碎成為可能的那些構(gòu)形。這些構(gòu)形包括通過用高壓空氣的噴砂或噴丸處理產(chǎn)生的構(gòu)形， 以提供粗糙的糙面紋理。諸如凹陷或凹進(jìn)之類的特征的另一示例是在恒定厚度的薄片中形成凹痕、隆起或其他特征。在該實(shí)施例中，工件可以是沖壓的箔片，其中接合表面部分形成有在工件表面的預(yù)期正常水平上突出小的距離(例如大約0. 1毫米左右)的特征。在此，接合表面是較大的片狀接頭的一部分。反應(yīng)材料的離散顆粒嵌入由所述特征形成的凹陷中。這用作提供反應(yīng)材料的均勻分布的方式，其中該均勻分布在平滑無特征的表面的情況下可能更困難。當(dāng)?shù)挚恐诙ぜM裝該工件時(shí)，所述表面可初始地接合相對(duì)的接合表面。當(dāng)將組裝工件的接合表面壓到一起并加熱所述表面時(shí)，反應(yīng)材料可與兩工件表面反應(yīng)，以形成具有其低熔點(diǎn)液體的內(nèi)容物的反應(yīng)產(chǎn)物。工件表面在該反應(yīng)中被均勻地消耗，以在工件之間為待形成的焊接部提供更多的表面區(qū)域。優(yōu)選預(yù)定反應(yīng)材料的量和限制材料的凹陷的尺寸和數(shù)量。
前述說明意在用于描述適于各種各樣的工件的工藝。反應(yīng)材料的金屬元素或合金成分基于組成相應(yīng)工件的接合表面的鋁或銅的金屬或合金的成分確定，并應(yīng)選擇成使得其滿足以下標(biāo)準(zhǔn)
a.引入到工件的加壓區(qū)域之間的間隙中的反應(yīng)材料(或多組分顆?；旌衔锏膯为?dú)組分顆粒)的固相線溫度可低于或高于工件的固相線溫度。但反應(yīng)材料在與工件反應(yīng)或合金化時(shí)應(yīng)產(chǎn)生具有比工件的固相線溫度低的固相線溫度的合金(反應(yīng)產(chǎn)物)，使得用于形成反應(yīng)產(chǎn)物的工藝溫度T不會(huì)導(dǎo)致過度的工件軟化；
b.由反應(yīng)材料與工件表面的反應(yīng)形成的合金在熔化時(shí)，在對(duì)工件表面的氧化物以及對(duì)清潔表面之間形成固態(tài)焊接部的其他障礙物進(jìn)行的清潔中必須至少潤(rùn)濕工件表面。更優(yōu)選地，還潤(rùn)濕氧化的工件表面，使得熔化的合金可展開并在整個(gè)加壓接合區(qū)域上與工件相互作用。以及
c.當(dāng)已溶解工件的最大部分時(shí)并且當(dāng)合金可結(jié)合預(yù)先存在的工件氧化物的顆粒時(shí)， 在工藝完結(jié)時(shí)形成的合金應(yīng)具有粘性，使得該合金可通過施加壓力P大致從工件加壓區(qū)域之間的間隙完全排出。僅根據(jù)以上的說明書，本發(fā)明可實(shí)踐于類似成分的工件，例如相同或不同成分或合金系列的鋁合金；不同成分的工件，例如鋁和銅；以及涂布到它們本身或其他合金的涂布材料，例如到鋁的鍍鎳銅。對(duì)于涂布材料，可選擇反應(yīng)材料12的量和成分，以去除所有的涂層，包括在涂層與襯底之間形成的任何反應(yīng)產(chǎn)物。在特定的情況下，如果涂層與襯底之間的結(jié)合足夠強(qiáng)，或者如果在結(jié)合中需要涂層的有益效應(yīng)，則可能夠僅去除涂層的一部分。當(dāng)然應(yīng)意識(shí)到的是， 襯底與涂層之間的結(jié)合本身必須能夠固態(tài)焊接。作為示例，對(duì)于鋁上的陽極氧化涂層，由于在陽極氧化層存在的情況下不可能有對(duì)鋁的潤(rùn)濕和金屬至金屬結(jié)合的形成，所以需要涂層的完全去除。圖4示出了用于實(shí)踐本發(fā)明的另一實(shí)施例，并描繪了結(jié)合在可能是點(diǎn)焊伺服槍的支撐框架中的圖1所示元件。圖4所示的機(jī)械特征的構(gòu)造僅是示例性的，并且不應(yīng)解釋成限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明可利用以不同方式致動(dòng)的點(diǎn)焊伺服槍、以及通過除點(diǎn)焊伺服槍以外的裝置和機(jī)構(gòu)來實(shí)踐。然而，由于工藝需要力和/或位移的程序化施加(其是當(dāng)前伺服槍設(shè)計(jì)中容易得到的能力)，所以點(diǎn)焊伺服槍的使用是有利的。為了如所描述地在工件10與20之間制造接合部，遵循以下的過程 將合適量的反應(yīng)材料12定位在預(yù)期的接合部區(qū)域中；
打開喉部60，以允許裝載工件10與20，其中顆粒反應(yīng)材料12位于工件10與20之間。 在圖4所示的布置中，這通過使可動(dòng)臂58繞樞軸52沿由箭頭55指示的方向旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)， 直到可動(dòng)臂58與固定臂57之間的間隙60足夠引入工件為止；
