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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nummer 61/021,762, die am 8. Juli 2014 eingereicht wurde. Sämtliche Inhalte dieser vorläufigen Anmeldung sind durch Bezugnahme hier mit aufgenommen.
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TECHNISCHES GEBIET
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Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft allgemein das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion von Werkstückträgerschichten aus Metall, und insbesondere einen Ablaufplan zum Leiten von Strom durch die Werkstückträgerschichten aus Metall und durch das Reaktionsmaterial, das zwischen den Trägerschichten angeordnet ist.
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HINTERGRUND
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Das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion ist ein Prozess, bei dem ein Reaktionsmaterial erwärmt und zwischen zwei Werkstückträgerschichten aus Metall komprimiert wird, um das Ausbilden einer metallurgischen Fügestelle zwischen den Trägerschichten zu ermöglichen. Das Reaktionsmaterial ist speziell so gestaltet, dass es eine Liquidus-Temperatur unter der niedrigsten Solidus-Temperatur der zwei Werkstückträgerschichten aus Metall, die zusammengefügt werden, aufweist, und dass es mit den einander gegenüberliegenden Stoßflächen der Werkstückträgerschichten reagiert, wenn es zwischen diesen Flächen angeordnet und über seine Solidus-Temperatur hinaus erwärmt wird. Nachdem es über mindestens seine Solidus-Temperatur hinaus erwärmt wurde (und falls gewünscht vorerwärmt wurde), wird eine Kompressionskraft auf die Werkstückträgerschichten aufgebracht, welche das Reaktionsmaterial einschließlich beliebiger Reaktionsnebenprodukte entlang der Stoßschnittstelle der Werkstückträgerschichten zusammendrückt und seitlich verteilt. Zu diesem Zeitpunkt verbinden sich die Stoßflächen miteinander, um eine monolithische metallurgische Fügestelle mit niedrigem Widerstandswert herzustellen, die hauptsächlich aus den Werkstück-Grundmaterialien besteht, da die aufgebrachte Kompression das Reaktionsmaterial im Wesentlichen aus der Fügestelle austreibt.
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Das Reaktionsvermögen des Reaktionsmaterials ermöglicht eine Vereinigung, ohne dass die Werkstückträgerschichten aus Metall schmelzen müssen. Tatsächlich bildet das Reaktionsmaterial beim Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion eine bewegliche flüssige Phase aus, wenn es über seine Solidus-Temperatur hinaus erwärmt wird, wobei das Schmelzen der einander zugewandten Werkstückträgerschichten typischerweise vermieden wird. Diese flüssige Phase bricht Oberflächenfilme und Materialien – etwa Oxidfilme – auf, die auf den Stoßflächen der Werkstücke aus Metall vorhanden sind, um gereinigte Abschnitte der Stoßflächen freizulegen, und sie kann auch eine Belagschicht jeder Stoßfläche lokal auflösen, um sie temporär für eine Vereinigung besser zugänglich zu machen. Die auf die Werkstückträgerschichten aus Metall aufgebrachte Kompressionskraft bringt – zusätzlich zum Austreiben des Reaktionsmaterials und beliebiger Reaktionsnebenprodukte – die gereinigten Abschnitte von einander gegenüberliegenden Stoßflächen unter Druck in direkten Kontakt. Es ergibt sich schließlich eine monolithische metallurgische Fügestelle zwischen den sich kontaktierenden vereinigten Abschnitten der einander gegenüberliegenden Stoßflächen. Beliebige übrig gebliebene Restmengen des Reaktionsmaterials, die an der Stoßschnittstelle immer noch vorhanden sind, erstarren einfach wieder, ohne die Eigenschaften der Fügestelle wesentlich zu beeinträchtigen.
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Die Wärmezufuhr, die zum Zusammenfügen der Werkstückträgerschichten aus Metall durch ein Zusammenfügen mit einer metallurgischen Reaktion benötigt wird, ist im Vergleich mit anderen Fügetechniken, unter anderem etwa MIG-Schweißen, TIG-Schweißen, Laserschweißen und Widerstands-Punktschweißen, relativ niedrig. Anders als diese und andere Schweißprozesse, die darauf abzielen, genügend Wärme zu erzeugen, um ein Schmelzen der Grundmaterialien einzuleiten, kann das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion eine monolithische Fügestelle direkt zwischen den Werkstückträgerschichten aus Metall erreichen, ohne dass eine derartige Wärme erzeugt werden muss. Wie vorstehend erörtert wurde, führt das Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion nur genügend Wärme zu, um das Schmelzen des Reaktionsmaterials einzuleiten, welches wiederum mit den Stoßflächen der Werkstückträgerschichten reagiert, um eine Vereinigung bei einer Temperatur einzuleiten, die unter der Temperatur liegt, bei welcher eine der Werkstückträgerschichten zu schmelzen beginnen wird. Die Verwendung des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion ist folglich eine attraktive Option, wenn wärmeempfindliche Materialien nahe bei den Werkstückträgerschichten aus Metall angeordnet sind, die zusammengefügt werden sollen.
