CN102310287B

CN102310287B - 通过反应冶金的蓄电池接头的接合

Info

Publication number: CN102310287B
Application number: CN201110158896.2A
Authority: CN
Inventors: D.R.西勒; J.G.施罗特
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2011-06-14
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-06-14
Also published as: US8590768B2; DE102011103617A1; CN102310287A; DE102011103617B4; US20110303736A1

Abstract

本发明涉及通过反应冶金的蓄电池接头的接合。具体地，通过利用以合适的形式放置在接合表面处的反应材料来以固态焊接接合铜金属或金属合金工件和/或铝金属或金属合金工件。将工件的接合表面压靠着居间的反应材料并加热。反应材料与工件表面合金化或进行反应，从而消耗一些表面材料，形成包括低熔点液体的含液反应产物，该含液反应产物在界面上去除焊接结合部的氧化膜及其他障碍物。施加进一步的压力，以排出反应产物并以固态焊接结合来接合工件表面。

Description

通过反应冶金的蓄电池接头的接合

相关申请的交叉引用

本申请涉及2009年4月9日提交的标题为“Welding Light Metal Workpieces by Reaction Metallurgy”的美国申请No. 12/420,927，该美国申请在此以参考的方式并入。

技术领域

本发明一般涉及焊接工艺，尤其涉及用于接合诸如铝金属或合金或者铜金属或合金之类的金属或金属合金的工件的固态焊接工艺。

背景技术

诸如铝合金或铜合金之类的金属的接合由于存在快速形成的氧化层以及它们固有的高的电导率和热导率而复杂化。点焊可能是困难的，并且需要对工件表面的准备、高的电流、高作用力、以及机械对准良好并且稳定的电极。由于铝工件合金与铜电极之间的反应或者铜工件合金到铜电极的焊接，所以短的电极寿命是普遍的情况。所获得的铝工件之间的焊接能够具有高的强度，但在某些条件下具有差的高周疲劳性能。

用于车辆应用的锂电池需要将蓄电池的电池单元接合至导体或汇流条的工艺。蓄电池的电池单元通常将薄的铝片和铜片用作电极衬底。这些电极片结合有延伸部（已知为接头（tab）），其延伸到电池单元囊（pouch）的外侧，并用于在蓄电池的组装期间将电极片接合至铜导体或汇流条。通常在蓄电池构造中使用两种类型的接头材料：铝和铜。在有些情况下，铜接头和/或铜导体可涂覆有薄的镍层以增强耐蚀性和接合性，而铝接头则涂覆以阳极氧化层。

由于以下一些原因，所以将薄的接头材料接合至厚得多的铜导体是困难的。第一，层叠结构需要在一次操作中将若干分开金属件（例如，三个分开的接头）接合至一个导体。第二，层叠结构中的一个包括已知形成脆性金属间化合物的金属组合，即铜和铝。第三，导体与接头之间的厚度比较高，通常为至少大约5:1。

超声波焊接已经用于该应用并获得了一定的成功。超声波焊接使得不同金属的接合成为可能，并且能够将具有明显的片厚度差异的材料接合在一起。然而，因为超声波能量（即与片表面平行的振动）在横跨片间界面时传递不好，所以在接合包含了超过两片的层叠结构中存在相当大的困难。由于顶片与超声波工具或超声焊极直接接触，所以顶片令人满意地耦联至超声波能量源。因此，顶片与相邻的片强烈地进行反应。然而，在层叠结构中位置较低的片（包括导体条）却没有接收到同样多的超声波能量，因而所得到的焊接可能不会同样地坚固。

还使用了诸如螺钉或夹具之类的机械紧固件。它们依赖于非常低的接触电阻以获得良好的电导率。然而，随着时间的过去，由于例如氧化物之类的表面污染物的累积、或者由于紧固件的劣化，接触电阻可能会劣化。

还可使用焊料的接合。然而，具有助熔剂的焊料的使用（尤其对于铝）可导致腐蚀性焊剂残渣的形成，该腐蚀性焊剂残渣如果不通过清洁操作去除则可能随着时间的过去使周围材料或接合部劣化。这些操作增加了成本，并且在有些情况下根据组装顺序是不可能进行的。

因此，存在对用于将蓄电池的电池单元焊接至导体或汇流条的工艺的需求。

发明内容

通过反应冶金接合工艺（或加工）来接合诸如铝和铜之类的金属或金属合金的工件。固态焊接通过如下方式形成：为了与表面材料合金化并在原位置形成瞬时的、可运动的含液反应产物（常常为共晶体或近共晶体的混合物），将合适的反应材料层放置在待焊接的表面之间。该含液相的形成用于在预期的焊接界面处去除氧化物及其他障碍以便进行固态焊接。加热组装工件的界面区域以形成流动的反应产物，但维持在低于工件的固相线温度的温度。在用于其表面准备功能的过程中，从界面挤出反应产物，并将清洁的热接触固体表面挤压到一起，以形成固态焊接。

该工艺可用于将铝或铜工件（包括镀镍的铜之类的金属或合金）接合至其他铝或铜工件（包括镀镍的铜之类的金属或合金）。

可将反应冶金接合工艺用于焊接许多不同的工件形式。例如，通过扁平的蓄电池电池单元接头和具有平坦表面的导体、或者通过成形表面，可提供对向表面。

首先将关于类似金属合金的工件的接合（例如一个或多个铜合金的蓄电池电池单元接头到铜合金导体的接合）来描述该反应冶金接合工艺的应用。用于工件的接合表面可首先被清除掉阻止待焊接表面之间的良好接触的早先处理材料及其他杂质。

