CN101856774B - 通过冶金反应焊接轻金属工件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过冶金反应焊接轻金属工件。铝合金工件和/或镁合金工件通过使用在结合表面处以合适形式放置的反应材料而结合成固态焊接件。工件的结合表面压靠放入的反应材料并被加热。反应材料与工件表面形成合金或进行反应，从而在形成反应产物时消耗掉表面材料，该反应产物包括低熔液体，所述低熔液体将氧化物膜和其它表面夹杂物从跨过界面的焊接结合部去除。进一步施加压力以将反应产物驱出并将工件表面结合成固态焊接结合。

Description

通过冶金反应焊接轻金属工件
技术领域
本发明涉及用于结合例如铝合金或镁合金的金属合金工件的固态焊接工艺。包括流动低熔点含液体材料的反应产物暂时性地形成在结合表面之间。该流动材料被形成和用来制备清洁的、无氧化物的铝或镁表面。然后，清洁表面压靠在一起以将反应产物驱出且在不熔化衬面(facing surface)的情况下形成金属-金属结合。该工艺被实施以管理工件的衬面的消耗和变形。
背景技术
由于存在快速成形的氧化物层以及轻金属固有的高导电性和导热性，结合例如铝合金或镁合金的轻金属是复杂的。这两种类型的合金的点焊通常是困难的，且需要准备工件表面、高电流、大的力和适当地机械对齐且稳定的电极。由于在工件合金与铜电极之间的反应，电极寿命通常短。得到的焊接件可具有高强度但是在一些情形中(尤其对于镁合金)具有较差的高循环疲劳性能。
获得由本发明所形成的具有大表面面积的强且刚性的接头的替代方式是结构性粘结结合。该结合技术需要使用昂贵的粘结剂以及特定涂覆的基底，以防止接头的环境降级。粘结剂被设计成在用于固化油漆的炉中固化，但是，例如铆接或点焊的固接方法必须与粘结剂结合使用，以在粘结剂固化之前暂时性地紧固该结构以及在固化之后提供附加的结构性能。这些技术需要另外的结合设备。对于铆接，需要大量库存的昂贵铆钉来结合结构中遇到的各种量表组合。对于点焊，涂层和粘结剂必须与焊接工艺相容。
仍需要形成铝合金工件或镁合金工件的大面积焊接件的工艺。这种焊接工艺可用于例如在制造机动车辆中结合轻质车身板或车身结构部件。这种焊接工艺还可用于将镀锌钢部件或涂覆铝的钢部件结合到铝或镁部件。
发明内容
例如铝合金和镁合金的金属合金工件通过冶金反应(reactionmetallurgy)结合工艺来结合。通过将合适的反应材料层放置在要焊接的表面之间以便与表面材料形成合金和在现场形成瞬态流动含液体反应产物(通常是共晶混合物)，从而形成固态焊接件。该液相的形成用于在预期焊接表面处从固态焊接件移除氧化物和其它障碍物。装配工件的界面区域被加热以形成流动反应产物但是仍维持在低于工件固相线温度的温度处。在起到其表面制备功能之后，该反应产物从界面挤出，且清洁的受热接触固态表面被压靠在一起以形成固态焊接件。
该工艺还可用来将涂覆铝的钢工件或涂覆锌的钢工件结合到例如铝合金工件或镁合金工件的轻质材料上。
冶金反应结合工艺可用来焊接许多不同的工件形式。可由例如片材、其它锻造形状(例如挤出件(管或杆))和/或铸件提供衬面。例如片材金属板可彼此结合以制成封闭面板。且在车辆结构的制造中，管状车身框架构件可结合到铸造角部或基部构件。可以看出，该工艺可用于生产机动车辆构件和其它制造物品。
该冶金反应结合工艺的应用首先将关于结合类似轻金属合金的工件来说明，例如将铝合金片材结合到另一铝合金片材。工件的结合表面可首先清除先前工艺材料以及妨碍要焊接表面之间良好接触的其它异物。
本冶金反应结合工艺包括在铝合金片材材料之间放置反应材料层，反应材料可包括金属元素或合金。放置在结合表面之间且抵靠结合表面的该材料将被加热并用来与工件衬面起反应(典型地，分散到工件元素中且与工件元素形成合金)，从而形成包括合适量的低熔点液体(即，在低于任一面对面的工件的固相线下形成液体)的反应产物。该反应产物被形成以将氧化物和其它化学障碍物从工件的铝基(或镁基)材料之间的焊接件去除。除了液体之外，反应产物可包括形成的固体或夹带的固体等，但是低熔点液体是反应产物的必要部分。预先确定放入的反应材料的成分和数量，以形成合适量的液体及其合适流动性，从而液体使表面清洁并然后从界面被挤出(与所具有的任何固体一起)。这在低于工件的固相线温度的温度下完成。因此，放入的反应材料与工件表面的反应将材料从工件去除。这可改变工件的关键尺寸。因此，放入的反应材料的量是预先确定的，例如通过计算、凭经验或通过实验来预先确定，以在不会过度去除工件材料的情况下制备工件表面。
