結合鋁和銅的結構和方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋁和銅的結合的結構，其通過將銅工件和鋁工件通過電弧焊接工藝沿連接部結合在一起而形成。銅工件具有被施加到其至少一部分的第一涂層，該第一涂層具有比銅更低的熔點。該第一涂層允許銅工件熔化和釬焊，同時鋁工件沿該連接部熔化和熔合。電弧焊接工藝涉及第一階段和第二階段的循環交替，電流在第一階段中在焊絲被朝向工件運動時被供給到焊絲，電流在第二階段中被減小并且焊絲被離開工件運動，以沿連接部產生多個熔化的液滴并且分離該多個熔化的液滴。每一個熔化的液滴由焊絲在第一階段中形成。
【專利說明】結合鋁和銅的結構和方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及銅和鋁的結合結構，以及將銅工件和鋁工件結合在一起以形成結合結構的方法。
【背景技術】
[0002]由于其高電導率和相對低的成本，鋁和銅是兩種最廣泛使用的導體材料。因此，通常期望將銅部件和鋁部件彼此連接(例如通過焊接)為多種應用(例如混合動力電動車輛)中的電路的一部分。但是，由于鋁和銅的不同的熔點和熱傳導率，已知這很難實現。另外，鋁和銅的液體混合物在其固化和冷卻時形成硬和脆的金屬間化合物。兩種通常使用的連接方法是超聲焊接和激光焊接工藝。

【發明內容】

[0003]提供一種將第一金屬工件結合到第二金屬工件的方法，其中，兩個工件由具有不同熔點和熱傳導率的材料制成。第一金屬工件和第二金屬工件的材料可以分別是銅和鋁。該方法允許兩個工件結合而在兩個工件之間沒有形成金屬間化合物。
[0004]該方法包括首先將第一涂層施加到第一工件的至少一部分，該部分包括至少發生該結合的區域。第一涂層的材料通常具有比第一金屬工件的材料更低的熔點，并且可包括但不限于鋅。在施加第一涂層之前，該方法可包括將第二涂層施加到第一金屬工件的施加有第一涂層的基本上相同部分。第二涂層的材料通常具有比第一金屬工件的材料更高的熔點，并且可包括但不限于鎳。
[0005]在施加第一涂層之后，可任選地，施加第二涂層之后，該方法繼而包括關于彼此定位第一金屬工件和第二金屬工件，以形成至少一個連接部，兩個金屬工件在所述至少一個連接部處結合。該工件繼而沿至少一個連接部通過電弧焊接工藝結合在一起，以使至少一個連接部的第一金屬工件側被潤濕和釬焊，并且該至少一個連接部的第二金屬工件側被熔化和熔合。
[0006]電弧焊接工藝涉及第一階段和第二階段的交替，以沿至少一個連接部產生多個熔化的液滴并且分離該多個熔化的液滴，由此在兩個工件之間形成結合。在第一階段中，電流被在焊絲朝向工件運動時供給到焊絲。在第二階段中，電流被減小并且焊絲被遠離工件運動。熔化的液滴在第一階段中由焊絲形成。焊絲的材料包括但不限于鋁合金。
[0007]還提供銅和鋁的結合的結構。結合的結構可通過上述方法形成。結合的結構包括由銅制成的第一金屬工件和由招制成的第二金屬工件。第一金屬工件具有施加到第一金屬工件的至少一部分的第一涂層。第一涂層的材料通常具有比銅更低的熔點，并且可包括但不限于鋅。第一金屬工件可進一步具有在第一金屬工件和第一涂層之間的可任選的第二涂層。第二涂層的材料通常具有比銅更高的熔點，并且可包括但不限于鎳。第二涂層確保存在第一涂層到第一金屬工件中的最小的擴散。
[0008]結合的結構進一步具有至少一個連接部，第一金屬工件和第二金屬工件通過上面所述的電弧焊接工藝結合。第一金屬工件被沿結合部潤濕和釬焊，這由于第一涂層的較低的熔點通過第一涂層成為可能。第二金屬工件沿連接部熔化和熔合。
[0009]當結合附圖時，通過用于實現本發明的最佳模式的一些實施例和其他實施例的下面的詳細描述，本發明的上述特征和優點和其他特征和優點變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是銅和鋁的結合的結構的示意性平面視圖；