通過使可動(dòng)臂58繞樞軸52沿與由箭頭55所指示的方向相反的方向旋轉(zhuǎn)來閉合喉部 60，以使得支撐塊15和25能夠接觸工件10和20的表面13和23并施加壓力ρ ； 將工件10、20和顆粒反應(yīng)材料12加熱至溫度T ；
在足夠使顆粒反應(yīng)材料12與工件10和20能夠完全反應(yīng)的時(shí)間之后，施加增大的力P， 或在替代的實(shí)施例中施加指定的位移δ，以排出已經(jīng)反應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物14 ； 中止加熱；以及打開喉部60，以去除焊接的工件。加熱可利用各種方法實(shí)現(xiàn)。例如，可將電阻加熱與支撐墊15、25 —起使用，以使預(yù)定的電流通過加壓區(qū)域達(dá)預(yù)定的時(shí)間。替代性地，支撐墊可以通過例如結(jié)合有筒形加熱器 (未示出)而在外部加熱，筒形加熱器依賴于傳導(dǎo)將熱輸送到工件的界面(或接觸面)11和 21，即傳導(dǎo)加熱。最后，結(jié)合感應(yīng)線圈以使用感應(yīng)加熱也是可行的。類似地，可采用許多方法以在工件之間的接合部形成之后冷卻工件。應(yīng)指出的是， 盡管反應(yīng)產(chǎn)物14在工藝完結(jié)時(shí)仍然是熔化的，但這對(duì)接合部的強(qiáng)度沒有任何貢獻(xiàn)，接合部的強(qiáng)度完全可歸因于在大致無氧化物的表面11’與21’之間形成的固態(tài)焊接。因此，最簡(jiǎn)單的過程是在被接合的工件仍然熱的同時(shí)移除所述被接合的工件，并允許在工具外用空氣冷卻它們。如果工藝溫度T高到使得熱的接合部不能支持搬運(yùn)部件或部件上的重力負(fù)載， 則上述情形可能是不可能的。在該情況下，部件可保留在工具中并用空氣冷卻，直到接合部足夠堅(jiān)固為止。替代性地，支撐板15和25可結(jié)合有循環(huán)冷水的冷卻盤管，以更有效地從接合部提取熱。最后，如果部件完全由其他工具和支撐件來支撐，則所述部件在下述情況中仍可保持就位，在所述情況中喉部60打開以使支撐板與接合部脫離，使得所述部件可用空氣冷卻，或者替代性地使所述部件通過吹風(fēng)或?yàn)⑺?噴霧冷卻經(jīng)受增強(qiáng)的冷卻。在先前描述的工藝中，意味著接合部可容易地從兩側(cè)接近。盡管從兩側(cè)接近是廣泛期望的，但也可在接近更受限制的情況下實(shí)踐所述工藝。例如，圖5示出了可能期望將部件附接至諸如管道之類的閉合截面的情形。所提供的管道120被牢固地固定，并且只要能夠供應(yīng)足夠的熱和壓力，就仍可實(shí)踐該工藝。在該示例中，支撐件15能夠安裝在機(jī)器人上， 該機(jī)器人能夠產(chǎn)生所需的壓力或位移，并且可以僅從一側(cè)實(shí)現(xiàn)加熱。圖6示出了擴(kuò)展的類似情形，以便例示出結(jié)合有諸如圖2中詳細(xì)示出的特征的L 形鑄件80將要被附接至閉合的矩形截面85的兩個(gè)表面的情形。應(yīng)指出的是，兩個(gè)接合表面40和相關(guān)的突起42 (和圖2中所例示的突起一樣)彼此垂直地安裝，并因此需要沿由箭頭90所指示的方向施加的壓力ρ和P，以確保在兩表面上的附接。在該情況下，可通過利用每個(gè)接合部所用的單獨(dú)的熱源同時(shí)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)所述接合部。先前討論了由鋁片與作為反應(yīng)材料的銅箔制成接合部的示例，但應(yīng)指出的是，反應(yīng)材料不必為純金屬，并且可以是具有比工件的熔點(diǎn)低的熔點(diǎn)的合金。在圖7中示出了利用鋁4145銅焊合金(熔化范圍521 V -585 °C )在鋁3003-H14 合金(固相線溫度大約為640 °C)的片之間形成的并且大體上遵循本發(fā)明的實(shí)踐的試驗(yàn)性固態(tài)結(jié)合。沿著線200來焊接原始工件211和221，并在接合部的邊緣處示出了被排出的合金214。與由反應(yīng)材料消耗的工件材料相關(guān)聯(lián)以及與由支撐塊(未示出)施加的負(fù)載相關(guān)聯(lián)的表面凹陷被表示為250。應(yīng)指出的是，未出現(xiàn)合金214的完全排出，并且少量的剩余合金 214’被示出為捕集在接合部中。圖8示出了圖7中所示的接合部的更高放大倍率的視圖(在兩顯微圖片上共同地示出了剩余合金214’)，以圖示出在工件211與221之間沒有界面可以檢測(cè)到，這與實(shí)現(xiàn)固態(tài)接合部的實(shí)踐是相符的。圖9A-C示出了用于將由鋁或銅制成的多個(gè)片層(例如蓄電池電池單元接頭)接合至較重的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格銅片(例如導(dǎo)體)的方法。該方法提供了極好的電接觸、足夠的強(qiáng)度、低的成本和高的產(chǎn)出。該方法使用熱的壓板和接合添加劑，以在片表面處開始冶金的凈化反應(yīng)， 該冶金的凈化反應(yīng)導(dǎo)致了兩個(gè)襯底的直接的金屬至金屬的接觸，以便在沒有中間材料(即， 焊料、銅焊或粘合劑，以及可能有腐蝕性的焊劑)的情況下被接合。在圖9A-C中未示出電池
