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ERKLÄRUNG BEZÜGLICH BUNDESGEFÖRDERTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
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Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung gemäß einem Übereinkommen/Projekt Z264-DPN und Z411-DPN gemacht. Die US-Regierung kann gewisse Rechte an dieser Erfindung haben.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbundene Struktur aus Kupfer und Aluminium und ein Verfahren zum Verbinden eines Kupferwerkstücks und eines Aluminiumwerkstücks miteinander, um die verbundene Struktur zu bilden.
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HINTERGRUND
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Aluminium und Kupfer sind wegen ihrer hohen Leitfähigkeit und ihren relativ geringen Kosten zwei der meistbenutzten Leitermaterialien. Als solches ist es oft erwünscht, Kupferkomponenten und Aluminiumkomponenten miteinander zu verbinden, so dass sie Teil eines elektrischen Kreises in verschiedenen Anwendungen sind, wie in elektrischen Hybridfahrzeugen. Es ist jedoch bekannt, dass dies wegen der sich unterscheidenden Schmelzpunkte und thermischen Leitfähigkeiten von Aluminium und Kupfer schwierig zu erreichen ist. Zusätzlich bildet eine flüssige Mischung von Aluminium und Kupfer harte und spröde intermetallische Verbindungen, wenn sie sich verfestigt und abkühlt. Zwei gewöhnlich verwendete Verbindungsverfahren sind Ultraschallschweißen und Laserschweißverfahren.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren zum Verbinden eines ersten metallischen Werkstücks mit einem zweiten metallischen Werkstück, wobei die beiden Werkstücke aus Materialein mit unterschiedlichen Schmelzpunkten und thermischen Leitfähigkeiten hergestellt werden, wird bereitgestellt. Die Materialien des ersten metallischen Werkstücks und des zweiten metallischen Werkstücks können jeweils Kupfer und Aluminium sein. Das Verfahren ermöglicht es, dass die zwei Werkstücke ohne die Bildung intermetallischer Verbindungen zwischen den beiden Werkstücken verbunden werden.
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Das Verfahren umfasst, zuerst eine erste Beschichtung auf zumindest einen Teil des ersten metallischen Werkstücks aufzubringen, wobei der Teil zumindest den Bereich umfasst, [in] dem das Verbinden erfolgen soll. Das Material der ersten Beschichtung weist im Allgemeinen einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material des ersten metallischen Werkstücks auf und kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, Zink. Vor dem Aufbringen der ersten Beschichtung kann das Verfahren das Aufbringen einer zweiten Beschichtung auf im Wesentlichen denselben Teil des ersten metallischen Werkstücks, auf welchen die erste Beschichtung aufzubringen ist, umfassen. Das Material der zweiten Beschichtung weist im Allgemeinen einen höheren Schmelzpunkt als das Material des ersten metallischen Werkstücks auf und kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, Nickel.
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Nach dem Aufbringen der ersten Beschichtung und optional der zweiten Beschichtung umfasst das Verfahren dann das Positionieren des ersten metallischen Werkstücks und des zweiten metallischen Werkstücks in Beziehung zueinander, um zumindest eine Fügestelle zu bilden, wo die beiden metallischen Werkstücke zu verbinden sind. Die Werkstücke werden dann entlang der zumindest einen Fügestelle mittels eines Lichtbogenschweißverfahrens verschweißt, so dass die Seite des ersten metallischen Werkstücks der zumindest einen Fügestelle benetzt und gelötet wird und die Seite des zweiten metallischen Werkstücks der zumindest einen Fügestelle geschmolzen und verschweißt wird.