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Der Prozess des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion kann auf eine Anzahl von Weisen ausgeführt werden. Ein geläufiger Ansatz verwendet ein Paar einander gegenüberliegender Elektroden, um das Reaktionsmaterial sowohl resistiv über dessen Solidus-Temperatur hinaus zu erwärmen als auch die Werkstückträgerschichten aus Metall zu komprimieren. Insbesondere üben die einander gegenüberliegenden Elektroden, die mit einer Stromquelle kommunizieren, eine Druckkraft auf voneinander weg weisende Flächen der Werkstückträgerschichten aus, die aufeinander ausgerichtet sind. Die einander gegenüberliegenden Elektroden werden betrieben, um einen elektrischen Strom durch die Werkstückträgerschichten und über deren Stoßschnittstelle hinweg, an der das Reaktionsmaterial vorhanden ist, zu leiten. Der Widerstand gegen das Fließen des elektrischen Stroms durch das Reaktionsmaterial hindurch und über die Stoßschnittstelle erzeugt Wärme. Diese Wärme kann so gesteuert werden, dass sie in einer Zone liegt, welche mindestens die folgenden zwei Bedingungen erfüllt: (1) die Wärme reicht aus, um ein Schmelzen des Reaktionsmaterials einzuleiten; und (2) die Wärme ist nicht so übermäßig, dass die Werkstückträgerschichten aus Metall selbst zu schmelzen beginnen. Die einander gegenüberliegenden Elektroden können außerdem die Kompressionskraft liefern, die benötigt wird, um die monolithische metallurgische Fügestelle zwischen den kontaktierenden sich vereinigenden Abschnitten der Werkstückstoßflächen herzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird ein Verfahren zum Praktizieren des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion offenbart, bei dem ein elektrischer Strom durch die Werkstückträgerschichten und über eine Stoßschnittstelle hinweg – an der ein Reaktionsmaterial vorhanden ist – in Übereinstimmung mit einem Stromablaufplan geleitet wird, der von einer steuerbaren Stromquelle ausgeführt werden kann. Der eingesetzte Stromablaufplan fordert elektrische Stromimpulse an, bei denen das angelegte Stromniveau allgemein zunimmt; das heißt, dass das maximal erreichte Stromniveau bei mindestens 75% der Vielzahl von Stromimpulsen in einem Stromstärkenband enthalten sind, das als Funktion der Zeit vom Start des elektrischen Stromflusses an bis zum Stoppen des elektrischen Stromflusses ansteigt. Ein derartiger Stromablaufplan trägt dazu bei, die Festigkeit der Fügestelle zu maximieren, ein Festkleben der Elektroden, die den Strom austauschen, zu minimieren und eine übermäßige Wärmezufuhr bei der Ausbildung der monolithischen metallurgischen Fügestelle zwischen den Werkstückträgerschichten aus Metall zu minimieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Veranschaulichung im Querschnitt eines Paars von Werkstückträgerschichten aus Metall, die zur Vorbereitung auf ein Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion in einer einander gegenüberliegenden Beziehung gestapelt sind;
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2 ist eine schematische Veranschaulichung im Querschnitt eines Reaktionsmaterials, das zwischen einem Paar von einander gegenüberliegenden Werkstückträgerschichten aus Metall in Ansprechen auf einen hindurchfließenden elektrischen Strom gerade schmilzt;
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3 ist eine schematische Veranschaulichung im Querschnitt eines Paars von Werkstückträgerschichten aus Metall, die durch eine monolithische metallurgische Fügestelle verbunden sind, die durch ein Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion hergestellt wurde;
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4 ist eine graphische Darstellung eines beispielhaften Stromablaufplans, der elektrische Stromimpulse enthält, deren angewandtes Stromniveau allgemein zunimmt;
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5 zeigt die Amplituden aller elektrischen Stromimpulse in 4;
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6 ist eine graphische Darstellung einer Spannung, die den Stromablaufplan begleitet, der in 4 dargestellt ist; und
