CN109483034A - 铜工件的电阻点焊 - Google Patents

Abstract

一种用于通过电阻点焊使邻近的重叠铜工件结合在一起的方法涉及提供包括第一铜工件以及与第一铜工件相邻的第二铜工件的工件层叠。第一铜工件的接合表面包括升高超出接合表面的周围基部表面并与第二铜工件的相对接合表面直接或间接地进行接触的突起部。一旦提供了工件层叠，就将压紧力施加至第一铜工件以及第二铜工件上，并使电流短暂地穿过第一铜工件以及第二铜工件。在突起部发生坍塌之前，电流首先流动穿过该突起部以在其内产生并聚集热量。此聚集热量使得冶金接头可建立在第一铜工件与第二铜工件之间。

Description

铜工件的电阻点焊

引言

电阻点焊通过阻止电流使其无法流动穿过本体材料并无法流经重叠金属工件的接合界面来产生并聚集热量。通常而言，所产生的热量使重叠的金属工件发生熔化，从而形成源于各工件的共混熔融金属池。熔融金属池延伸入各邻近金属工件中，并占据接合界面。在电流停止传输之后，熔融金属池固化成将相邻的重叠金属工件熔焊在一起的焊接熔核。在实践中，电流通过一组点焊电极短暂地穿过重叠的金属工件，该组点焊电极夹靠在金属工件的相对暴露表面上，从而使得电极的焊接面在焊接位点处正面对齐。电阻点焊长期以来一直用于将钢工件的层叠熔焊在一起，且其最近用于将铝合金工件的层叠融焊在一起。电阻点焊是用于将这些金属结合在一起的常用工艺，原因在于，与其他结合工艺相比，其执行速度相对较快，且成本较低。

传统上，电阻点焊一直都被认为是一种无法用于将铜工件结合在一起的工艺。铜具有较高的导电率，这使得难以在铜工件内沿着在相对的点焊电极之间延伸的电流路径产生电阻热量。可以肯定的是，退火纯铜在20℃下的导电率为5.80×10⁷S/m，且该值被用作为标准(100％IACS)，其中其他材料的导电率根据该标准进行引用(以百分比计)。通过对比，铝合金的导电率比铜低至少35％，且钢的导电率甚至比铝合金还要低。即便是通常用于构造点焊电极的铜合金，其电阻率也高于铜的电阻率。此外，即便足够多的电流可穿过重叠的铜工件从而在不对电极造成热损坏的情况下产生一定的电阻热量，该热量也会因为铜具有相应的高热导率而快速扩散。因此，不同于将热量聚集在电极之间，使大电流穿过重叠的铜工件通常会导致铜工件的大部分延伸区域受到相对较均匀的加热。实际上，在传输大电流的情况下，与其说可沿着接合界面将铜工件焊接在一起，不如说这种做法更可能会将铜合金点焊电极焊接至分别与其相接合的铜工件。

当铜工件需要进行结合时，所实施的结合工艺通常选自铜焊、锡焊、电弧焊工艺(例如，MIG焊接(GMAW)、TIG焊接(GTAW)以及等离子电弧焊(PAW))或电子束焊接。虽然这些当前可用的工艺中的每一种工艺在某些情况下是切实可行的，但与电阻点焊相比，这些工艺均存在有普遍的缺点，在这些缺点中，最值得注意的是，需要将热量从外部源(例如，火焰、电弧、高速电子束等)供给至结合位置。从外部源加入的热量强烈到足以使铜工件或填充材料在结合位置处发生熔化。然而，附加热量难以精确地进行控制，这往往会导致过度的热量被引入至结合位置中，从而使得难以避免对任何可存在的邻近热敏材料造成热损坏。由于能够使电阻热量在重叠的铜工件内产生，因此电阻点焊可作为可行的结合工艺进行实施，其可增加需要铜对铜结合的制造工艺的灵活性，而且，在需要对邻近的热敏材料进行保护的情况下，这种工艺是尤为有用的。

发明内容

一种用于通过电阻点焊使邻近的重叠铜工件结合在一起的方法可包括若干步骤。在一个步骤中，提供了工件层叠，其包括第一铜工件以及与第一铜工件相邻的第二铜工件。第一铜工件具有第一接合表面，且第二铜工件具有面向第一接合表面以建立接合界面的第二接合表面。此外，第一接合表面包括升高超出第一接合表面的周围基部表面并与第二接合表面进行接触的突起部。在另一步骤中，将压紧力施加至第一铜工件以及第二铜工件上，从而迫使第一接合表面的突起部抵靠在第二接合表面上。在又一步骤中，使电流穿过第一铜工件以及第二铜工件。在突起部发生坍塌之前，电流首先流动穿过包括在第一接合表面上的突起部，以在该突起部内产生并聚集热量，以使第一接合表面与第二接合表面沿着第一铜工件以及第二铜工件的接合界面进行范围更广的界面接触。在第一铜工件以及第二铜工件进行冷却之后，冶金接头在突起部发生坍塌的位置处沿着接合界面建立在第一铜工件与第二铜工件之间。

上述实施例的方法可包括额外步骤，或可进一步进行限定。例如，第二铜工件的第二接合表面也可包括升高超出第二接合表面的周围基部表面的突起部。此外，第一接合表面的突起部以及第二接合表面的突起部可彼此相接触，并可在压紧力施加至第一铜工件以及第二铜工件上时彼此抵靠在一起。在这种情况下，使电流穿过第一铜工件以及第二铜工件的步骤可包括：在突起部发生坍塌之前，首先使电流流动穿过突起部以在该突起部内产生并聚集热量，以使第一接合表面与第二接合表面沿着第一铜工件以及第二铜工件的接合界面进行范围更广的界面接触。作为另一示例，中间反应材料可设置在第一接合表面的突起部与第二接合表面之间。中间反应材料可为包括2.0wt％-10wt％的磷的铜合金。