放入的反应材料可以是薄片材、线(wire)、筛、薄片或颗粒的形式。在结合铝合金工件的实施例中，添加的材料被选择成与面对面的片材表面中的铝接触并反应，从而形成共晶状的低熔点相。存在与铝(具有660℃的熔点)形成低熔点液体的多种元素，这些元素包括铜、硅、锌和镁。由铝和这些元素所形成的二元合金的最低固相线温度是：对于Cu-Al，548℃；对于Si-Al，577℃；对于Zn-Al，381℃；以及对于Mg-Al，437℃。只要在低于工件的固相线温度的温度下形成合适的液体体积，包括这些元素的合金就可用作反应材料。对于镁合金工件，存在与镁(具有650℃的熔点)形成低熔点液体的大量相同元素。这些元素包括铜、锌和铝。由镁和这些元素所形成的共晶和近似共晶合金成分的最低固相线温度是：对于Cu-Mg，487℃；对于Zn-Mg，340℃；以及对于Al-Mg，437℃。且合金可用作反应材料，反应材料可包括工件基体金属与添加元素的组合，例如，用于结合铝合金部件的Al-Si合金或Al-Si-Cu合金。作为本发明的另一实施例，可使用具有显著不同成分的颗粒混合物，该颗粒混合物起反应以形成包含液体的相。例如，铜和铝颗粒的合适混合物可生成与铝结合表面起反应并使其湿化的液体，但是产生大量的反应产物而不消耗过多量的要结合的部件。
在本发明的一些实施例中，涂覆铝的钢构件或涂覆锌(镀锌)的钢构件可结合到轻金属工件。在这种实施例中，钢构件上的锌或铝涂层可提供或贡献用于清洁轻金属工件表面的反应材料，并因此允许在铁和铝或铁和镁表面之间形成固态焊接件。
在本发明的一些实施例中，一个工件或两个工件的结合面可形成有表面特征，例如用于保持界面反应材料的浅袋或腔。该腔可由用于接合工件衬面的衬垫或凸起部界定。工件材料的这些表面特征被定形状成暂时性地保持反应材料，直到装配的工件被加热至开始焊接工艺。于是，反应材料与工件表面特征进行反应，以形成具有低熔点液体的反应产物并将用于焊接的工件表面变平。
具有放入的反应材料的工件可支承在合适的框架、夹具、吊架等上。加热设备和压制设备被用来将工件压靠反应材料，且反应材料被加热到低于工件的固相线温度的温度，但是被加热至适于促进反应从而形成反应产物并清洁轻金属表面的温度。在本发明的许多实施例中，装配的工件可直接支承在用于受控加热和压制工件的机构或设备上。例如，恰当成形的加热块可用于接合工件的后侧(即，非结合侧)。这种加热块(例如，可以是电阻加热块)定形状成接合面向外的工件表面，以将工件的结合面压靠共延地放置的反应材料，并将热量通过至少一个工件传导至反应材料。但是，本发明的实践并不局限于电阻加热。可使用许多其它加热装置和能量施加装置来加热放置在要结合的表面处的反应材料。
这种冶金反应实践对于在较大表面面积上将工件焊接在一起来说是有用的。根据本发明，实践该方法以管理焊接物品的尺寸并使得在焊接界面处的构件扭曲最小化。这例如在工件是具有仅几个毫米或更少厚度的片材金属合金时是尤其重要的。这种尺寸控制是这样完成的：通过控制由反应材料消耗和作为反应产物丢弃的工件材料的量，以及控制在结合期间由工件经历的变形量。
界面的温度在加热步骤中被精密控制，以形成流动反应产物且同时保持低于工件面的固相线温度。例如，AA6061工件可具有约582℃的固相线温度而铝铜共晶物可在约548℃熔化。热电偶和温度控制器可被用来控制界面温度。要对在界面处施加的压力给予关注，以使得焊接区域的扭曲最小化。所施加的第一压力可用来形成用于清洁轻金属表面的反应产物，且然后第二压力被用来使反应产物从清洁面之间移动。但是压力和工件移动被保持在使得清洁但被加热的焊接面的不期望变形最小化的水平。界面移动可由例如作用在加热块上的伺服马达控制，或由块之间的机械止挡块控制。
方案1：一种在第一轻金属合金工件的第一结合表面与(i)第二轻金属合金工件或(ii)钢工件中的一个的第二结合表面之间形成固态焊接件的方法，所述轻金属是铝或镁，钢工件的结合表面涂覆铝或锌；所述方法包括：
将放置于所述第一结合表面和所述第二结合表面之间且与所述第一结合表面和所述第二结合表面接触的形式的金属元素、或者两种或更多种元素的合金、或者两种或更多种不同元素或合金的混合物选择作为反应材料，所述金属元素或合金被选择成在加热到低于所述第一轻金属合金的固相线温度的温度时与至少第一轻金属合金结合表面反应，以便形成包括液体的反应产物，所述液体包括金属元素和所述轻金属合金元素；
制备工件的组件，其中所述工件的各自结合表面由所述反应材料彼此面对面地分隔开，反应材料的量被预先确定，以在形成所述反应产物时消耗掉一个或两个工件的指定量；
在第一压力水平下压制所述组件，使得衬面接合所述反应材料，且将所述反应材料加热预定时间，以形成所述反应产物并消耗掉所述面对面的工件的一部分；
将所述组件上的压力增加到更高的压力水平，以从所述残余结合表面之间驱出大致所有形成的反应产物同时将所述结合表面的位移限制至预定值；以及，之后
将所述结合表面抵靠彼此保持，直到固态焊接接头与预期结合表面大致共延地形成。
方案2：根据方案1所述的形成固态焊接件的方法，其中，第一铝合金工件结合到第二铝合金工件。
方案3：根据方案2所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述反应材料包括选自包括铜、镁、硅和锌的组的至少一种金属元素。
方案4：根据方案1所述的形成固态焊接件的方法，其中，第一镁合金工件结合到第二镁合金工件。