[0011]圖2A和2B是根據本發明的實施例的穿過圖1的結合的結構的示意性橫截面，其中，銅和鋁通過搭接焊縫結合；
[0012]圖3A和3B是根據本發明的實施例的穿過圖1的結合的結構的示意性橫截面，其中，銅和鋁通過對接焊縫結合；
[0013]圖4A是示出電弧焊接工藝的第一階段的示意性前視圖，該電弧焊接工藝用于將銅工件和鋁工件彼此結合來形成圖1和2A的結合的結構；
[0014]圖4B是示出從圖4A中示出的電弧焊接工藝的第一階段到第二階段的過渡的示意性正視圖；
[0015]圖4C是示出電弧焊接工藝的第二階段的示意性正視圖；和
[0016]圖5是示出用于將銅工件和鋁工件彼此結合的方法的示意性流程圖。
【具體實施方式】
[0017]本領域的技術人員將意識到，例如“上方”、“下方”、“向上”、“向下”等術語被用于描述附圖，不代表對本發明的范圍的限制，本發明的范圍由所附的權利要求限定。任何數字標號，例如“第一”或“第二”僅是示例性的，并不旨在以任何方式限制本發明的范圍。
[0018]參照附圖，其中，盡可能整個附圖中相似的附圖標記對應于相似或類似的部件，結合的結構10顯示在圖1中。結合的結構10包括由銅制成的第一金屬工件(后文為銅工件12)和由鋁制成的第二金屬工件(后文為鋁工件14)。雖然第一金屬工件和第二金屬工件分別被描述為銅工件12和鋁工件14，但是應意識到，它們可由任何材料制成，其中第一金屬工件的材料比第二金屬工件的材料具有更高的熔點和更高的熱傳導率。
[0019]圖2A和3A圖示了穿過結合的結構10的橫截面，其中，銅工件12和鋁工件14通過搭接焊(圖2)或對接焊(圖3)結合。參照圖2和3，銅工件12具有施加到銅工件12的至少一部分的第一涂層16。第一涂層16通常包括銅工件12和鋁工件14結合處的區域，或更具體地，包括連接部18。第一涂層16的材料通常具有比銅更高的熔點，并且可包括，但不限于鋅等。應意識到，對于其中第一金屬工件由不同于銅的材料制成的第一金屬工件的實施例，第一涂層16的材料也將具有比第一金屬工件的材料更低的熔點。第一涂層16可通過電鍍工藝或本領域普通技術人員已知的任何其他工藝施加。
[0020]銅工件12可進一步具有可任選的第二涂層24，如圖2B和3B中所示。第二涂層24大體在銅工件12和第一涂層16之間，因為其在第一涂層16之前被施加到銅工件12。第二涂層24的材料通常具有比銅更高的熔點，并且可包括但不限于，鎳等。應意識到，對于其中第一金屬工件由不同于銅的材料制成的實施例中，第二涂層24的材料還將具有比第一金屬工件更高的熔點。第二涂層24確保第一涂層16、用于結合工件12和14的填充材料和/或鋁從鋁工件14到銅工件12中存在最小的擴散。第二涂層24可通過電鍍工藝或本領域普通技術人員所知的任何其他工藝施加。
[0021]如上面所提到的，銅工件12和鋁工件14在連接部18處由填充材料(更具體地，焊絲28)通過電弧焊接工藝結合在一起，如圖4A-4C中所示和后文中所述的。應意識到，結合的結構10可具有不止一個連接部18，銅工件12和鋁工件14在該連接部18處結合在一起。填充材料與鋁工件14混合，以使連接部18的鋁側22被熔化和熔合。而且，填充材料還與第一涂層16混合，由此防止在銅和鋁之間和/或在銅和填充材料之間形成任何金屬間化合物。這允許連接部18的銅側20被潤濕和釬焊。
[0022]圖4A-4C示出被應用到圖1和2A中圖示的結合的結構10的構造的電弧焊工藝。參照圖4A-4C，電弧焊接工藝涉及第一階段(也稱為電弧階段)和第二階段(也稱為短路階段)的循環交替，在第一階段中，焊絲26通過送絲裝置34朝向工件12和14運動，在第二階段中，焊絲26遠離工件12和14運動。焊絲26可由但不限于鋁合金制成。雖然圖4A-4C將銅工件12圖示為僅具有第一涂層16，但是應意識到，銅工件12還可具有第二涂層24，如圖2B中所示。