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7 ist eine graphische Darstellung eines Widerstandswerts, der mit dem Stromablaufplan einhergeht, der in 4 dargestellt ist.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Ein Verfahren zum Praktizieren eines Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion mit einem speziellen Stromablaufplan ist in 1–7 veranschaulicht. Das Verfahren wird manchmal spezieller im Kontext des Zusammenfügens eines Paars von Werkstückträgerschichten aus Kupfer beschrieben. Beispiele für derartige Trägerschichten umfassen Phasendrahtzungen und Reihenbrücken eines Stators eines Elektromotors. Das offenbarte Verfahren zum Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion kann selbstverständlich mit anderen Arten von Werkstückträgerschichten aus Metall verwendet werden, welche Kupferlegierungen umfassen, die einen Gewichtsanteil von 96% oder mehr an Kupfer und einen Gewichtsanteil von 0–4% von anderen Legierungselementen wie etwa einem oder mehreren aus Cd, Cr, Zr, Mg, Fe, P, Be, Co, S, Te und Pb enthalten. Weiterhin kann das offenbarte Verfahren ferner verwendet werden, um Werkstückträgerschichten aus Metall zusammenzufügen, die nicht auf Kupfer basieren, wobei Beispiele dafür Stahl und eine Aluminiumlegierung umfassen. Der Fachmann wird wissen und feststellen, wie der Prozess des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion zugeschnitten werden muss – insbesondere die Zusammensetzung des Reaktionsmaterials, das zwischen den Metallträgerschichten angeordnet wird und mit diesen reagiert – so dass der hier beschriebene Stromablaufplan effektiv verwendet werden kann.
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1 zeigt allgemein zwei einander gegenüberliegende Werkstückträgerschichten aus Metall, die vorbereitet sind, um durch ein Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion zusammengefügt zu werden. Dort sind wie gezeigt eine erste Werkstückträgerschicht 10 aus Metall und eine zweite Werkstückträgerschicht 12 aus Metall in überlappender Weise gestapelt. Die erste Werkstückträgerschicht 10 aus Metall enthält eine Stoßfläche 14 und eine Außenfläche 16 und analog enthält die zweite Werkstückträgerschicht 12 aus Metall eine Stoßfläche 18 und eine Außenfläche 20. Die zwei Stoßflächen 14, 18 liegen einander gegenüber und sind an einer Fügestelle 22 durch ein Reaktionsmaterial 24 getrennt, während die zwei Außenflächen 16, 20 voneinander weg in entgegengesetzte Richtungen weisen. Die erste und zweite Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall können aus einem beliebigen geeigneten Metall bestehen, das für ein Zusammenfügen durch eine metallurgische Reaktion zugänglich ist. Derartige Materialien umfassen beispielsweise (1) Kupfer mit einem Gewichtsanteil von Kupfer, der größer als 99,9% ist; (2) eine Kupferlegierung mit einem Gewichtsanteil von Kupfer, der 96% oder größer ist, und mit 0–4% Gewichtsanteil von anderen Legierungselementen wie etwa eines oder mehrere von Cd, Cr, Zr, Mg, Fe, P, Be, Co, S, Te und Pb; (3) Stahl und (4) eine Aluminiumlegierung. Die erste und zweite Trägerschicht 10, 12 aus Metall bestehen vorzugsweise aus der gleichen Metallzusammensetzung, aber das müssen sie nicht.
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Das Reaktionsmaterial 24 stellt einen Kontakt mit jeder der Stoßflächen 14, 18 der ersten und zweiten Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall her. Das Reaktionsmaterial 24 ist so gestaltet, dass es eine Liquidus-Temperatur unterhalb der niedrigsten Solidus-Temperatur der zwei Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall aufweist, die zusammengefügt werden, und dass es zusätzlich mit den einander gegenüberliegenden Stoßflächen 14, 18 der Werkstückträgerschichten 10, 12 reagiert, wenn es über seine Solidus-Temperatur hinaus erwärmt wird, so dass die einander gegenüberliegenden Stoßflächen 14, 18 eine monolithische metallurgische Fügestelle ausbilden können. Die exakte Zusammensetzung des Reaktionsmaterials 24 hängt folglich von der Zusammensetzung der Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall ab, die zusammengefügt werden. Wenn beispielsweise die erste und zweite Werkstückträgerschicht aus Metall aus Kuper (Schmelztemperatur von etwa 1084°C) oder aus einer Kupferlegierung bestehen, kann das Reaktionsmaterial 24 eine Reaktionsmateriallegierung auf Kupferbasis sein, etwa eine Cu-Ag-P-Legierung, die auf einer prozentualen Gewichtsbasis 70%–95% Kupfer, 2%–20% Silber und 3%–8% Phosphor enthält. Geeignete Reaktionsmateriallegierungen aus Cu-Ag-P weisen typischerweise eine Solidus-Temperatur im Bereich von etwa 640°C–650°C und eine Liquidus-Temperatur im Bereich von etwa 640°–820°C auf. Bei einer speziellen Ausführungsform kann die Reaktionsmateriallegierung aus Cu-Ag-P auf einer prozentualen Gewichtsbasis 80% Kupfer, 15% Silber und 5% Phosphor enthalten, was eine Legierung mit einer Solidus-Temperatur von etwa 644°C und einer Liquidus-Temperatur von etwa 805°C bereitstellt.