方案5：根据方案4所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述反应材料包括选自包括铝、铜和锌的组的至少一种金属元素。
方案6：根据方案1所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述第一轻金属工件结合到钢工件，其中所述钢工件的所述结合表面涂覆铝或锌，且所述铝或锌提供用于与所述轻金属合金工件的所述结合表面反应的所述反应材料的至少一部分。
方案7：根据方案1所述的形成固态焊接件的方法，其中，两个工件都是厚度在从约四分之三毫米至约四毫米范围内的轻金属合金片材，且所述反应材料的量被预先确定，以消耗掉两个片材工件中较薄者的厚度的不超过约10％。
方案8：根据方案7所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述工件是铝合金片材且所述反应材料包括铜。
方案9：根据方案1所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述第一轻金属合金工件的所述结合表面初始地形成有用于保持所述反应材料的腔，所述反应材料在受热时与结合表面合金材料反应，从而在形成反应产物时限定所述腔。
方案10：根据方案1所述的形成固态焊接件的方法，还包括：
在至少一个工件的结合表面中形成用于反应材料的腔，并将反应材料放置于所述腔中；以及
制备所述工件的组件，使得所述反应材料在受热时与结合表面合金材料反应，从而在形成反应产物时限定所述腔。
方案11：一种在第一轻金属合金片材工件的第一结合表面与第二轻金属合金片材工件的第二结合表面之间形成固态焊接件的方法，每个轻金属合金工件是铝合金或镁合金，每个片材具有在从约四分之三毫米至约四毫米范围内的初始厚度，所述方法包括：
将放置于所述第一结合表面和所述第二结合表面之间且与所述第一结合表面和所述第二结合表面接触的形式的金属元素、或者两种或更多种元素的合金、或者两种或更多种合金或元素的混合物选择作为反应材料，所述金属元素或合金被选择成在加热到低于所述第一轻金属合金的固相线温度的温度时与至少第一轻金属合金结合表面反应，以便形成包括液体的反应产物，所述液体包括金属元素和所述轻金属合金元素；
制备片材工件的组件，其中所述工件的各自结合表面由所述反应材料彼此面对面地分隔开，反应材料的量被预先确定，以在形成所述反应产物时消耗掉任一片材工件的厚度的不超过约十分之一；
在第一压力水平下压制所述组件，使得衬面接合所述反应材料，且将所述反应材料加热预定时间，以形成所述反应产物并消耗掉所述面对面的工件的一部分；
将所述组件上的压力增加到更高的压力水平，以从所述残余结合表面之间驱出大致所有形成的反应产物同时将所述片材金属结合表面的位移限制至预定值；以及，之后
将所述结合表面抵靠彼此保持，直到固态焊接件与预期结合表面大致共延地形成。
方案12：根据方案11所述的形成固态焊接件的方法，其中，第一铝合金工件结合到第二铝合金工件。
方案13：根据方案12所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述反应材料包括选自包括铜、镁、硅和锌的组的至少一种金属元素。
方案14：根据方案11所述的形成固态焊接件的方法，其中，第一镁合金工件结合到第二镁合金工件。
方案15：根据方案14所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述反应材料包括选自包括铝、铜和锌的组的至少一种金属元素。
方案16：一种在第一轻金属合金工件的第一结合表面与钢工件的第二结合表面之间形成固态焊接件的方法，所述钢工件的结合表面涂覆铝或锌；所述轻金属合金是铝合金或镁合金，所述方法包括：
将放置于所述第一结合表面和所述第二结合表面之间且与所述第一结合表面和所述第二结合表面接触的形式的(i)涂覆在所述钢工件上的铝或钢、以及任选地(ii)金属元素或者两种或更多种元素的合金选择作为反应材料，所述金属元素或合金被选择成在加热到低于所述第一轻金属合金的固相线温度的温度时与至少第一轻金属合金结合表面反应，以便形成包括液体的反应产物，所述液体包括金属元素和所述轻金属合金元素；
制备工件的组件，其中所述工件的各自结合表面由所述反应材料彼此面对面地分隔开，反应材料的量被预先确定，以在形成所述反应产物时消耗掉轻金属合金工件的指定量；
在第一压力水平下压制所述组件，使得衬面接合所述反应材料，且将所述反应材料加热预定时间，以形成所述反应产物并消耗掉至少轻金属合金工件的一部分；
将所述组件上的压力增加到更高的压力水平，以从所述残余结合表面之间驱出大致所有形成的反应产物同时将所述结合表面的位移限制至预定值；以及，之后
将所述结合表面抵靠彼此保持，直到固态焊接结合部与预期结合表面大致共延地形成。
方案17：根据方案1所述的方法，其中，所述金属工件能包括选自包括阳极化涂层、铝化涂层、镀锌退火处理涂层和镀锌涂层的组中的表面涂层。
