CN105312745B - 用于反应冶金连接的反应材料预置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于反应冶金连接的反应材料预置。一种将反应材料预置到金属工件基体的表面上的方法，其涉及使用振荡丝电弧焊接。所述方法涉及沉积且粘附来自于可消耗电焊条的反应材料。通过这样做，能够在所述金属工件基体已经准备好通过反应冶金连接来连接之前的任意时间来沉积反应材料，并且能够更容易控制反应材料沉积物的尺寸和形状。

Description

用于反应冶金连接的反应材料预置

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年7月8日提交的美国临时申请号62/021,740的权益。所述申请的全部内容通过引用并入此文中。

技术领域

本公开的技术领域大体涉及金属工件基体的反应冶金连接，并且更确切地涉及在金属工件基体中的至少一者的结合面上的反应材料的预置。

背景技术

反应冶金连接是这样的工艺，即在其中，反应材料被加热且被压缩在两个金属工件基体之间以促进在基体之间形成冶金接头。特别地，反应材料被制定成其具有的液相线温度低于正被连接的两个金属工件基体的固相线温度，并且额外地当设置在工件基体的相对的结合面之间且被加热到高于其固相线温度时与那些表面反应。在加热到高于至少其固相线温度之后（且如果需要，则预先准备好），将压缩力施加到工件基体，其沿工件基体的结合界面挤压且侧向地铺开反应材料（包括任何反应副产物）。此时结合面连接在一起，以建立主要由基本工件材料组成的低电阻率固态冶金接头，因为所施加的压缩实质上是从接头排出反应材料。

反应材料的反应性使能实现聚结而不必熔化金属工件基体。实际上，在反应冶金连接期间，反应材料在加热到高于其固相线温度时形成可流动的液相，同时通常避免熔化面对的工件基体。此液相分解存在于结合的金属工件表面上的表面膜和材料（例如氧化物膜等）以暴露结合面的洁净部分，并且还能够局部地分解每个结合面的表层以使其暂时更易于聚结。除了排出反应材料和任何反应副产物之外，施加到金属工件基体的压缩力最后使相对的结合面的洁净部分在压力下达到直接接触。最终，在相对的结合面的接触聚结部分之间产生固态冶金接头。仍存在于结合界面处的反应材料的任何剩余残留量仅仅重新凝固而实质上不影响接头性质。

相比于尤其例如MIG焊接、TIG焊接、激光焊接和电阻点焊等其它连接技术，通过反应冶金连接来连接金属工件基体所需的热量输入是相对低的。不同于旨在产生足够热量以使基底金属开始熔化的那些和其它焊接工艺，反应冶金连接能够直接在金属工件基体之间实现固态接头而不必产生此热量。如先前所解释的，反应冶金连接能够仅输入足够的热量以使反应材料开始熔化，反应材料转而与工件基体结合面反应以在一温度下开始聚结，该温度低于工件基体中的任一者将开始熔化的温度。因此，当热敏性材料定位成紧密靠近试图被连接的金属工件基体时（尤其当通过从冷却电极所获得的电阻加热来执行时），反应冶金连接的使用是具有吸引力的选项。

虽然反应冶金连接具有以最少热量输入来形成有品质的固态冶金接头的能力，但其在制造业背景下的使用提出了一些实际挑战。例如，当前常规做法通常依赖于将反应材料手动安置在相对的工件基体结合面之间。此安置通常要求个体刚好在加热且压缩所插入的反应材料之前用手工工具（比如夹钳或镊子）操纵反应材料的带条或箔片。虽然这些手动技术起作用且实际上在一些情况下可以是有用的，但存在其中可需要更快速、更灵活并且更容易控制反应材料安置技术的情况。

发明内容

公开了一种将反应材料预置在将通过反应冶金连接来被连接的工件基体的结合面上的方法。本方法涉及使用振荡丝电弧焊接（oscillating wire arc welding）以将反应材料沉积且粘附至工件基体结合面上，该反应材料是来自于由反应材料组成的可消耗电焊条。通过采用振荡丝电弧焊接，能够一致地将受控量的反应材料沉积在特定位置中。振荡丝电弧焊接还准许控制所沉积的反应材料的尺寸和形状，这意味着反应材料能够经沉积而具有0.5或更大的纵横比（纵横比是将沉积材料的高度与基底直径相比较）。满足这种关系的反应材料沉积物已在某些情况下被显示出比更平坦沉积物产生工件基体之间的更高品质的冶金接头。

此外，由于振荡丝电弧焊接将反应材料粘附至工件基体结合面，所以不必刚好在实际反应冶金连接工艺开始之前沉积反应材料。实际上，如果需要，能够在预期相对应的工件基体经历反应冶金连接之前很久便沉积反应材料，且反应材料可甚至沉积在偏远位置中并与工件基体一同存储历时较长时间周期。这种工艺灵活性甚至准许完全独立于反应冶金连接设备而在专用设备上实施反应材料的沉积。当可使用专用和独立设备时，能够专门为反应材料预置来定制设备固定装置和相关过程力学（例如，过程控制、冷却等），这样促进过程可靠性和效率。