單元囊。在圖9A中，存在三個(gè)銅的蓄電池電池單元接頭305，其在待焊接的預(yù)期結(jié)合表面上具有顆粒反應(yīng)材料層310。如上所述，反應(yīng)材料例如可以是元素的鋁、硅、和/或鋅，它們的合金、它們與銅的合金、銅磷合金、或者這些元素或合金的混合物。反應(yīng)材料可以利用上述方法輸送至接合部區(qū)域。替代性地，接頭可以預(yù)先涂覆有冶金添加劑。這可以高容量的工藝來實(shí)現(xiàn)，例如對(duì)以盤卷形式的電極材料的條帶式處理(strip processing)。合適的工藝包括但不局限于絲網(wǎng)印刷或噴涂添加劑顆粒，或者預(yù)先應(yīng)用使用了粘合劑的添加劑薄箔。銅的蓄電池電池單元接頭305與銅導(dǎo)體315定位于壓板320、325之間。如上所述， 將壓板320、325加熱至接合溫度，該接合溫度足夠反應(yīng)材料310擴(kuò)散到銅的蓄電池電池單元接頭305和銅導(dǎo)體315中，或者以另外的方式與銅的蓄電池電池單元接頭305和銅導(dǎo)體 315相互作用，以形成反應(yīng)產(chǎn)物。如果需要，可用熱電偶控制溫度。壓板通常在接觸之前加熱至接合溫度，以便縮短工藝時(shí)間。然而，這不是必需的，并且壓板也可在接觸之后加熱至接合溫度。如圖9B所示地，壓板320、325移動(dòng)到一起并對(duì)蓄電池電池單元接頭305施加壓力。在充分加熱之后，冶金反應(yīng)產(chǎn)生液體或半固體材料的中間體積。反應(yīng)產(chǎn)物與待接合的表面反應(yīng)，以暴露冶金清潔表面，從而允許清潔表面被靠攏在一起，用于在壓力下進(jìn)行接合。 在來自壓板320、325的壓力下，反應(yīng)產(chǎn)物從接合部中噴出，在此期間對(duì)接頭和導(dǎo)體的表面相應(yīng)進(jìn)行處理，接頭和導(dǎo)體的表面被靠攏以密切接觸，并且將形成如圖9C所示那樣的堅(jiān)固的冶金結(jié)合；340。一旦工藝完成并且襯底表面密切接觸，就分開壓板320、325。如果需要，可利用伺服槍或機(jī)械止動(dòng)件來控制接合間隙，以防止過度變薄。如果太多的熱能沿片狀電極傳遞到蓄電池電池單元中，則可正好在被加熱的壓板 320、325下方將冷卻的壓板330、335夾在電極上。圖10A-C示出了將三個(gè)鋁的蓄電池電池單元接頭307焊接到銅導(dǎo)體315的類似工藝。待與其他鋁的蓄電池電池單元接頭接觸的鋁蓄電池電池單元接頭上的反應(yīng)材料312是用于鋁至鋁的接合，而待與銅導(dǎo)體接觸的鋁蓄電池電池單元接頭上的反應(yīng)材料314是用于鋁至銅的接合。該方法允許高傳導(dǎo)率、高強(qiáng)度、大接觸面積的蓄電池接頭的接合。這允許將許多蓄電池電池單元接頭接合到一起。另外，這允許接合不同的材料。該方法設(shè)計(jì)成利用鋁和銅的襯底、以及利用鍍鎳的銅來工作。盡管已詳細(xì)描述了用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)選模式，但熟悉本發(fā)明所涉及領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到所附權(quán)利要求范圍內(nèi)的用于實(shí)踐本發(fā)明的各種替代性設(shè)計(jì)和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種在第一金屬或金屬合金工件與第二金屬或金屬合金工件之間形成固態(tài)焊接的方法，所述第一金屬或金屬合金為鋁或銅，所述第二金屬或金屬合金為鋁或銅，所滿足的條件是當(dāng)所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金中的一個(gè)是鋁時(shí)，所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金中的另一個(gè)為銅，所述方法包括選擇反應(yīng)材料，所述反應(yīng)材料為金屬元素、或者兩種或更多元素的合金、或兩種或更多不同元素或合金的混合物，采用的形式為被放置在所述第一金屬合金工件的第一接合表面與所述第二金屬合