用于焊接至少两个层的方法
【专利摘要】本发明的方法涉及一种将第一层(20)与第二层(30)焊接在一起的方法。第二层(30)的第二熔化温度Tm,2低于第一层(20)的第一熔化温度Tm,1。在通过将第一层(20)放置在第二层(30)的顶部形成层叠件(50)之后，在第一层(20)的上表面(20u)的至少一个摩擦部分(15)上按压并平移旋转工具(70)，从而使得第二层(30)的上表面(30u)的至少一部分所达到的温度高于第二熔化温度Tm,2。限制装置防止熔化的第二材料流出层叠件(50)。从如下的材料中选择第一层(20)和第二层(30)的材料：金属、半金属或半导体。
【专利说明】用于焊接至少两个层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在至少第一接合表面上将至少两个层焊接在一起的方法。
【背景技术】
[0002]在1991年，焊接研究所研发了被称为搅拌摩擦焊(FSW)的技术，用于连接难以由常规的熔焊焊接的金属合金。沿需要连接的两个夹紧块之间的对接接头平移具有栓的旋转工具。旋转栓穿透两个块，经搅拌的材料(通常是金属材料)不熔融而软化。该过程涉及基础材料的动态再结晶。FSW是固态连接工艺:待连接的两个块的两种材料在该工艺过程中不熔融。
[0003]搭接搅拌摩擦焊(FSLW)是FSW的一种应用，用于连接通常是金属层的至少两个层(例如，见 R.S.Mishra 等，Mater.Sc1.Eng.R 50(2005), 1-78)。对于 FSW，在该技术中使用具有栓的旋转工具以机械混合不同层的材料。因此，FSLW也是一种固态连接工艺。如ZhangGuifeng(张贵锋)等所报告(Metal1.Mater.Trans.A Vol 42, Issue 9，pp.2850-2861),FSLW显示出几个缺陷，例如，引起沿连接的不同层之间的交界面的孔隙。旋转工具的栓必须穿透不同层以在不同层之间机械混合而在该工艺中也会大大损坏。使用不带栓的旋转工具可能会防止栓的磨损，但是这样不同层之间的机械混合会差，从而导致连接强度非常差。
[0004]因此，ZhangGuifeng (张贵锋)等在 Metall.Mater.Trans.A Vol42, Issue9,pp.2850-2861中提出了一种工艺，名为搅拌摩擦钎焊(FSB)。在该工艺中，在顶层的上表面使用并平移不带栓的旋转工具。钎焊层放置在待连接的两个层之间。因为Zn的熔点低，通常选择Zn箔作为钎焊层。在Zhang Guifeng(张贵锋)等的公开内容中，Zn箔用来将铝(Al)层连接到钢层。Al层是顶层，意味着旋转工具在Al层的上表面上平移。当在顶层的上表面上按压并平移旋转工具(不带栓)时，通过摩擦在旋转工具下方产生热量。该热量导致Zn箔的熔化，从而连接(该特定情形中的Al和钢)两个层。为了使Zn箔在它的整个厚度上完全熔化，Zn箔的厚度必须小(通常约为0.1mm)。如Zhang Guifeng (张贵锋)等的公开内容所示和说明的那样(例如，图3以及段落II1.A，D)，当旋转工具在顶层的上表面上平移引起Zn箔熔化时，大量Zn被旋转工具挤出。
[0005]FSB需要待连接的两个层之间存在钎焊层。该钎焊层通常是Zn层。这导致不同的缺陷。首先，因为需要额外的材料，成本增加。其次，钎焊层的存在引起待连接的两个层的污染，特别是当随后对多层结构进行热处理时。
[0006]W02010/067796A1描述了将热塑性聚合物层与金属层连接的方法。将这两个部件重叠，从金属部件侧按压旋转摩擦搅拌工具，通过摩擦热连接两个部件:在聚合物通过摩擦热熔融后，在温度下降时树脂沿接合表面与金属部件融合，从而形成交界面接合。W02010/067796A1的连接方法显示出多个缺陷。在两个层之间的交界面接合表面，沿两个层的厚度方向的性能(例如，热导率、电阻)在交界面处呈现明显间断性。在很多应用中，这种间断性的性能是不希望的，因为它导致跨越整个厚度的差的整体性能。而且，两个层之间的清晰交界面会引起两个层之间接合的弱的机械阻力。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种连接至少两个层的方法，在两个层之间的接合表面产生改进的连续性。为此，发明人提出了如下的方法。一种在至少第一接合表面上将至少两个层焊接在一起的方法，其包括如下步骤:
[0008](a)提供第一材料的第一层，所述第一材料具有第一熔化温度Tnu，所述第一层具有由第一层的厚度h隔开的上表面和下表面；