使用振荡丝电弧焊接的反应材料预置能够用来为反应冶金连接预备多种金属工件基体组合。在一个实施例（其特定示例描述于下文）中，两个金属工件基体中的每一者可为由铜组成的电动马达定子的相位超前凸片（phase lead tab）。当然，振荡丝电弧焊接能够与其它金属工件基体一起使用。例如，金属工件基体中的每一者可由铜合金组成，所述铜合金包含96重量%或更多的Cu以及0-4重量%的一种或多种合金元素（例如，Cd、Cr、Zr、Mg、Fe、P、Be、Co、S、Te和Pb等）。列举另一示例，金属工件基体中的每一者可由非铜基金属或合金（例如，钢或铝合金等）组成。技术人员将知道和领会到能够与许多不同金属工件基体组合一起使用的不同类型的反应材料，这些金属工件基体组合有利于借助于振荡丝电弧焊接实现反应材料预置。

根据本发明，其还存在以下技术方案：

1. 一种实施反应冶金连接的方法，所述方法包括：

使用振荡丝电弧焊接以在沉积位置处将反应材料沉积物粘附至第一金属工件基体的结合面上，振荡丝电弧焊接的所述使用涉及将熔融反应材料微滴从可消耗反应材料电焊条的前缘尖端转移至所述结合面上，且允许所述微滴凝固成所述反应材料沉积物；

将所述第一金属工件基体与第二金属工件基体按压在一起，使得所述反应材料沉积物接触且在所述第一金属工件的所述结合面与所述第二金属工件的面对的结合面之间延伸，所述反应材料沉积物粘附至所述第一金属工件的所述结合面上；以及

在将所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体按压在一起时，加热所述反应材料沉积物以熔化位于所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体的对立的结合面之间的所述反应材料沉积物，所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体在加热所述反应材料沉积物期间均不熔化，并且其中，将所述第一金属工件基体与所述第二金属工件基体按压在一起且加热所述反应材料沉积物引起在所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体的结合面之间形成固态冶金接头。

2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述第一金属工件基体由铜或铜合金组成，并且其中，所述第二金属工件基体由铜或铜合金组成。

3. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体中的每一者均是电动马达定子的相位超前凸片。

4. 根据技术方案2所述的方法，其中，所述反应材料电焊条包括Cu-Ag-P反应材料合金。

5. 根据技术方案4所述的方法，其中，所述Cu-Ag-P反应材料合金包含以重量百分比计的70%-95%铜、2%-20%银和3%-8%磷。

6. 根据技术方案1所述的方法，其中将所述第一金属工件基体与第二金属工件基体按压在一起包括：

使所述第一金属工件基体与第一电极接触并且使所述第二金属工件基体与第二电极接触，所述第一电极和所述第二电极彼此面对地轴向地对准并且被定位成使得当在电极之间交换电流时，电流将流经所述反应材料沉积物；以及

通过分别由所述第一电极和所述第二电极在所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体上施加压力，将压缩力施加到所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体。

7. 根据技术方案所述的方法1，其中，加热所述反应材料沉积物包括：

使电流穿过所述反应材料沉积物来以电阻的方式加热所述反应材料沉积物。

8. 根据技术方案1所述的方法，其中，使用振荡丝电弧焊接以将反应材料沉积物粘附至第一金属工件基体的结合面上包括：

（a）使所述可消耗反应材料电焊条的所述前缘尖端接触到所述第一金属工件基体的所述结合面；

（b）在所述电焊条的所述前缘尖端接触所述结合面时，使电流穿过所述可消耗反应材料电焊条；

（c）缩回所述可消耗反应材料电焊条远离所述第一金属工件基体的所述结合面，以由此触发电弧，所述电弧跨越形成在所述可消耗反应材料电焊条与所述结合面之间的间隙，所述电弧使所述可消耗反应材料电焊条的所述前缘尖端开始熔化；

（d）向前伸展所述可消耗反应材料电焊条，以闭合所述间隙，且使已形成在所述电焊条的所述前缘尖端上的熔融反应材料微滴接触到所述第一金属工件基体的所述结合面，所述熔融反应材料微滴与所述结合面之间的接触熄灭所述电弧；以及

（e）缩回所述可消耗反应材料电焊条远离所述结合面，以将所述熔融反应材料微滴从所述电焊条的所述前缘尖端转移至所述第一金属工件基体的所述结合面，被转移至所述第一金属工件基体的所述结合面的所述熔融反应材料微滴凝固成所述熔融反应材料沉积物。

9. 根据技术方案8所述的方法，其中，当所述可消耗反应材料电焊条的所述前缘尖端第一次接触到所述第一金属工件基体的所述结合面时，以初始电平传递所述电流。

10. 根据技术方案9所述的方法，其中当所述可消耗反应材料电焊条朝所述结合面向前伸展以使所述熔融反应材料微滴接触到所述结合面时，以中间电平传递所述电流，所施加的电流的所述中间电平小于所述初始电平。

11. 根据技术方案10所述的方法，其中，所述电流的所述中间电平是所述初始电平的50%到75%。

12. 根据技术方案9所述的方法，其中，当所述熔融反应材料微滴接触到所述第一金属工件基体的所述结合面并且所述电弧被熄灭时，则以短路电平传递所述电流，所述短路电平大于所述初始电平。