反应冶金接合工艺包括将反应材料层放置在铜的蓄电池电池单元接头与铜导体之间，所述反应材料可包括金属元素或合金。所述被放置在接合表面之间并抵靠着接合表面的材料将被加热，并用于通常通过扩散到工件元素中和与工件元素合金化来与对向的工件表面反应，以形成包括合适量的低熔化温度液体的反应产物（即，形成低于任一对向工件的固相线的液体）。形成反应产物，以去除工件的铜基（或铝基）材料之间的焊接部的氧化物及其他化学障碍物。除液体之外，反应产物可包括形成的固体、或夹带的固体等，但低熔化温度的液体是反应产物的必需部分。居间反应材料的成分和量被预定，以形成合适量的液体反应产物和关于该液体反应产物的合适的流动性，以清洁所述表面，然后（与包括在该液体反应产物里的任何固体一起）被大致从界面挤出。这在低于工件的固相线温度的温度下实现。因此，居间反应材料与工件表面的反应从工件去除材料。这可能改变工件的关键尺寸。因此，诸如通过计算、凭经验或通过试验来预定被插入的反应材料的量，以在不过度地去除工件材料的情况下制备工件表面。另外，工件材料可设计有额外的厚度，以补偿在接合反应期间出现的变薄。

插入的反应材料可以采用薄片、线、网、碎片或颗粒的形式。在将铜合金的蓄电池电池单元接头接合至铜导体的实施例中，选择所添加的材料，以接触对向的片材表面中的铜并与其反应，从而形成具有低于大约1085 ℃的熔点的共晶状低熔点相。存在与铜形成低熔点液体的许多元素。这些元素包括Al、Si和Zn。Al和Si均与Cu形成共晶体，并且共晶体对于Cu-Al而言具有548 ℃的熔点，而对于Cu-Si而言具有802 ℃的熔点。Cu-Zn系统具有从420 ℃至902 ℃的低熔点的宽广范围的相。除纯金属外，可将合金用作添加剂，该添加剂包括基底金属与添加元素的组合，例如Cu-Al或Cu-Si合金。另外，由于Cu与P之间的共晶体具有比Cu的熔点低得多的710 ℃的熔点，并且对于减少和/或去除铜上的表面氧化物是已知的，所以由Cu-P合金组成的添加剂可用于接合铜衬底。

为了使镀镍的铜接头彼此接合和/或接合至镀镍的铜导体，添加剂应形成具有低于大约1085 ℃的熔点的共晶状液体，并且还应与镍的镀层反应从而局部地去除镍的镀层。镍的镀层通常大约10微米厚，或者为铜接头片的大约5%。如上所述，与Cu形成低熔点液体的元素包括Al、Si和Zn。Al和Si均与Cu形成共晶体，并且这些共晶体对于Cu-Al而言具有548 ℃的熔点，而对于Cu-Si而言具有802 ℃的熔点。Cu-Zn系统具有从420 ℃至902 ℃的低熔点的宽广范围的相。为了有效地穿透镍的镀层，添加剂应不会与镍形成高熔点的金属间化合物，而是应与镍具有低温的共晶体。Al在640 ℃与Ni具有共晶体，但形成了镍铝的金属间化合物（Al₃Ni）。为了反应有效，铝添加剂和镍层应不会产生过量的Al₃Ni（42 wt.% Al（wt.%为重量百分比））。为了确保最少有50%的液体作为反应产物，应当有足够的Al可用，使得反应产物的总成分低于大约30 wt.%Ni。在假定两衬底上存在10微米厚的镍的镀层时，需要的纯Al添加剂的最小体积仅为镍的镀层的体积的大约70%，或者假定均匀的Al箔，则所述箔仅为大约14微米厚（Al的密度为2.70 g/cm³，Ni的密度为8.90 g/cm³）。箔越厚，则导致形成更大量的液体。这将确保共晶液体可溶解掉镍的镀层并且开始与衬底的反应，而不会形成过量的高熔点的金属间化合物。由于Ni和Si形成液体的最低温度为954 ℃，所以硅不会很好地起作用。因为仅非常富含锌的合金具有低熔点（例如具有80wt.% Zn的γ相具有881 ℃的熔点），所以锌同样不会很好地起作用。除纯金属外，可将合金用作添加剂，该添加剂包括基底金属与添加元素的组合，例如Cu-Al合金。

为了将铝电极接合至铜导体（或将铜电极接合至铝导体），添加剂应形成具有低于铝的熔点（即660 ℃）的低熔点材料。由于Al在548 ℃与Cu形成共晶体，所以Al可用作添加剂。一旦共晶体形成并开始与衬底的反应，则该反应可通过消耗铝片电极和铜导体材料来继续。在该情况下，可通过利用加热接合部的合适的时间，或优选地通过利用一旦消耗设定量的片/导体材料就终止反应的压板的位移控制来维持对接合工艺的控制。

为了使铝的蓄电池电池单元接头（金属或合金）彼此接合，添加剂应与具有660 ℃的熔点的铝形成低熔点液体。合适的添加剂包括铜、硅、锌和镁。由铝与这些元素形成的二元合金的最低固相线温度对于Cu-Al而言为548 ℃，对于Si-Al而言为577 ℃，对于Zn-Al而言为381 ℃，而对于Mg-Al而言为437 ℃。只要在低于工件的固相线温度的温度提供合适的液体体积，则包括上述元素的合金就可用作反应材料。合金可用作反应材料，该反应材料可包括工件基底金属与添加元素的组合，例如用于接合铝合金部件的Al-Si合金或Al-Si-Cu合金。

作为本发明的另一实施例，可使用颗粒的混合物，该颗粒混合物具有进行反应以形成含液相的明显不同的成分。例如，合适的铜与铝颗粒的混合物将产生与铝接合表面反应并润湿铝接合表面的液体，但却是在不消耗过量的待接合部件的情况下产生相当大量的反应产物。

在本发明的一些实施例中，工件中的一方或两者的接合面可形成有表面特征，例如用于保持界面反应材料的诸如凹痕、隆起、浅凹口或空腔。在空腔的情况下，工件可通过用于接合对向的工件表面的衬垫或突起而结合。工件材料的这些表面特征被成形以临时保持反应材料，直到所组装的工件被加热以开始焊接工艺为止。然后，反应材料与工件表面特征反应，以形成具有其低熔点液体的反应产物并找平用于焊接的工件表面。在形成于均匀厚度的片中的特征（诸如凹痕或隆起）的情况下，这些特征临时保持反应材料，直到所组装的工件被加热以开始焊接工艺为止。然后，反应材料与工件表面特征反应，并且随着这些特征在负载作用下变形而遍布整个表面，以形成连续的焊接部。

