CN1657217A - 用于异种金属板的液相扩散结合方法和设备 - Google Patents

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Abstract

用于本发明的异种金属板的液相扩散结合方法具有以下步骤：使得镀锌钢板和铝合金板相互紧密接触并且使用液相扩散结合设备的第一模具和液相扩散结合设备的第二模具压制两个板；以及在大约相同的变热速度和大约相同的温度下加热镀锌钢板和铝合金板以便于通过使用通过向设在第一模具上的第一高频感应加热线圈和设在第二模具上的第二高频感应加热线圈施加高频电流所产生的感应热执行所述板的液相扩散结合。第一高频感应加热线圈和第二高频感应加热线圈被布置得用于以分别与所述板相隔预定距离的方式夹持镀锌钢板和铝合金板。通过这种方法，可减少用于结合镀锌钢板和铝合金板的时间并且确保所述板之间的充足的结合强度。

Description

用于异种金属板的液相扩散结合方法和设备
技术领域
本发明涉及通过液相扩散结合能够使得具有不同物理特性的异种金属板结合在一起的方法和设备。具体地说，本发明涉及能够在不使用惰性气体的情况下短时间内确保充分的结合强度的液相扩散结合技术。
背景技术
广为人知的是，在将诸如铁和铝等异种金属材料焊接在一起的情况下，在结合界面处会产生金属互化物，导致不充分的结合强度。
用于结合所述异种金属材料的方法的一个示例是确保了预定结合强度的液相扩散结合方法(见2000年的日本焊接协会的季刊，第18卷No.4，第572-579页的Joining of An Iron Pipe to An AluminumPipe by Zinc Plating)。
上述文献中所述的方法如下所述：用锌电镀具有锥形端的铁管；将所述铁管插入到铝管中并将其加热到预定温度；以及将所述铁管进一步推入到铝管中以便于通过液相扩散将所述管结合在一起。
液相扩散结合具有以下机构。首先，铁管和铝管被加热到超过381℃(锌和铝的共晶温度)，并且铁管被插入到铝管中，当铁管被插入到铝管中时，铝管的端部摩擦铁管，因此两个管的新表面相互接触，从而铝和锌反应形成共晶液体。该共晶液体加速铝、锌和铁的扩散反应，从而将所述管结合在一起。
用于结合异种金属材料的方法的另一个实施例是借助于压力辊压制两个或多个加热异种金属板以便于将它们结合在一起。在制造覆盖材料时使用该结合方法。
发明内容
然而，应用上述使用压力辊的压力施加结合方法结合具有复杂三维弯曲形状的金属板(诸如汽车零件)是很困难的。
另一方面，在使用早期提及的文献中所述的结合方法制造所述汽车零件的情况下，需要在周期时间内进行结合。因此需要缩短结合时间。另外，在所述文献中描述的该结合方法用于将薄金属板结合在一起的情况下，需要明确压制和加热条件以便于确保充足的结合强度。
为了解决这些问题而提出了本发明。本发明的一个目的是提供用于异种金属板的液相扩散结合的可靠方法和设备，所述方法和设备能够实现缩短结合时间以及确保充足的结合强度。
本发明的第一方面提供了用于异种金属板的液相扩散结合的方法，所述方法包括：使得镀锌钢板和铝合金板相互紧密接触并且使用液相扩散结合设备的第一模具和液相扩散结合设备的第二模具压制两个板；以及在大约相同的升热速度和大约相同的温度下加热镀锌钢板和铝合金板以便于通过使用通过向设在第一模具上的第一高频感应加热线圈和设在第二模具上的第二高频感应加热线圈施加高频电流所产生的感应热执行所述板的液相扩散结合，第一高频感应加热线圈和第二高频感应加热线圈被布置得用于以分别与所述板相隔预定距离的方式夹持镀锌钢板和铝合金板。
本发明的第二方面提供了液相扩散结合设备，所述设备包括：第一模具；第二模具；压力施加装置，所述压力施加装置能够使得第一模具和第二模具中的至少任意一个移动并且所述压力施加装置压制镀锌钢板和铝合金板，所述镀锌钢板和铝合金板都被固定于第一模具和第二模具之间；第一高频感应加热线圈，所述第一高频感应加热线圈被设在第一模具上与镀锌钢板相隔预定距离的位置处并且施加高频电流以产生通过镀锌钢板的感应电流从而使得镀锌钢板被加热；以及第二高频感应加热线圈，所述第二高频感应加热线圈被设在第二模具上与铝合金板相隔预定距离的位置处并且施加高频电流以产生通过铝合金板的感应电流从而使得铝合金板被加热。