[0009](b)提供第二材料的第二层，所述第二材料具有第二熔化温度Tm，2，Tm，2低于第一熔化温度Tnu，所述第二层具有由第二层的厚度t2隔开的上表面和下表面；
[0010](C)通过堆叠第一层和第二层形成层叠件，使得第一层的下表面接触并至少部分地与第二层的上表面重叠以形成交界面；
[0011](d)在第一层的上表面的至少一个摩擦部分上按压和平移，其中，与所述摩擦部分对应的交界面的部分限定了第一接合表面，旋转工具通过摩擦提升第一层的上表面的所述至少一个摩擦部分的温度，并通过第一层的厚度将热量传到第二层，从而使得包含在所述第一接合表面中的第二层的上表面的至少一部分所达到的温度高于第二熔化温度Tm，2 ；
[0012](e)提供限制装置，用于防止熔化的第二材料流出层叠件。
[0013]本发明的方法的特征在于:所述第一层和所述第二层所述第一材料和所述第二材料选自如下材料:金属、半金属或半导体。
[0014]术语金属、半金属和半导体为本领域技术人员所知的，且可根据电子能带理论定义。金属的电子能带结构的特征在于部分地填充导带CB，且在费米能级具有大的态密度。半金属的电子能带结构的特征在于导带CB的底部与价带VB的顶部之间小的重叠。半金属没有带隙Eg，以及微不足道的费米能级态密度。在半金属中，导带CB的底部一般位于与价带VB的顶部不同的动量空间部分(不同的k向量)。半金属具有两种类型的电荷载体:空穴和电子。半导体在OK具有填充的价带VB，其通过相当窄的带隙Eg(Eg —般小于4eV)与空的导带CB隔开。
[0015]因为从金属、半金属或半导体中选择第一材料和第二材料，采用根据本发明的方法连接它们时，在第一层和第二层之间形成界面相。在保持固态的第一层和至少沿第二层的上表面部分熔化的第二层之间发生的反应产生该界面相:第一层的原子或分子扩散到第二层的液相中，当温度下降时形成“化学”界面相。同时或可替换地，晶体可能从一层跨越交界面生长并渗入第二层，从而形成“物理”界面相。可替换地，第一层和第二层的原子或分子均扩散到另外一层形成界面相。这种界面相因此具有不同于第一层和第二层的化学成分，和/或具有不同于这两个层的物理结构。所以，不同于采用W02010/067796A1的方法所获得的组件(其仅包括两个相)，本发明的方法最后获得三个不同区的组件:一个区对应第一层的相、一个区对应第二层的相、一个区对应界面相。优选地，这三个不同的区是三个不同的相。该界面相获得该属性组件中的渐变，而不是采用界面接合获得的明显间断性。也可以获得化学成分的渐变。最后，在两个层之间的第一接合表面获得的改进的连续性导致组件的整体性能的改进。特别地，由于在第一层和第二层之间出现界面相，第一接合表面的机械阻力更高。
[0016]在本发明的方法中，没有使用钎焊层来连接第一层和第二层。由于由旋转工具产生的热量，第二层熔化从而将其焊接到第一层。由于本发明的方法使用防止熔化的第二材料流出层叠件的限制装置，在连接过程(或本发明的方法)结束时所述第二材料仍保持存在。如果不使用限制装置，如同FSB中Zn层的情形，大量的第二层的第二材料将会在连接过程中被挤出。使用限制装置也能有力控制不同层的厚度。
[0017]本发明的方法具有其他优点。不同于FSW或FSLW，本发明的方法不要求旋转工具穿透到第二层。仅要求旋转工具下摩擦产生的热量通过传导经由第一层的厚度^传输到第二层。因此，与FSW或FSLW相比，本发明的方法可以使用不那么复杂的旋转工具。由于本发明的方法中的旋转工具更简单，该技术比FSW或FSLW成本更低。由于旋转工具无需穿透第一层的厚度h，与FSW或FSLW相比，本发明的方法对旋转工具的损坏更小。
[0018]优选地，限制装置包括具有侧壁的腔，其中紧密地放置所述层叠件。在该优选的实施方式中，其中放置层叠件(堆叠件)的腔的侧壁防止熔化的第二材料流出层叠件(堆叠件)。
[0019]优选地，限制装置防止旋转工具到达沿第一层的上表面的周界的至少一部分延伸的边缘。在该优选的实施方式中，旋转工具不在第一上表面周界的至少一部分附近的边缘上按压和平移。这导致第二层不在垂直于厚度t2的整个平面上熔化。第二层未熔化的部分阻止熔化的第二材料流出层叠件。更为优选地，旋转工具不在第一上表面的整个周界上按压和平移。
[0020]优选地，限制装置包括第二层的固态下表面。在该优选的实施例中，由于第二层的第二下表面所达到温度低于第二熔化温度Tm，2，第二层不沿它的整个厚度t2熔化。这种情况不同于FSB中发生的情形。因此，由于第二层未熔化的部分阻止，在该优选的实施例中熔化的第二材料不流出层叠件。