更进一步地，上述实施例的方法可包括将电流传输至电容器组以将能量储存在该电容器组中的步骤，以及使储存在电容器组中的能量进行放电以提供短暂地穿过第一铜工件以及第二铜工件的电流的步骤。此外，第一铜工件以及第二铜工件中的每一个可由99.9wt％或以上的铜组成。在另一实施方式中，上述实施例的方法可包括在第一铜工件以及第二铜工件被组装成工件层叠之前，在第一接合表面上形成突起部的步骤。在第一接合表面上形成突起部的步骤可包括使第一铜工件发生机械变形以使第一铜工件的材料发生位移从而形成突起部。或者，在另一技术中，在第一接合表面上形成突起部的步骤可包括将铜材料沉积至第一铜工件上，以在不使第一铜工件发生机械变形的情况下形成突起部。

另一种用于通过电阻点焊使邻近的重叠铜工件结合在一起的方法可包括若干步骤。在一个步骤中，至少一个突起部可形成在第一铜工件的第一接合表面上。第一接合表面的至少一个突起部可升高超出第一接合表面的周围基部表面。在另一步骤中，可组装工件层叠，其包括第一铜工件以及与第一铜工件相邻的第二铜工件。第一铜工件的第一接合表面的至少一个突起部可与第二铜工件的第二接合表面进行接触。在又一步骤中，可将压紧力施加至第一铜工件以及第二铜工件上，从而迫使第一接合表面的至少一个突起部抵靠在第二接合表面上。在又一步骤中，储存在电容器组中的能量可进行放电以提供电流，该电流在2.0ms-10ms的时间范围内升高至在30kA-80kA的范围内的峰值电流电平，然后在降低至低于1kA之前，在5.0ms-20ms的时间范围内发生衰减。在另一步骤中，冶金接头可通过使电流穿过第一铜工件以及第二铜工件而形成在第一铜工件与第二铜工件之间。在至少一个突起部发生坍塌之前，电流首先流动穿过包括在第一接合表面上的至少一个突起部以在该至少一个突起部内产生并聚集热量，以使第一接合表面与第二接合表面进行范围更广的界面接触。在第一铜工件以及第二铜工件进行冷却之后，冶金接头在至少一个突起部发生坍塌的位置处沿着接合界面建立在第一铜工件与第二铜工件之间。

上述实施例的方法可包括额外步骤，或可进一步进行限定。例如，第一铜工件以及第二铜工件中的每一个可由99.9wt％或以上的铜组成。作为另一示例，上述方法还可包括在第二铜工件的第二接合表面上形成至少一个突起部的步骤。第二接合表面的至少一个突起部可升高超出第二接合表面的周围基部表面。在这种情况下，组装工件层叠的步骤可包括使第一接合表面的至少一个突起部与第二接合表面的至少一个突起部彼此相接触，从而使得当压紧力施加至第一铜工件以及第二铜工件上时，这些突起部相互抵靠在一起。此外，使电流穿过第一铜工件以及第二铜工件的步骤包括：在突起部发生坍塌之前，首先使电流流动穿过该突起部以在其内产生并聚集热量。

此外，上述方法可包括如下步骤：将中间反应材料放置在第一接合表面与第二接合表面之间，从而使得在将第一铜工件以及第二铜工件组装成工件层叠之后，中间反应材料设置在第一接合表面的突起部与第二接合表面之间。中间反应材料为包括2.0wt％-10wt％的磷的铜合金。实际上，在特定应用中，中间反应材料可为包括铜、3wt％-8wt％的磷以及0.1wt％-20wt％的银的Cu-P-Ag合金。

更进一步地，在第一铜工件上形成至少一个突起部的步骤可包括对第一铜工件进行冲压处理，其中冲头从第一铜工件的相对背侧表面冲压至第一铜工件中，以使第一铜工件的材料发生位移从而形成突起部。作为另一种选择，在第一铜工件上形成至少一个突起部的步骤可包括将铜材料沉积至第一铜工件上，以在不使第一铜工件发生机械变形的情况下形成突起部。

又一种用于通过电阻点焊使邻近的重叠铜工件结合在一起的方法可包括若干步骤。在一个步骤中，至少一个突起部可形成在第一铜工件的第一接合表面上。第一接合表面的至少一个突起部可升高超出第一接合表面的周围基部表面。在另一步骤中，可组装工件层叠，其包括第一铜工件以及与第一铜工件相邻的第二铜工件。第一铜工件的第一接合表面的至少一个突起部可通过中间反应材料与第二铜工件的第二接合表面进行接触。中间反应材料可为包括2.0wt％-10wt％的磷的铜合金，且其导电率低于第一铜工件以及第二铜工件中的每一个的导电率。在又一步骤中，将压紧力施加至第一铜工件以及第二铜工件上，从而迫使第一接合表面的至少一个突起部抵靠在第二接合表面上。在又一步骤中，储存在电容器组中的能量可进行放电以提供电流，该电流在2.0ms-10ms的时间范围内升高至在30kA-80kA的范围内的峰值电流电平，然后在降低至低于1kA之前，在5.0ms-20ms的时间范围内发生衰减。在又一步骤中，使电流穿过第一铜工件以及第二铜工件。在至少一个突起部发生坍塌之前，电流可首先流动穿过包括在第一接合表面上的至少一个突起部以在该至少一个突起部内产生并聚集热量，以使第一接合表面与第二接合表面进行范围更广的界面接触。在至少一个突起部内产生的热量可导致中间材料层发生液化，并使其在第一接合表面与第二接合表面之间横向位移。在第一铜工件以及第二铜工件进行冷却之后，冶金接头可在至少一个突起部发生坍塌的位置处沿着接合界面建立在第一铜工件与第二铜工件之间。

上述实施例的方法可包括额外步骤，或可进一步进行限定。例如，方法可包括在第二铜工件的第二接合表面上形成至少一个突起部。第二接合表面的至少一个突起部可升高超出第二接合表面的周围基部表面。在这种情况下，组装工件层叠的步骤可包括使第一接合表面的至少一个突起部与第二接合表面的至少一个突起部通过中间反应材料层彼此间接接触，从而使得当压紧力施加至第一铜工件以及第二铜工件上时，这些突起部相互抵靠在一起。此外，使电流穿过第一铜工件以及第二铜工件的步骤可包括：在两个突起部发生坍塌之前，首先使电流流动穿过第一接合表面的至少一个突起部以及第二接合表面的至少一个突起部以在该两个突起部内产生并聚集热量，以使第一接合表面与第二接合表面进行范围更广的界面接触。