具有居间反应材料的工件可支撑在合适的框架、夹具、吊架等等上。加热设备和挤压设备用于将工件压靠在反应材料上，并将反应材料加热至低于工件的固相线温度的温度，但加热至适于促进形成反应产物并清洁金属表面的温度。在本发明的许多实施例中，组装的工件可直接支撑在用于工件的受控加热和挤压的机构或设备上。例如，合适成形的加热块可用于接合工件的背侧（即非接合侧）。这样的加热块（例如可以是电阻加热块）被成形以接合面向外的工件表面，从而将工件的接合面压靠在共同延伸地放置的反应材料上，并通过工件中的至少一个工件将热传导至反应材料。但本发明的实践不局限于电阻加热。许多其他的加热装置和能量给予装置可用于对放置在待接合的表面处的反应材料进行加热。

该反应冶金实践对于将工件焊接到一起非常有用。根据本发明，该方法被实施以管理焊接物件的尺寸，并使构件在焊接界面处的畸变最小。这可能在工件具有仅几毫米或更小的厚度时（例如通常为大约0.2 mm厚的蓄电池电池单元接头时）是尤其需要考虑的问题。这样的尺寸控制通过如下方式实现：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，以及控制工件在接合期间所经历的变形量。对于例如小于1 mm厚度的非常薄的材料的情形而言，在期望特定的最终材料厚度的情况下，可以较大的厚度生产材料，然后通过反应和应力将该材料便薄至期望的最终厚度。

在加热步骤中精密控制界面的温度，以在保持低于工件面的固相线温度的同时形成流动的反应产物。例如，在铝-铜共晶体可在大约548 ℃熔化的同时，AA6061工件可具有大约582 ℃的固相线。热电偶和温度控制器可用于控制界面温度。应仔细留意界面处压力的施加，以使焊接区的畸变最小。所应用的第一压力可用于形成清洁金属表面的反应产物，然后第二压力用于使反应产物从经过清洁的面之间移位。但是，将压力和工件位移保持在使被清洁的热焊接面的不期望变形最小化的水平。可通过例如作用于加热器块的伺服电机、或通过块之间的机械止动件来控制界面位移。

因此，本发明的反应冶金接合工艺可以被实施，以在宽广范围的表面区域上的金属表面之间形成固态焊接。该工艺适用于片材至片材的焊接，并且适用于在许多其他锻造和铸造工件形状之间形成焊接。

本发明还提供了以下方案：

方案1. 一种在第一金属或金属合金工件与第二金属或金属合金工件之间形成固态焊接的方法，所述第一金属或金属合金为铝或铜，所述第二金属或金属合金为铝或铜，所满足的条件是当所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金中的一个是铝时，所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金中的另一个为铜，所述方法包括：

选择反应材料，所述反应材料为金属元素、或者两种或更多元素的合金、或两种或更多不同元素或合金的混合物，采用的形式为被放置在所述第一金属合金工件的第一接合表面与所述第二金属合金工件的第一接合表面之间，并且与所述第一金属合金工件的第一接合表面和所述第二金属合金工件的第一接合表面接触，所述金属元素或合金选择成在被加热至低于所述第一金属合金的固相线温度的温度时至少与所述第一金属合金工件的第一接合表面反应，以形成包括所述金属元素和所述第一金属合金元素的含液反应产物；

制备所述第一金属合金工件和所述第二金属合金工件的组件，其中所述第一金属合金工件和所述第二金属合金工件的相应的面对面的第一接合表面由所述反应材料分开，所述反应材料的量被预定，以便在形成反应产物中消耗所述工件中的一个或两者的指定量；

以第一压力水平挤压所述组件，使得所述对向的第一接合表面接合所述反应材料，并加热所述反应材料达预定时间以形成所述反应产物，并消耗所述对向的工件的一部分；

将基本上所有形成的反应产物从所述剩余的接合表面之间挤出；以及

在将基本上所有形成的反应产物从所述剩余的接合表面之间挤出之后，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间形成固态焊接接合部为止。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金和所述第二金属或金属合金为铜。

方案3. 根据方案2所述的方法，其中，所述反应材料包括铝、硅或锌中的至少一种金属元素，或者包括它们的合金。

方案4. 根据方案2所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金、或者所述第二金属或金属合金、或者所述两者具有镍涂层。

方案5. 根据方案4所述的方法，其中，反应材料为铝或其合金。

方案6. 根据方案1所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金为铝。

方案7. 根据方案6所述的方法，其中，所述反应材料包括铝或其合金。

方案8. 根据方案6所述的方法，其中，存在至少两个第一金属或金属合金工件，其中所述第一金属或金属合金工件在与所述第一接合表面相对的侧面上具有第二接合表面，其中所述第二第一金属或金属合金工件具有第一接合表面，并且还包括：

选择第二反应材料，所述第二反应材料为金属元素、或者两种或更多元素的合金、或者两种或更多不同元素或合金的混合物，其形式为被放置在所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面与所述第二第一金属或金属合金工件的第一接合表面之间，并与所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面和所述第二第一金属或金属合金工件的第一接合表面接触，所述金属元素或合金选择成在被加热至低于所述第一金属或金属合金的固相线温度的温度时，至少与所述第二第一金属或金属合金工件的所述第一接合表面反应，以形成包括所述金属元素和所述第一金属或金属合金元素的第二含液反应产物；以及

制备所述组件，其中所述第二第一金属或金属合金工件的第一接合表面与面对面的所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面由所述第二反应材料分开。