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Die Struktur des dazwischen angeordneten Reaktionsmaterials 24 ist nicht auf eine beliebige spezielle Konstruktion begrenzt. Zum Beispiel kann das Reaktionsmaterial 24 in einer Ausführungsform ein vorgeformtes Band oder eine vorgeformte Folie sein. Bei diesem Szenario kann am Beginn des Prozesses des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion das Band oder die Folie mit der gewünschten Reaktionsmaterialzusammensetzung zwischen der ersten und der zweiten Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall von einer automatisierten oder manuellen Zufuhrvorrichtung platziert werden, oder es kann alternativ einfach mit einem manuellen Handwerkzeug an Ort und Stelle angeordnet werden, etwa einer Pinzette. Das Reaktionsmaterial 24 kann auch eine oder mehrere vorab platzierte Hartlötablagerungen sein. In diesem Fall kann die gewünschte Reaktionsmaterialzusammensetzung in einen abschmelzenden Elektrodenstab verpackt sein und auf einer oder beiden der Stoßflächen 14, 18 der Werkstückträgerschichten abgelegt werden, beispielsweise durch ein Lichtbogenschweißen mit einem schwingenden Draht, wie in der US-Patentanmeldung mit der Nummer 14/789,134 offenbart ist, die dem Anmelder dieser Erfindung gehört, wobei der gesamte Offenbarungsgehalt derselben durch Bezug hier mit aufgenommen ist.
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Auch eine Vorrichtung 26, die den Prozess des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion durchführen kann, ist in 1 schematisch gezeigt. Die Vorrichtung 26 enthält eine erste Elektrode 28, eine zweite Elektrode 30, eine Stromquelle 32 und einen Controller 34. Die erste und zweite Elektrode 28, 30 sind so positioniert, dass sie einen direkten Kontakt oder einen indirekten Kontakt (d. h. einen Kontakt durch ein Zwischenelement hindurch) mit den Außenflächen 16, 20 der ersten bzw. zweiten Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall herstellen, und dass sie einen Druck auf jede dieser Flächen 16, 20 an der Fügestelle 22 aufbringen. Die Elektroden 28, 30 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie etwa einer Kupferlegierung, die beispielsweise eine Zirkon-Kupfer-Legierung (ZrCu) umfasst, die etwa 0,10% bis etwa 0,20% Gewichtsanteil Zirkon und den Rest Kupfer enthält. Obwohl es in 1 nicht speziell gezeigt ist, können die erste und zweite Elektrode 28, 30 an einander gegenüberliegenden Armen einer Schweißzange montiert sein, welche so konstruiert sind, dass sie die Elektroden 28, 30 gegen ihre jeweiligen Außenflächen 16, 20 der Werkstückträgerschichten in einer axial aufeinander zu weisenden Ausrichtung zueinander zusammenklemmen und drücken.