在另一示例中，上述实施例的方法可包括额外步骤。在一个此类额外步骤中，第一铜工件可与第一铜合金点焊电极相接触。类似地，在另一额外步骤中，第二铜工件可与第二铜合金点焊电极相接触，该第二铜合金点焊电极与第一铜合金点焊电极正面对齐。此外，施加至第一铜工件以及第二铜工件上的压紧力通过使第一铜合金点焊电极以及第二铜合金点焊电极分别压靠在第一铜工件以及第二铜工件上来进行施加。更进一步地，通过在位于工件层叠的相对侧上的第一铜合金点焊电极与第二铜合金点焊电极之间交换电流，得以使电流穿过第一铜工件以及第二铜工件。

附图说明

图1是示出了根据本公开的一个实施例的包括第一铜工件和相邻的重叠第二铜工件的工件层叠以及可将第一铜工件以及第二铜工件电阻焊接在一起的电阻点焊设备的实施例的示意图，其中第一铜工件的至少一个第一接合表面包括至少一个突起部；

图2是示出了根据本公开的一个实施例的示出在图1中且与电阻点焊设备分隔开的工件层叠的放大图；

图3是示出了根据本公开的一个实施例的可用于通过使第一铜工件(或第一铜工件和第二铜工件)的材料发生机械变形以及位移从而在第一接合表面(或第一接合表面和第二接合表面)上形成至少一个突起部的冲压操作的一般性示意图；

图4是示出了根据本公开的一个实施例的可用于通过使第一铜工件(或第一铜工件和第二铜工件)的材料发生机械变形以及位移从而在第一接合表面(或第一接合表面和第二接合表面)上形成至少一个突起部的另一冲压操作的一般性示意图；

图5是示出了根据本公开的一个实施例的用于在不使第一铜工件(或第一铜工件和第二铜工件)发生机械变形的情况下在第一接合表面(或第一接合表面和第二接合表面)上形成至少一个突起部的铜材料沉积的一般性示意图；

图6是示出了根据本公开的一个实施例的第一铜工件的包括多个突起部的第一接合表面的平面图；

图7示出了根据本公开的一个实施例的焊接枪的第一点焊电极以及第二点焊电极，其压靠在层叠的相对侧上以在结合位置处将压紧力施加至工件；

图8示出了根据本公开的一个实施例的可通过图1所示的电阻点焊设备进行利用的一个可能焊接排程，其中y轴表示电流电平(以千安培(kA)表示)，且x轴表示时间(以毫秒(ms)表示)；

图9示出了根据本公开的一个实施例的在第一接合表面(或第一接合表面和第二接合表面)上的至少一个突起部发生坍塌且第一接合表面与第二接合表面进行范围更广的界面接触之后，焊接枪的第一点焊电极以及第二点焊电极压靠在层叠的相对侧上以在结合位置处将压紧力施加至工件；

图10示出了根据本公开的一个实施例的第一铜工件和第二铜工件以及在至少一个突起部起初存在但随后发生坍塌的结合位置处沿着接合界面建立在第一铜工件与第二铜工件之间的冶金接头；

图11是示出了根据本公开的一个实施例的包括第一铜工件和相邻的重叠第二铜工件的工件层叠以及可将第一铜工件以及第二铜工件电阻焊接在一起的电阻点焊设备的另一实施例的示意图，其中第一铜工件的至少一个第一接合表面包括至少一个突起部；

图12示出了根据本公开的一个实施例的可通过图11所示的电阻点焊设备进行利用的一个可能焊接排程，其中y轴表示电流电平(以千安培(kA)表示)，且x轴表示时间(以毫秒(ms)表示)；

图13通过与图2相同优点的图示示出了根据本公开的一个实施例的第一铜工件以及第二铜工件，但是，第二铜工件的第二接合表面与第一接合表面一样，也包括至少一个突起部；

图14通过与图2相同优点的图示示出了根据本公开的一个实施例的第一铜工件以及第二铜工件，但是，第一接合表面与第二接合表面之间放置有可有助于促进冶金接头的建立的中间反应材料；以及

图15通过与图2相同优点的图示示出了根据本公开的一个实施例的第一铜工件以及第二铜工件，但是，第一接合表面与第二接合表面之间放置有可有助于促进冶金接头的建立的中间反应材料。

具体实施方式

尽管铜具有较高的导电率以及热导率，但本发明仍然公开了一种用于对铜工件进行电阻点焊的方法。术语“电阻点焊”在当前公开的方法的上下文中用于广泛地指代各种使电流穿过重叠的铜工件以电阻性地产生促进铜工件沿其接合界面进行结合所需的热量的工艺。所产生的热量可使铜工件发生熔化，并由此形成熔融接头；或其可仅仅使铜工件发生软化，从而使得能够形成固态接头。作为所公开的方法的一部分，突起部设置在一对相邻的重叠铜工件中的至少一个的接合表面上。突起部升高超出接合表面的周围基部部分，并用于在开始时聚集穿过铜工件的电流，从而使得能够以相对较快的速度产生大量的目标热量。快速激增的热量足以在维持总体低能量输入的同时，在铜工件之间形成冶金接头(固态或熔融类型)。此外，在某些实施例中，中间反应材料可设置在铜工件之间，以促进冶金接头的形成，并且/或者电流可在电容性放电的帮助下穿过铜工件。

现参照图1-10，示出了一种用于对第一铜工件10以及第二铜工件12进行电阻点焊的方法。其中，提供了包括第一铜工件10以及第二铜工件12的工件层叠14，以通过电阻点焊设备16进行电阻点焊。当组装成工件层叠14时，第一铜工件10与第二铜工件12彼此相邻，并至少在一定程度上重叠。第一铜工件10包括第一接合表面18，且第二铜工件12包括面向第一接合表面18的第二接合表面20。重叠且相对的接合表面18、20在第一铜工件10与第二铜工件12之间建立接合界面22。因此，接合界面22广泛地指代第一铜工件10和第二铜工件12的相对的第一接合表面18以及第二接合表面20，尽管在电流穿过铜工件10、12之前，这些表面18、20的部分最初可通过间隙彼此间隔开，这将在下文中进行更详细的解释。第一铜工件10和第二铜工件12中的每一个的厚度101、121可在1.0mm至4.0mm之间。