[0021]优选地，第一层和第二层的所述第一材料和所述第二材料中的至少一者是金属。因此，优选在第一和第二层之间形成金属间层。
[0022]优选地，该至少两层均为金属层。更为优选地，第一材料是钢而第二材料是铝。因此，不同于Guifeng Zhang(张贵锋)等所公开的FSB,在该优选的实施例中,旋转工具在其上按压和平移的第一层包含钢而不是铝。
[0023]优选地，第一与第二熔化温度之比TnuA^2高于1.2。优选地，第一层的厚度&与第二层的厚度t2范围在0.3mm至2mm之间。优选地,旋转工具由包含硬质合金的材料制成。优选地，旋转工具具有外径范围在1mm至20mm之间的圆柱形。优选地，旋转工具在第一层的上表面的所述至少一个摩擦部分上以范围在50mm/min至1000mm/min之间的速度平移。优选地，旋转工具的旋转速度范围在每分钟1000至3000转之间。
[0024]优选地:
[0025]该方法在步骤(b)和(C)之间进一步包括提供第三材料的第三层的步骤，所述第三材料具有第三熔化温度Tm，3，其高于第二层的第二熔化温度Tm，2，所述第三层具有上表面和下表面；其中在步骤(C)中:
[0026]一层叠件进一步包括所述第三层，从而使得第三层的上表面接触且至少覆盖与第一接合表面对应的第二层的下表面的部分；且其中在步骤(d)中:
[0027]一旋转工具将第二层的下表面的温度提高到高于其第二熔化温度Tii^2的值。
[0028]本发明的方法的优选方式能够焊接超过两个层。在该情形下，第二层的至少一部分在它的整个厚度t2上熔化。在该优选的实施方式中，限制装置优选包括保持固态的第三层。
[0029]优选地，第二材料是钥优选地，第二材料是钢。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]通过实施例并参照附图来更为详细地解释本发明的这些和其他方面，其中:
[0031]图1示意性地示出了两个层的层叠件(layup)，旋转工具在第一层的上表面上按压并平移；
[0032]图2示意性地示出了，沿图1的两个层的厚度且在旋转工具下方，当在第一层的上表面上按压旋转工具时，产生的温度的廓线的例子；
[0033]图3示出了第一层不与整个第二层重叠的结构的示例；
[0034]图4示意性地示出了旋转工具相对于第一层的上表面如何放置；
[0035]图5示意性地示出了具有侧壁的腔，其中紧密地放置包括至少两个层的层叠件；
[0036]图6示意性地示出了覆盖掩膜的第一层的上表面；
[0037]图7示意性地示出了当第二层的下表面是固体时两个层的层叠件；
[0038]图8示出了根据本发明的方法焊接的两个层的微观结构图；
[0039]图9示出了根据本发明的方法焊接的两个层的微观结构图；
[0040]图10示意性地示出了三个层的层叠件；
[0041]图11示出了根据本发明的方法焊接的三个层的微观结构图。
[0042]这些图不是按比例绘制的。一般来说，图中同一部件由相同的附图标记表示。
【具体实施方式】
[0043]本发明的方法是一种连接具有两种不同材料的至少两个层的焊接方法。因此，它既不是硬钎焊(brazing)方法,也不是软钎焊(soldering)方法。一般来说，本领域技术人员将软钎焊方法技术用于通过熔化并流动填充金属或焊锡进入两个层之间的交界面而连接至少两个层(其可包括相同的或不同的材料)。填充金属或焊锡具有比待连接的两个层更低的熔融温度。因此，软钎焊显示出热胶工艺，当填充金属或焊锡冷却时使得两个层之间获得固态连接。硬钎焊技术是软钎焊的一个特定情形，通常相当于需要相对高的温度以熔化焊锡的软钎焊方法使得待连接的两个层之间获得强连接。钎焊材料的一个实施例是Zn，其在大气压下在约420°C熔化。
[0044]图1以二维视图示意性地示出了本发明的方法是如何执行的。首先，提供待焊接的至少两个层。在图1的情形下，假定要连接或焊接第一层20和第二层30。第一层20(第二层30)包括具有第一(第二)熔化温度Tm，的第一(第二)材料。第二材料的第二熔化温度低于第一材料的第一熔化温度!^>1^。术语“熔化温度”为本领域技术人员所知。从如下的材料中选择第一层20和第二层30的第一材料和第二材料:金属、半金属或半导体。第一层20具有以第一层20的厚度h隔开的上表面20u和下表面20b。第二层30具有以第二层30的厚度t2隔开的上表面30u和下表面30b。