13根据技术方案12所述的方法，其中，所述电流的所述短路电平是所述初始电平的125%到150%。

14. 根据技术方案8所述的方法，其中，重复步骤（a）到（e）至少一次以增加位于所述第一金属工件基体的所述结合面上的所述熔融材料微滴的尺寸。

15. 根据技术方案8所述的方法，其中，所述可消耗反应材料电焊条贯穿步骤（a）到（e）具有正极性。

16. 一种方法，其包括：

提供具有结合面的第一金属工件基体；

实施第一振荡丝电弧焊接循环以将熔融反应材料微滴从可消耗反应材料电焊条转移至所述第一金属工件基体的所述结合面上，所述第一振荡丝电弧焊接循环包括：

使所述可消耗反应材料电焊条的前缘尖端接触到所述第一金属工件基体的所述结合面；

在所述电焊条的所述前缘尖端接触到所述结合面时，以初始电平施加穿过所述可消耗反应材料电焊条的电流；

缩回所述可消耗反应材料电焊条远离所述第一金属工件基体的所述结合面，以由此触发电弧，所述电弧跨越形成在所述可消耗反应材料电焊条与所述结合面之间的间隙，所述电弧熔化所述可消耗反应材料电焊条的所述前缘尖端以形成所述熔融反应材料微滴；

在所述熔融反应材料微滴通过所述间隙与所述结合面间隔开时，以中间电平施加穿过所述可消耗反应材料电焊条的所述电流，所述中间电平小于所述初始电平；

向前伸展所述可消耗反应材料电焊条以使所述熔融反应材料微滴接触到所述第一金属工件基体的所述结合面，所述熔融反应材料微滴与所述结合面之间的接触熄灭所述电弧；

当位于所述可消耗反应材料电焊条的所述前缘尖端处的熔融电极材料微滴接触到所述结合面时，则以短路电平施加穿过所述可消耗反应材料电焊条的所述电流，所述短路电平大于所述初始电平；

缩回所述可消耗反应材料电焊条远离所述结合面，以将所述熔融反应材料微滴从所述电焊条的所述前缘尖端转移至所述第一金属工件基体的所述结合面；以及

允许被转移至所述第一金属工件基体的所述结合面的所述熔融反应材料微滴凝固成反应材料沉积物，所述反应材料沉积物被粘附至所述第一金属工件基体的所述结合面。

17. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述第一金属工件基体由铜或铜合金组成，其中，所述第二金属工件基体由铜或铜合金组成，并且其中，所述可消耗反应材料电焊条包括铜基反应材料合金。

18. 根据技术方案17所述的方法，其进一步包括：

提供第二金属工件基体，其具有与面对所述第一金属工件基体的所述第一结合面的第二结合面；

使所述第一金属工件基体与第一电极接触且使所述第二金属工件基体与第二电极接触，所述第一电极和所述第二电极彼此面对地轴向对准并且被定位成使得当在所述电极之间交换电流时电流将流经所述反应材料沉积物；

通过分别由所述第一电极和所述第二电极在所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体上施加压力，将压缩力施加到所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体，使得所述反应材料沉积物接触且在所述第一金属工件的所述结合面与所述第二金属工件基体的对立的结合面之间延伸，所述反应材料沉积物粘附至所述第一金属工件的所述结合面上；以及

使电流在所述第一电极与所述第二电极之间传递且穿过所述反应材料沉积物，以电阻的方式加热所述反应材料沉积物且使其熔化而不熔化所述第一金属工件基体或所述第二金属工件基体，并且其中，将压缩力施加到所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体且加热所述反应材料沉积物引起在所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体的所述结合面之间形成固态冶金接头。

19. 根据技术方案16所述的方法，其中，所述可消耗反应材料电焊条具有正极性。

20. 根据技术方案16所述的方法，其中实施第二振荡丝电弧焊接循环，以增加位于所述第一金属工件基体的所述结合面上的所述熔融反应材料微滴的尺寸。

附图说明

图1是电动马达定子的透视图，其中该定子包括多组对立的铜相位超前凸片；

图2是图1中所描绘的多组相位超前凸片中的一组的放大透视图；

图3是在振荡丝电弧焊接期间反应材料电焊条已初始接触到工件金属基体的结合面的截面图示；

图4是在振荡丝电弧焊接期间反应材料电焊条在初始接触基体结合面之后已从此表面缩回以触发电弧的截面图示；

图5是在振荡丝电弧焊接期间由于由电弧所产生的热量已形成在反应材料电焊条的尖端处的反应材料熔融微滴的截面图示；

图6是图5中的熔融反应材料微滴在振荡丝电弧焊接期间接触到基体结合面的截面图示，所述熔融反应材料微滴；

图7是在反应材料电焊条已留下稍后凝固的熔融反应材料微滴之后反应材料沉积物的截面图示；以及

图8是用于实施两个金属工件基体的反应冶金连接工艺的示意性图解。

具体实施方式

预置反应材料用于最终参与反应冶金连接的方法的优选的和示例性的实施例在图1-图8中示出且在下文中进行描述。虽然此处所描述的实施例将特定铜基反应材料合金沉积在铜工件基体上以有助于两个铜工件基体的反应冶金连接，但应理解到，此特定描述仅表示一种可能的执行。振荡丝电弧焊接可实际上用来将不同种类的反应材料制剂沉积到铜工件基体上，或就此而言沉积到其它金属工件基体上，尽管此处并没有明确描述。