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Die Stromquelle 32 kommuniziert auf elektrische Weise mit der ersten und zweiten Elektrode 28, 30 und liefert einen elektrischen DC-Strom zum Austausch zwischen den Elektroden 28, 30. Hier legt die Stromquelle 32 eine gesteuerte Spannung an die erste und zweite Elektrode 28, 30 an, um einen pulsierenden elektrischen DC-Strom bereitzustellen, der in Übereinstimmung mit einem angegebenen Stromablaufplan zwischen den zwei Elektroden 28, 30 und über die aufgestapelten ersten und zweiten Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall und durch das dazwischenliegende Reaktionsmaterial 24 hindurch geleitet wird. Die Stromquelle 32 ist vorzugsweise eine Mittelfrequenzumrichter-DC-Stromquelle (MFDC-Stromquelle). Eine MFDC-Umrichter-Stromquelle enthält im Allgemeinen einen Umrichter und einen MFDC-Transformator. Der Umrichter empfängt einen dreiphasigen AC-Drehstrom (in den USA 480 V, 60 Hz). Der AC-Drehstrom wird zuerst gleichgerichtet und dann invertiert, um einen einphasigen AC-Eingabestrom, für gewöhnlich ein AC-Strom mit Rechteckwelle, mit einer höheren Spannung zu erzeugen, der dem Transformator bei den meisten Anwendungen mit 1000 Hz zugeführt wird. Der Transformator führt dann eine ”Abwärtstransformation” der AC-Eingabespannung durch, um einen AC-Strom mit einer niedrigeren Spannung und einer höheren Stromstärke zu erzeugen, der dann dem Gleichrichter zugeführt wird, bei dem eine Sammlung von Halbleiterdioden den zugeführten AC-Strom in einen DC-Strom mit geringer Welligkeit umwandelt, der für den vorliegenden Zusammenfügeprozess geeignet ist. Eine MFDC-Umrichterstromversorgung ist bei einer Anzahl von Lieferanten kommerziell erhältlich, welche Roman Manufacturing (Unternehmenshauptquartier in Grand Rapids, MI), ARO Welding Technologies (US-Hauptquartier in Chesterfield Township, MI) und Bosch Rexroth (US-Hauptquartier in Charlotte, NC) umfassen.
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Der Controller 34 steht in Verbindung mit der Stromquelle 32 und ist programmiert, um den pulsierenden elektrischen DC-Strom, der zwischen der ersten und zweiten Elektrode 28, 30 ausgetauscht wird, einzuleiten und zu steuern. Insbesondere steht der Controller 34 in Verbindung mit dem MFDC-Transformator und ermöglicht einem Anwender, einen Stromablaufplan einzugeben, der bestimmte Attribute des elektrischen DC-Stroms einstellt und managt, der an die Elektroden 28, 30 im Verlauf eines Fügevorgangs durch eine metallurgische Reaktion geliefert wird. Der Stromablaufplan ermöglicht unter anderem eine kundenspezifische Steuerung des Stromniveaus bei jedem gegebenen Zeitpunkt und der Dauer des Stromflusses bei jedem gegebenen Stromniveau und er ermöglicht ferner, dass diese Attribute des Stroms auf Veränderungen in sehr kleinen zeitlichen Inkrementen von einer Millisekunde oder Bruchteilen einer Millisekunde reagieren. Auf diese Weise weist der Controller 34 die Stromversorgung 32 an, den pulsierenden elektrischen DC-Strom an die und zwischen die Elektroden 28, 30 und durch den Hauptteil der Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall und durch das Reaktionsmaterial 24 hindurch, das an der Stoßfläche 38 in der Fügestelle 22 angeordnet ist, zu liefern.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer metallurgischen Fügestelle zwischen der ersten und zweiten Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall mit Hilfe eines Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion ist mit Bezug auf 1–7 gezeigt und beschrieben. Zu Beginn, wie in 1 gezeigt ist, wird die erste Elektrode 28 vorzugsweise in einen direkten Kontakt mit der Außenfläche 16 der ersten Werkstückträgerschicht 10 aus Metall gebracht, und die zweite Elektrode 30 wird vorzugsweise in einen direkten Kontakt mit der Außenfläche 20 der zweiten Werkstückträgerschicht 12 aus Metall gebracht. Die zwei Elektroden 28, 30 bringen einen Druck auf ihre jeweiligen damit in Eingriff stehenden Außenflächen 16, 20 auf (entweder eine oder beide Elektroden 28, 30 ist bzw. sind durch die Schweißzangenarme mechanisch beweglich), um an der Fügestelle 22 eine Kompressionskraft auf die Trägerschichten 10, 12 zu erzeugen. Ein elektrischer DC-Strom, der von der Stromquelle 32 geliefert wird, wird dann zwischen den Elektroden 28, 30 und über die Stoßflächen 14, 18 der Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall ausgetauscht. Dieser elektrische Strom geht durch das Reaktionsmaterial 24 hindurch, das zwischen den Stoßflächen 14, 18 angeordnet ist, und er besteht, wie nachstehend weiter beschrieben wird, aus Impulsen des elektrischen Stroms, deren angelegtes Stromniveau allgemein zunimmt und deren Amplitude optional allgemein zunimmt.