[0045]如图1所示，通过堆叠第一层和第二层(20，30)使得第一层20的下表面20b接触和至少部分地与第二层30的上表面30u重叠，从而形成层叠件50 (或堆叠件)。第一层20与第二层30的重叠定义了交界面17。在图1中，假定第一层20的下表面20b与第二层30的上表面30u完全重叠。然而，这对于本发明的方法不是必需的。图3示出了用于实施本发明的方法而形成的层叠件50的另一个示例。在该示例中，第一层20的下表面20b不完全与第二层30的上表面30u重叠。在该情形下，交界面17的面积小于第一层20的下表面20b的面积以及第二层30的上表面30u的面积。第一层20的下表面20b、第二层30的上表面30u以及交界面17可以是平坦、光滑或粗糙的。实际上，实施本发明的方法不要求这些表面的特定形状。
[0046]在第一层20的上表面20u的至少一个摩擦部分15上按压和平移旋转工具70。当旋转工具70在第一层20的上表面20u的至少一个摩擦部分15上按压和平移时，层叠件50优选紧紧夹在底板上。如图3所示，与摩擦部分15对应的交界面17的部分限定第一接合表面10，沿该第一接合表面10焊接或连接至少两个层(20,30)。术语“对应(in registrywith) ”意思是旋转工具70沿其平移的第一层20的上表面20u的摩擦部分15由第一接合表面10在第一层20的所述上表面20u上的正投影构成。在图1中，第一接合表面10相当于交界面17。在图3中，第一接合表面10小于交界面17。
[0047]图2示出了，当在第一层20的上表面20u上按压旋转工具70时，沿层叠件50的厚度(ti+t2)在旋转工具70下得到的不同的温度廓线。由于旋转工具70的旋转和平移，摩擦部分15的温度通过摩擦而上升。产生的热量通过第一层20的厚度^转移到第二层30。对于本发明的方法而言，第二层30的上表面30u的至少一部分由于旋转工具70沿摩擦部分15平移而达到的温度必须高于第二层30 (或第二材料)的第二熔化温度!^。必须达到高于Tm，2的温度的第二层30的上表面30u的至少一个部分包含在第一接合表面10中。因此，在第一接合表面10中所包含的第二层30的上表面30u的一部分上形成第二材料的液相。在图2中,温度廓线130对应于第二层30的上表面30u的一部分未达到高于Tm，2的温度的情形。但是，温度廓线120，110和100能在第二层30的上表面30u的一部分获得第二材料的液相。实际上，在这些情形下，第二层30的上表面30u的至少一部分达到高于Tm，2的温度。因此，这些温度廓线对应实施本发明的方法时的正常情形。温度廓线100对应第二层30在它的整个厚度t2熔化的情形:在该情形下，第二层30的下表面30b的至少一部分达到高于Tm，2的温度。当已经达到高于Tm，2的温度的第二层30的上表面30u的部分冷却到低于该温度Tm，2时，两个层(20，30)被焊接并在第一层20和第二层30之间形成界面相(inter-phase)。由保持固态的第一层20和至少沿第二层30的上表面30u的一部分熔化的第二层30之间发生的反应得到界面相:第一层20的原子或分子扩散到第二层30的液相中，当温度下降时形成“化学”界面相。同时或可替换地，晶体从一层跨越交界面生长并透入第二层，从而形成“物理”界面相。可替换地，第一层20和第二层30的原子或分子彼此扩散形成界面相。这种界面相因此具有不同于第一层20和第二层30的化学成分，和/或具有不同于这两个层(20，30)的物理结构。
[0048]限制装置防止第二层30熔化的第二材料流出层叠件50。以下呈现了限制装置的不同示例。所以，不同于FSB技术，熔化的层是待连接的层之一。在FSB技术中，熔化的层仅作为焊锡且在连接过程中被挤出。
[0049]在第一层20的上表面20u的至少一个摩擦部分15上按压和平移的旋转工具70可以相对垂直于第一层20的上表面20u的轴倾斜一个角度α。如图4所示。优选地，角度α范围在0°和5°之间，且更为优选地在0.5°和1°之间。相对于与第一层20的上表面20u垂直的轴倾斜旋转工具70确保该工具70与第一层20的上表面20u之间良好的机械接触。而且，旋转工具70的这种倾斜能获得其后更光滑的表面。