能够使用反应冶金连接以在两个铜工件基体之间建立固态冶金接头（尤其是在所述基体中的任一者或两者均紧密靠近热敏性材料的情况下）。例如，如图1-图2中所示，电动马达的定子10可包括多组12对立的相位超前凸片14。每一组12中的对立的相位超前凸片14通常必须以确保凸片14之间的机械稳定性和良好的电连通的方式被连接。图2中显示多组相位超前凸片组12中的一组的放大图。在此处，分别由第一聚合物环形支架16和第二聚合物环形支架18来提供第一相位超前凸片14a和第二相位超前凸片14b。第一相位超前凸片14a与定子绕组的多条铜线20电连通，其延伸于设置在定子10的内圆周上的钢叠层之间，并且第二相位超前凸片14b是铜导体的伸出端，其中导体的邻接延伸部分嵌入第二聚合物环形支架18中且被挡住而看不到。第一相位超前凸片14a和第二相位超前凸片14b中的每一者优选地由高纯度铜（即，大于99.9重量% Cu）构成。考虑到用来使铜线20绝缘的搪瓷和第一聚合物环形支架16与第二聚合物环形支架18的聚合物材料易受热降解影响，使用反应冶金连接来合并对立的铜凸片14a、14b是明智的。

在相位超前凸片14a、14b被连接之前，通过振荡丝电弧焊接将反应材料沉积在凸片14a、14b中的一者或两者上，如图3-图7中所描绘的。首先，如图3中最佳所示的，反应材料最初被包装为具有前缘尖端24的可消耗电焊条22。反应材料电焊条22从引导喷嘴26伸出且可沿其纵向轴线A往复移动。反应材料电焊条22还通过电极电缆连接到焊接电源（未示出）。同样，为完成电弧焊接回路，具有结合面28（反应材料将沉积到该结合面28上）的铜相位超前凸片14通过工作电缆连接到焊接电源。焊接电源可构造来传送足够强度的直流电流（DC）或交流电流（AC）（其可指派有负极性或正极性）穿过反应材料电焊条22，使得能够在反应材料电焊条22与铜相位超前凸片14之间触发电弧，如下文将进一步描述的。

合并至反应材料电焊条22中的反应材料组分可以是铜基反应材料合金，例如包含以重量百分比计的70%-95%铜、2%-20%银和3%-8%磷的Cu-Ag-P钎焊组分等。此钎焊组分通常具有在约640°C-650°C的范围中的固相线温度和在约640°C-820°C的范围中的液相线温度。例如，在一个特定实施例中，Cu-Ag-P钎焊组分包括以重量百分比计的80%铜、15%银和5%磷，其提供具有约644°C的固相线温度和约805°C的液相线温度的钎焊组分。此外，Cu-Ag-P钎焊组分是自熔性的，意味着在其熔化时则从对立的相位超前凸片表面去除氧化物并且使焊接区域摆脱大气污染（最明显的是，由于磷对氧具有高亲和力而在所沉积的反应材料中形成氧化化合物）。

仍参照图3，振荡丝电弧焊接的早期阶段包括使反应材料电焊条22沿其纵向轴线A伸展，以使尖端24在沉积位置30处接触到铜相位超前凸片14的结合面28。反应材料电焊条22的纵向轴线A可取向成垂直于结合面28，或如所示的，其可以某角度倾斜以有助于接近结合面28。在反应材料电焊条22的尖端24接触结合面28时，焊接电源便被接通并且电流以初始电平（例如，当电焊条22具有约1.0 mm的直径时，约为100 A到约200 A）被施加并且穿过电焊条22。在这些情况下可在许多例子中使用的特定外加电流电平是105 A。

在已确立尖端24与结合面28之间的接触且电流正在流动之后，使反应材料电焊条22沿其纵向轴线A从相位超前凸片14的结合面28缩回，如图4中所示，通常缩回至远离结合面28的预设距离。例如，可使反应材料电焊条22在2 ms到5 ms的周期内缩回至远离结合面28约1 mm到约2 mm的距离。反应材料电焊条22的缩回引起电焊条22的尖端24从结合面28被移位间隙G，所述间隙G最初等于预设缩回距离。随后发生的已分离部分之间的电位差引起触发跨越间隙G的电弧32，并且该电弧32在电焊条22的尖端24与凸片14的结合面28之间。电弧32加热电阻式尖端24且在此位置处使反应材料电焊条22的熔化开始。可在沉积位置30处应用保护气体（通常由氩、氦、二氧化碳或其混合物组成）以提供稳定电弧32且确立保护区34，该保护区34防止大气氧污染熔化的反应材料。

反应材料电焊条22通过电弧32熔化，这使熔融反应材料微滴36聚集在电焊条22的尖端24处，如图5中所描绘的。此微滴36通过表面张力被保持住，其体积增长并且在电焊条已缩回至其预设距离之后由于反应材料电焊条22被消耗且前缘尖端24沿电焊条22的纵向轴线A退回而变得进一步移位远离结合面28。间隙G的大小因此增加，通常增加到4 mm与7mm之间，因为电弧32熔化且消耗反应材料焊丝22以便使熔融反应材料微滴36增长。实际上，在熔融反应材料微滴36增长的时间期间，反应材料电焊条22可保持固定或其可以一速率朝向结合面28伸展，该速率慢于电焊条22被消耗的速率，由此以便提供对熔融反应材料微滴36的增长速率和间隙G的增大速率的某种控制。在熔融反应材料微滴36增长的时间期间，外加电流优选地但并非必要地保持处于初始电平（例如，对于1.0 mm直径的材料电焊条而言，约为100 A到约200 A）。