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Das Lichtbogenschweißverfahren umfasst das Abwechseln einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe, um eine Vielzahl von geschmolzenen Tröpfchen entlang der zumindest einen Fügestelle zu erzeugen und abzusondern, wodurch die Verbindung zwischen den beiden Werkstücken erzeugt wird. In der ersten Stufe wird ein elektrischer Strom einem Schweißdraht zugeführt, wenn er auf die Werkstücke zu bewegt wird. In der zweiten Stufe wird der elektrische Strom verringert und wird der Schweißdraht von den Werkstücken weg bewegt. Die geschmolzenen Tröpfchen werden aus dem Schweißdraht in der ersten Stufe gebildet. Das Material des Schweißdrahts kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, eine Aluminiumlegierung.
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Eine verbundene Struktur von Kupfer und Aluminium wird ebenfalls bereitgestellt. Die verbundene Struktur kann durch das obige Verfahren gebildet werden. Die verbundene Struktur umfasst ein erstes metallisches Werkstück, das aus Kupfer hergestellt ist, und ein zweites metallisches Werkstück, das aus Aluminium hergestellt ist. Das erste metallische Werkstück weist eine erste Beschichtung auf, die auf zumindest einen Teil des ersten metallischen Werkstücks aufgebracht ist. Das Material der ersten Beschichtung weist im Allgemeinen einen niedrigeren Schmelzpunkt als Kupfer auf und kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, Zink. Das erste metallische Werkstück kann des Weiteren eine optionale zweite Beschichtung zwischen dem ersten metallischen Werkstück und der ersten Beschichtung aufweisen. Das Material der zweiten Beschichtung weist im Allgemeinen einen höheren Schmelzpunkt als Kupfer auf und kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, Nickel. Die zweite Beschichtung stellt sicher, dass es eine minimale Diffusion der ersten Beschichtung in das erste metallische Werkstück gibt.
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Die verbundene Struktur weist des Weiteren zumindest eine Fügestelle auf, wo das erste metallische Werkstück und das zweite metallische Werkstück mittels des oben beschriebenen Lichtbogenschweißverfahrens verbunden sind. Das erste metallische Werkstück ist entlang der Fügestelle benetzt und gelötet, was durch die erste Beschichtung wegen ihres niedrigeren Schmelzpunkts möglich gemacht wird. Das zweite metallische Werkstück ist entlang der Fügestelle geschmolzen und verschweißt.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind ohne Weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger der besten Arten und anderer Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung, welche ausschließlich durch die angefügten Ansprüche definiert wird, ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen herangezogen wird.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die 1 ist eine schematische ebene Ansicht einer verbundenen Struktur aus Kupfer und Aluminium,
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die 2A und 2B sind schematische Querschnittsansichten durch die verbundene Struktur der 1, wobei das Kupfer und Aluminium durch eine Überlappnaht gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbunden sind,
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die 3A und 3B sind schematische Querschnittsansichten durch die verbundene Struktur der 1, wobei das Kupfer und das Aluminium durch eine Stoßnaht gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verbunden sind,
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die 4A ist eine schematische Vorderansicht, die eine erste Stufe eines Lichtbogenschweißverfahrens zum Verbinden eines Kupferwerkstücks und eines Aluminiumwerkstücks miteinander, um die verbundene Struktur der 1 und 2A zu bilden, darstellt,
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die 4B ist eine schematische Vorderansicht, die einen Übergang von der in der 4A dargestellten ersten Stufe zu einer zweiten Stufe des Lichtbogenschweißverfahrens darstellt,
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die 4C ist eine schematische Vorderansicht, die die zweite Stufe des Lichtbogenschweißverfahrens darstellt, und
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die 5 ist ein schematisches Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Verbinden eines Kupferwerkstücks und eines Aluminiumwerkstücks miteinander darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Durchschnittliche Fachleute werden erkennen, dass Begriffe wie „oben”, „unten”, „aufwärts”, „abwärts” und so weiter beschreibend für die Figuren verwendet werden und keine Beschränkungen für den Umfang der Erfindung, wie durch die angefügten Ansprüche definiert, darstellen. Jegliche numerischen Bezeichnungen, wie „erstens” oder „zweitens” sind nur erläuternd und nicht dazu gedacht, den Umfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
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Mit Bezug auf die Zeichnungen, wobei gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten, wo immer möglich, durchgehend durch die verschiedenen Figuren entsprechen, ist eine verbundene Struktur 10 in der 1 gezeigt. Die verbundene Struktur 10 umfasst ein erstes metallisches Werkstück, das aus Kupfer hergestellt ist (nachstehend Kupferwerkstück 12) und ein zweites metallisches Werkstück, das aus Aluminium hergestellt ist (nachstehend Aluminiumwerkstück 14). Während das erste metallische Werkstück und das zweite metallische Werkstück respektvoll als ein Kupferwerkstück 12 und ein Aluminiumwerkstück 14 beschrieben werden, sollte es erkannt werden, dass sie aus beliebigen Materialien hergestellt sein können, wobei das Material des ersten metallischen Werkstücks einen höheren Schmelzpunkt und eine höhere thermische Leitfähigkeit als das zweite metallische Werkstück aufweist.