方案9. 根据方案8所述的方法，其中，所述第二反应材料包括铜、硅、锌或镁中的至少一种金属元素或它们的合金。

方案10. 根据方案1所述的方法，还包括将所述组件上的压力提高至较高的压力水平，以帮助将基本上所有形成的反应产物从所述剩余的接合表面之间挤出。

方案11. 根据方案1所述的方法，还包括：

在所述工件中的至少一个工件的接合表面中形成用于反应材料的空腔，并将反应材料放置在所述空腔中；以及

制备所述工件的组件，使得所述反应材料在受热时与限定所述空腔的所述接合表面的合金材料反应，从而形成所述反应产物。

方案12. 根据方案1所述的方法，其中，所述第二金属或金属合金工件的厚度与所述第一金属或金属合金工件的厚度的比率至少为3:1。

方案13. 根据方案1所述的方法，还包括将所述第一接合表面的位移限制到预定值。

方案14. 根据方案13所述的方法，其中，利用伺服枪或机械止动件来控制将所述接合表面的所述位移限制到预定值。

方案15. 根据方案1所述的方法，还包括冷却所述第一金属或金属合金工件。

方案16. 根据方案15所述的方法，其中，在将所述组件挤压到一起的同时冷却所述第一金属或金属合金工件的一部分。

方案17. 一种在至少两个第一金属或金属合金工件与第二金属或金属合金工件之间形成固态焊接的方法，所述第一金属或金属合金为铝或铜，所述第二金属或金属合金为铝或铜，所满足的条件是当所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金中的一个是铝时，所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金中的另一个为铜，所述方法包括：

选择第一反应材料，所述第一反应材料为金属元素、或者两种或更多元素的合金、或者两种或更多不同元素或合金的混合物，其形式为被放置在所述第一金属或金属合金工件的第一接合表面与所述第二金属或金属合金工件的第一接合表面之间，并与所述第一金属或金属合金工件的第一接合表面和所述第二金属或金属合金工件的第一接合表面接触，所述金属元素或合金选择成在被加热至低于所述第一金属或金属合金的固相线温度的温度时，至少与所述第一金属或金属合金工件的所述第一接合表面反应，以形成包括所述金属元素和所述第一金属或金属合金元素的第一含液反应产物；

选择第二反应材料，所述第二反应材料为金属元素、或者两种或更多元素的合金、或者两种或更多不同元素或合金的混合物，其形式为被放置在所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面与所述第二第一金属或金属合金工件的第一接合表面之间，并与所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面和所述第二金属或金属合金工件的第一接合表面接触，其中所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面在与所述第一接合表面相对的侧面上，所述金属元素或合金选择成在被加热至低于所述第一金属或金属合金的固相线温度的温度时，至少与所述第二金属或金属合金工件的所述第一接合表面反应，以形成包括所述金属元素和所述第一金属或金属合金元素的第二含液反应产物；

制备所述至少两个第一金属或金属合金工件和所述第二金属或金属合金工件的组件，其中一个第一金属或金属合金工件的所述第一接合表面与面对面的所述第二金属或金属合金工件的第一接合表面由所述第一反应材料分开，并且所述第二第一金属或金属合金工件的第一接合表面与面对面的所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面由所述第二反应材料分开，所述第一反应材料的量被预定，以便在形成反应产物中消耗所述第一金属或金属合金工件或者所述第二金属或金属合金工件或者所述两者的指定量，所述第二反应材料的量被预定，以便在形成反应产物中消耗所述第一金属或金属合金工件的指定量；

以第一压力水平挤压所述组件，使得所述对向的接合表面接合所述第一反应材料和所述第二反应材料，并加热所述第一反应材料和所述第二反应材料达预定时间，以便形成所述第一反应产物和所述第二反应产物，并消耗所述对向工件的一部分；

将所述组件上的压力提高至较高的压力水平，以在将所述接合表面的位移限制到预定值的同时，将基本上所有形成的第一反应产物和第二反应产物从所述剩余的接合表面之间挤出；以及

在将基本上所有形成的反应产物从所述剩余的接合表面之间挤出之后，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间形成固态焊接的接合部为止。

方案18. 根据方案17所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金和所述第二金属或金属合金为铜。

方案19. 根据方案18所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金、或者所述第二金属或金属合金、或者所述两者具有镍涂层。

方案20. 根据方案17所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金为铝，而所述第二金属或金属合金为铜。

方案21. 根据方案17所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金为铜，而所述第二金属或金属合金为铝。

方案22. 根据方案17所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金具有镍涂层。

由以下的详细说明和附图，本发明的以上及其他的优点和新的有用结果对本领域的技术人员而言将变得显而易见。

附图说明

图1A-1C示出了工艺的示意性剖视图，其例示出在固态接合的发展中的三个阶段。工件和加热块的尺寸不必按比例绘制，而是为了对焊接工艺的实施例进行例示。

图2示出了整体表面特征的第一实施例，所述整体表面特征可结合到工件中的一个或两者的接合表面中，以接纳反应材料并使得能够对总的接合部厚度进行较好的控制。

图3示出了整体表面特征的第二实施例，所述整体表面特征可结合到工件中的一个或两者中，以接纳反应材料并使得能够对总的接合部厚度进行较好的控制。

图4是在接合金属部件的工艺的实施例中用于加热焊接界面并向焊接界面施加压力的设备（电阻焊枪臂）的示意图。

图5是工艺的实施例的示意图，其中待焊接的两个工件的几何形状禁止或防止用于加热焊接界面的双侧接近途径。

图6例示了工艺的实施例，其中将要形成在不平行的表面上的两个构件之间的多个接合部。

图7示出了利用本发明制成的焊接件的局部段的低倍显微图片，其中示出了接合部、一些俘获的铜焊合金和排出的铜焊合金。

图8示出了图7所示的焊接件的一部分的高倍显微图片，其中示出了接合部和一些俘获的铜焊合金。

图9A-C示出了工艺的另一实施例的示意性剖视图，其中示出了铜的蓄电池电池单元接头到铜导体的接合的发展的三个阶段。

图10A-C示出了工艺的另一实施例的示意性剖视图，其中示出了铝的蓄电池电池单元接头到铜导体的接合的发展的三个阶段。

具体实施方式

本发明涉及用于接合金属或金属合金工件的固态焊接工艺。在接合表面之间临时地形成包括流动的低熔化温度的含液材料的反应产物。流动材料形成为待接合表面与预置材料之间的反应产物，所述预置材料关于其与基底金属合金进行反应的能力而专门选择。在所施加的力的作用下，反应产物从接合部移走并留下清洁的无氧化物的铝或铜的表面，该清洁的无氧化物的铝或铜的表面在继续的压力作用下形成金属至金属的结合。该工艺可以被实施，以管理工件的对向表面的消耗和变形。