第一铜工件10和第二铜工件12中的每一个可由非合金铜组成，该非合金铜最少包括99.3wt％的铜，且优选地，其最少包括99.9wt％的铜，其余由可接受杂质组成。合适的非合金铜组合物的一些示例包括某些锻造铜以及铸铜。合适的锻造铜是指那些被命名为C10100-C15760铜的锻造铜，且特别地，这些锻造铜包括无氧铜、含氧铜、磷-脱氧铜以及易切削铜。合适的铸铜是指那些被命名为C80100-C81200铜的铸铜。此外，第一铜工件10和第二铜工件12中的每一个可由高铜合金组成，该高铜合金包括94wt％-99.2wt％的铜，其余由一种或多种合金元素组成。一种或多种合金元素可选自Cr、Zr、Mg、Fe、P、Be、Co、S、Te以及Pb。合适的锻造高铜合金通常被命名为C16200-C19750铜，且合适的铸造高铜合金通常被命名为C81300-C82800铜。因此，本文所使用的术语“铜工件”包括由非合金铜或高铜合金组成的工件。第一铜工件10以及第二铜工件12均可由非合金铜组成或均可由高铜合金组成，或铜工件10、12中的一个可由非合金铜组成，而铜工件10、12中的另一个可由高铜合金组成。

如在图2中最佳地示出的，第一铜工件10可包括位于接合表面18上的至少一个突起部24。突起部24升高超出第一接合表面18的周围基部表面26，并直接或间接地与第二接合表面20进行接触，从而使得间隙28在突起部24的外侧强加在第一接合表面18与第二接合表面20之间。当突起部24与第二接合表面20之间存在有物理接触时，突起部24与第二接合表面20直接相接触。当突起部24与第二接合表面20之间存在有中间材料时，突起部24与第二接合表面20间接地相接触，但突起部24、中间材料以及第二接合表面20之间的接触是连续性的(即不存在有间隙)。突起部24可具有多种形状以及轮廓。例如，如图2所示，突起部24可具有半圆形形状。然而，在其他实施例中，且如将在下文中进一步进行描述的，突起部24可具有延伸超出周围基部表面26并能够在突起部24的外侧将间隙28强加在第一接合表面18与第二接合表面20之间的球形形状、金字塔形形状、锥形形状、截头圆锥形形状、环形形状或任何其他可想到的形状。在某些应用中，突起部24可超出第一接合表面18的周围基部表面26升高至至少为0.5mm的高度241。更具体地，突起部24可为凸起圆顶，该凸起圆顶的高度241在0.5mm至2.5mm之间，且其沿着周围基部表面26的直径在0.5mm至2.0mm之间。

根据多种可能性，突起部24可形成在第一接合表面18中。更具体地，且根据若干因素(其包括期望形状以及轮廓)，突起部24可通过使第一铜工件10发生机械变形、将铜材料沉积至铜工件10上或其他方式来形成。至于第一种选择，第一铜工件10可产生机械变形以使第一铜工件10的材料发生位移从而形成突起部24。例如，如图3所示，突起部24可通过冲压操作来形成。在冲压操作中，第一铜工件10支撑在包括凹槽32的支撑基板30(例如，砧座)上，该凹槽的形状与所形成的突起部相匹配。冲头34从第一铜工件10的背侧表面36冲压至第一铜工件10中。冲头34在迫使第一铜工件10的材料进入凹槽32中的同时，压印至第一铜工件10中，并使其发生塑性变形。在这种情况下，铜工件的材料在工件10的相对侧上以冲头34的形状位移超出第一接合表面18的基部表面26，从而形成突起部24。冲头34随后缩回，进而在突起部24背后的背侧表面36中形成凹痕38，且第一铜工件10从支撑基板30移除。

突起部24还可通过其他手段来形成，这些其他手段通过使第一铜工件10发生机械变形，然后使材料发生位移来形成突起部24。在一个可选方法中，如图4所示，可执行上文所述的同一冲压操作，但不同之处在于，支撑基板30’内不存在有凹槽。以此方式，第一铜工件10的背侧表面36’支撑在支撑基板30’上，且冲头34冲压至第一接合表面18中。如上文所述的，冲头34压印至第一铜工件10中，并使其发生塑性变形，但在此方法中，由于工件10的背侧表面36完全支撑在支撑基板30’上，因此铜工件10的材料沿着与冲头34的力相对的方向向上位移并围绕着冲头34。如此，铜工件的材料以围绕着挤入凹部40的突出环的形状位移超出第一接合表面18的基部表面26。虽然未示出在本文中，但还可采用另一些手段，这些手段包括作为一种选择的机械顶锻。

如上所述，突起部24还可通过将铜材料沉积在铜工件10上来形成。如果仅期望将突起部24添加至第一接合表面18而不必使第一铜工件10发生机械变形，则可采用这种选择。例如，如图5所示，铜材料42(由非合金铜或高铜合金组成)可沉积至第一铜工件10上，从而使得其升高超出第一接合表面18的周围基部表面26，以形成突起部24。铜材料42可具有各种形状以及轮廓中的任一种，并可通过界面接头44(例如，铜焊接头或固态接头)固定至第一铜工件10。若干工艺可用于将作为突起部24的铜材料42沉积至第一铜工件10上，这些工艺包括采用第US2016/0008911号美国专利所公开的振荡焊丝电弧焊接的冷金属转移工艺，其中该美国专利的全部内容以引用的方式并入本文中。作为另一示例，铜材料42可通过真空球平头焊接来进行沉积。更进一步地，存在有其他用于形成突起部24的选择，这些选择并不依赖于机械变形或铜材料42的沉积。这些其他选择可包括对第一铜工件10进行激光刻痕处理或化学蚀刻处理，以在第一接合表面18上形成突起部24。