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Die 2A und 3A stellen Querschnitte durch die verbundene Struktur 10 dar, wobei das Kupferwerkstück 12 und das Aluminiumwerkstück 14 durch eine Überlappnaht (2) oder eine Stoßnaht (3) miteinander verbunden sind. Mit Bezug auf die 2 und 3 weist das Kupferwerkstück 12 eine erste Beschichtung 16 auf, die auf zumindest einen Teil des Kupferwerkstücks 12 aufgebracht ist. Die erste Beschichtung 16 umfasst im Allgemeinen den Bereich, wo das Kupferwerkstück 12 und das Aluminiumwerkstück 14 verbunden sind, oder insbesondere die Fügestelle 18. Das Material der ersten Beschichtung 16 weist im Allgemeinen einen höheren Schmelzpunkt als Kupfer auf und kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, Zink oder dergleichen. Es sollte anerkannt werden, dass für Ausführungsformen, in welchen das erste metallische Werkstück aus einem anderen Material als Kupfer hergestellt ist, das Material der ersten Beschichtung 16 ebenfalls einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material des ersten metallischen Werkstücks aufweist. Die erste Beschichtung 16 kann mittels eines elektrolytischen Plattierungsverfahrens oder eines anderen Verfahrens, das einem durchschnittlichen Fachmann bekannt ist, aufgebracht werden.
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Das Kupferwerkstück 12 kann des Weiteren eine optionale zweite Beschichtung 24, wie in den 2B und 3B dargestellt, aufweisen. Die zweite Beschichtung 24 liegt im Allgemeinen zwischen dem Kupferwerkstück 12 und der ersten Beschichtung 16, wie sie auf das Kupferwerkstück 12 vor der ersten Beschichtung aufgebracht worden ist. Das Material der zweiten Beschichtung 24 weist im Allgemeinen einen höheren Schmelzpunkt als Kupfer auf und kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, Nickel oder dergleichen. Es sollte anerkannt werden, dass für Ausführungsformen, in welchen das erste metallische Werkstück aus einem anderen Material als Kupfer hergestellt ist, das Material der zweiten Beschichtung 24 ebenfalls einen höheren Schmelzpunkt als das Material des ersten metallischen Werkstücks aufweist. Die zweite Beschichtung 24 stellt sicher, dass es eine minimale Diffusion der ersten Beschichtung 16, des Füllstoffmaterials, das verwendet wird, um die Werkstücke 12 und 14 zu verbinden, und/oder [von] Aluminium aus dem Aluminiumwerkstück 14 in das Kupferwerkstück 12 gibt. Die zweite Beschichtung 24 kann mittels eines elektrolytischen Plattierungsverfahrens oder einem beliebigen anderen Verfahren, das einem durchschnittlichen Fachmann bekannt ist, aufgebracht werden.