[0050]旋转工具70相对于第一层20的上表面20u的距离(图4中参数ζ)可通过力(压力)或位置控制来调节。当通过力控制时，握住旋转工具70的机器自动地调节它的位置以保持施加到第一层20的上表面20u的压力恒定。当使用位置控制时，旋转工具70的位置跟随指令，但旋转工具70在第一层20的上表面20u上施加的压力可以变化。图4的参数ζ通常被本领域技术人员称为“落差(plunge)”。优选地，落差ζ是负的以通过摩擦产生足够的热量。负的落差ζ意味着旋转工具70透入第一层20。优选地，落差ζ范围在-0.7mm和Omm之间，更为优选地等于-0.55mm。还更为优选地，ζ范围在-0.2mm和Omm之间，且还更有优选地，在-0.08mm和-0.0lmm之间。旋转工具70可具有各种形状。优选地，它是圆柱形的。
[0051]图5示出了用于防止熔化的第二材料流出层叠件50的限制装置。在该示例中，所述限制装置包括具有侧壁95的腔90，其中紧密的放置着层叠件50。因此，当在第一层20的上表面20u的至少一个摩擦部分15上按压和平移旋转工具70时，由于侧壁95，熔化的第~■材料保留在层置件50中。
[0052]图6示出了用于防止熔化的第二材料流出层叠件50的限制装置的另一示例。在该情形下，掩膜200置于第一层20的上表面20u的顶部，使得旋转工具70不能到达沿第一层20的上表面20u的周界20p延伸的边缘。因此，在该情形下在图6的阴影的表面上按压并平移旋转工具70。因为旋转工具70不到达第一层20的上表面20u的周界20p，接近层叠件50的边缘的第一材料的一些区域保持固态，防止了熔化的第二材料流出层叠件50。可替换地，由计算机或中央处理单元(CPU)控制的装置能够防止旋转工具70到达沿第一层20的上表面20u的周界20p延伸的边缘。
[0053]图7示出了用于防止熔化的第二材料流出层叠件50的限制装置的另一示例。在该情形下，第二层30的下表面30b保持固态。因此，第二层30的下表面30b达到的温度低于1^2。该固态表面能防止熔化的第二材料流出层叠件50。在本发明方法的优选实施方式中，如图7所示，第二层30包括液态区域31和固态区域32。图5?7所示的三个限制装置示例中的每一个均能够彼此结合。所以，可以将层叠件50放置在具有侧壁95的腔90中并在第一层20的上表面20u上提供掩膜200。可替换地，可以使用图6的掩膜200并选择试验参数，从而使得第二层30的下表面30b保持固态。
[0054]优选地，两个层(20，30)是两个金属层。这意味着第一层20和第二层30优选地包括金属材料。更为优选地，第一层20的第一材料是钢，而第二层30的第二材料是铝。在这种情形下，第一熔化温度Tnu通常范围在1300°C和1400°C之间，而第二熔化温度Tm，2可以是约660°C或更低。优选地，第一层20的第一材料在20°C的导热系数高于lW/(m*K)，且更优选地高于1W/ (m*K)。
[0055]优选地，第一材料的第一熔化温度Tnu高于Tm，2+50°C，其中Tm，2是第二层30的第二材料的第二熔化温度。更为优选地，TnuZ^2之比高于1.2，且更为优选地高于1.5。
[0056]优选地，第一层20的厚度&和第二层30的厚度t2范围在0.1mm至5mm之间，且更为优选地在0.3mm至2mm之间。还更为优选地是，h和t2范围在0.6mm至1.4mm之间。然而，可以使用厚度ti和t2的其他值。特别地，厚度t2可以使用任何值。
[0057]优选地，旋转工具70由包含硬质合金或碳化钨的材料制成。优选地，旋转工具70具有圆柱形，其外径范围在1mm至20mm之间，且更为优选地在12mm至16mm之间。
[0058]优选地，旋转工具70在第一层20的上表面20u的至少一个摩擦部分15上以范围在50mm/min至1000mm/min之间，且更为优选地在100mm/min至500mm/min之间的速度平移。通过使用高于500mm/min (且更为优选地平移速度等于1000mm/min)的速度，能够提高界面相的质量。而且，能够获得更小厚度的界面相。当第一层20和第二层30之间形成金属间层220时，通过使用旋转工具70范围在500mm/min至1000mm/min之间的平移速度减少它的厚度。更为优选地，该平移速度范围在200mm/min至400mm/min之间，且还更为优选地等于300mm/min。当在第一层20的上表面20u的摩擦部分15上的旋转工具70的平移速度增加时，在第一层20中引起的温度上升会减少。
[0059]优选地，旋转工具70的旋转速度范围在每分钟1000至4000转之间，更为优选地在每分钟2000至3000转之间，且还更为优选地等于每分钟2500转。
[0060]优选地，第一层20和第二层30的第一材料和第二材料使用如下组:
[0061 ] -ULC 钢(第一层 20)和 A12024 (第二层 30)；
[0062]-ULC 钢(第一层 20)和 A16061 (第二层 30)；
[0063]—FeV(33at的 V)—Al。
[0064]在实施本发明的方法之前，优选地将第一层20和第二层30进行表面处理。更为优选地，这些层(20，30)的至少一者可以是镀锌钢或阳极氧化铝。
[0065]现在提供采用本发明的方法焊接两个层的一些示例。对于这些示例，顶层20包括ULC(超低碳)钢，而第二层30包括高纯度的铝(铝1050:纯度99.5% )。第一层20的厚度ti等于0.8mm,而弟_■层30的厚度t2等于0.6mm。包含弟一层20和弟_■层30的层置件50紧紧地夹在底板上。在该情形下，第二层30不沿它整个厚度丨2熔化。因此，在该情形下限制装置包括第二层30的固态下表面30b。旋转工具70是包含碳化钨的且外径等于16mm的圆柱体。旋转工具70的旋转速度等于每分钟2000转。旋转工具70以相对垂直于第一层20的上表面20u的轴0.5°的角度α在第一钢层20的上表面20u上平移(见图4中角度α是如何定义的)。
[0066]图8和图9示出了根据本发明的方法焊接的两个层的微观结构图。对于这些实验，在焊接过程中沿层叠件的厚度(ti+t2)产生的温度廓线对应于曲线120或110。图8和图9是通过SEM(扫描电子显微镜)技术检测背散射电子(BSE)获得的图。这种技术为本领域技术人员所知。重元素(高原子序数)比轻元素(低原子序数)背散射电子更为强烈，从而在图上显得更亮。图8和图9显示的焊接的两个层具有之前段落详细描述的特性。图8 (图9)对应第一层20的上表面20u上的旋转工具70的平移速度等于200mm/min (400mm/min)的情形。其他试验参数在之前的段落已经详述。在图8和图9中均可看到第二铝层30的凝固结构210，紧挨着第一钢层20的交界面(第二铝层30的右部)。因此，铝已经在该区域210中熔化。在两个情形中(图8和图9)，紧挨着两个层(20，30)之间的边界形成包含Fe和Al的金属间层220。这种金属间层220表明第二层30的铝在铝和钢之间发生化学反应时已经熔化。当旋转工具70的平移速度等200mm/min(图8的情形)时,金属间层220的厚度大约为6 μ m。当旋转工具70的平移速度等400mm/min (图9的情形)时，金属间层220的厚度大约为3 μ m。图8和图9情形中的金属间层220的厚度的差异是由于第一层20的上表面20u上的旋转工具70不同的平移速度导致的。当旋转工具70以较低的平移速度在第一层20的上表面20u上平移时，旋转工具70下第二层30中的温度上升得更高。优选地，采用本发明的方法在第一层20和第二层30之间形成金属间层220的厚度范围在0.5μπι至1.5μπι之间。在图8和图9所示的示例中，金属间层220是第一层20和第~■层30之间界面相。
[0067]在另一个优选地实施例中，本发明的方法用于焊接三个层(见图10)。在该情形下，提供具有第三材料的第三层40。该第三材料具有高于第二层30的第二熔化温度Tm，2的第三熔化温度Tm，3。如图10所示，形成的层叠件50包括三个层(20，30，40)。第三层40的上表面40u接触并至少覆盖与第一接合表面10对应的第二层30的下表面30b的一部分。在图10中，假定第一接合表面10包括第一层20的整个下表面20b(或相当于摩擦部分15包括第一层20的整个上表面20u)。然而，如同图3所解释的那样，这对于本发明的方法不是必需的。在本发明焊接三个层的方法的优选实施方案中，在第一层20的上表面20u的至少一个摩擦部分15上按压并平移的旋转工具70将第二层30的下表面30b的温度提高到比第二层30的第二熔化温度L2更高的值。因此，在该情形下，第二层30在它的整个厚度t2熔化。上面给出了示例的限制装置可防止熔化的第二材料流出层叠件50。当将本发明的方法用于焊接三个层时，第二层30的厚度t2优选地范围在0.1mm至30mm之间，且更优选地在0.5mm至20mm之间。当将本发明的方法用于焊接三个层时，第一层20的导热系数优选地在20°C高于IW/ (m*K)，更为优选地在20°C高于1W/ (m*K)，且还更为优选地在20°C高于10W/(m*K)。当将本发明的方法用于焊接三个层时，第二层30的导热系数优选地在20°C高于IW/ (m*K)，更为优选地在20°C高于1W/ (m*K)，且还更为优选地在20°C高于100W/(m*K)。第三层40可以使用任何材料。优选地，第三层40的材料选自如下材料:陶瓷、聚合物、金属、半金属或半导体。