方案18：根据方案1所述的方法，其中，所述第一预定时间段根据用于使所述反应产物将金属氧化物从工件衬面去除所需要的时间确定。
方案19：根据方案1所述的方法，其中，所述组件使用焊接伺服枪来压制和加热。
方案20：根据方案1所述的方法，其中，所述装配工件通过电阻加热、传导加热和感应加热中的至少一种来加热。
方案21：根据方案1所述的方法，其中，所述装配工件经受机械运动、机械振动或超声激励，以促进所述反应产物的形成。
因此，可实施本发明的冶金反应结合工艺以在表面面积的较宽范围上在轻金属表面之间形成固态焊接件。该工艺适用于片材对片材的焊接，且适用于在许多其它锻造和铸造工件形状之间形成焊接。
通过下述详细说明和附图，本发明的上述和其它优势以及新的有用结果对于本领域技术人员来说将显而易见。
附图说明
图1A-1C示出了工艺的示意性截面图，示出了形成固态接头的三个阶段。工件和加热块的尺寸不必按比例绘出，而是为了描述焊接工艺的实施例。
图2示出了整体表面特征的第一实施例，整体表面特征可包括在一个或两个工件的结合表面中，以接收反应材料并允许更好地控制整体接头厚度。
图3示出了整体表面特征的第二实施例，整体表面特征可包括在一个或两个工件中，以接收反应材料并允许更好地控制整体接头厚度。
图4是在结合金属部件的工艺的实施例中用于加热和施加压力到焊接界面的设备(电阻焊枪臂)的示意图。
图5是工艺实施例的示意图，在工艺中，要焊接的两个工件的几何形状抑制或防止用于加热焊接界面的两侧通路。
图6示出了工艺的实施例，在工艺中，要在两个构件之间的非平行表面上形成多个接头。
图7示出了大致使用本发明制得的焊接件的部分截面的低放大倍数显微照片，示出了接头、一些捕获的黄铜合金和驱出的黄铜合金。
图8示出了在图7中示出的焊接件的一部分的高放大倍数显微照片，示出了接头和一些捕获的黄铜合金。
具体实施方式
在本发明的许多实施例中，该工艺可被用来在铝合金工件之间或镁合金工件之间形成固态焊接界面。铝基合金的示例是AA5083(固相线温度574℃)、AA5454(固相线温度602℃)和AA6061(固相线温度582℃)。镁基合金的示例是AZ31(固相线温度605℃)、AM60(固相线温度540℃)和ZK60(固相线温度520℃)。在本发明的其它实施例中，涂覆铝的钢工件或涂覆锌的钢工件可被焊接到铝合金或镁合金工件。
该工艺通常被用于焊接片材或在接头位置处具有相对薄壁的其它工件。图1A-1C被用于描述这种实施例。
在图1A中，两个金属工件10和20(在此示出为叠置结构)分别位于两个支承块15和25之间，其中颗粒反应材料12的层位于要焊接的工件10、20的预期结合表面之间。在工件由铝合金形成时，反应材料例如可以是元素铜、镁、硅、和/或锌。当工件由镁合金形成时，反应材料可以是元素铝、铜、和/或锌。或者这些元素的混合物或包含这些元素的合金可被用作反应材料。
关于反应材料的颗粒形式的描述并不旨在进行限制。也可使用替代的形式，例如箔、线、网或织物，但是如在本说明书中后述部分更完整介绍的，在一些具体实施例中，具有不规则几何形状的材料形式(例如，颗粒、线或织物)可相对于箔具有优势。反应材料12可手动或用机器人传送到结合区域，作为固体或(尤其是对于颗粒形式)作为分散体或在可分配流体中的糊状物夹带，该可分配流体对工艺有利或者将在工艺期间蒸发掉。这些过程是结合领域的技术人员熟知的。
工件经受通过支承块施加且导向成法向于支承块的第一压力p，第一压力p足以在工件接触表面11和21与反应材料12之间建立至少良好的机械接触。
在图1B中，工件10、20和颗粒反应材料12仍然在压力p下被加热至足以使反应材料12分散到工件表面11和21的铝合金成分或镁成分中或以其它方式与其相互作用的工艺温度T，从而形成反应产物14。反应产物14包括低熔点液体，包括通过与工件10、20的表面11、21的反应和部分溶解而引入的初始反应材料和添加元素成分。该低熔点液体也可包括从表面11和21去除的固体氧化物等。应当理解的是，颗粒反应材料12被选择具有这样的初始成分：添加来自于工件10和20的合金元素不会将反应产物14的熔点升高至大于工艺温度T的温度。更具体地，添加其它元素至反应材料12以生成反应产物14将导致反应材料的熔点的进一步降低(例如，在三元、四元或更高元成分的共晶合金中观察到的)。
如上所述，反应材料12可被用于不同和/或组合的固体形式，例如颗粒、线、筛、片材或膜。但是放入材料的成分和形状被选择成破坏要焊接的铝合金或镁合金工件的衬面(例如，表面11和21)上的氧化物膜和其它表面成分，以形成包含流体液体的反应产物14。通过在加热期间发生在装配衬面11和21与放入反应材料12之间氧化物膜的附加机械破坏，可促进反应产物14的更快速成形。这可通过使用机械动作和超声激励来完成，该机械动作可以是横向于结合表面的动作，超声激励可在远离焊接区域的便利位置施加且通过支承块15和25传送到焊接区域。