本发明的第三方面提供了液相扩散结合设备，所述设备包括：第一模具；第二模具；压力施加装置，所述压力施加装置能够使得第一模具和第二模具中的至少任意一个移动并且所述压力施加装置压制镀锌钢板和铝合金板，所述镀锌钢板和铝合金板都被固定于第一模具和第二模具之间；第一高频感应加热线圈，所述第一高频感应加热线圈被设在第一模具上与镀锌钢板相隔预定距离的位置处并且施加高频电流以产生通过镀锌钢板的感应电流从而使得镀锌钢板被加热；以及第二高频感应加热线圈，所述第二高频感应加热线圈被设在第二模具上与铝合金板相隔预定距离的位置处并且施加高频电流以产生通过铝合金板的感应电流从而使得铝合金板被加热。
附图说明
下面将参照附图描述本发明，在附图中：
图1是一个实施例所涉及的液相扩散结合设备的侧视图；
图2A是该实施例所涉及的液相扩散结合设备的结合部分的放大图；
图2B是沿图2A中的线IIB-IIB所截的截面图；
图3是示出了通过高频感应加热的温度上升的曲线的视图；
图4是示出了镀锌钢板和铝合金板的结合部分处的拉伸剪切载荷和界面温度之间关系的视图；
图5是示出了施加于所述结合部分的压力与拉伸剪切载荷之间关系的视图；
图6是示出了压制所述结合部分的时间与拉伸剪切载荷之间关系的视图；以及
图7A到7C是示出了在结合部分处如何发生液相扩散结合的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明所适用的具体实施例。
(用于异种金属板的液相扩散结合设备的结构)
下面描述本发明所涉及的用于异种金属板的液相扩散结合设备。
如图1中所示的，本实施例的液相扩散结合设备具有第一模具2和第二模具4。第一模具2压制镀锌钢板1，所述镀锌钢板1为具有不同物理特性的两个异种金属板中的一个，第二模具4压制铝合金板3，所述铝合金板3为异种金属板中的另一个。该设备还具有液压缸5(压力施加装置)，所述液压缸5可使得第一模具2移动得更靠近和远离第二模具4，换句话说，沿图1中的箭头Y所示的竖直方向使得被固定于模具之间的镀锌钢板1和铝合金板3相互压制在一起。
此外，如图2A和2B所示的，所述设备具有作为用于加热镀锌钢板1的装置的第一高频感应加热线圈6和作为用于加热铝合金板3的装置的第二高频感应加热线圈7。所述第一高频感应加热线圈6被设置在第一模具2上与镀锌钢板1相隔预定距离H1的位置处，并且施加高频电流以便于在镀锌钢板1中产生感应电流从而使得镀锌钢板1被加热。同样，所述第二高频感应加热线圈7被设在第二模具4上与铝合金板3相隔预定距离H2的位置处，并且施加高频电流以便于产生通过铝合金板3的感应电流从而使得铝合金板3被加热。
第一模具2被固定于模具固定部件10。模具固定部件10通过液压缸5被附接于上部阶9。上部阶9被形成在侧视图中具有大约为C形状的设备基底8的上端部分中。液压缸5可使得第一模具2沿图1中的箭头Y所示的竖直方向移动。第二模具4被固定于模具固定部件12，所述模具固定部件12被固定于形成在设备基底8的下端部分中的下部阶11。如图2B中所示的，第一模具2和第二模具4都由具有圆柱形状的高刚度陶瓷圆杆制成。
未示出的夹具用作将镀锌钢板1和铝合金板3固定于第一模具2和第二模具4之间的固定装置。
第一高频感应加热线圈6被固定在与第一模具2的端部相隔预定距离H1的位置处。第一高频感应加热线圈6是通过绕成环面形状的线圈线形成的，并且圆杆形状的第一模具2穿过所述线圈的通孔，以使得所述线圈附接于第一模具2。第一高频感应加热线圈6由未示出的支撑托架支撑，所述支撑托架的一端被固定于设备基底8。通过移动该支撑托架，可调节第一高频感应加热线圈6相对于第一模具2的附接位置。
与第一高频感应加热线圈6相似，第二高频感应加热线圈7是通过绕成环面形状的线圈线形成的，并且第二模具4穿过其通孔，以使得所述线圈附接于第二模具4。而且，第二高频感应加热线圈7被固定在与第二模具4的端部相隔预定距离H2的位置处。通过移动支撑托架也可调节第二高频感应加热线圈7相对于第二模具4的附接位置。