金工件的第一接合表面之間，并且與所述第一金屬合金工件的第一接合表面和所述第二金屬合金工件的第一接合表面接觸，所述金屬元素或合金選擇成在被加熱至低于所述第一金屬合金的固相線溫度的溫度時(shí)至少與所述第一金屬合金工件的第一接合表面反應(yīng)，以形成包括所述金屬元素和所述第一金屬合金元素的含液反應(yīng)產(chǎn)物；制備所述第一金屬合金工件和所述第二金屬合金工件的組件，其中所述第一金屬合金工件和所述第二金屬合金工件的相應(yīng)的面對(duì)面的第一接合表面由所述反應(yīng)材料分開，所述反應(yīng)材料的量被預(yù)定，以便在形成反應(yīng)產(chǎn)物中消耗所述工件中的一個(gè)或兩者的指定量；以第一壓力水平擠壓所述組件，使得所述對(duì)向的第一接合表面接合所述反應(yīng)材料，并加熱所述反應(yīng)材料達(dá)預(yù)定時(shí)間以形成所述反應(yīng)產(chǎn)物，并消耗所述對(duì)向的工件的一部分；將基本上所有形成的反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出；以及在將基本上所有形成的反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出之后，保持所述第一接合表面彼此抵靠，直到在所述第一接合表面之間形成固態(tài)焊接接合部為止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金和所述第二金屬或金屬合金為銅。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述反應(yīng)材料包括鋁、硅或鋅中的至少一種金屬元素，或者包括它們的合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金、或者所述第二金屬或金屬合金、或者所述兩者具有鎳涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，反應(yīng)材料為鋁或其合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一金屬或金屬合金為鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述反應(yīng)材料包括鋁或其合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，存在至少兩個(gè)第一金屬或金屬合金工件，其中所述第一金屬或金屬合金工件在與所述第一接合表面相對(duì)的側(cè)面上具有第二接合表面，其中所述第二第一金屬或金屬合金工件具有第一接合表面，并且還包括選擇第二反應(yīng)材料，所述第二反應(yīng)材料為金屬元素、或者兩種或更多元素的合金、或者兩種或更多不同元素或合金的混合物，其形式為被放置在所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面與所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面之間，并與所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面和所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面接觸，所述金屬元素或合金選擇成在被加熱至低于所述第一金屬或金屬合金的固相線溫度的溫度時(shí)，至少與所述第二第一金屬或金屬合金工件的所述第一接合表面反應(yīng)，以形成包括所述金屬元素和所述第一金屬或金屬合金元素的第二含液反應(yīng)產(chǎn)物；以及制備所述組件，其中所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面與面對(duì)面的所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面由所述第二反應(yīng)材料分開。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述第二反應(yīng)材料包括銅、硅、鋅或鎂中的至少一種金屬元素或它們的合金。