当一个工件是涂覆铝或涂覆锌的钢工件时，锌或铝涂层可构成用于与面对面的铝合金或镁合金工件反应的反应材料12的至少一部分。且反应材料的量被确定成用于合适地清洁固态焊接件的工件衬面，其中各自工件的厚度的确定量被去除。
优选地是，具有其液体或液体与固体的反应材料14的流动性将导致其在所施加的压力p下分配到工件10和20之间接触的整个受压区域，以形成反应区域16，该反应区域比反应材料12的颗粒初始分配的区域要更宽阔。
已经描述了在采用在反应温度T下呈固体的更高熔点反应材料时的本发明的实践。应当理解的是，在反应温度T下呈液体的低熔点反应材料将同等地适用。
由于所施加的压力p，液态反应产物14将从反应区域16部分地驱出，但在本发明的期望实践中，熔化反应材料14的薄膜将存在于无氧化物工件表面11’和21’之间，从而防止表面彼此接触。更重要地，熔化反应材料14的薄膜将防止大气中的氧进入到反应区域16中，并因此使得允许面11’和21’持续不被氧化。
在图1C中，在图1B中示出的接头构造经受第二压力P，该第二压力总体上明显大于p且足以将反应产物14大致完全驱出反应区域16，从而允许无氧化物工件表面11’和21’实现紧密接触且同时处于操作温度T，故因此在反应区域16生成固态结合，在其周边具有残余反应产物14。
最终，结合的工件被允许冷却至约室温且反应产物14允许固化。反应产物14然后可从焊接区域的周边去除。
应当理解的是，在施加压力p或压力P时，将得到相关的位移。如上所示，认为与压力p相关的该位移对于破裂或破坏氧化物层是有益的，该氧化物层否则将抑制反应。然而，与压力P相关的位移可能是有害的，因为压力P将施加到工件10和20的加热区域以及反应区域16，在反应区域中反应材料12已经被转换成反应产物14。加热区域将比邻近的冷区域更软，且因此可更为容易地被支承块15和25凹印。任何这种压印将导致在接头处的工件变薄且因此可降低其强度。由于工件10和20的部分与反应材料12反应并随后从接头驱出而消耗掉，因此工件10和20的部分将已经不能有助于接头，由于变薄而导致接头强度的进一步降低可能不是期望的。
对于接头和整个系统(反应材料和工件)的冶金过程的设计需求被考虑且该工艺被实践成将工件的界面处变薄或变形限制至合适的范围。例如，考虑使用铜箔作为反应材料将3mm厚的铝片材结合至相同片材并限制铝的最大损失为每个片材的0.3mm。对于这些条件和约束，且已知形成的反应产物(14)是具有按重量计约34％的铜成分的Al-Cu共晶物，可以直接计算铜箔的厚度应当小于0.091mm。这当然假定期望厚度的箔是可容易获得的。此外，当考虑更为复杂的合金系统时，得到反应产物(14)的成分将不是作为先验知识已知。在考虑这两个问题时，期望的是识别替代的方法。
因此，在本发明的第二实施例中，不是施加压力P，而是优选地施加位移δ，位移δ足以实现期望的固态焊接件但是旨在限制或最小化接头变薄。于是，本发明的实践将需要将对支承块的控制从负载控制(施加压力p)转换成在工艺进行时的位移控制(施加位移δ)。用于实现该目的的手段是本领域技术人员已知的。
图1示出了具有例如在碾轧或挤出产品中观察到的大致平坦或平滑结合表面的工件10和20。然而，可以设想的是，本发明也可在结合表面形成有用于保持反应材料并放置于另一工件的互补结合衬面上的浅凹部或凹口时实施。例如，铸造产品提供机会以容易地引入浅容器，用于将反应材料暂时性地固定在工件的其它平坦或无特征结合表面中而不需要独立的机加工步骤。且容器的壁或侧面的低界定表面便利地提供用于与放置的反应材料进行反应的铝合金或镁合金材料。
这种凹部或凹口的示例在图2中示出。图2是工件的局部视图，该工件具有工件的预期结合表面的一部分。在该实施例中，工件可是铸造物体，其中结合表面部40形成有突出高于工件表面40的预期正常水平较小距离(例如，1微米左右)的多个平行条带42。在此，结合表面40是较大铸造工件的一部分。反应材料12的离散颗粒(或线或其它形状)示出在条带42的上表面43上且在条带42之间的112处。当该工件被装配在第二工件上时，条带42的表面43可初始接合相对的结合表面。当装配的工件的结合表面压靠在一起且表面被加热时，反应材料12和112可与条带42材料反应并与衬面反应，以形成具有低熔点液体内容物的反应产物。条带42在该反应中可被消耗掉，以便为要在工件之间形成的焊接件提供更多表面区域。反应材料的量以及条带的尺寸和数量(或其它凹部界定材料)优选地预先确定，以去除条带并利于驱出流动的反应产物。
反应材料112在凹部或腔中的这种分配在本发明的许多实践中是有益的。在反应材料与腔表面之间增加的接触可增强反应物与工件结合表面之间的相互作用。表面的更大表面区域将暴露于反应材料，用于去除表面氧化物层。即使不完全被反应材料消耗掉，任何残余表面凸起部也可由压力P变形，从而减少工件的整体变形并产生能够经历期望固态结合的大致平坦界面。