在本发明的许多实施例中，该工艺可用于在铜金属或合金或者铝金属或合金的工件与其它的铜金属或合金或者铝金属或合金的工件之间形成固态焊接界面。铝基合金的示例为AA1100（643 ℃的固相线温度）、AA1060（固相线为646 ℃）和AA1350（固相线为646 ℃）。

该工艺经常可用于在接合部位置处焊接具有相对薄的壁的片材或其它工件。图1A－1C用于例示这样的实施例。

在图1A中，在此以重叠构造示出的两个金属工件10和20位于两支撑块15与25之间，并且相应地使颗粒反应材料层12位于待焊接的工件10、20的预期结合表面之间。在工件由铝合金形成的情况下，反应材料例如可以是元素铜、镁、硅和/或锌。这些元素的混合物或包含这些元素的合金可用作反应材料。

对反应材料的颗粒形式的描述并不意图是限制性的。还可使用诸如箔、线、网或织物之类的替代形式，但是，如在本说明书稍后部分中更完全地揭示的那样，具有不规则几何形状的材料形式（诸如颗粒、线或织物）在某些特定的实施例中可提供超过箔的优点。反应材料12可以作为固体被手动或机动地（或通过机器人）输送到接合部区域，或者专门用于颗粒形式，作为可分配流体中的弥散物或糊料而被夹带，所述可分配流体对于该工艺是有益的，或者所述可分配流体在处理期间将蒸发掉。这些过程对于接合领域的技术人员而言是熟知的。

工件经受通过支撑块施加的并在方向上垂直于支撑块的第一压力p，该第一压力p足以在接触的工件表面11和21与反应材料12之间至少建立良好的机械接触。

在图1B中，在仍然处于压力p的作用下的同时，将工件10和20以及颗粒反应材料12加热至工艺温度T，该工艺温度T足够使反应材料12扩散到工件的表面11和21的铝合金成分或铜成分中，或以另外的方式与所述铝合金成分或铜成分相互作用，以形成反应产物14。反应产物14包括低熔点液体，该低熔点液体结合有原始的反应材料、通过与工件10、20的表面11、21的反应以及工件10、20的表面11、21的部分溶解所引入的额外的元素组分。该低熔化温度的液体还可包括从表面11和21去除的固体氧化物等。应意识到的是，颗粒反应材料12可选择成具有这样的初始成分，所述初始成分使得来自工件10和20的合金元素的加入不会将反应产物14的熔点提高至高于工艺温度T的温度。更优选地，另外的元素添加到反应材料12中以形成反应产物14将导致反应材料12的熔点的进一步降低，例如在三元、四元或更多元组分的共晶合金中所观察到的那样。

如上所述，反应材料12可以不同的和/或组合的固体形式来使用，诸如颗粒、线、网、片或膜。但居间材料的成分和形状被选择成破坏待焊接的铝或铜金属或合金工件的对向表面（诸如表面11、21）上的氧化膜及其他表面成分，以形成流体的含液反应产物14。可通过对氧化膜的额外机械破坏来促进反应产物14更快速的形成，所述氧化膜在加热期间出现于组装的对向表面11和21与居间反应材料12之间。这可通过利用机械运动和超声波激励来实现，所述机械运动可以是与接合表面横向的运动，而所述超声波激励可在远离焊接区的便利位置处施加并通过支撑块15和25传送至焊接区。

优选的是，具有液体或液体与固体的反应产物14的流动性在所施加的压力p的作用下可导致其在工件10与20之间的整个加压接触区域上的分布，从而形成反应区16，反应区16可以比反应材料12的颗粒原始分布在其上的区域更大。

已描述了当采用在反应温度T处为固体的较高熔点的反应材料时的本发明的实践。应意识到的是，在反应温度T时为液体的低熔点反应材料同样合适。

由于所施加的压力p，所以从反应区16部分地排出含液反应产物14，但在本发明的预期实践中，熔化的反应产物14的薄膜将存在于无氧化物的工件表面11'与21'之间，以防止它们彼此接触。更重要的是，熔化反应产物14的薄膜防止大气中的氧进入反应区16，并从而使得表面11'和21'能够持续地免于氧化。

在图1C中，图1B所示的接合部构造经受第二压力P（如果需要，多于两个压力），该第二压力P通常明显大于p，并足以大致完全从反应区16排出反应产物14，从而在仍然处于操作温度T的同时使得无氧化物的工件表面11'与21'能够获得密切接触，并因此在反应区16中通过剩余反应产物14在其周边产生固态结合。

替代性地，接合部构造可经受一个施加的压力，在该一个施加的压力的作用下发生反应，并且在该一个施加的压力下大致完全排出反应产物。然而，两个压力水平或一个压力水平和有限位移（如以下所描述地）是优选的。

最后，使被接合的工件大约冷却至室温，并允许反应产物14凝固。然后，可从焊接区的周边去除反应产物14。

应意识到的是，通过压力p或压力P的施加，产生相关联的位移。如上所述，人们相信，与压力p相关联的位移有益于使氧化物层破碎或破裂，否则氧化物层将阻止反应。然而，由于除反应材料12已转化成反应产物14的反应区16之外，压力P还施加至工件10和20的加热区域，所以与压力P相关联的位移可能是有害的。加热区域比相邻的冷区域软，并因此可更容易被支撑块15和25压印出凹痕。任何这样的压痕都导致接合部中的工件的变薄，并因此可降低其强度。由于工件10和20的一部分已经与反应材料12进行反应而消耗以及随后从接合部排出，它们已不能对接合部有所贡献，所以接合部强度由变薄而引起的进一步的降低可能是不期望的。