在输出到这些加热线圈的输出为14kW的情况下，从第一高频感应加热线圈6到第一模具2的端部之间的距离H1最好为4.5mm，而从第二高频感应加热线圈7到第二模具4的端部之间的距离H2最好为0.5m。通过如上所述那样设定距离H1和H2，可在大约相同的变热速度以及在大约相同的温度下加热镀锌钢板1和铝合金板3。
通过未示出的电流供应装置分别将适当的高频电流施加于第一高频感应加热线圈6和第二高频感应加热线圈7。
(用于异种金属板的液相扩散结合方法)
接下来，将参照附图描述本实施例所涉及的用于异种金属板的液相扩散结合方法。
首先，铝合金板3被固定得使得其与第二模具4的端部相接触，并且将镀锌钢板1放置在铝合金板3上并将其固定。未示出的夹具用于固定这些板。在本实施例中，使用具有0.8mm厚度的镀锌钢板1和具有2.0mm厚度的铝合金板3。
接着，启动液压缸5以使得镀锌钢板1侧部上的第一模具2移动得靠近于铝合金板3侧部上的第二模具4。使得第一模具2的端部与镀锌钢板1相接触，从而使得镀锌钢板1与铝合金板3紧密接触。之后，镀锌钢板1和铝合金板3在预定压力下被压制，并且高频电流被施加于第一高频感应加热线圈6和第二高频感应加热线圈7，以便于在大约相同的变热速度以及在大约相同的温度下加热镀锌钢板1和铝合金板3。
一旦高频电流被施加于第一高频感应加热线圈6和第二高频感应加热线圈7，就会产生交变磁通量，并且这些磁通量分别穿过镀锌钢板1和铝合金板3，诱发具有非常高密度的涡流。所述涡流加热镀锌钢板1和铝合金板3的结合表面。
通过第一模具2和第二模具4被施加于镀锌钢板1和铝合金板3的压力的范围从15MPa到120MPa，最好从20MPa到80MPa。当在大约相同的变热速度以及在大约相同的温度下加热镀锌钢板1和铝合金板3时，结合部分处的界面温度应被设定为370℃到550℃，最好被设定为450℃到550℃。
当实际结合异种金属板时，对于施加于这些异种金属板之间的接触部分的每个压力都存在适宜温度范围。因此，应选择适合于每个结合压力的温度。在确定结合条件时，用通过点焊结合在一起的2.0mm厚的铝合金板的拉伸剪切载荷的期望值替代结合强度的期望值，假定这可获得强度的实用范围。
如从图4中可看出的，当镀锌钢板1和铝合金板3的结合部分的界面温度增加到370℃以上的温度时，拉伸剪切载荷增加了。因此，结合部分的界面温度最好在370℃和550℃之间，在该范围内可确保足够的拉伸剪切载荷。当结合部分的界面温度低于370℃时，不能确保充足的拉伸剪切载荷。当结合部分的界面温度超过了550℃时，由于过高的温度导致板的厚度减小，从而导致基底材料的低强度和变形。在本实施例中，高频电流被施加于第一高频感应加热线圈6和第二高频感应加热线圈7以使得结合部分的界面温度为530℃。
如从图5中可看出的，在施加于结合部分的从15MPa到120MPa的宽范围的压力下获得了足够高的拉伸剪切载荷。具体地，在从20MPa到80MPa之间的压力下获得了非常高的拉伸剪切载荷。当施加于结合部分的压力小于15MPa时，由于缺乏施加的压力导致不能确保结合强度。当施加于结合部分的压力超过了120MPa时，材料会大大变形并且所述板的局部厚度会变得过小。
如从图6中可看出的，由于通过仅仅压制1秒钟可获得充足的拉伸剪切载荷，因此压制结合部分的持续时间最好在1到7秒钟之间。考虑到压制时间超过7秒钟会减小拉伸剪切载荷这个事实，最好将压制持续时间的上限设定为7秒钟。
如图3中所示的，当在上述条件下压制镀锌钢板1和铝合金板3时，镀锌钢板1和铝合金板3通过感应热在大约相同的温度下被加热。如图7A到7C中所示的，在结合部分的界面处，包含在形成于镀锌钢板1上的镀锌层15中的锌与铝合金板3的铝相互反应，形成共晶液相16。该共晶液相16加速Al-Zn-Fe相17中的扩散反应，从而将所述板结合在一起。应该注意的是，在图3中，CO1表示由第二模具4压制的铝合金板3的一部分的中央温度，而CO2表示由第一模具2压制的镀锌钢板1的一部分的中央温度。
如迄今为止所述的，依照本实施例，如图6中所示的，所述板可在短时间内被加热，能够明显减少直到产生铝和锌的共晶液体所需的时间。而且，即使与加热时间相分离的结合时间可短至1秒钟，由于铝、锌和铁的共晶液体的结合机理，也可产生足够高的拉伸剪切载荷。而且，通过增加从用于向第一高频感应加热线圈6和第二高频感应加热线圈7供应高频电流的电源的输出，可减少用于加热镀锌钢板1和铝合金板3的时间。因此，通过本发明的结合方法，可实现像点焊的时间那么短的循环时间。
