CN109807457A - 钢工件在铝合金上的超声波焊接/钎焊 - Google Patents

钢工件在铝合金上的超声波焊接/钎焊 Download PDF

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Abstract

一种用于在第二金属合金工件上同时超声波焊接/钎焊第一金属合金工件的方法包括：在第一金属合金工件的接合表面中形成凹部，以及将涂层材料涂覆到第一金属合金工件的接合表面或第二金属合金工件的接合表面中的至少一个。接下来，从第一金属合金工件和第二金属合金工件的接合表面去除污染物，以及利用超声波振动接合金属工件以形成焊接和钎焊接头。

Description

钢工件在铝合金上的超声波焊接/钎焊
技术领域
本公开涉及一种接合方法，并且更具体地，涉及一种用于在第二金属合金工件上同时超声波焊接/钎焊第一金属合金工件以形成冶金结合的方法。
背景技术
本背景技术大体上介绍了本公开的背景。当前署名的发明人的工作就其在本背景技术中所描述的以及在提交时可以不另外作为现有技术的多个方面的描述而言既不明确地也不隐含地被认可为是本公开的现有技术。
在典型的汽车中，某些组件被焊接在一起。一些焊接涉及由不同合金制成的组件。例如，诸如铝或镁之类的较轻合金可以与诸如钢之类的较重合金接合。由于这些合金之间的物理和冶金性能差异，接头强度对于某些应用可能不足够高。具体地，由于使用具有不同性能的合金而导致的焊接接头中脆性金属间化合物形成和高残留应力可能限制接头强度。
这些限制可能阻止和/或降低减少汽车组件的质量的能力，这继而可能阻止和/或降低燃料效率、经济性、性能、电池寿命、范围以及汽车的其他重要特性。因此，希望能有一种用于接合具有不同物理和冶金性能的合金并得到高接头强度的可靠方法。
发明内容
一个或多个示例性实施例通过提供一种用于在第二金属合金工件上同时超声波焊接/钎焊第一金属合金工件的方法来解决以上问题。
根据示例性实施例，一种用于在第二金属合金工件上同时超声波焊接/钎焊第一金属合金工件的方法包括：在第一金属合金工件的接合表面中形成凹部。该示例性实施例的另一方面包括：将涂层材料涂覆到第一金属合金工件的接合表面或第二金属合金工件的接合表面中的至少一个。以及另一方面包括：从第一金属合金工件和第二金属合金工件的接合表面去除污染物。以及又另一方面包括：利用超声波振动在接合表面处接合第一金属合金工件和第二金属合金工件以形成具有冶金结合的焊接和钎焊接头。
根据示例性实施例的另一方面，其中形成进一步包括在钢工件的接合表面中形成凹部。以及又另一方面，其中涂覆进一步包括将涂层材料涂覆到钢工件的接合表面或铝工件的接合表面的至少一个。以及又另一方面，其中涂覆进一步包括将较低熔化温度合金材料的涂层涂覆到接合表面中的至少一个。以及一个其他方面，其中涂覆较低熔化温度合金材料的涂层进一步包括涂覆锌合金的涂层。
根据示例性实施例的又其他方面，其中形成凹部进一步包括在第一金属合金工件的接合表面中形成凹槽或浅凹，并且其中形成凹部进一步包括制造深度0.020mm至0.20mm的凹部。以及其他方面，其中形成凹部进一步包括利用0.2mm至2.0mm厚的钢工件，并且其中去除进一步包括利用激光束从未经涂覆的铝接合表面去除高度小于或等于0.020mm的污染物。
以此方式，组件可以被提供为具有显著减少的质量，与此同时通过降低和/或消除在界面处形成脆性金属间化合物的可能而确保相异金属(例如钢和铝)之间的强结合。这在汽车零件中是尤其有价值的，例如在车辆推进系统中，其中质量的减少可以在燃料经济性、效率、性能、扩展范围、增加电池寿命等方面提供显著的改善。
通过以下提供的详细描述，本公开的其他应用领域将变得显而易见。应当理解的是，详细描述和特定实例仅旨在用于说明的目的，而并不旨在限制本公开的范围。
当接合附图时，通过包括权利要求书和示例性实施的详细描述，本发明的以上特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。
附图说明
通过详细描述和附图将可以更彻底地理解本公开，其中：
图1示出了根据示例性实施例的方面的超声波焊接系统。
图2示出了根据示例性实施例的方面的金属工件的接合表面；以及
图3示出了根据示例性实施例的用于在第二金属合金工件上同时超声波焊接/钎焊第一金属合金工件的方法的流程图。
在附图中，附图标记可以重复使用以标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
以下描述公开了使用超声波能量来通过同时固态焊接和钎焊将第一金属合金工件接合到第二金属合金工件，从而避免了已知的问题，例如通常由于接合相异金属和/或合金而得到的脆性和脆弱焊接接头。
现在参考图1，提供了根据示例性实施例的方面的超声波焊接系统10的图示。在该图示中，超声波焊接系统10将第一金属合金工件12接合到第二金属合金工件14。在这种情况下，第一金属合金工件和第二金属合金工件具有相异的物理和冶金性能，即，钢和铝。应当意识到，在不超出示例性实施例的范围的前提下，根据所公开方法的方面可以和其他相异金属材料一起使用。
超声波系统10可以包括砧座16，用于在焊接过程期间支承将要接合到另一工件的工件。砧座16还可以设置有纹理化表面，以用于防止被支承的工件在支承表面附近移动。超声波焊接系统10包括超声波喇叭16，其被用于增大由在超声波频率的低端运行的超声波换能器(未示出)所提供的振荡位移幅度，因为对于功率的大多数实际应用(例如焊接)而言，该换能器自身所提供的幅度是不够的。超声波喇叭20还用于有效地从换能器向工件传递能量。超声波能量形成超声波振动22，该超声波振动被局部施加到通过砧座16上的压力保持在一起的工件，从而形成固态焊接接头24。
现在参考图2，提供了根据示例性实施例的金属工件的接合/接合表面的图示。第一金属工件的接合表面12包括多个凹部26，以在第一金属合金工件12和第二金属合金工件14之间的焊接接头处增强冶金和机械结合整体性、减小残留应力和增加强度。凹部26可以采用浅凹或凹槽的形式，根据示例性实施例其深度的范围可以为从0.020mm至0.20mm，但是应当意识到，针对预期目的所使用的其他深度未超出本公开的范围。第一金属合金工件(即，钢)的厚度范围在0.2mm至2.0mm厚之间。涂层材料28被涂覆到第一金属合金工件12的接合表面或第二金属工件14的接合表面中的至少一个。优选地，涂层材料28是较低熔化温度合金材料，例如在钢和铝工件的情况下为锌。
图3示出了根据示例性实施例的用于在第二金属合金工件上同时超声波焊接/钎焊第一金属合金工件的方法50的流程图。方法在框52处以在第一金属合金的接合表面中形成凹部开始。这可以利用适当的工具或利用机器手动地进行。
在框54处，方法以将涂层材料涂覆到第一金属合金工件的接合表面或第二金属合金工件的接合表面中的至少一个继续。涂层材料应当是具有比工件更低的熔化温度的合金。接下来，在框56处，方法以从第一金属合金工件和第二金属合金工件的接合表面去除污染物继续。如果在未经涂覆的铝接合表面上的污染物距离铝的表面高度为小于或等于0.020mm，则应当使用激光束来将其去除。
在框58处，方法继续，利用超声波振动在接合表面处接合第一金属合金工件和第二金属合金工件以形成焊接和钎焊接头。
尽管本详细描述描述了一种摩擦焊接工艺，但是应当理解的是，本公开的示例性实施例包括任意的固态焊接工艺，例如，冷焊、扩散焊接、超声波焊接、爆炸焊接、锻焊、摩擦焊接、热压焊、滚焊等。固态焊接在不显著熔化基金属的情况下接合基金属。
此外，尽管本详细描述描述并说明了钢齿轮和铝离合器壳体，但是应当理解的是，本公开的示例性实施例可以应用于结合两种相异合金以形成单个组件，使得在界面处并不形成脆性金属间化合物。本公开的示例性实施例可以用于提供用于汽车的组件，例如在车辆推进系统中。
本描述在本质上仅是说明性的并且决不旨在限制本公开、其应用或使用。本公开的广泛教导可以通过各种形式来实现。因此，尽管本公开包括了特定示例，但是本公开的真实范围不应受限于此，因为通过研读附图、说明书以及所附权利要求书，其他修改将变得显而易见。