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Da das Reaktionsmaterial 24 thermisch und elektrisch resistiver als die zwei Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall ist und da die Elektroden 28, 30 als Folge dessen, dass sie wassergekühlt sind, selbst in der Lage sind, Wärme zu extrahieren und abzuführen, erzeugt der fließende elektrische Strom Wärme, die größtenteils auf das Reaktionsmaterial 24 beschränkt ist. Eine derartige lokale Wärmeerzeugung, die von dem Controller 34 gemanagt wird, erwärmt das Reaktionsmaterial 24 über seine Solidus-Temperatur hinaus – und falls gewünscht sogar über seine Liquidus-Temperatur hinaus – während die Temperatur des Reaktionsmaterials 24 unter der Solidus-Temperatur der ersten und zweiten Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall gehalten wird (oder unter dem Schmelzpunkt, wenn die Solidus-Temperatur und die Liquidus-Temperatur des Materials gleich sind). Als Folge, wie in 2 dargestellt ist, schmilzt das Reaktionsmaterial 24 teilweise oder vollständig zu einem geschmolzenen Reaktionsmaterial 36. Und während das Reaktionsmaterial 24 unter dem Einfluss einer lokalen resistiven Erwärmung schmilzt, schmelzen die erste und zweite Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall nicht, auch nicht an ihren Stoßflächen 14, 18.
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Nachdem es geschmolzen ist, reagiert das geschmolzene Reaktionsmaterial 36 mit den Stoßflächen 14, 18 der ersten und zweiten Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall und versetzt sie in einen Zustand, der zum Vereinigen geeignet ist. Dieses Reaktionsvermögen umfasst typischerweise, dass Oberflächenfilme und Materialien aufgebrochen werden, um gereinigte Abschnitte der Stoßflächen 14, 18 freizulegen und zusätzlich, aber nicht notwendigerweise, das lokale Auflösen einer Belagschicht von einer oder beiden Stoßflächen 14, 18. Das Reaktionsmaterial 24 kann sogar selbstschmelzig sein, wie es der Fall mit der Reaktionsmateriallegierungszusammensetzung aus Cu-Ag-P ist, die vorstehend erwähnt wurde, hauptsächlich aufgrund ihrer Phosphor-Komponente, welche dazu beiträgt, das Vereinigen weiter zu fördern, indem es Oberflächenoxide wegspült und den Bereich, der die Fügestelle 22 umgibt, von einer Kontamination durch atmosphärischen Sauerstoff abschirmt.
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Der elektrische Strom, der zwischen den Elektroden 28, 30 ausgetauscht wird, kann beendet werden, nachdem das Reaktionsmaterial 24 ausreichend geschmolzen ist, während der Druck, der von den Elektroden 28, 30 auf die Werkstückträgerschichten 10, 12 ausgeübt wird, fortgesetzt wird. Die Kompressionskraft, die von den Elektroden 28, 30 aufgebracht wird, komprimiert wiederum die erste und zweite Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall und drückt das geschmolzene Reaktionsmaterial 36 an den Seiten entlang einer Stoßschnittstelle 38 der Werkstückträgerschichten 10, 12 zusammen mit beliebigen Reaktionsneben-produkten, die möglicherweise erzeugt worden sind, heraus. Schließlich kommen, wie in 3 dargestellt ist, die Stoßflächen 14, 18 der ersten und zweiten Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall miteinander in Kontakt und beginnen sich unter Druck zu vereinigen. Die sich kontaktierenden, sich vereinigenden Abschnitte der Stoßflächen 14, 18 werden zusammengefügt, kurz nachdem das geschmolzene Reaktionsmaterial 36 aus der Stoßschnittstelle 38 ausgetrieben wird, um eine monolithische metallurgische Fügestelle 40 zwischen den Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall herzustellen. Diese Fügestelle 40 besteht hauptsächlich aus Metall, das von der ersten und zweiten Werkstückträgerschicht 10, 12 aus Metall selbst stammt, wodurch sie strukturell stabil und minimal störend ist, während sich das geschmolzene Reaktionsmaterial 36, das aus der Stoßschnittstelle 38 ausgetrieben wurde, an der Außenseite der Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall ansammeln und zu einem Restnugget 42 aushärten kann.