如在图6中代表性地示出的，如果需要的话，不止一个突起部24可形成在第一铜工件10的第一接合表面18上。实际上，可存在有多个突起部24，其中各突起部可与多个突起部24中的其他突起部相同或不同。例如，如图所示，四个具有相同形状以及轮廓的突起部24可以以菱形结构的形式形成在第一接合表面18上，尽管可以肯定，更多或更少的突起部24可以以各种特定或随机结构中的任一种的形式存在。在某些优选应用中，约两个到十个，或更具体地，约三个到六个突起部24可形成在第一接合表面18上。多个突起部24全部都可通过上文所讨论的工艺中的任一种独立地形成在第一接合表面18上。此外，不同于单独地形成若干突起部24，若多个突起部24全部都旨在以相同的方式进行构造，则可通过在第一铜工件10上滚动具有滚花表面的圆柱形工具来使第一铜工件10发生机械变形，从而通过单个步骤在第一接合表面18上形成多个突起部24。

在所公开的方法中，在第一铜工件10的第一接合表面18上形成的至少一个突起部24使得能够对第一铜工件10以及第二铜工件12进行电阻点焊。为此目的，所公开的工艺涉及提供处于组装状态中的工件层叠14。一旦提供了工件层叠14，压紧力就施加至第一铜工件10以及第二铜工件12上，从而迫使第一接合表面18的突起部24直接或通过中间材料抵靠在第二接合表面20上，且电流穿过第一铜工件10以及第二铜工件12。不同于在第一铜工件10以及第二铜工件12内大范围地产生热量，上述电流首先流动穿过突起部24以在该突起部24内产生并聚集热量。在突起部24内产生的热量最终导致突起部24在所施加的压紧力下发生坍塌。因此，第一接合表面18与第二接合表面20沿着接合界面22进行范围更广的界面接触，此时，接合界面18、20通过烧结处理或熔融铜的混合处理进行交互。最终，电流停止穿过第一铜工件10以及第二铜工件12，从而使工件10、12进行冷却。在冷却处理之后，冶金接头在突起部24发生坍塌的位置处沿着接合界面22建立在第一铜工件10与第二铜工件12之间。

返回参照图1，所示出的电阻点焊设备16是一种可执行所公开的方法的特定装置。电阻点焊设备16包括焊接枪50(局部示出)、电源52、变压器54、整流器56以及焊接控制器58。焊接枪50可携载在机械手上，或可安装在固定基座上。焊接枪50包括可朝向彼此以及远离彼此机械地进行移动的第一焊枪臂60以及第二焊枪臂62。这些焊枪臂60、62可以以C型构型、X型构型或一些其他构型进行布置。第一焊枪臂60保持具有第一焊接面66的第一点焊电极64，且第二焊枪臂62保持具有第二焊接面70的第二点焊电极68。第一点焊电极64以及第二点焊电极68中的每一个可由诸如锆铜合金(ZrCu)之类的铜合金形成，其中锆铜合金含有约0.10wt％-约0.20wt％的锆，且余量为铜。优选的是满足这种成分组成且被命名为C15000铜的铜合金。也可采用其他具有合适的机械性能以及导电性能的铜合金组合物。此外，用于为第一焊接电极64以及第二焊接电极68提供冷却水的机构通常并入至焊枪臂60、62中，从而在使用时对点焊电极64、66的温度进行控制。

电源52、变压器54以及整流器56与第一点焊电极62和第二点焊电极66电连通，并在焊接期间提供在电极64、68之间交换的电流。电源52接收三相市电AC电流，然后提供高压输入AC电流以传输至变压器54。例如，市电AC电流可首先在电源52内进行整流，然后再进行反相，以产生高压单相输入AC电流(通常为方波AC电流)。输入AC电流通常以1000Hz的频率供给至变压器54的初级绕组72，该初级绕组可产生在变压器54的次级绕组74中感生电压较低且安培数较大的AC电流的磁通。次级绕组74中的AC电流随后供给至整流器56，在该整流器中，一组半导体二极管将所供给的AC电流转换成低纹波DC电流，该低纹波DC电流适于传输来作为穿过第一点焊电极64以及第二点焊电极68的电流。变压器54以及整流器56可合并至单个封装件中，例如，中频直流(MFDC)焊机，其可从许多来源(包括ARO焊接技术公司(美国总部位于密歇根州，切斯特菲尔德镇)以及博世力士乐(美国总部位于北卡罗来纳州，夏洛特市))购得。

焊接控制器58控制电流在第一点焊电极64与第二点焊电极68之间的传输方式。焊接控制器58可与变压器54对接，并允许用户输入焊接排程，该焊接排程在焊接事件的过程中设定并控制在点焊电极64、68之间交换的电流的波形。焊接控制器58可被设置成以恒定的电流电平施加电流，或其可被设置成施加电流来作为一系列电流脉冲，该系列电流脉冲在一段时间内可具有恒定或不断增加的峰值电流电平。各种焊接排程中的任一种可通过焊接控制器58进行实施，这取决于各种因素，例如，第一铜工件10和第二铜工件12的组成、第一铜工件10和第二铜工件12的厚度、突起部24的尺寸及形状、突起部24的数量，以及第一铜工件10与第二铜工件12之间是否存在有中间反应材料层(在下文中进行讨论)等。

仍然参照图1，所公开的方法通过电阻点焊设备16进行执行，在该方法中，第一步是提供工件层叠14。工件层叠14可通过组装层叠14来进行提供，其中层叠的组装操作涉及将第一铜工件10以及第二铜工件12集合在一起，从而使得工件10、12重叠在一起，且其各自的接合表面18、20面向彼此。如此，第一接合表面18上的至少一个突起部24在最终建立冶金接头(图10)的结合位置76处与第二接合表面20进行接触(直接或间接)。第一铜工件10以及第二铜工件12可通过合适的紧固设备或其他工艺硬件进行组装，并保持在一起来作为工件层叠14。在提供了处于组装状态中的工件层叠14之后，层叠14相对于焊接枪50定位在第一点焊电极64与第二点焊电极68之间，以准备进行焊接处理。这可涉及在空间上相对于工件层叠14通过机械手移动焊接枪50，或使工件层叠14移动至焊接枪50，这取决于总体过程的设计方式。