图3示出了这种工件结合表面的另一个变型，其中十字形条带或壁42形成在工件表面40上，以限定用于保持反应材料颗粒112的浅腔44。应当理解的是，条带的上表面43虽然描述为平坦的，但是可制造成带有一定范围的外形(topographics)，尤其是可允许相对的工件上的氧化物层更有效地破坏的这种外形。这些外形包括用高压空气喷沙或喷砂以便提供不光滑的、粗糙表面纹理而形成的外形。
上述说明旨在描述适用于较宽范围的工件的工艺。反应材料的金属元素或合金成分基于构成相应工件的结合表面的铝合金或镁合金的成分来确定且应当选择使得其满足下列标准：
a.引入到工件的加压区域之间的间隙中的反应材料(或多成分颗粒混合物的独立成分颗粒)的固相线温度可高于或低于工件的固相线温度。但是当与工件反应或形成合金时，反应材料必须生成固相线温度低于工件的固相线温度的合金(反应产物)，使得用于形成反应产物的工艺温度T将不会导致过量的工件变软；
b.当熔化时，通过反应材料与工件表面的反应所形成的合金必须在清除氧化物和其它障碍物时至少湿化工件表面，以在清洁的表面之间形成固态焊接件。更具体地，该合金还将湿化氧化工件表面，使得熔化合金可散播在整个加压结合区域上并与工件相互作用；
c.当工件的最大部分已经被溶解且当合金可包括预先存在的工件氧化物的颗粒时，在工艺的结束时形成的合金应当具有这样的粘度，使得其通过所施加的压力P从工件加压区域之间的间隙大致完全驱出。
仅关于上述说明，本发明可实践于类似成分的工件中，例如具有相同或不同成分或合金系列的铝合金；具有不同成分的工件，其中例如铝和镁、钢和铝；以及用于自身或其它合金的涂覆材料，例如，镀锌钢到阳极化铝。
对于涂覆锌或铝的钢，涂层可用作反应材料的一部分。对于其它涂覆材料，反应材料12的数量和成分可被选择，以去除所有的涂层，包括在涂层与基底之间形成的任何反应产物。在特定情形中，如果涂层与基底之间的结合足够强或者如果涂层的有益效果是结合中所期望的，那么可能的是去除仅一部分涂层。当然应当理解的是，基底与涂层之间的结合必须自身能够进行固态焊接。作为示例，对于在铝或镁上的阳极化涂层，将期望完全去除涂层；对于镀锌钢、镀锌退火处理钢或铝化钢(其中粘结性界面层在涂层与基底之间形成)，简单地去除表面氧化物且用界面层促进充分粘结可能就足够的。
图4示出了用于实践本发明的另一实施例且描述了图1中示出的包括在支承框架中的元件，该元件可以是点焊伺服枪。在图4中示出机械特征的构造仅是示例性的且不应被认为限制本发明的范围，本发明可采用以不同方式来致动的点焊伺服枪以及除了点焊伺服枪之外的装置和机构来实施。然而，使用点焊伺服枪是有利的，因为该工艺需要编程的施加力和/或位移——当前伺服枪设计中容易获得的能力。
为了制造所描述的在工件10和20之间的接头，将按照下述过程：
将适当量的反应材料12放置在预期结合区域；
打开喉部60以允许用工件10和20之间的颗粒反应材料12加载工件10和20。在图4所示的设置中，这通过将可移动臂58在箭头55所示的方向上绕枢轴线52转动直到可移动臂58与固定臂57之间的间隙60足以引入工件来完成；
通过将可移动臂58在与箭头55所示相反的方向上绕枢轴线52转动以关闭喉部60，以允许支承块15和25接触工件10和20的表面13和23并施加压力p；
将工件10、20和颗粒反应材料12加热至温度T；
在足以允许颗粒反应材料12与工件10和20完全反应的时间之后，施加增大的力P(或在替代的实施例中，特定的位移δ)，以驱出反应后的反应产物14；
停止加热；和
打开喉部60以将焊接工件移开。
加热可使用多种方法来完成。例如，电阻加热可与支承衬垫15、25一起使用，以在预定时间内将预定电流传送通过加压区域。替代性地，支承衬垫可在外部加热，例如通过包括盒式加热器(未示出)，依赖于传导来将热量传输到工件界面11和21-传导加热。最后，包括感应线圈来使用感应加热是可行的。
类似地，在工件之间形成接头之后，可采用将工件冷却的多种方法。应当注意，虽然反应产物14在工艺的结束时仍将熔化，但是其对接头强度无任何帮助，接头强度完全归因于在大致无氧化物表面11’和21’之间形成的固态焊接件。因此，最简单的过程是简单地移除仍是热的焊接工件并允许其在工具之外进行气冷。如果工艺温度T如此高，使得热的接头不能够支承部件上的处理或重力负载时，这是不可能的。在该情形中，部件将仍置于工具中并进行气冷，直到接头足够强为止。替代性地，支承板15和25可包括循环冷却水的冷却盘管，以从接头更充分地提取热量。最后，如果部件由其它工具和支承件完全支承，在喉部60打开时，该部件仍支承到位以将支承板从接头脱离使得接头可进行气冷，或替代性地，通过喷气流或水喷流/雾冷却而经受增强的冷却。
在前述的工艺中，暗示的是，接头从两侧容易地通达。虽然从两侧通达是十分期望的，但是也可在通达更为受限时来实施该工艺。例如，图5示出了期望将部件附接到例如管路的封闭部段的情形。只要管路120紧固地固接且只要可能供给足够的热量和压力，该工艺仍可实施。在该示例中，支承件15可安装在机器人上，机器人能够产生所需要的压力或位移，且仅从一侧进行加热。