在当反应材料电焊条22在熔融反应材料微滴36的增长期间朝结合面28伸展（但熔融反应材料微滴36实际上沿纵向轴线A移动远离结合面28）时的情况下，电焊条22可在指定的时间周期内以程序化的速度伸展，同时使外加电流维持在初始电平。例如，在一个实施例中，其中反应材料电焊条22具有约1.0 mm的直径，电焊条22以约100 ipm（每分钟英寸数）到180 ipm的标称速度伸展约25 ms至约75 ms的时间，同时维持约100 A到约200 A的外加电流。趋向于引起微滴36稳定的和受控的增长的一些特定参数包括使反应材料电焊条22在40ms的周期内以140 ipm的标称速度伸展，同时维持105 A的外加电流。

当熔融反应材料微滴36已形成且达到所需体积时，则使材料电焊条22沿其纵向轴线A伸展以使熔融材料微滴36接触到相位超前凸片14的结合面28，如图6中所示。在熔融反应材料微滴36的增长期间，电极材料电焊条22的向前伸展运动减小间隙G的大小且最终消除该间隙G，这是以一程序化速度实施，该程序化速度大于电焊条22朝结合面28伸展的程序化速度（如果实践可选的所述后者伸展）。例如，反应材料电焊条22可以约250 ipm到约700ipm的速度朝结合面28伸展。此外，在反应材料电焊条22和微滴36朝结合面28伸展期间，外加电流从初始电平减小约50%到约75%从而达到中间电平，所述中间电平对于示例性的1.0mm直径电焊条（具有上文所描述的约100 A到约200 A的初始电流电平）来说将是约25 A到约100 A。在一个特定执行中，使反应材料电焊条22以约600 ipm的速度沿纵向轴线A朝结合面28伸展，同时维持约40 A的外加电流，直至熔融反应材料微滴36接触到结合面28。

熔融反应材料微滴36与相位超前凸片14最终由于电焊条22的向前伸展运动而会聚，从而熄灭电弧32，此时，来自焊接电源的外加电流从中间电平增加到短路电平，所述短路电平是初始电平的约125%到约150%。这将意味着，例如外加电流将基于上文针对1.0 mm直径电焊条所叙述的示例性初始电流电平值增加到约125 A到约300 A。具体来说，在优选应用中，外加电流从在反应材料电焊条22的向前伸展运动（其使熔融反应材料微滴36接触到结合面28）期间所使用的中间电平上升到约200 A的短路电平。

相位超前凸片14的局部暴露至熔融反应材料微滴36给予包围沉积位置30的结合面28很小的热损伤或甚至没有热损伤。其也没有显著地热降解附近漆包绝缘物和/或聚合物环形支架16、18的聚合物材料。实际上，如已提到的，反应材料的液相线温度远低于铜相位超前凸片14的熔点，先前所叙述的80Cu-15Ag-5P反应材料合金的液相线温度是约805°C，而铜的熔点是约1084°C。此外，触发电弧32的初始外加电流能够设定在某个范围内，这个范围将不显著地使反应材料电焊条22的尖端24加热到明显超过其液相线温度。并且虽然此处并未示出，但是可选地也可通过外部机构（例如，水冷却）来冷却相位超前凸片14，其能够易于与振荡丝电弧焊接结合实践，因为此处存在使用振荡丝电弧焊接自己的专用设备来独立实践振荡丝电弧焊接的自由度和灵活性。

在已将熔融反应材料微滴36安置到相位超前凸片14的结合面28上并且外加电流增加到短路电平之后，使反应材料电焊条22再次缩回，如图7中所示。电焊条22的缩回将熔融反应材料微滴36转移至结合面28。在微滴36接触到结合面28之后外加电流的增加被认为在某种程度上有助于熔融反应材料微滴36的此脱离和转移。即，外加电流从其中间电平增加到其短路电平通过确保克服可作用来将熔融反应材料微滴36保持到电极材料电焊条22上的任何表面张力而有助于使熔融反应材料微滴36脱离。优选地，在这个工艺阶段，优选地以一程序化速度实施反应材料电焊条22的缩回远离结合面28，该程序化速度大于电焊条22朝结合面28伸展的程序化速度，以便使熔融反应材料微滴36接触到结合面28。例如，此时可以使反应材料电焊条22以约900 ipm到约1300 ipm的标称速度缩回，同时使外加电流维持短路电平。

如刚才所描述的，经由振荡丝电弧焊接的单个循环而被转移至结合面28的熔融反应材料微滴36在一些情况下从尺寸、形状和数量的观点来说可以是足够的。但是，在其它情况下，可需要在同一个沉积位置30处实施一个或更多个额外的振荡丝电弧焊接循环。在同一个沉积位置30处实施一个或更多个振荡丝电弧焊接循环允许管理被转移至相位超前凸片14的结合面28的熔融反应材料微滴36的各个方面。所转移的熔融反应材料微滴36的体积、形状和内部一致性仅仅是能够通过实践额外振荡丝电弧焊接循环进行调节的各个方面的一些示例。