考虑用于接合部和总体系统（反应材料和工件）的冶金的设计需求，从而实践该工艺，以将工件界面处的变薄或变形限制到合适的程度。例如，考虑0.5 mm厚的铝片到相同的片的结合，其中将铜箔用作反应材料并将铝的最大损失限制到每片0.1 mm，。采用这些条件和约束，并已知所形成的反应产物（14）为具有大约34wt.%的铜的成分的Al-Cu共晶体，直接计算出的是，铜箔的厚度应小于0.03 mm。这当然假定了可容易地得到期望厚度的箔。此外，当考虑更复杂的合金系统时，所得到的反应产物（14）的成分可能不是先验已知的。考虑到这两个问题，需要确认替代方法。

因此，在本发明的第二实施例中，替代强加的压力P，优选地强加位移δ，该位移δ足以获得期望的固态焊接，但意在限制接合部变薄或使接合部的变薄最小。于是随着工艺的进行，本发明的实践需要对支撑块的控制从负载控制（压力p的施加）到位移控制（位移δ的强加）的转换。用于获得上述情形的装置为本领域的技术人员所熟知。

图1示出了由诸如可在轧制品或挤压制品中观察到的大体上平坦或平滑的接合表面构成的工件10和20。然而，还可设想的是，在接合表面形成有浅的凹陷或凹处并且抵靠另一工件的互补的对向接合表面放置的情况下实践本发明，该浅的凹陷或凹处用于容纳反应材料。例如，较重的锻造制品或铸造制品在无需单独的机械加工步骤的情况下提供了引入浅的容器的机会，该浅的容器用于将反应材料临时地保持在工件否则平坦或无特征的接合表面中。容器的壁或侧面的低限制表面便利地提供了用于与所放置的反应材料进行反应的铝合金或铜合金。

图2中示出这样的凹陷或凹处的示例。图2是工件的局部视图，其中具有工件的预期接合表面的一部分。在该实施例中，工件可以是挤压或铸造物体，其中接合表面部分40形成有在工件40的预期正常水平上突出小的距离（例如大约一毫米左右）的若干平行条42。在此，接合表面40是较大的挤压或铸造工件的一部分。反应材料12的离散颗粒（或线或其他形状）被示出在条42的上表面43上和在条42之间的112处。当抵靠着第二工件组装该工件时，条42的表面43可初始地接合相对的接合表面。当将组装工件的接合表面压到一起并加热所述表面时，反应材料12和112可与条42的材料反应并且与对向表面反应，以形成具有其低熔点液体的内容物的反应产物。条42在该反应中可被消耗，以在工件之间为待形成的焊接部提供更大的表面区域。优选预定反应材料的量以及条的尺寸和数量（或限制材料的其他凹陷），以去除所述条并便于流动的反应产物的排出。

反应材料112在凹陷或空腔中的这种分布在本发明的许多实践中都是有益的。反应材料与空腔之间增加的接触可增强反应物与工件接合表面之间的相互作用。更大表面积的表面被暴露于用于去除表面氧化物层的反应材料。并且，即使没有被反应材料完全地消耗，任何剩余的表面突起可通过压力P变形，以减小工件的总变形并产生能够经历期望的固态结合的大体上平坦的界面。

图3示出这样的工件接合表面的进一步的变型，其中在工件表面40上形成十字形的条或壁42，以限定用于包含反应材料颗粒112的浅空腔44。应意识到的是，条的上表面43尽管描绘成平坦的，但可制成一系列构形、尤其是可使得相对工件上的氧化层更有效的破碎成为可能的那些构形。这些构形包括通过用高压空气的喷砂或喷丸处理产生的构形，以提供粗糙的糙面纹理。

诸如凹陷或凹进之类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。在该实施例中，工件可以是冲压的箔片，其中接合表面部分形成有在工件表面的预期正常水平上突出小的距离（例如大约0.1毫米左右）的特征。在此，接合表面是较大的片状接头的一部分。反应材料的离散颗粒嵌入由所述特征形成的凹陷中。这用作提供反应材料的均匀分布的方式，其中该均匀分布在平滑无特征的表面的情况下可能更困难。当抵靠着第二工件组装该工件时，所述表面可初始地接合相对的接合表面。当将组装工件的接合表面压到一起并加热所述表面时，反应材料可与两工件表面反应，以形成具有其低熔点液体的内容物的反应产物。工件表面在该反应中被均匀地消耗，以在工件之间为待形成的焊接部提供更多的表面区域。优选预定反应材料的量和限制材料的凹陷的尺寸和数量。

前述说明意在用于描述适于各种各样的工件的工艺。反应材料的金属元素或合金成分基于组成相应工件的接合表面的铝或铜的金属或合金的成分确定，并应选择成使得其满足以下标准：

a. 引入到工件的加压区域之间的间隙中的反应材料（或多组分颗粒混合物的单独组分颗粒）的固相线温度可低于或高于工件的固相线温度。但反应材料在与工件反应或合金化时应产生具有比工件的固相线温度低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不会导致过度的工件软化；

b. 由反应材料与工件表面的反应形成的合金在熔化时，在对工件表面的氧化物以及对清洁表面之间形成固态焊接部的其他障碍物进行的清洁中必须至少润湿工件表面。更优选地，还润湿氧化的工件表面，使得熔化的合金可展开并在整个加压接合区域上与工件相互作用。以及

c. 当已溶解工件的最大部分时并且当合金可结合预先存在的工件氧化物的颗粒时，在工艺完结时形成的合金应具有粘性，使得该合金可通过施加压力P大致从工件加压区域之间的间隙完全排出。

仅根据以上的说明书，本发明可实践于：类似成分的工件，例如相同或不同成分或合金系列的铝合金；不同成分的工件，例如铝和铜；以及涂布到它们本身或其他合金的涂布材料，例如到铝的镀镍铜。