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Wie oben erwähnt sind das Kupferwerkstück 12 und das Aluminiumwerkstück 14 an der Fügestelle 18 durch ein Füllstoffmaterial, insbesondere einen Schweißdraht 28, mittels eines Lichtbogenschweißverfahrens, wie in den 4A–4C dargestellt und nachstehend beschrieben, miteinander verbunden. Es sollte anerkannt werden, dass die verbundene Struktur 10 mehr als eine Fügestelle 18, wo das Kupferwerkstück 12 und das Aluminiumwerkstück 14 verbunden sind, aufweisen kann. Das Füllstoffmaterial mischt sich mit dem Aluminiumwerkstück 14, so dass die Aluminiumseite 22 der Fügestelle 18 geschmolzen und verschweißt wird. Des Weiteren mischt sich das Füllstoffmaterial ebenfalls mit der ersten Beschichtung 16, wodurch eine beliebige Bildung von intermetallischen Verbindungen zwischen dem Kupfer und dem Aluminium und/oder zwischen dem Kupfer und dem Füllstoffmaterial vermieden wird. Dies ermöglicht es, dass die Kupferseite 20 der Fügestelle 18 benetzt und gelötet wird.
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Die 4A–4C stellen das Lichtbogenschweißverfahren dar, wie es auf die Anordnung der verbundenen Struktur 10, die in den 1 und 2A wiedergegeben ist, angewendet wird. Mit Bezug auf die 4A–4C umfasst das Lichtbogenschweißverfahren das zyklische Abwechseln einer ersten Stufe, ebenfalls bekannt als eine elektrische Lichtbogenphase, in welcher ein Schweißdraht 26 mittels einer Drahtzufuhr 34 auf die Werkstücke 12 und 14 zu bewegt wird, und einer zweiten Stufe, ebenfalls bekannt als eine Kurzschlussphase, in welcher der Schweißdraht 26 von den Werkstücken 12 und 14 weg bewegt wird. Der Schweißdraht 26 kann hergestellt sein aus, ist aber nicht beschränkt auf, eine Aluminiumlegierung. Während die 4A–4C das Kupferwerkstück 12 darstellen, als dass es nur die erste Beschichtung 16 aufweist, sollte es anerkannt werden, dass das Kupferwerkstück 12 ebenfalls die zweite Beschichtung 24, wie in der 2B dargestellt, aufweisen kann.
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Die 4A stellt die erste Stufe dar. In dieser Stufe wird ein elektrischer Strom dem Schweißdraht 26 zugeführt, wenn er auf die Werkstücke 12 und 14 zu bewegt wird. Ein elektrischer Lichtbogen 28 wird zwischen dem Schweißdraht 26 und den Werkstücken 12 und 14 gebildet. Der elektrische Lichtbogen 28 erwärmt die Werkstücke 12 und 14, was bewirkt, dass ein Teil des Aluminiumwerkstücks 14 und die erste Beschichtung 16 schmilzt und verschweißt, wodurch ein Schweißbad 30 gebildet wird. Für das Kupferwerkstück 12 schmilzt nur die erste Beschichtung 16 und verbindet sich mit dem Aluminiumwerkstück 14, wiederum so, dass sich keine intermetallischen Verbindungen zwischen dem Kupferwerkstück 12 und dem Aluminiumwerkstück 14 bilden.
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Die 4B stellt den Übergang von der ersten Stufe zu der zweiten Stufe dar. Wenn der Schmelzdraht 26 mit den Werkstücken 12 und 14 in Kontakt tritt, insbesondere dem Schweißbad 30, beginnt sich ein geschmolzenes Tröpfchen 32 aus der Schmelze des Schweißdrahts 26 zu bilden. Der elektrische Strom wird nachfolgend verringert, so dass der elektrische Lichtbogen im Wesentlichen entfernt wird, wodurch die zweite Stufe beginnt, welche kälter als die erste Stufe ist. Diese Verringerung der Temperatur kann zu geringer Verformung und höherer Präzision sowie zu weniger Spritzen führen.