[0068]优选地，图10的第三层40的第三材料是钒。更有优选地，该第三材料是钢。
[0069]图11示出了当本发明的方法用于焊接这样三个层时，三个层(20，30，40)的微观结构图。这些图是通过使用BSE的SEM技术获得的。在该示例中，第一层20包括ULC钢，第二层30包括铝，而第三层40包括钒(99.8%的纯度)。图11的左部示出了第三层40和第二层30的部分,而图11的右部不出了第二层30和第一层20的部分。第一层20的厚度ti等于0.8mm ;第二层30的厚度t2等于0.6mm,且第三层40的厚度t3等于0.5mm。三个层(20，30，40)均为200mm长60mm宽。为焊接这三个层(20，30，40)，旋转工具70不在第一层20的整个上表面20u上平移。因此，该情形下的限制装置对应于防止旋转工具70到达沿第一层20的上表面20u的周界20p延伸的边缘的装置(且更为准确地，对应于用于将层叠件50保持在底板上的夹紧系统)。
[0070]从图11，可以看出铝第二层30在它的整个厚度&上熔化。还可以看到不同层的材料之间的化学亲和力强烈影响每个层(20，30，40)之间的金属间层220的厚度。第三层40和第二层30之间的金属间层220的厚度大约为I μ m,而第二层30与第一层20之间的金属间层220的厚度大约为50 μ m。
[0071]已按照具体实施例描述了本发明，这些实施例是说明性的，而不得解释为限制。更一般地说，本领域技术人员应理解本发明不被上文特定示出的和/或描述的内容限制。权利要求中的附图标记不限制其保护范围。动词“包括(to comprise) ”、“包含(toinclude) ”、“由…组成(to be composed of) ”或任何其他变形的使用，以及它们各自的结合不排除除了所陈述的要素之外的要素的存在。要素前使用的冠词“一个(a)”、“一个(an) ”或“所述/该(the) ”不排除多个这样的元件的存在。
[0072]总而言之，本发明也可描述如下。本发明的方法涉及一种将第一层20与第二层30焊接在一起的方法。第二层30的第二熔化温度TniJ低于第一层20的第一熔化温度Tnutl在通过将第一层20放置在第二层30的顶部形成层叠件50之后，在第一层20的上表面20u的至少一个摩擦部分15上按压并平移旋转工具70，从而使得第二层30的上表面30u的至少一部分所达到的温度高于第二熔化温度Tm，2。限制装置防止熔化的第二材料流出层叠件50。第一层20和第二层30的材料选自:金属、半金属或半导体。优选地，第一层20和第二层30中的至少一者是金属。最为优选地，层(20，30) 二者均是金属的。特别地，第一层20和第二层30优选地由铝、钢、铜和钒构成。
【权利要求】
1.一种在至少第一接合表面(10)上将至少两个层焊接在一起的方法，其包括如下步骤: (a)提供第一材料的第一层(20)，所述第一材料具有第一熔化温度Tnu，所述第一层(20)具有由第一层(20)的厚度h隔开的上表面(20u)和下表面(20b)； (b)提供第二材料的第二层(30)，所述第二材料具有第二熔化温度1^2，Tm，2低于第一熔化温度Tnu，所述第二层(30)具有由第二层(30)的厚度t2隔开的上表面(30u)和下表面(30b)； (c)通过堆叠第一层和第二层(20，30)形成层叠件(50)，使得第一层(20)的下表面(20b)接触并至少部分地与第二层(30)的上表面(30u)重叠以形成交界面(17)； (d)在第一层(20)的上表面(20u)的至少一个摩擦部分(15)上按压和平移，其中，与所述摩擦部分(15)对应的交界面(17)的部分限定了第一接合表面(10)，旋转工具(70)通过摩擦提升第一层(20)的上表面(20u)的所述至少一个摩擦部分(15)的温度，并通过第一层(20)的厚度^将热量传到第二层(30)，从而使得包含在所述第一接合表面(10)中的第二层(30)的上表面(30u)的至少一部分所达到的温度高于第二熔化温度！^; (e)提供限制装置，用于防止熔化的第二材料流出层叠件(50)； 其特征在于: 第一层(20)和第二层(30)的所述第一材料和所述第二材料选自如下材料:金属、半金属或半导体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:所述限制装置包括具有侧壁(95)的腔(90)，其中紧密放置有所述层叠件(50)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述限制装置防止旋转工具(70)到达沿第一层(20)的上表面(20u)的周界(20p)的至少一部分延伸的边缘。