一旦定位完成之后，第一点焊电极64以及第二点焊电极68用于使电流穿过工件层叠14，并使其在结合位置76处流经相邻的重叠铜工件10、12的接合界面22。为此，如在图7中最佳地示出的，焊接枪50被操作来使第一点焊电极64以及第二点焊电极68靠拢并压靠在工件层叠14的相对的第一侧78以及第二侧80上，其中层叠14的第一侧78由第一铜工件10的暴露后表面82(其与图3-4所示的背侧表面36、36’是同一表面)提供，且层叠14的第二侧由第二铜工件12的暴露后表面84提供。特别地，第一点焊电极64的第一焊接面66压靠在第一铜工件10的暴露后表面82上，且第二焊接电极68的第二焊接面70压靠在第二铜工件12的暴露后表面84上，其中第一焊接面与第二焊接面彼此正面对齐。如图所示，第一焊接面66可至少部分地覆盖任何因用于形成突起部的工艺(例如，冲压)而形成在第一铜工件10的位于突起部24后面的暴露后表面82中的凹痕38。

通过使第一点焊电极64以及第二点焊电极68靠拢并分别压靠在第一铜工件10和第二铜工件12上，得以在结合位置76处将压紧力86施加至工件10、12。压紧力86迫使第一接合表面18上的突起部24直接或通过中间材料间接地抵靠在第二接合表面20上。由第一点焊电极64以及第二点焊电极68所施加的强加压紧力86优选地在250lbf(磅力)至1000lbf的范围内，或更具体地，其在350lbf至500lbf之间的范围内。一旦获得了压紧力86，电流就在第一点焊电极64与第二点焊电极68之间传递，并穿过第一铜工件10以及第二铜工件12。该电流优选为与焊接枪50相关联的整流器56所提供的DC电流。根据可由焊接控制器58进行控制的焊接排程，电流在一段时间内可为恒定或脉冲电流。然而，在一个特定实施例中，如在图8所示的焊接排程中示出的，电流以在25kA-35kA的范围内的恒定电流电平进行传递。电流达到其恒定电流电平可能需要5ms到20ms；随后，在标准情况下，其可在降低至0kA之前，在该电流电平下维持30ms到100ms。

穿过第一铜工件10以及第二铜工件12的电流首先流动穿过包括在第一接合表面18上的突起部24，这是因为在结合位置76内，当电流开始流动时，突起部是铜工件10、12之间的唯一直接电通路。相较于焊接面66、70与第一铜工件10和第二铜工件12的相应背侧表面82、84的界面处的电流的电流密度，首先流动穿过突起部24的电流可使流经第一铜工件10与第二铜工件12的接合界面22的电流的电流密度增加十倍或以上。只要突起部24具有完整的结构，在突起部24中获得的增大电流密度就可在突起部24内产生并聚集热量。激增的聚集热量至少使突起部24以及第一接合表面18和第二接合表面20的紧紧围绕着该突起部的区域发生软化或甚至熔化。

如图9所示，在电流穿过第一铜工件10以及第二铜工件12期间，且作为至少最初在突起部24内产生的局部聚集热量的结果，突起部24发生坍塌，且第一接合表面18与第二接合表面20沿着铜工件10、12的接合界面22进行范围更广的界面接触，这可抵消在突起部24的坍塌之前存在的电流密度的急剧增加。在突起部24发生坍塌时，且在电流可仍然流动的同时，第一接合表面18以及第二接合表面20以建立冶金接头的方式进行交互(通常由箭头88表示)。第一接合表面18与第二接合表面20之间的这种交互可以以固态颗粒发生软化和扩散而不使第一铜工件10以及第二铜工件12中的任一个发生熔化的形式进行，或这种交互可涉及使第一铜工件10以及第二铜工件12中的每一个在其相接触的接合表面18、22处发生熔化，从而使得接合表面18、22的熔化部分占据接合界面22，并共混成延伸入各铜工件10、12中的共同池。

最终，电流停止穿过第一铜工件10以及第二铜工件12。当电流停止流动时，第一铜工件10以及第二铜工件12因其热导率较高而能够以相对较快的速度进行冷却。如图10所示，在冷却处理之后，以固态接头或熔融接头的形式存在的冶金接头90在突起部24起初存在但随后发生坍塌的结合位置76处沿着接合界面22建立在第一铜工件10与第二铜工件12之间。由于热量集中在突起部24以及第一接合表面18和第二接合表面20的紧紧围绕着该突起部的部分内，因此，冶金接头90可因第一接合表面18与第二接合表面20之间的交互88而得以建立。在建立了冶金接头90之后，焊接枪50使第一点焊电极64以及第二点焊电极68缩回。此时，结合在一起的工件层叠14从点焊设备16移除，或在需要以相同的方式进行焊接的另一位置处相对于焊接枪进行重新定向。

上文所述的公开方法的实施例通过第一接合表面18上的至少一个突起部24以及焊接枪52的标准结构进行执行。虽然该实施例是可行的，但可以肯定的是，其他实施例也是可能的，这些其他实施例包括那些在下文中结合图11-15进行描述的实施例。在下文所描述的实施例中，相同的附图标记用于识别相应的特征；因此，除非另有说明，否则上文中关于这些相应特征的描述在下文中同样适用。在一个特定实施例中，如图11所示，由附图标记116表示的电阻点焊设备可包括电容器组200，从而使得电流在第一铜工件10与第二铜工件12之间传递的速度可快于上文所述的实施例。电容器组200包括多个串联或并联连接且能够储存以电场的形式存在的能量的电容器。该能量随后可进行放电以提供通过同一焊接枪50穿过第一铜工件10以及第二铜工件12的电流，尽管与在图1所示的标准焊接枪结构中相比，其传输更加迅速。

例如，在图11的实施例中，电阻点焊设备116包括电源202、电容器组200、脉冲变压器204以及焊接控制器206。电源202接收三相市电AC电流，然后将高压输入DC电流提供至电容器组200。例如，市电AC电流可穿过高压变压器，并在电源202内进行整流，以产生高压输入DC电流。随后，输入DC电流供给至电容器组200，以积累并储存能量。当需要电流穿过第一铜工件10以及第二铜工件12时，开关208(例如，IGBT、SCR等)闭合，且储存在电容器组200中的能量快速地放电至脉冲变压器204的初级绕组210中，该初级绕组可产生在变压器204的次级绕组212中感生电压较低且安培数较大的DC电流脉冲的磁通，其中该DC电流脉冲适于传输来作为穿过第一点焊电极64以及第二点焊电极68的电流。电容器组200以及脉冲变压器204可合并至被称为电容性放电焊机的单个封装件中，该电容性放电焊机可从许多来源(包括T.J.耐雪有限公司(田纳西州，查特怒加市))购得。焊接控制器206可与脉冲变压器204对接，以控制电流在第一点焊电极64与第二点焊电极68之间的传输方式。