Claims (10)

1.一种用于在第二金属合金工件上同时超声波焊接/钎焊第一金属合金工件以形成冶金结合的方法包括：
在第一金属合金工件的接合表面中形成凹部；
将涂层材料涂覆到所述第一金属合金工件的所述接合表面或第二金属合金工件的接合表面中的至少一个；
从所述第一金属合金工件和所述第二金属合金工件的所述接合表面去除污染物；以及
利用超声波振动在所述接合表面处接合所述第一金属合金工件和所述第二金属合金工件以形成具有冶金结合的焊接和钎焊接头。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成进一步包括在钢工件的接合表面中形成凹部。
3.根据权利要求2所述的方法，其中涂覆进一步包括将涂层材料涂覆到所述钢工件的所述接合表面或铝工件的接合表面中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的方法，其中涂覆进一步包括将较低熔化温度合金材料的涂层涂覆到所述接合表面中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的方法，其中涂覆较低熔化温度合金材料的涂层进一步包括涂覆锌合金的涂层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中形成凹部进一步包括在所述第一金属合金工件的所述接合表面中形成凹槽或浅凹。
7.根据权利要求1所述的方法，其中形成凹部进一步包括制造深度为0.020mm至0.20mm的凹部。
8.根据权利要求2所述的方法，其中形成凹部进一步包括利用0.2mm至2.0mm厚的钢工件。
9.根据权利要求8所述的方法，其中去除进一步包括利用激光束从未经涂覆的铝接合表面去除高度小于或等于0.020mm的污染物。
10.一种用于在第二金属合金工件上同时超声波焊接/钎焊第一金属合金工件以形成冶金结合的方法包括：
在第一金属合金工件的接合表面中形成凹部；
将锌涂层材料涂覆到所述第一金属合金工件的所述接合表面或第二金属合金工件的接合表面中的至少一个；
从所述第一金属合金工件和所述第二金属合金工件的所述接合表面去除污染物；以及
利用超声波振动在所述接合表面处接合所述第一金属合金工件和所述第二金属合金工件以形成具有冶金结合的焊接和钎焊接头。
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