图6示出了类似的情形，但图6扩展以描述L形铸件80被附接到封闭矩形部段85的两个表面上的情形，其中L形铸件80包括例如在图2中详细示出的特征。
应当注意，两个结合表面40和相关凸起部42(类似于图2中所示的)被彼此垂直地安装，且因此需要在箭头90所示的方向上施加压力p和P以保证附接到两个表面上。在该情形中，接头通过使用用于每个接头的独立热源来同时制造。
从铝片材和用作反应材料的铜箔制造的接头的示例已经在上文进行了讨论，但是应当注意的是，反应材料不需要是纯金属，而可以是具有比工件更低熔点的合金。
在图7中示出了使用铝4145黄铜合金(熔点范围521℃-585℃)并大致按照本发明的实践而在铝3003-H14合金(固相线温度大约为640℃)的片材之间形成的实验固态结合。原始工件211和221沿着线200进行焊接，且驱出的合金214示出位于接头的边缘。与由反应材料消耗的工件材料以及由支承块(未示出)所施加的负载两者相关的表面凹部以250标记。应当注意的是，没有发生合金214的完全驱出且残余合金214’的小袋示出捕获在接头中。
图8示出了在图7中示出的接头的更高放大倍数图(残余合金214’在两个显微照片中共同示出)，示出了在工件211和221之间没有界面可检测到，与实现固态接头的实践相一致。
虽然已经详细地描述了用于实施本发明的最佳模式，但是本发明所属领域的技术人员应当认识到在所附权利要求的范围内的用于实践本发明的各种替代性设计和实施例。

Claims (21)

1.一种在第一轻金属合金工件的第一结合表面与（i）第二轻金属合金工件或（ii）钢工件中的一个的第二结合表面之间形成固态焊接件的方法，所述轻金属是铝或镁，钢工件的结合表面涂覆铝或锌；所述方法包括：
将放置于所述第一结合表面和所述第二结合表面之间且与所述第一结合表面和所述第二结合表面接触的形式的金属元素、或者两种或更多种元素的合金、或者两种或更多种不同元素或合金的混合物选择作为反应材料，所述金属元素或合金被选择成在加热到低于所述第一轻金属合金的固相线温度的温度时与至少第一轻金属合金结合表面反应，以便形成包括液体的反应产物，所述液体包括金属元素和所述轻金属合金元素，其中，所述第一结合表面和所述第二结合表面中的一个形成有用于保持至少一些所述反应材料的凹口；
制备工件的组件，其中所述工件的各自结合表面由所述反应材料彼此面对面地分隔开，至少一些所述反应材料被放置在一个结合表面的凹口中，反应材料的量被预先确定，以在形成所述反应产物时消耗掉一个或两个工件的指定量；
在第一压力水平下压制所述组件，使得衬面接合所述反应材料，且将所述反应材料加热预定时间，以形成所述反应产物并消耗掉所述面对面的工件的一部分，包括消耗掉所述凹口的材料，以将用于焊接的工件表面变平；
将对支承块的控制从负载控制转换成在工艺进行时的位移控制，施加一定位移，以从残余结合表面之间驱出大致所有形成的反应产物同时将所述结合表面的位移限制至预定值；以及，之后
将所述结合表面抵靠彼此保持，直到固态焊接接头与预期结合表面大致共延地形成。
2.根据权利要求1所述的形成固态焊接件的方法，其中，第一铝合金工件结合到第二铝合金工件。
3.根据权利要求2所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述反应材料包括选自包括铜、镁、硅和锌的组的至少一种金属元素。
4.根据权利要求1所述的形成固态焊接件的方法，其中，第一镁合金工件结合到第二镁合金工件。
5.根据权利要求4所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述反应材料包括选自包括铝、铜和锌的组的至少一种金属元素。
6.根据权利要求1所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述第一轻金属工件结合到钢工件，其中所述钢工件的所述结合表面涂覆铝或锌，且所述铝或锌提供用于与所述轻金属合金工件的所述结合表面反应的所述反应材料的至少一部分。
7.根据权利要求1所述的形成固态焊接件的方法，其中，两个工件都是厚度在从四分之三毫米至四毫米范围内的轻金属合金片材，且所述反应材料的量被预先确定，以消耗掉两个片材工件中较薄者的厚度的不超过10%。
8.根据权利要求7所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述工件是铝合金片材且所述反应材料包括铜。
9.根据权利要求1所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述第一轻金属合金工件的第一结合表面初始地形成有用于保持所述反应材料的凹口，所述反应材料在受热时与结合表面合金材料反应，从而在形成反应产物时限定所述凹口。
10.根据权利要求1所述的形成固态焊接件的方法，还包括：
在至少一个工件的结合表面中形成用于反应材料的凹口，并将反应材料放置于所述凹口中；以及