如图8的焊接排程所示，与通常通过图1的电阻点焊设备16产生的电流分布相比，当电容性放电用于生成供给至第一点焊电极64和第二点焊电极68并穿过第一铜工件10和第二铜工件12的电流时，该电流可在较短的时间内飙升至较高的峰值电流电平。例如，在代表性实施例中，如图12的焊接排程所示，因电容器组190进行放电而传递的电流可在2.0ms-10ms的时间范围内升高至在30kA-80kA的范围内的峰值电流电平。随后，电流可在降低至低于1.0kA之前，在5.0ms-20ms的时间范围内下降或衰减。值得注意的是，通过电容性放电穿过第一铜工件10以及第二铜工件12的电流的时间较短，这可能会导致输入至工件10、12中的能量较低，尽管电流可短暂飙升至较高的电流电平。因此，电阻点焊设备116及其电容性放电(用于提供穿过第一铜工件10以及第二铜工件12的电流)的应用可具有如下优势：其可在最大程度地降低对邻近的热敏材料造成热损坏的可能性的同时，在工件10、12之间建立冶金接头90(图10)。

在又一实施例中，现参照图13，第二铜工件的第二接合表面(分别由附图标记120和112进行表示)也可包括至少一个突出部124。与第一接合表面18上的至少一个突起部24相同，第二接合表面120上的至少一个突起部124也升高超出第二接合表面120的周围基部表面126，并与第一接合表面18直接或间接地进行接触。第二接合表面120上的突起部124可在第一接合表面18的突起部24处与第一接合表面18进行接触，或突起部24、124可彼此偏移。通过结合采用第二接合表面120上的突起部124以及第一接合表面18上的突起部24，热量在结合位置76内的聚集可更加明显，直至突起部24、124发生坍塌，以使第一接合表面18与第二接合表面20沿着接合界面22进行范围更广的界面接触。包括在第二接合表面120上的突起部124可通过上文结合图3-5进行描述的工艺中的任一种进行形成。此外，与第一接合表面18上的突起部24相同，第二接合表面上的突起部124也可包括多个突起部124。

其中，在图13所示的实施例中，第一接合表面18的突起部24以及第二接合表面120的突起部124可直接或通过中间材料间接地进行接触，并在压紧力86(图7)施加至第一铜工件10以及第二铜工件112时相互抵靠在一起。因此，当电流在第一铜工件10与第二铜工件112之间进行传递时，该电流首先流动穿过各突起部24、124，这是因为在结合位置76内，当电流开始流动时，该突起部是铜工件10、112之间的唯一直接电通路。首先流动穿过突起部24、124的电流可在突起部24、124内产生并聚集热量。激增的聚集热量至少使各突起部24、124以及第一接合表面18和第二接合表面20的紧紧围绕着该突起部的区域发生软化或甚至熔化。聚集热量最终导致各突起部24、124发生坍塌。在突起部24、124发生坍塌时，且在电流仍然流动的同时，第一接合表面18以及第二接合表面20以前文所解释的方式进行交互，且与图10所示的接头90相类似的冶金接头在第一铜工件10以及第二铜工件112进行冷却处理之后进行建立。

在又一实施例中，如图14所示，中间反应材料214可放置于第一接合表面18与第二接合表面20、120之间，以有助于促进冶金接头90的建立。中间反应材料层214为铜合金，其导电率低于(即电阻率高于)第一铜工件10以及第二铜工件12、112中的每一个，并优选包括2.0wt％-10wt％的磷。在一个特定实施例中，中间反应材料214可为包括铜、3wt％-8wt％的磷以及0.1wt％-20wt％的银的Cu-P-Ag铜合金。中间反应材料214可以以沉积材料层、箔片、带材或任何其他适用的结构的形式布置在第一接合表面18与第二接合表面20、120之间。通过将中间反应材料214——连同第一接合表面18或第一接合表面18和第二接合表面120上的至少一个突起部24、124——放置在第一接合表面18与第二接合表面20、120之间，得以形成冶金接头90，并同时使电流在相对较短的时间内以适中的电流电平进行传递，从而可降低输入至第一铜工件10以及第二铜工件12中的能量。

中间反应材料214放置在第一接合表面18与第二接合表面20、120之间，从而使得材料214设置在第一接合表面18上的突起部24与第二接合表面20、120之间。为此，如图15所示，若第二接合表面120包括至少一个突起部124，则中间反应材料214可设置在第一接合表面18的至少一个突起部24与第二接合表面120的至少一个突起部124之间。如此，当存在有中间反应材料214时，不管第二接合表面20、120是否包括突起部124，第一接合表面18上的突起部24都通过反应材料214与第二接合表面20、120间接地进行接触。通过将中间反应材料214放置在第一接合表面18上的突起部24与第二接合表面20、120之间，可有助于使最初产生的聚集热量集中在结合位置76内。

中间反应材料214通过如下方式促进冶金接头90的建立：在结合位置76内沿着接合界面22对第一接合表面18以及第二接合表面20、120进行清洁，从而使得接合表面18和20、120可更容易地进行交互以形成冶金接头90。特别地，当电流穿过第一铜工件10以及第二铜工件12、112时，中间反应材料214因其导电率较低而更快速地升温，并在第一接合表面18与第二接合表面20、120之间发生液化。在所施加的压紧力86的压力下，当突起部24或突起部24、124发生坍塌且第一接合表面18以及第二接合表面20、120更靠近彼此并进行范围更广的界面接触时，液化反应材料可沿着接合界面22横向向外排出。在这种情况下，液化反应材料使表面氧化膜发生分解，并横向向外清理所产生的氧化膜残留物以及其他材料，进而使第一接合表面18以及第二接合表面20、120的清洁部分在所施加的压紧力86的压力下于局部加热环境中直接进行接触，该局部加热环境由第一接合表面18上的突起部24或第一接合表面18和第二接合表面120上的突起部24、124形成。通过液化反应材料的横向位移实现的清洁作用可至少部分地归功于存在于铜合金中的磷，其中，当反应材料214发生熔化时，磷用作为焊剂。为此，中间反应材料214是一种自熔性中间反应材料。