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Wie vorstehend erwähnt wurde, ist der elektrische Strom, der zwischen der ersten und zweiten Elektrode 28, 30 während des Prozesses des Zusammenfügens durch eine metallurgische Reaktion ausgetauscht wird, ein pulsierender. Eine repräsentative graphische Darstellung eines derartigen pulsierenden elektrischen Stroms ist in 4 gezeigt und wird durch Bezugszeichen 44 repräsentiert. Der elektrische Strom 44 enthält eine Vielzahl von Stromimpulsen 46. Jeder Stromimpuls 46 enthält einen Stromanstiegsschenkel 48, der von einem Startstromniveau 50 aus ansteigt, ein maximal erreichtes Stromniveau 52 und einen Stromabfallschenkel 54, der auf ein Stromendeniveau 56 abfällt. Das Stromendeniveau 56 von einem Stromimpuls 46 und das Startstromniveau 50 des nächsten folgenden Stromimpulses 46 können wie gezeigt gleich sein, oder sie können verschieden sein. Darüber hinaus müssen sich der Stromanstiegsschenkel 48 und der Stromabfallschenkel 54 nicht unbedingt bei dem maximal erreichten Stromniveau 52 treffen, da, wie hier gezeigt ist, das Stromniveau des Impulses 46 für eine Zeitspanne von etwa 2–10 ms nach dem Stromanstiegsschenkel 48 und vor dem Stromabfallschenkel 54 schwanken kann. Das maximal erreichte Stromniveau 52 könnte bei einem beliebigen Punkt während dieser Zeitspanne der augenblicklichen Stromniveauschwankung realisiert werden, was umfasst: am Ende des Stromanstiegsschenkels 48, am Beginn des Stromabfallschenkels 54 oder an einem beliebigen Punkt dazwischen.
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Das angelegte Stromniveau der elektrischen Stromimpulse 46 steigt allgemein an. Dies tritt auf, wenn mindestens 75% – und vorzugsweise 100% – der maximal erreichten Stromniveaus 52 der Stromimpulse 46 innerhalb eines Stromstärkenbandes 58 enthalten sind, das als Funktion der Zeit von dem Start des elektrischen Stromflusses an bis zum Stoppen des elektrischen Stromflusses ansteigt. Das Stromstärkenband 58 ist durch eine untere Stromstärkengrenze 60 und eine obere Stromstärkengrenze 62 definiert. Die Stromstärkengrenzen 60, 62 weisen positive lineare Steigungen auf. Außerdem sind sie parallel zueinander, so dass eine Stromstärkenbandbreite 64, die rechtwinklig zu der unteren und der oberen Stromstärkengrenze 60, 62 erfasst wird, von etwa 2 kA bis zu etwa 6 kA reicht. Und obwohl es nicht gefordert ist, können die Start- und Endstromniveaus 50, 56 eines jeden Stromimpulses 46 unterhalb des Stromstärkenbandes 58 liegen, was bedeutet, dass sowohl der Stromanstiegsschenkel 48 als auch der Stromabfallschenkel 54 eines jeden Stromimpulses 46 die untere Stromstärkengrenze 60 während der Stromniveau-Hochfahrzeitspanne bzw. der Stromniveau-Abfallzeitspanne überqueren.
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Bei einem speziellen Beispiel, wie in 4 dargestellt ist, wird die untere Stromstärkengrenze 60 durch die Gleichung 0,05 (t) + 3 (in Kiloampere (kA)) angegeben und die obere Stromstärkengrenze 62 wird durch die Gleichung 0,05 (t) + 8 (in Kiloampere (kA)) angegeben, wobei (t) die Zeit in Millisekunden (ms) repräsentiert, die auf der x-Achse aufgetragen ist. Die untere und obere Stromstärkengrenze 60, 62 weisen daher eine positive Steigung von 5 kA pro 100 ms auf und stellen eine Bandbreite 64 mit einem konstanten Wert von etwa 4,5 kA vom Starten des elektrischen Stromflusses (0 ms) bis zum Stoppen des elektrischen Stromflusses (etwa 318 ms) bereit. Darüber hinaus liegt, wie in 4 ersichtlich ist, das maximal erreichte Stromniveau 52 von jedem Stromimpuls 46 (d. h. 100% der Stromimpulse 46) innerhalb des Stromstärkenbandes 58. In der Tat überquert der Stromanstiegsschenkel 48 jedes elektrischen Stromimpulses 46 die untere Stromstärkengrenze 60 und endet darüber und analog überquert der Stromabfallschenkel 54 jedes Stromimpulses 46 die untere Stromstärkengrenze 60 und endet darunter. Zudem befinden sich die Start- und End-Stromniveaus 50, 56 eines jeden Stromimpulses 46 unter dem Stromstärkenband 58, obwohl dies, wie vorstehend angegeben, nicht unbedingt der Fall sein muss.