对于涂布材料，可选择反应材料12的量和成分，以去除所有的涂层，包括在涂层与衬底之间形成的任何反应产物。在特定的情况下，如果涂层与衬底之间的结合足够强，或者如果在结合中需要涂层的有益效应，则可能够仅去除涂层的一部分。当然应意识到的是，衬底与涂层之间的结合本身必须能够固态焊接。作为示例，对于铝上的阳极氧化涂层，由于在阳极氧化层存在的情况下不可能有对铝的润湿和金属至金属结合的形成，所以需要涂层的完全去除。

图4示出了用于实践本发明的另一实施例，并描绘了结合在可能是点焊伺服枪的支撑框架中的图1所示元件。图4所示的机械特征的构造仅是示例性的，并且不应解释成限制本发明的范围，本发明可利用以不同方式致动的点焊伺服枪、以及通过除点焊伺服枪以外的装置和机构来实践。然而，由于工艺需要力和/或位移的程序化施加（其是当前伺服枪设计中容易得到的能力），所以点焊伺服枪的使用是有利的。

为了如所描述地在工件10与20之间制造接合部，遵循以下的过程：

将合适量的反应材料12定位在预期的接合部区域中；

打开喉部60，以允许装载工件10与20，其中颗粒反应材料12位于工件10与20之间。在图4所示的布置中，这通过使可动臂58绕枢轴52沿由箭头55指示的方向旋转来实现，直到可动臂58与固定臂57之间的间隙60足够引入工件为止；

通过使可动臂58绕枢轴52沿与由箭头55所指示的方向相反的方向旋转来闭合喉部60，以使得支撑块15和25能够接触工件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；

在足够使颗粒反应材料12与工件10和20能够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施加指定的位移δ，以排出已经反应的反应产物14；

中止加热；以及

打开喉部60，以去除焊接的工件。

加热可利用各种方法实现。例如，可将电阻加热与支撑垫15、25一起使用，以使预定的电流通过加压区域达预定的时间。替代性地，支撑垫可以通过例如结合有筒形加热器（未示出）而在外部加热，筒形加热器依赖于传导将热输送到工件的界面（或接触面）11和21，即传导加热。最后，结合感应线圈以使用感应加热也是可行的。

类似地，可采用许多方法以在工件之间的接合部形成之后冷却工件。应指出的是，尽管反应产物14在工艺完结时仍然是熔化的，但这对接合部的强度没有任何贡献，接合部的强度完全可归因于在大致无氧化物的表面11'与21'之间形成的固态焊接。因此，最简单的过程是在被接合的工件仍然热的同时移除所述被接合的工件，并允许在工具外用空气冷却它们。如果工艺温度T高到使得热的接合部不能支持搬运部件或部件上的重力负载，则上述情形可能是不可能的。在该情况下，部件可保留在工具中并用空气冷却，直到接合部足够坚固为止。替代性地，支撑板15和25可结合有循环冷水的冷却盘管，以更有效地从接合部提取热。最后，如果部件完全由其他工具和支撑件来支撑，则所述部件在下述情况中仍可保持就位，在所述情况中喉部60打开以使支撑板与接合部脱离，使得所述部件可用空气冷却，或者替代性地使所述部件通过吹风或洒水/喷雾冷却经受增强的冷却。

在先前描述的工艺中，意味着接合部可容易地从两侧接近。尽管从两侧接近是广泛期望的，但也可在接近更受限制的情况下实践所述工艺。例如，图5示出了可能期望将部件附接至诸如管道之类的闭合截面的情形。所提供的管道120被牢固地固定，并且只要能够供应足够的热和压力，就仍可实践该工艺。在该示例中，支撑件15能够安装在机器人上，该机器人能够产生所需的压力或位移，并且可以仅从一侧实现加热。

图6示出了扩展的类似情形，以便例示出结合有诸如图2中详细示出的特征的L形铸件80将要被附接至闭合的矩形截面85的两个表面的情形。

应指出的是，两个接合表面40和相关的突起42（和图2中所例示的突起一样）彼此垂直地安装，并因此需要沿由箭头90所指示的方向施加的压力p和P，以确保在两表面上的附接。在该情况下，可通过利用每个接合部所用的单独的热源同时来同时实现所述接合部。

先前讨论了由铝片与作为反应材料的铜箔制成接合部的示例，但应指出的是，反应材料不必为纯金属，并且可以是具有比工件的熔点低的熔点的合金。

在图7中示出了利用铝4145铜焊合金（熔化范围521 ℃-585 ℃）在铝3003-H14合金（固相线温度大约为640 ℃）的片之间形成的并且大体上遵循本发明的实践的试验性固态结合。沿着线200来焊接原始工件211和221，并在接合部的边缘处示出了被排出的合金214。与由反应材料消耗的工件材料相关联以及与由支撑块（未示出）施加的负载相关联的表面凹陷被表示为250。应指出的是，未出现合金214的完全排出，并且少量的剩余合金214'被示出为捕集在接合部中。

图8示出了图7中所示的接合部的更高放大倍率的视图（在两显微图片上共同地示出了剩余合金214'），以图示出在工件211与221之间没有界面可以检测到，这与实现固态接合部的实践是相符的。

图9A-C示出了用于将由铝或铜制成的多个片层（例如蓄电池电池单元接头）接合至较重的标准规格铜片（例如导体）的方法。该方法提供了极好的电接触、足够的强度、低的成本和高的产出。该方法使用热的压板和接合添加剂，以在片表面处开始冶金的净化反应，该冶金的净化反应导致了两个衬底的直接的金属至金属的接触，以便在没有中间材料（即，焊料、铜焊或粘合剂，以及可能有腐蚀性的焊剂）的情况下被接合。在图9A-C中未示出电池单元囊。

在图9A中，存在三个铜的蓄电池电池单元接头305，其在待焊接的预期结合表面上具有颗粒反应材料层310。如上所述，反应材料例如可以是元素的铝、硅、和/或锌，它们的合金、它们与铜的合金、铜磷合金、或者这些元素或合金的混合物。反应材料可以利用上述方法输送至接合部区域。替代性地，接头可以预先涂覆有冶金添加剂。这可以高容量的工艺来实现，例如对以盘卷形式的电极材料的条带式处理（strip processing）。合适的工艺包括但不局限于：丝网印刷或喷涂添加剂颗粒，或者预先应用使用了粘合剂的添加剂薄箔。