在一个实施例中，例如，在使反应材料电焊条22从结合面28缩回并且转移熔融反应材料微滴36由此完成第一振荡丝电弧焊接循环之后，可实施第二振荡丝电弧焊接循环。特别地，由焊接电源提供的外加电流可返回到初始电平，并且可再次触发跨越反应材料电焊条22的尖端24与结合面28（其现包括所沉积的熔融反应材料微滴）之间的间隙G的电弧32。由此产生的对反应材料电焊条22的加热使另一熔融反应材料微滴36聚集在电焊条22的尖端24处。最终，反应材料电焊条22在减小的中间外加电流电平下再次沿其轴线A伸展，以使通过电极22的尖端24所保持的熔融反应材料微滴36与已经沉积在相位超前凸片14的结合面28上的熔融材料微滴连接。然后反应材料电焊条22可在外加短路电流电平下沿其纵向轴线A缩回以有助于转移第二熔融反应材料微滴36，这样完成了第二振荡丝电弧焊接循环。

从反应材料电焊条22转移至相位超前凸片14（经由一个或多个振荡丝电弧焊接循环）的熔融反应材料最终凝固成反应材料沉积物38。图7中所描绘的反应材料沉积物38基本上是借助于钎焊接头粘附至相位超前凸片14的结合面28，因为凸片14的下面的结合面28在熔融反应材料微滴36的沉积和凝固期间没有熔化。虽然反应材料沉积物38能够呈现广泛的各种尺寸和形状，但是其优选地具有高度H和平均基底直径D，其中高度H与基底直径D的纵横比是0.5或更大。如本文中使用的术语“高度”是指反应材料沉积物38上升到相位超前凸片14的结合面28上方的最大距离。如本文中使用的术语“基底直径”是指在相位超前凸片14的结合面28的平面中获得的反应材料沉积物38的直径。在一个特定示例中，反应材料沉积物38的截面轮廓大体呈圆形且具有约0.5 mm到约1.0 mm的高度H和约1.0 mm到约2.0 mm的直径D。

能够实施将熔融反应材料微滴36转移和沉积到相位超前凸片14的结合面28上以最终形成反应材料沉积物38，其中反应材料电焊条22相对于凸片14指派有负极性或正极性。但是，已发现，两种极性制定（每一者在实践中均是可接受的）能够影响熔融反应材料微滴36和从微滴36获得的反应材料沉积物38的性质。例如，当反应材料电焊条22指派有正极性时，反应材料沉积物38的尺寸和重量一般小于在电焊条22指派有负极性并且使用相同程序化的外加电流、时间和电焊条速度的情况下的尺寸和重量。对于同一组工艺参数，指派有正极性的反应材料电焊条22一般还产生具有大于指派有负极性的电焊条22的剪切强度的反应材料沉积物38，其中剪切强度是使反应材料沉积物38从结合面28脱落所用的力的量度。此外，当沉积在多种洁净和不洁净的结合面28上时，指派有正极性的反应材料电焊条22通常产生展现剪切强度方面较小的相对变化的反应材料沉积物38。

相位超前凸片14现在已经准备好用于反应冶金连接。现参照图8，铜相位超前凸片14（其将反应材料沉积物38支撑在其结合面28上）与另一铜相位超前凸片14面对地对准。下文中将支撑反应材料沉积物38的相位超前凸片14称为“第一相位超前凸片40”，且下文中将另一相位超前凸片称为“第二相位超前凸片42”以在以下论述中将其彼此区分开来。当经对准和堆叠以用于反应冶金连接时，第一相位超前凸片40的结合面28与第二相位超前凸片42的结合面44对立，并且反应材料沉积物38延伸于结合面28、44中的每一者之间并与其接触。如果需要，可用这种方式将一个以上的此反应材料沉积物38设置在相位超前凸片40、42之间。此外，第一相位超前凸片40和第二相位超前凸片42还包括在与其各自的结合面28、44相反的方向上面对的暴露的外表面46、48。

图8中示意性地显示了用于实施第一相位超前凸片40和第二相位超前凸片42的反应冶金连接过程的设备50，所述设备50包括第一电极52、第二电极54、电源56和控制器58。第一电极52和第二电极54被定位成分别直接接触或间接接触（即，经由中间构件接触）第一相位超前凸片40和第二相位超前凸片42的外表面46、48，并且将压力施加到每一外表面46、48。电极52、54由例如铜合金等导电材料构成，所述铜合金包括例如含有约0.10重量%到约0.20重量%的锆和余量的铜的锆铜合金（ZrCu）。电源56与第一电极52和第二电极54电连通并供应用于在电极52、54之间交换的电流（优选DC电流）。电源56可以是中频DC（MFDC）电源，其可从包括ARO焊接技术（美国总部设在Chesterfield Township,MI）和Bosch Rexroth（美国总部设在Charlotte, NC）的许多供应商购得。控制器58与电源56交互并且能够经编程以根据需要控制其电流输出。