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Außerdem können die elektrischen Stromimpulse 46 eine allgemeine Zunahme der Amplitude als Funktion der Zeit zeigen. Mit Bezug nun auf 5, welche den gleichen pulsierenden elektrischen Strom 44 wie 4 darstellt, bildet die Differenz zwischen dem Startstromniveau 50 und dem maximal erreichten Stromniveau 52 eines jeden Stromimpulses 46 eine Amplitude 66 für diesen speziellen Stromimpuls 46. Die Amplituden 66 der elektrischen Stromimpulse 46 werden als allgemein zeitlich zunehmend betrachtet, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: (1) die Stromimpulse 46 des elektrischen Stroms 44 werden in Blöcke mit fünf aufeinanderfolgenden Impulsen 46 aufgeteilt, wobei mit dem ersten Stromimpuls gestartet wird und mit dem letzten Stromimpuls geendet wird, der einen Block mit fünf Impulsen abschließt; (2) die Amplituden 66 von jedem der elektrischen Stromimpulse 46 in jedem Block werden verwendet, um eine mittlere Amplitude für diesen Block zu berechnen; und (3) die mittlere Amplitude für jeden Block steigt an, wenn man sich entlang der x-Achse (Zeit in ms) bewegt, wobei die Zeit vom Start des elektrischen Stromflusses an zunimmt. Die Amplitude 66 eines jeden Stromimpulses 46, der in dem elektrischen Strom 44 enthalten ist, ist hier in 5 aufgeführt. Dort ist ersichtlich, dass die Stromimpulse 46 eine allgemeine Zunahme bei der Amplitude erfahren, als die Blöcke mit 5 Impulsen der Stromimpulse 46 zunehmende mittlere Amplituden von 6,8 kA (Impulse 1 bis 5), 9,4 kA (Impulse 6 bis 10), 11,1 kA (Impulse 11 bis 15), 12,6 kA (Impulse 16 bis 20), 14,2 kA (Impulse 21 bis 25) und 15,7 kA (Impulse 26 bis 30) aufweisen.
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Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein, wird gegenwärtig angenommen, dass der pulsierende elektrische Stromfluss zu einer stärkeren und strukturell stabileren metallurgischen Fügestelle 40 zwischen den Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall in mindestens zwei Weisen beiträgt. Erstens tragen die elektrischen Stromimpulse 46 dazu bei, dass Reaktionsmaterial 24 mit einer besser steuerbaren Rate zu schmelzen. Dies gibt den Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall Zeit, um aufeinander zu zufallen, um den Stromfluss fortzuführen und eine Situation zu vermeiden, bei der eine elektrische Potentialdifferenz, die über die noch getrennten Stoßflächen 14, 18 erhalten wird, zu einer ungewünschten Lichtbogenbildung führt. Anders ausgedrückt erwärmen die anfänglichen elektrischen Impulse 46 mit niedrigem Strom die Legierung und ermöglichen eine gewisse Kompression, so dass der Spalt zwischen den Stoßflächen 14, 18 beginnt, sich zu schließen – was zu einer Reduktion beim Widerstand führt – wobei das Schmelzen des Reaktionsmaterials 24 schließlich bei einem niedrigeren angelegten Stromniveau eingeleitet wird, als wenn ein Strom mit konstanter Stromstärke und kurzer Zeitdauer angelegt wird. Zur Unterstützung für diese Theorie veranschaulichen 6–7 auf graphische Weise die Spannungs- und die Widerstandswerte als Funktion der Zeit, die für den pulsierenden elektrischen Strom 44 beobachtet wurden, der in 4 gezeigt ist. Zweitens glaubt man, dass die Zunahmen und Abnahmen des Stromniveaus, welche mit jedem elektrischen Stromimpuls 46 einhergehen, Zyklen mit thermischer Ausdehnung und Kontraktion in dem geschmolzenen Reaktionsmaterial 36 induzieren, welche das Reaktionsvermögen an den Schnittstellen des geschmolzenen Reaktionsmaterials 36 und an den Stoßflächen 14, 18 der Werkstückträgerschichten 10, 12 aus Metall fördern.
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Die vorstehende Beschreibung und bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen und spezielle Beispiele dienen nur zur Beschreibung; sie sollen den Umfang der Ansprüche, die folgen, nicht einschränken. Jeder der Begriffe, die in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, soll seine gewöhnliche und übliche Meinung gegeben werden, sofern es in der Beschreibung nicht speziell und eindeutig anderweitig angegeben ist.