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Die 4C stellt den zweiten Schritt dar. In diesem Schritt wird der Schweißdraht zurückgezogen. Dies hilft, das geschmolzene Tröpfchen 32 von dem Schweißdraht 26 und in das Schweißbad 30 abzusondern. Nachdem der Schweißdraht 26 in seiner ursprünglichen Position, wie in der 4A dargestellt, liegt, wird die Bewegung des Schweißdrahts 26 wieder umgekehrt, wobei er auf die Werkstücke 12 und 14 zu gebracht wird und demnach der nächste Zyklus des Abwechselns der ersten Stufe und der zweiten Stufe beginnt. Die Häufigkeit, mit welcher die erste Stufe und die zweite Stufe abgewechselt werden, kann bis zu siebzig Mal pro Sekunde stattfinden. Dieses Verfahren wird entlang der gesamten Länge der Fügestelle 18 fortgesetzt. Wenn sich das Schmelzbad 30 und die geschmolzenen Tröpfchen 32 abkühlen und verfestigen, wird die Verbindung zwischen dem Kupferwerkstück 12 und dem Aluminiumwerkstück 14 gebildet.
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Die elektrische Stromversorgung, die Bewegung des Schweißdrahts 26 und andere Parameter können durch eine Steuerung (nicht gezeigt) gesteuert werden. Dies ermöglicht es, dass die geschmolzenen Tröpfchen 32 präzise gebildet und entlang der Fügestelle 18 einer nach dem anderen platziert werden, was wiederum die Menge an Wärme, um die Verbindung zu bilden, minimiert, so dass sich die Werkstücke 12 und 14 nicht überhitzen. Die verringerte Wärme ermöglicht es, dass sehr dünne Metallabschnitte miteinander oder mit anderen Metallwerkstücken verbunden werden. Zusätzlich stellt die Kontrolle der Wärme sicher, dass die Kupferseite 20 der Fügestelle 18 benetzt und gelötet bleibt, um das Mischen von Kupfer und Aluminium zu vermeiden. Des Weiteren kann dieses Verfahren die Menge der in der Fügestelle 18 vorliegenden Porosität verringern, wodurch ein maximaler Bereich zum Leiten von Elektrizität gewährt wird, welcher in solchen Anwendungen wie Batterielaschen in elektrischen Hybridfahrzeugen nützlich sein kann.
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Mit Bezug auf die 5 ist ein Verfahren 200 zum Bilden einer verbundenen Struktur 10 gezeigt, die ein Kupferwerkstück 12 und ein Aluminiumwerkstück 14 umfasst. Während das Verfahren 200 im Hinblick auf ein Kupferwerkstück 12 und ein Aluminiumwerkstück 14 beschrieben wird, sollte es anerkannt werden, dass das Verfahren 200 verwendet werden kann, um eine beliebige verbundene Struktur eines ersten metallischen Werkstücks und eines zweiten metallischen Werkstücks zu bilden, wobei das erste metallische Werkstück einen höheren Schmelzpunkt und eine höhere thermische Leitfähigkeit als das zweite metallische Werkstück aufweist.
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Das Verfahren 200 beginnt mit dem Schritt 202, in welchem eine erste Beschichtung 16 auf zumindest einen Teil eines Kupferwerkstücks 12 aufgebracht wird. Wie oben erklärt, weist die erste Beschichtung 16 im Allgemeinen einen niedrigeren Schmelzpunkt als Kupfer auf und kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, Zink. Wenn das erste metallische Werkstück aus einem anderen Material als Kupfer hergestellt wird, wird das Material der ersten Beschichtung 16 wiederum immer noch einen niedrigeren Schmelzpunkt als das andere Material des ersten metallischen Werkstücks aufweisen. Die erste Beschichtung 16 kann mittels eines elektrolytischen Plattierungsverfahrens oder eines beliebigen anderen Verfahrens, das einem durchschnittlichen Fachmann bekannt ist, aufgebracht werden.