设备50供应在第一铜相位超前凸片40的结合面28与第二铜相位超前凸片42的结合面44之间完成固态冶金接头的形成所需的热量和压缩。首先，使第一电极52接触到（优选直接接触）第一相位超前凸片40的外表面46，并且使第二电极54接触到（优选直接接触）第二相位超前凸片42的外表面48。当接触其各自的外表面46、48时，两个电极52、54彼此面对地对准，并且被定位成使得当在电极焊接面之间交换电流时电流将流经反应材料沉积物38。操作带有电极52、54的焊枪或其它机械设备以夹紧或靠拢两个电极52、54，从而将压力施加到其各自接合的外表面46、48（电极52、54中的任一者或两者均可机械移动），并在凸片40、42上产生压缩力。从电源56传递的电流然后在电极52、54之间交换并穿过相位超前凸片40、42。此电流穿过位于工件基体结合面28、44之间的反应材料沉积物38。

由于反应材料的热阻性和电阻性大于两个铜相位超前凸片40、42，并且由于电极52、54自身由于经水冷却而能够提取热量和散热，所以通电电流产生主要被限定在反应材料沉积物38内的热量。能够通过控制器58来管理此局部热量产生以将反应材料沉积物38加热到高于其固相线温度，且甚至在需要时加热到高于其液相线温度，同时仍使反应材料沉积物38的温度保持低于第一铜相位超前凸片40和第二铜相位超前凸片42的熔点。结果，反应材料沉积物38部分或完全地熔化成可流动的液相，并且铜相位超前凸片40、42不熔化，即便在沉积位置30内的其结合面28、44处和其周围也是如此。

反应材料一经熔化便与第一铜相位超前凸片40和第二铜相位超前凸片42的结合面28、44反应，并且使其适合于聚结。如先前所提到的，Cu-Ag-P反应材料合金主要地由于其磷组分也是自熔性的，这给予其在熔化时便从对立的结合面28、44去除氧化物并且使周围区域摆脱大气氧的污染的能力。在反应材料沉积物38充分熔化之后，可停止在电极52、54之间交换的电流，同时继续由电极52、54给予相位超前凸片40、42的压力。由电极52、54施加的压缩力转而压缩第一相位超前凸片40和第二相位超前凸片42并沿凸片40、42的结合界面侧向地挤压熔融反应材料以及可能已产生的任何反应副产物。最后，第一相位超前凸片40和第二相位超前凸片42的结合面28、44在压力下接触并开始聚结。结合面28、44的接触聚结部分在从结合界面排出熔化的反应材料之后不久被连接，以在相位超前凸片40、42之间建立固态冶金接头。此接头主要由从第一相位超前凸片40和第二相位超前凸片42自身获得的铜组成，从而使其在结构上牢固并且对凸片40、42功能性的破坏性最小。

示例

根据以上描述来实施一系列反应材料预置实验。具体来说，建立四个预置工艺变型，并且在每一变型中实施大量的实验。遍及所有变型的每一实验中所使用的反应材料电焊条是由78重量% Cu、15重量% Ag和7重量% P组成的1.0 mm直径的反应材料电焊条。在遍及所有变型的每一实验中也将铜片样本用作代表性金属工件基体。每一预置实验中所使用的振荡丝电弧焊接过程就Cu-Ag-P电焊条的伸展和缩回而言一般是相同的，如下文进一步描述的。限定四个工艺变型的不同之处是关于电焊条极性和铜片样本的表面洁净度。

在四个变型中的每一者中，使反应材料电焊条接触到铜片样本，并且施加105的初始电流电平并使其穿过该电焊条。接下来，使电焊条在2.5 ms的周期内缩回至1 mm与2 mm之间的预设距离。此缩回引起在电焊条的前缘尖端与铜片样本的表面之间触发电弧，该电弧转而使电焊条的尖端熔化。在反应材料电焊条缩回至预设距离之后，使电焊条在40 ms的周期内以140 ipm的标称速度朝铜片样本伸展，同时维持105 A的外加电流。在此时间期间，熔融反应材料微滴增长并逐渐沿电焊条退回远离铜片样本，因为电焊条的消耗速率大于电焊条朝铜片样本伸展的速度。接下来，将外加电流减小到40 A的中间电流并使电焊条以600ipm的速度朝铜片样本伸展，直到保持在电焊条尖端上的熔融反应材料微滴接触到铜片样本。此时，将外加电流增加到200 A的短路电平。继而使电焊条以1180 ipm的速度缩回远离铜片样本，同时维持200 A的外加电流，从而在铜片样本的表面上留下熔融反应材料，其最终凝固成反应材料沉积物。

如上文所表明的，四个实验工艺变型之间的不同之处在于Cu-Ag-P电焊条的极性和铜片样本的表面（反应材料沉积物形成在所述表面上）的洁净度。四个工艺变型使用负极性或正极性反应材料电焊条，以将反应材料沉积到铜片样本的洁净的或氧化的表面上。“洁净”表面被清洁到大致纯铜接触表面的程度，而“氧化”表面则具有由先前热暴露产生的氧化物的略带紫色的层。在四个工艺变型中的每一者中实施多次，下文在表1中来表征这些特定。

下文在表2中将从四个实验工艺变型获得的数据制成表格。如能够看出的，遍及所有四个工艺变型来测量每个单循环预置实验的反应材料沉积物的重量和剪切强度。表2中的“位置X”和“位置Y”栏仅仅表明在x-y平面中沉积物的中心线相对于固定目标中心线的变化。从制成表格的数据显而易见的是，当反应材料电焊条具有正极性时，反应材料沉积物的重量一般更小，但更小沉积物的剪切强度一般更大。还显而易见的是，当反应材料电焊条具有正极性时，反应材料沉积物显示洁净的和氧化的表面上的剪切强度的更小的相对变化。因此，虽然从正和负电焊条极性获得的反应材料沉积物证明了良好的剪切强度，但从正极性电极材料电焊条获得的沉积物通常证明在强度对重量比值的基础上的更好的粘附性并且对表面洁净度更不敏感。