[0023]圖4A示出第一階段。在該階段中，電流在焊絲正被運動朝向工件12和14時被提供到焊絲26。電弧28形成在焊絲26與工件12和14之間。電弧28加熱工件12和14，使第一涂層16和鋁工件14的一部分熔化和熔合，由此形成熔池30。對于銅工件12，僅第一涂層16熔化，并且再次地與鋁工件14連接，使得銅工件12和鋁工件14之間不形成金屬間化合物。
[0024]圖4B示出從第一階段到第二階段的過渡。當焊絲26與工件12和14接觸時，更具體地，與熔池30接觸時，熔化的液滴32開始由于焊絲26的熔化形成。電流隨后減小，以使電弧28基本上被去除，由此開始第二階段，其比第一階段更冷。溫度的這種降低可能導致低的變形和更高的精度，以及較小的濺射。
[0025]圖4C示出第二階段。在該階段中，焊絲26被縮回。這有助于將熔化的液滴32從焊絲26分離，并且進入熔池30。在焊絲26處于其初始位置中之后，如圖4A中所示，焊絲26的運動被再次反向，被朝向工件12和14，并且因而開始第一階段和第二階段的交替的下一個循環。第一階段和第二階段交替的頻率可每秒發生高達七十次。該工藝沿連接部18的整個長度繼續。當熔池30和熔化的液滴32冷卻并且固化時，銅工件12和鋁工件14之間的結合形成。
[0026]電流供給、焊絲26的運動和其他參數可通過控制器(未示出)控制。這允許熔化的液滴32精確地形成，并且沿連接部18 —次放置一個，進而最小化形成結合的熱量的大小，以使工件12和14不過熱。降低的熱量允許非常薄的金屬節段結合在一起或與其他金屬工件結合。另外，熱量的控制確保連接部18的銅側20保持潤濕和釬焊，以避免銅和鋁的混合。而且，該工藝可減小連接部18中存在的孔隙率的大小，由此允許用于導電的最大區域，這可能在例如混合動力電動車輛的電池凸片等應用中是有用的。
[0027]參照圖5，顯示了用于形成包括銅工件12和鋁工件14的結合的結構10的方法。雖然關于銅工件12和鋁工件14描述了方法200，但是應意識到，方法200可用于形成第一金屬工件和第二金屬工件的任何結合的結構，其中第一金屬工件具有比第二金屬工件更高的熔點和更高的熱傳導率。[0028]方法200開始于步驟202處，其中第一涂層16被施加到至少銅工件12的一部分。如上面所說明的，第一涂層16通常具有比銅更低的熔點，并且可包括但不限于鋅。再次地，在第一金屬工件由不同于銅的材料制成的情況下，第一涂層16的材料將仍具有比第一金屬工件的其他材料更低的熔點。第一涂層16可通過電鍍工藝或本領域普通技術人員所知的任何其他工藝施加。
[0029]在步驟202之前，方法200可包括將第二涂層24施加到銅工件12的將要施加第一涂層16的相同部分。如上面說明的，可任選的第二涂層24通常具有比銅更高的熔點，并且可包括但不限于鎳。再次地，在第一金屬工件由不同于銅的材料制成的情況下，第二涂層24的材料將仍具有比第一金屬工件的其他材料更高的熔點。第二涂層24可被施加，以確保第一涂層16、填充材料和/或鋁到銅工件12中的最小擴散。第二涂層24可通過電鍍工藝或本領域普通技術人員所知的其他工藝施加。
[0030]在步驟202之后，方法200行進到步驟204。在步驟204處，銅工件12和鋁工件14關于彼此定位，以形成至少一個連接部18，兩個工件12和14在該連接部18處彼此結合。
[0031]在步驟204之后，方法200行進到步驟206。在步驟206處，銅工件12被沿該至少一個連接部18通過電弧焊接工藝焊接到鋁工件14。由于電弧焊接工藝，連接部18的銅側20將被潤濕和釬焊，并且連接部18的鋁側22將被熔化和熔合。
[0032]如上面所說明的，電弧焊接工藝涉及第一階段或電弧階段以及第二階段或短路階段的循環交替，以沿該至少一個連接部18產生和分離多個熔化的液滴32。每一個熔化的液滴32由焊絲26形成，焊絲26在第一階段中朝向工件12和14運動，并且在第二階段中遠離工件12和14運動。在第一階段過程中，電流被提供到焊絲26，產生電弧28，電弧28加熱和熔化鋁工件14和第一涂層16，由此形成熔池30。電流還加熱焊絲26以形成熔化的液滴32。焊絲26在第二階段中的縮回有助于熔化的液滴32從焊絲26分離并且進入熔池30中。另外，在第二階段中，電流被減小以最小化熱量的大小，從而使工件12和14不過熱。該工藝沿至少一個連接部18的整個長度重復。