10.一種在至少兩個(gè)第一金屬或金屬合金工件與第二金屬或金屬合金工件之間形成固態(tài)焊接的方法，所述第一金屬或金屬合金為鋁或銅，所述第二金屬或金屬合金為鋁或銅，所滿足的條件是當(dāng)所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金中的一個(gè)是鋁時(shí)， 所述第一金屬或金屬合金或者所述第二金屬或金屬合金中的另一個(gè)為銅，所述方法包括選擇第一反應(yīng)材料，所述第一反應(yīng)材料為金屬元素、或者兩種或更多元素的合金、或者兩種或更多不同元素或合金的混合物，其形式為被放置在所述第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面與所述第二金屬或金屬合金工件的第一接合表面之間，并與所述第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面和所述第二金屬或金屬合金工件的第一接合表面接觸，所述金屬元素或合金選擇成在被加熱至低于所述第一金屬或金屬合金的固相線溫度的溫度時(shí)， 至少與所述第一金屬或金屬合金工件的所述第一接合表面反應(yīng)，以形成包括所述金屬元素和所述第一金屬或金屬合金元素的第一含液反應(yīng)產(chǎn)物；選擇第二反應(yīng)材料，所述第二反應(yīng)材料為金屬元素、或者兩種或更多元素的合金、或者兩種或更多不同元素或合金的混合物，其形式為被放置在所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面與所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面之間，并與所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面和所述第二金屬或金屬合金工件的第一接合表面接觸， 其中所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面在與所述第一接合表面相對(duì)的側(cè)面上， 所述金屬元素或合金選擇成在被加熱至低于所述第一金屬或金屬合金的固相線溫度的溫度時(shí)，至少與所述第二金屬或金屬合金工件的所述第一接合表面反應(yīng)，以形成包括所述金屬元素和所述第一金屬或金屬合金元素的第二含液反應(yīng)產(chǎn)物；制備所述至少兩個(gè)第一金屬或金屬合金工件和所述第二金屬或金屬合金工件的組件， 其中一個(gè)第一金屬或金屬合金工件的所述第一接合表面與面對(duì)面的所述第二金屬或金屬合金工件的第一接合表面由所述第一反應(yīng)材料分開，并且所述第二第一金屬或金屬合金工件的第一接合表面與面對(duì)面的所述第一金屬或金屬合金工件的第二接合表面由所述第二反應(yīng)材料分開，所述第一反應(yīng)材料的量被預(yù)定，以便在形成反應(yīng)產(chǎn)物中消耗所述第一金屬或金屬合金工件或者所述第二金屬或金屬合金工件或者所述兩者的指定量，所述第二反應(yīng)材料的量被預(yù)定，以便在形成反應(yīng)產(chǎn)物中消耗所述第一金屬或金屬合金工件的指定量；以第一壓力水平擠壓所述組件，使得所述對(duì)向的接合表面接合所述第一反應(yīng)材料和所述第二反應(yīng)材料，并加熱所述第一反應(yīng)材料和所述第二反應(yīng)材料達(dá)預(yù)定時(shí)間，以便形成所述第一反應(yīng)產(chǎn)物和所述第二反應(yīng)產(chǎn)物，并消耗所述對(duì)向工件的一部分；將所述組件上的壓力提高至較高的壓力水平，以在將所述接合表面的位移限制到預(yù)定值的同時(shí)，將基本上所有形成的第一反應(yīng)產(chǎn)物和第二反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出；以及在將基本上所有形成的反應(yīng)產(chǎn)物從所述剩余的接合表面之間擠出之后，保持所述第一接合表面彼此抵靠，直到在所述第一接合表面之間形成固態(tài)焊接的接合部為止。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過反應(yīng)冶金的蓄電池接頭的接合。具體地，通過利用以合適的形式放置在接合表面處的反應(yīng)材料來以固態(tài)焊接接合銅金屬或金屬合金工件和/或鋁金屬或金屬合金工件。將工件的接合表面壓靠著居間的反應(yīng)材料并加熱。反應(yīng)材料與工件表面合金化或進(jìn)行反應(yīng)，從而消耗一些表面材料，形成包括低熔點(diǎn)液體的含液反應(yīng)產(chǎn)物，該含液反應(yīng)產(chǎn)物在界面上去除焊接結(jié)合部的氧化膜及其他障礙物。施加進(jìn)一步的壓力，以排出反應(yīng)產(chǎn)物并以固態(tài)焊接結(jié)合來接合工件表面。
文檔編號(hào)B23K28/00GK102310287SQ20111015889
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月14日
發(fā)明者R. 西勒 D., G. 施羅特 J. 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司