已仅在电动马达定子的铜相位超前凸片的背景下描述了预置反应材料用于最终参与反应冶金连接的方法。当然，如将由技术人员所领会到的，其它类型的铜或铜基工件基体以及非铜金属工件基体能够经历以类似方式预置合适的反应材料。因此，对优选示例性实施例和特定示例的以上描述本质上仅是说明性的，其不旨在限制以下权利要求书的范围。除非说明书中另有具体和明确陈述的，否则对于所附权利要求中所使用的每一个术语，应给予其普通的和通常的意义。

Claims (15)

1.一种实施反应冶金连接的方法，所述方法包括：

使用振荡丝电弧焊接以在沉积位置处将反应材料沉积物粘附至第一金属工件基体的结合面上，振荡丝电弧焊接的所述使用涉及将熔融反应材料微滴从可消耗反应材料电焊条的前缘尖端转移至所述结合面上，且允许所述微滴凝固成所述反应材料沉积物；

将所述第一金属工件基体与第二金属工件基体按压在一起，使得所述反应材料沉积物接触且在所述第一金属工件的所述结合面与所述第二金属工件的面对的结合面之间延伸，所述反应材料沉积物粘附至所述第一金属工件的所述结合面上；以及

在将所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体按压在一起时，加热所述反应材料沉积物以熔化位于所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体的对立的结合面之间的所述反应材料沉积物，所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体在加热所述反应材料沉积物期间均不熔化，并且其中，将所述第一金属工件基体与所述第二金属工件基体按压在一起且加热所述反应材料沉积物引起在所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体的结合面之间形成固态冶金接头。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一金属工件基体由铜或铜合金组成，并且其中，所述第二金属工件基体由铜或铜合金组成。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体中的每一者均是电动马达定子的相位超前凸片。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述反应材料电焊条包括Cu-Ag-P反应材料合金。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述Cu-Ag-P反应材料合金包含以重量百分比计的70%-95%的铜、2%-20%的银和3%-8%的磷。

6.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第一金属工件基体与第二金属工件基体按压在一起包括：

使所述第一金属工件基体与第一电极接触并且使所述第二金属工件基体与第二电极接触，所述第一电极和所述第二电极彼此面对地轴向地对准并且被定位成使得当在电极之间交换电流时，电流将流经所述反应材料沉积物；以及

通过分别由所述第一电极和所述第二电极在所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体上施加压力，将压缩力施加到所述第一金属工件基体和所述第二金属工件基体。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，加热所述反应材料沉积物包括：

使电流穿过所述反应材料沉积物来以电阻的方式加热所述反应材料沉积物。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用振荡丝电弧焊接以将反应材料沉积物粘附至第一金属工件基体的结合面上包括：

（a）使所述可消耗反应材料电焊条的所述前缘尖端接触到所述第一金属工件基体的所述结合面；

（b）在所述电焊条的所述前缘尖端接触所述结合面时，使电流穿过所述可消耗反应材料电焊条；

（c）缩回所述可消耗反应材料电焊条远离所述第一金属工件基体的所述结合面，以由此触发电弧，所述电弧跨越形成在所述可消耗反应材料电焊条与所述结合面之间的间隙，所述电弧使所述可消耗反应材料电焊条的所述前缘尖端开始熔化；

（d）向前伸展所述可消耗反应材料电焊条，以闭合所述间隙，且使已形成在所述电焊条的所述前缘尖端上的熔融反应材料微滴接触到所述第一金属工件基体的所述结合面，所述熔融反应材料微滴与所述结合面之间的接触熄灭所述电弧；以及

（e）缩回所述可消耗反应材料电焊条远离所述结合面，以将所述熔融反应材料微滴从所述电焊条的所述前缘尖端转移至所述第一金属工件基体的所述结合面，被转移至所述第一金属工件基体的所述结合面的所述熔融反应材料微滴凝固成所述熔融反应材料沉积物。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，当所述可消耗反应材料电焊条的所述前缘尖端第一次接触到所述第一金属工件基体的所述结合面时，以初始电平传递所述电流。

10.根据权利要求9所述的方法，其中当所述可消耗反应材料电焊条朝所述结合面向前伸展以使所述熔融反应材料微滴接触到所述结合面时，以中间电平传递所述电流，所施加的电流的所述中间电平小于所述初始电平。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述电流的所述中间电平是所述初始电平的50%到75%。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，当所述熔融反应材料微滴接触到所述第一金属工件基体的所述结合面并且所述电弧被熄灭时，则以短路电平传递所述电流，所述短路电平大于所述初始电平。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电流的所述短路电平是所述初始电平的125%到150%。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，重复步骤（a）到（e）至少一次以增加位于所述第一金属工件基体的所述结合面上的所述熔融材料微滴的尺寸。

15.根据权利要求8所述的方法，其中，所述可消耗反应材料电焊条贯穿步骤（a）到（e）具有正极性。