4.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:所述限制装置包括第二层(30)的固态下表面(30b) ο
5.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:在第一层(20)和第二层(30)之间形成界面相，这种界面相具有不同于第一层(20)和第二层(30)的化学组分和/或不同于第一层(20)和第二层(30)的物理结构。
6.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:第一层(20)和第二层(30)的所述第一材料和所述第二材料中至少一者是金属。
7.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:所述至少两层是金属层。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于:在第一层(20)和第二层(30)之间形成金属间层(220)。
9.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:所述第一材料是钢而所述第二材料是铝。
10.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:第一熔化温度与第二熔化温度之比Tmj/Tm』闻于1.2 ο
11.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:第一层(20)的厚度tl与第二层(20)的厚度t2范围在0.3mm至2mm之间。
12.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:旋转工具(70)由包含硬质合金的材料制成。
13.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:旋转工具(70)为外径范围在1mm至20mm之间的圆柱形。
14.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:旋转工具(70)在第一层(20)的上表面(20u)的所述至少一个摩擦部分(15)上以范围在50mm/min至1000mm/min之间，且优选地以100mm/min至500mm/min之间的速度平移。
15.如前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于:所述旋转工具(70)的旋转速度范围在每分钟1000至3000转之间。
16.如权利要求1至3或5至15中任意一项所述的方法,其特征在于: 所述方法在步骤(b)和(c)之间进一步包括提供第三材料的第三层(40)的步骤，所述第三材料具有高于第二层(30)的第二熔化温度Tm，2的第三熔化温度Tm，3，所述第三层(40)具有上表面(40u)和下表面(40b);其中在步骤(c)中: 层叠件(50)进一步包括所述第三层(40)，从而使得第三层(40)的上表面(40u)接触且至少覆盖与第一接合表面(10)对应的第二层(30)的下表面(30b)的部分；且其中在步骤⑷中:旋转工具(70)将第二层(30)的下表面(30b)的温度提高到高于第二熔化温度Tm，2的值。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于:所述第三材料是钒。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于:所述第三材料是钢。
【文档编号】B23K20/12GK104284750SQ201380021059
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年4月29日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】帕斯卡·雅克, 卡米尔·万德瑞斯特, 奥德·斯马尔 申请人:鲁汶大学