[0033]詳細描述和圖或附圖支持和描述本發明，但是本發明的范圍僅由權利要求限定。雖然以及詳細描述了用于實現要求保護的本發明的一些最佳模式和氣體實施例，但是仍存在用于實踐所附權利要求中限定的本發明的替代設計和實施例。
【權利要求】
1.一種結合具有不同熔點和熱傳導率的第一金屬工件和第二金屬工件的方法，所述方法包括: 將第一涂層施加到第一金屬工件的至少一部分，第一涂層由具有比第一金屬工件的材料更低的熔點的材料制成； 將第一金屬工件和第二金屬工件關于彼此定位，以形成至少一個連接部，該兩個金屬工件在所述至少一個連接部處結合；和 沿該至少一個連接部通過包括焊絲的電弧焊接工藝將第一金屬工件焊接到第二金屬工件，以使第一金屬工件被潤濕和釬焊，并且第二金屬工件沿所述至少一個連接部被熔化和熔合； 其中，電弧焊接工藝涉及第一階段和第二階段的循環交替，在第一階段中，電流在焊絲朝向工件運動時被提供到焊絲，在第二階段中，電流被減小并且焊絲遠離工件運動，以沿所述至少一個連接部產生多個熔化的液滴并且將所述多個熔化的液滴分離，所述熔化的液滴由焊絲在第一階段中形成。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，第一金屬工件和第二金屬工件的材料分別為銅和招。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，第一涂層的材料為鋅。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，焊絲的材料為鋁合金。
5.根據權利要求1所述的方法，進一步包括在施加第一涂層之前，在與第一涂層基本上相同的位置處，將第二涂層施加到第一金屬工件，其中，第二涂層由具有比第一金屬工件的材料更高的熔點的材料制成。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，第二涂層的材料為鎳。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，第一涂層通過電鍍工藝施加。
8.—種通過包括焊絲的電弧焊接工藝將鋁工件結合到銅工件的方法，所述方法包括: 將第一涂層施加到銅工件的至少一部分，第一涂層由具有比銅更低的熔點的材料制成； 將銅工件和鋁工件關于彼此定位，以形成至少一個連接部，該兩個工件在所述至少一個連接部處結合；和 將鋁工件沿所述至少一個連接部通過電弧焊接工藝焊接到銅工件，以沿所述至少一個連接部使鋁工件熔化和熔合，并且將銅工件潤濕和釬焊； 其中，電弧焊接工藝涉及第一階段和第二階段的循環交替，在第一階段中，電流在焊絲朝向工件運動時被供給到焊絲，在第二階段中，電流被減小并且焊絲被離開工件運動，以沿所述至少一個連接部產生多個熔化的液滴和將所述多個熔化的液滴分離，所述熔化的液滴由焊絲在第一階段中形成。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，第一涂層的材料為鋅。
10.根據權利要求8所述的方法，還包括在施加第一涂層之前，在與第一涂層相同的位置處，將第二涂層施加到銅工件，其中，第二涂層由具有比銅更高的熔點的材料制成。
【文檔編號】B23K103/12GK103920966SQ201410018354
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2013年1月15日
【發明者】C.陳, C.西蒙娜 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司, 弗羅紐斯國際有限公司