如果需要的话，上文所述的公开方法的各种实施例可彼此组合来进行实施。例如，可采用或可不采用中间材料214，而不管电流是通过图1的电阻点焊设备16抑或是通过图11的包括用于提供电流的电容性放电的电阻点焊设备116穿过第一铜工件10以及第二铜工件12、112。实际上，当图11的电阻点焊设备116与中间反应材料214结合使用时，可在输入至工件10和12、112中的总体能量保持在最低水平的情况下在第一铜工件10与第二铜工件12、112之间建立冶金接头90，这有助于避免对与第一铜工件10和/或第二铜工件12、112相接触的邻近热敏材料造成热损坏。类似地，不管中间反应材料214是否存在，都可在第一接合表面18以及第二接合表面20、120中的每一个上形成至少一个突起部24、124，且上文所述的电阻点焊设备16、116中的任一种可用于使电流穿过铜工件10和12、112及其各自的突起部24、124。

上文关于优选的示例性实施例以及特定示例的描述本质上仅仅是描述性的；其并不旨在限制所附权利要求书的范围。除非在说明书中具体、明白地说明，否则所附权利要求书中使用的各术语应被赋予其普通和习惯的意义。

Claims (10)

1.一种用于通过电阻点焊使邻近的重叠铜工件结合在一起的方法，所述方法包括：

提供工件层叠，所述工件层叠包括第一铜工件以及与所述第一铜工件相邻的第二铜工件，其中所述第一铜工件具有第一接合表面，且所述第二铜工件具有面向所述第一接合表面以建立接合界面的第二接合表面，且其中所述第一接合表面包括升高超出所述第一接合表面的周围基部表面并与所述第二接合表面进行接触的突起部；

将压紧力施加至所述第一铜工件以及所述第二铜工件上，从而迫使所述第一接合表面的所述突起部抵靠在所述第二接合表面上；

使电流短暂地穿过所述第一铜工件以及所述第二铜工件，其中，在所述突起部发生坍塌之前，所述电流首先流动穿过包括在所述第一接合表面上的所述突起部以在所述突起部内产生并聚集热量，以使所述第一接合表面与所述第二接合表面沿着所述第一铜工件以及所述第二铜工件的所述接合界面进行范围更广的界面接触，且其中，在所述第一铜工件以及所述第二铜工件进行冷却之后，冶金接头在所述突起部发生坍塌的位置处沿着所述接合界面建立在所述第一铜工件与所述第二铜工件之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二接合表面也包括升高超出所述第二接合表面的周围基部表面的突起部。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一接合表面的所述突起部以及所述第二接合表面的所述突起部彼此相接触，并在所述压紧力施加至所述第一铜工件以及所述第二铜工件上时彼此抵靠在一起，且其中，使所述电流穿过所述第一铜工件以及所述第二铜工件的步骤包括：在所述突起部发生坍塌之前，首先使所述电流流动穿过所述突起部以在所述突起部内产生并聚集热量，以使所述第一接合表面与所述第二接合表面沿着所述第一铜工件以及所述第二铜工件的所述接合界面进行范围更广的界面接触。

4.根据权利要求1所述的方法，其中中间反应材料设置在所述第一接合表面的所述突起部与所述第二接合表面之间，且所述中间反应材料为包括2.0wt％-10wt％的磷的铜合金。

5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

将电流传输至电容器组以将能量储存在所述电容器组中；以及

使储存在所述电容器组中的所述能量进行放电以提供短暂地穿过所述第一铜工件以及所述第二铜工件的所述电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一铜工件以及所述第二铜工件中的每一个由99.9wt％或以上的铜组成。

7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

在所述第一铜工件以及所述第二铜工件被组装成所述工件层叠之前，在所述第一接合表面上形成所述突起部。

8.一种用于通过电阻点焊使邻近的重叠铜工件结合在一起的方法，所述方法包括：

在第一铜工件的第一接合表面上形成至少一个突起部，其中所述第一接合表面的所述至少一个突起部升高超出所述第一接合表面的周围基部表面；

组装工件层叠，所述工件层叠包括所述第一铜工件以及与所述第一铜工件相邻的第二铜工件，其中所述第一铜工件的所述第一接合表面的所述至少一个突起部与所述第二铜工件的第二接合表面进行接触；

将压紧力施加至所述第一铜工件以及所述第二铜工件上，从而迫使所述第一接合表面的所述至少一个突起部抵靠在所述第二接合表面上；

使储存在电容器组中的能量进行放电以提供电流，其中所述电流在2.0ms-10ms的时间范围内升高至在30kA-80kA的范围内的峰值电流电平，然后在降低至低于1kA之前，在5.0ms-20ms的时间范围内发生衰减；

通过使所述电流穿过所述第一铜工件以及所述第二铜工件来在所述第一铜工件与所述第二铜工件之间形成冶金接头，其中，在所述至少一个突起部发生坍塌之前，所述电流首先流动穿过包括在所述第一接合表面上的所述至少一个突起部以在所述至少一个突起部内产生并聚集热量，以使所述第一接合表面与所述第二接合表面进行范围更广的界面接触，且其中，在所述第一铜工件以及所述第二铜工件进行冷却之后，所述冶金接头在所述至少一个突起部发生坍塌的位置处沿着接合界面建立在所述第一铜工件与所述第二铜工件之间。

9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

在所述第二铜工件的所述第二接合表面上形成至少一个突起部，其中所述第二接合表面的所述至少一个突起部升高超出所述第二接合表面的周围基部表面。

10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

将中间反应材料放置在所述第一接合表面与所述第二接合表面之间，从而使得在将所述第一铜工件以及所述第二铜工件组装成所述工件层叠之后，所述中间反应材料设置在所述第一接合表面的所述突起部与所述第二接合表面之间，其中所述中间反应材料为包括2wt％-10wt％的磷的铜合金。