制备所述工件的组件，使得所述反应材料在受热时与结合表面合金材料反应，从而在形成反应产物时限定所述凹口。
11.一种在第一轻金属合金片材工件的第一结合表面与第二轻金属合金片材工件的第二结合表面之间形成固态焊接件的方法，每个轻金属合金工件是铝合金或镁合金，每个片材具有在从四分之三毫米至四毫米范围内的初始厚度，所述方法包括：
将放置于所述第一结合表面和所述第二结合表面之间且与所述第一结合表面和所述第二结合表面接触的形式的金属元素、或者两种或更多种元素的合金、或者两种或更多种合金或元素的混合物选择作为反应材料，所述金属元素或合金被选择成在加热到低于所述第一轻金属合金的固相线温度的温度时与至少第一轻金属合金结合表面反应，以便形成包括液体的反应产物，所述液体包括金属元素和所述轻金属合金元素，其中，所述第一结合表面和所述第二结合表面中的一个形成有用于保持至少一些所述反应材料的凹口；
制备片材工件的组件，其中所述工件的各自结合表面由所述反应材料彼此面对面地分隔开，至少一些所述反应材料被放置在一个结合表面的凹口中，反应材料的量被预先确定，以在形成所述反应产物时消耗掉任一片材工件的厚度的不超过十分之一；
在第一压力水平下压制所述组件，使得衬面接合所述反应材料，且将所述反应材料加热预定时间，以形成所述反应产物并消耗掉所述面对面的工件的一部分，包括消耗掉所述凹口的材料，以将用于焊接的工件表面变平；
将对支承块的控制从负载控制转换成在工艺进行时的位移控制，施加一定位移，以从残余结合表面之间驱出大致所有形成的反应产物同时将所述片材金属结合表面的位移限制至预定值；以及，之后
将所述结合表面抵靠彼此保持，直到固态焊接件与预期结合表面大致共延地形成。
12.根据权利要求11所述的形成固态焊接件的方法，其中，第一铝合金工件结合到第二铝合金工件。
13.根据权利要求12所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述反应材料包括选自包括铜、镁、硅和锌的组的至少一种金属元素。
14.根据权利要求11所述的形成固态焊接件的方法，其中，第一镁合金工件结合到第二镁合金工件。
15.根据权利要求14所述的形成固态焊接件的方法，其中，所述反应材料包括选自包括铝、铜和锌的组的至少一种金属元素。
16.一种在第一轻金属合金工件的第一结合表面与钢工件的第二结合表面之间形成固态焊接件的方法，所述钢工件的结合表面涂覆铝或锌；所述轻金属合金是铝合金或镁合金，所述方法包括：
将放置于所述第一结合表面和所述第二结合表面之间且与所述第一结合表面和所述第二结合表面接触的形式的（i）涂覆在所述钢工件上的铝或锌、以及任选地（ii）金属元素或者两种或更多种元素的合金选择作为反应材料，所述金属元素或合金被选择成在加热到低于所述第一轻金属合金的固相线温度的温度时与至少第一轻金属合金结合表面反应，以便形成包括液体的反应产物，所述液体包括金属元素和所述轻金属合金元素，其中，所述第一结合表面和所述第二结合表面中的一个形成有用于保持至少一些所述反应材料的凹口；
制备工件的组件，其中所述工件的各自结合表面由所述反应材料彼此面对面地分隔开，至少一些所述反应材料被放置在一个结合表面的凹口中，反应材料的量被预先确定，以在形成所述反应产物时消耗掉轻金属合金工件的指定量；
在第一压力水平下压制所述组件，使得衬面接合所述反应材料，且将所述反应材料加热预定时间，以形成所述反应产物并消耗掉至少轻金属合金工件的一部分，包括消耗掉所述凹口的材料，以将用于焊接的工件表面变平；
将对支承块的控制从负载控制转换成在工艺进行时的位移控制，施加一定位移，以从残余结合表面之间驱出大致所有形成的反应产物同时将所述结合表面的位移限制至预定值；以及，之后
将所述结合表面抵靠彼此保持，直到固态焊接结合部与预期结合表面大致共延地形成。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一轻金属合金工件和/或所述第二轻金属合金工件包括阳极化涂层，和/或所述钢工件包括选自包括铝化涂层、镀锌退火处理涂层和镀锌涂层的组中的表面涂层。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定时间根据用于使所述反应产物将金属氧化物从工件衬面去除所需要的时间确定。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组件使用焊接伺服枪来压制和加热。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组件通过电阻加热、传导加热和感应加热中的至少一种来加热。
21.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组件经受机械运动、机械振动或超声激励，以促进所述反应产物的形成。
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