在直接加热方法用作结合镀锌钢板1和铝合金板3的方法的情况下，基底材料被从热源传输来的热量加热。因此，板的温度从室温增加到500℃大约需要3分钟。然而，在本实施例中如上所述使用感应加热方法能够使得异种金属板在极短时间内被结合在一起同时如先前所述的确保充足的结合强度。
如上所述的，在本实施例中，与通过直接加热方法加热相比较可在短时间内加热异种金属板。因此，可防止结合界面被氧化并且不再需要惰性气体。由于在大约400℃的界面温度下产生镀锌钢板1和铝合金板3的共晶液体，因此不需要惰性气体，并且钢板和铝合金板之间的界面被共晶液体润湿，防止所述界面的氧化。因此，在本实施例中，在不需要抗氧化剂保护气体的情况下可在大气下进行结合。由于不再需要保护气体喷嘴，因此可简化液相扩散结合设备的结构。
而且，依照本实施例，可在低压下将异种金属板结合在一起，这可防止由于减少其厚度而导致的基底材料的强度减小和变形。由于加热温度较低，因此还可防止热效应导致的基底材料的强度减小。
已经描述了本发明所适用的具体实施例。然而，本发明不局限于该实施例，而是在不脱离本发明的原理的前提下可进行修正。
例如，在上述实施例中，只有第一模具2可被液压缸5移动。然而，第二模具4也可以与第一模具2相似的方式被液压缸5移动。
在这里合并参考2004年2月17日所申请的日本专利申请No.P2004-039897的全部内容。
尽管以上已通过参照本发明的某些实施例描述了本发明，但是本发明不局限于上述实施例，本领域普通技术人员可根据这些教导进行各种修正和改变。本发明的范围由以下权利要求限定。

Claims (4)

1.一种用于异种金属板的液相扩散结合方法，所述方法包括：
使得镀锌钢板和铝合金板相互紧密接触并且使用液相扩散结合设备的第一模具和液相扩散结合设备的第二模具压制两个板；以及
在大约相同的升热速度和大约相同的温度下加热镀锌钢板和铝合金板以便于通过使用通过向设在第一模具上的第一高频感应加热线圈和设在第二模具上的第二高频感应加热线圈施加高频电流所产生的感应热执行所述板的液相扩散结合，第一高频感应加热线圈和第二高频感应加热线圈被布置得用于以分别与所述板相隔预定距离的方式夹持镀锌钢板和铝合金板。
2.依照权利要求1中所述的液相扩散结合方法，
其特征在于，施加于镀锌钢板和铝合金板的结合压力在从15MPa到120MPa的范围内，以及
镀锌钢板和铝合金板的结合部分处的界面温度在从370℃到550℃的范围内。
3.一种液相扩散结合设备，所述设备包括：
第一模具；
第二模具；
压力施加装置，所述压力施加装置能够使得第一模具和第二模具中的至少任意一个移动并且所述压力施加装置压制镀锌钢板和铝合金板，所述镀锌钢板和铝合金板都被固定于第一模具和第二模具之间；
第一高频感应加热线圈，所述第一高频感应加热线圈被设在第一模具上与镀锌钢板相隔预定距离的位置处并且施加高频电流以产生通过镀锌钢板的感应电流从而使得镀锌钢板被加热；以及
第二高频感应加热线圈，所述第二高频感应加热线圈被设在第二模具上与铝合金板相隔预定距离的位置处并且施加高频电流以便于产生通过铝合金板的感应电流从而使得铝合金板被加热。
4.一种液相扩散结合设备，所述设备包括：
第一模具；
第二模具；
压力施加装置，所述压力施加装置能够使得第一模具和第二模具中的至少任意一个移动并且所述压力施加装置压制镀锌钢板和铝合金板，所述镀锌钢板和铝合金板都被固定于第一模具和第二模具之间；
第一高频感应加热线圈，所述第一高频感应加热线圈被设在第一模具上与镀锌钢板相隔预定距离的位置处并且施加高频电流以产生通过镀锌钢板的感应电流从而使得镀锌钢板被加热；以及
第二高频感应加热线圈，所述第二高频感应加热线圈被设在第二模具上与铝合金板相隔预定距离的位置处并且施加高频电流以产生通过铝合金板的感应电流从而使得铝合金板被加热。
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