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Vor dem Schritt 202 kann das Verfahren 200 das Aufbringen einer zweiten Beschichtung 24 auf denselben Teil des Kupferwerkstücks 12, auf den die erste Beschichtung 16 aufzubringen ist, umfassen. Ebenfalls wie oben erklärt, weist die optionale zweite Beschichtung 24 im Allgemeinen einen höheren Schmelzpunkt als Kupfer auf und kann enthalten, ist aber nicht beschränkt auf, Nickel. Wenn das erste metallische Werkstück aus einem anderen Material als Kupfer hergestellt wird, wird das Material der zweiten Beschichtung 24 wiederum immer noch einen höheren Schmelzpunkt als das andere Material des ersten metallischen Werkstücks aufweisen. Die zweite Beschichtung kann aufgebracht werden, um sicherzustellen, dass es eine minimale Diffusion der ersten Beschichtung 16, des Füllstoffmaterials und/oder [von] Aluminium in das Kupferwerkstück 12 gibt. Die zweite Beschichtung 24 kann mittels eines elektrolytischen Plattierungsverfahrens oder eines beliebigen anderen Verfahrens, das dem durchschnittlichen Fachmann bekannt ist, aufgebracht werden.
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Nach dem Schritt 202 fährt das Verfahren 200 mit dem Schritt 204 fort. Im Schritt 204 werden das Kupferwerkstück 12 und das Aluminiumwerkstück 14 in Beziehung zueinander positioniert, um zumindest eine Fügestelle 18 zu bilden, wo die zwei Werkstücke 12 und 14 miteinander zu verbinden sind.
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Nach dem Schritt 204 fährt das Verfahren 200 mit dem Schritt 206 fort. Im Schritt 206 wird das Kupferwerkstück 12 entlang der zumindest einen Fügestelle mittels eines Lichtbogenschweißverfahrens an das Aluminiumwerkstück 14 geschweißt. Als ein Ergebnis des Lichtbogenschweißverfahrens wird die Kupferseite 20 der Fügestelle 18 benetzt und gelötet und wird die Aluminiumseite 22 der Fügestelle 18 geschmolzen und verschweißt.
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Wie oben erklärt, umfasst das Lichtbogenschweißverfahren ein zyklisches Abwechseln einer ersten Stufe oder elektrischen Lichtbogenphase und einer zweiten Stufe oder einer Kurzschlussphase, um eine Vielzahl von geschmolzenen Tröpfchen 32 entlang der zumindest einen Fügestelle 18 zu erzeugen und abzusondern. Jedes geschmolzene Tröpfchen 32 wird aus einem Schweißdraht 26 gebildet, der in der ersten Stufe auf die Werkstücke 12 und 14 zu und in der zweiten Stufe von den Werkstücken 12 und 14 weg bewegt wird. Während der ersten Stufe wird dem Schweißdraht 26 ein elektrischer Strom zugeführt, der einen elektrischen Lichtbogen 28 erzeugt, der das Aluminiumwerkstück 14 und die erste Beschichtung 16 erwärmt und schmilzt, wodurch ein Schweißbad 30 gebildet wird. Der elektrische Strom erwärmt ebenfalls den Schweißdraht 26, um das geschmolzene Tröpfchen 32 zu bilden. Das Zurückziehen des Schweißdrahts in der zweiten Stufe hilft, das geschmolzene Tröpfchen 32 von dem Schweißdraht 26 und in das Schweißbad 30 abzusondern. Zusätzlich wird in dem zweiten Schritt der elektrische Strom verringert, um die Menge an Wärme zu minimieren, so dass sich die Werkstücke 12 und 14 nicht überhitzen. Dieses Verfahren wird entlang der gesamten Länge der zumindest einen Fügestelle 18 wiederholt.
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Die detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren sind für die Erfindung unterstützend und beschreibend, aber der Umfang der Erfindung wird ausschließlich durch die Ansprüche definiert. Während einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben worden sind, existieren verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen zum Ausführen der in den angefügten Ansprüchen definierten Erfindung.