铜的蓄电池电池单元接头305与铜导体315定位于压板320、325之间。如上所述，将压板320、325加热至接合温度，该接合温度足够反应材料310扩散到铜的蓄电池电池单元接头305和铜导体315中，或者以另外的方式与铜的蓄电池电池单元接头305和铜导体315相互作用，以形成反应产物。如果需要，可用热电偶控制温度。压板通常在接触之前加热至接合温度，以便缩短工艺时间。然而，这不是必需的，并且压板也可在接触之后加热至接合温度。

如图9B所示地，压板320、325移动到一起并对蓄电池电池单元接头305施加压力。在充分加热之后，冶金反应产生液体或半固体材料的中间体积。反应产物与待接合的表面反应，以暴露冶金清洁表面，从而允许清洁表面被靠拢在一起，用于在压力下进行接合。在来自压板320、325的压力下，反应产物从接合部中喷出，在此期间对接头和导体的表面相应进行处理，接头和导体的表面被靠拢以密切接触，并且将形成如图9C所示那样的坚固的冶金结合340。一旦工艺完成并且衬底表面密切接触，就分开压板320、325。

如果需要，可利用伺服枪或机械止动件来控制接合间隙，以防止过度变薄。

如果太多的热能沿片状电极传递到蓄电池电池单元中，则可正好在被加热的压板320、325下方将冷却的压板330、335夹在电极上。

图10A-C示出了将三个铝的蓄电池电池单元接头307焊接到铜导体315的类似工艺。待与其他铝的蓄电池电池单元接头接触的铝蓄电池电池单元接头上的反应材料312是用于铝至铝的接合，而待与铜导体接触的铝蓄电池电池单元接头上的反应材料314是用于铝至铜的接合。

该方法允许高传导率、高强度、大接触面积的蓄电池接头的接合。这允许将许多蓄电池电池单元接头接合到一起。另外，这允许接合不同的材料。该方法设计成利用铝和铜的衬底、以及利用镀镍的铜来工作。

尽管已详细描述了用于实现本发明的优选模式，但熟悉本发明所涉及领域的技术人员将会认识到所附权利要求范围内的用于实践本发明的各种替代性设计和实施例。

Claims

1.一种在第一金属或金属合金工件与第二金属或金属合金工件之间形成固态焊接的方法，所述第一金属或金属合金为铝或铜，所述第二金属或金属合金为铝或铜，所满足的条件是当所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金中的一个是铝时，所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金中的另一个为铜，所述方法包括：

以第一压力水平挤压所述组件，使得对向的第一接合表面接合所述反应材料，并加热所述反应材料达预定时间以形成所述反应产物，并消耗所述对向的工件的一部分；

将基本上所有形成的反应产物从剩余的接合表面之间挤出；以及

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金和所述第二金属或金属合金为铜。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述反应材料包括铝、硅或锌中的至少一种金属元素，或者包括它们的合金。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金、或者所述第二金属或金属合金、或者所述两者具有镍涂层。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，反应材料为铝或其合金。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金为铝。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述反应材料包括铝或其合金。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，存在至少两个第一金属或金属合金工件，其中所述第一金属或金属合金工件在与所述第一接合表面相对的侧面上具有第二接合表面，其中第二第一金属或金属合金工件具有第一接合表面，并且还包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二反应材料包括铜、硅、锌或镁中的至少一种金属元素或它们的合金。

10.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述组件上的压力提高至较高的压力水平，以帮助将基本上所有形成的反应产物从所述剩余的接合表面之间挤出。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括：

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二金属或金属合金工件的厚度与所述第一金属或金属合金工件的厚度的比率至少为3:1。

13.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述第一接合表面的位移限制到预定值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，利用伺服枪或机械止动件来控制将所述接合表面的所述位移限制到预定值。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括冷却所述第一金属或金属合金工件。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，在将所述组件挤压到一起的同时冷却所述第一金属或金属合金工件的一部分。

17.一种在至少两个第一金属或金属合金工件与第二金属或金属合金工件之间形成固态焊接的方法，所述第一金属或金属合金为铝或铜，所述第二金属或金属合金为铝或铜，所满足的条件是当所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金中的一个是铝时，所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金中的另一个为铜，所述方法包括：

选择第二反应材料，所述第二反应材料为金属元素、或者两种或更多元素的合金、或者两种或更多不同元素或合金的混合物，其形式为被放置在所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面与第二第一金属或金属合金工件的第一接合表面之间，并与所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面和所述第二金属或金属合金工件的第一接合表面接触，其中所述第一金属或金属合金工件的第二接合表面在与所述第一接合表面相对的侧面上，所述金属元素或合金选择成在被加热至低于所述第一金属或金属合金的固相线温度的温度时，至少与所述第二金属或金属合金工件的所述第一接合表面反应，以形成包括所述金属元素和所述第一金属或金属合金元素的第二含液反应产物；

以第一压力水平挤压所述组件，使得对向的接合表面接合所述第一反应材料和所述第二反应材料，并加热所述第一反应材料和所述第二反应材料达预定时间，以便形成所述第一反应产物和所述第二反应产物，并消耗所述对向工件的一部分；

将所述组件上的压力提高至较高的压力水平，以在将所述接合表面的位移限制到预定值的同时，将基本上所有形成的第一反应产物和第二反应产物从剩余的接合表面之间挤出；以及

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金和所述第二金属或金属合金为铜。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金、或者所述第二金属或金属合金、或者所述两者具有镍涂层。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金为铝，而所述第二金属或金属合金为铜。

21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金为铜，而所述第二金属或金属合金为铝。

22.根据权利要求17所述的方法，其中，所述第一金属或金属合金或者所述第二金属或金属合金具有镍涂层。