异种材料的连接方法、连接装置及连接结构的制作方法

专利名称：异种材料的连接方法、连接装置及连接结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及连接异种材料或具有不同熔点的材料如钢材和铝合金板的技术。具体地，本发明涉及连接异种材料的方法，该方法通过在移动高能束的同时用该高能束对高熔点材料表面进行照射，使得该高熔点材料和低熔点材料以线形式连接，并涉及用于该连接的连接装置和通过该连接方法连接的异种材料的连接结构。
背景技术：
通常，在连接异种材料时，若采用与焊接相似材料的情况类似的方法熔化两种要连接的材料，将产生脆性的金属间化合物。因此，异种材料之间不能获得足够的连接强度。例如，在连接异种金属铝合金和钢的情况下，将产生硬且脆的金属间化合物如Fe2Al5和FeAl3。为确保足够的连接强度，需要控制这样的金属间化合物。
然而，在铝合金表面上存在形成的致密且高强度的氧化膜。对于连接，去除该氧化膜需给以大量的热量，由此导致厚的金属间化合物层的生长。因而连接部分强度低。
如上所述，连接异种材料需在精确控制金属间化合物生长的情况下进行。因而，尝试了采用允许精确控温的高能束如电子束或激光束作为外部热源用于加热的方法。
为控制该脆性金属间化合物的产生，通过以下方法实现利用高能束搭接异种材料。首先，利用散焦高能束照射高熔点材料。然后，通过由该高熔点材料的热传递熔化低熔点材料，使得该高熔点材料和低熔点材料相互连接(见“PREPRINTS OF THENATIONAL MEETING OF JAPAN WELDING SOCIETY”，Japan welding society，p.152，Vol.72，April 2003)。在该方法中，控制焊接条件使得仅有一种材料(低熔点材料)在连接界面熔化，以利用材料的扩散实现连接。因而可抑制金属间化合物层的生长，且其厚度可以较薄。因此，可认为能够使连接处单位面积的强度高于在通过熔化两种材料连接的情况下的强度。

发明内容
然而，为通过控制连接界面中金属间化合物的产生来得到合适的连接强度，需要极精准地控制连接条件。此外，合适的连接条件的范围极窄。因而，即使如上所述采用条件相对容易控制的高能束作为热源，上述方法也难于在工业上投入实际应用。
针对利用高能束连接异种材料中的上述问题，作出了本发明。本发明的一个目的是提供连接异种材料的方法，在该方法中可提高连接强度，且即使致密的氧化膜插入连接界面中，也可将该氧化膜从连接部中去除而无需使用大量热量。本发明的另一目的是提供适用于此异种材料连接方法的异种材料连接装置，以及通过该方法得到的异种材料的连接结构。
本发明的第一个方面是提供连接异种材料的方法，该方法包括利用插至高熔点材料和低熔点材料两者之间的第三种材料将高熔点材料搭接到低熔点材料上，该低熔点材料的熔点低于高熔点材料的熔点，该第三种材料不同于此高熔点和低熔点材料；并将高能束照射至该高熔点材料上，然后向该高熔点和低熔点材料施加压力，以在该高熔点和低熔点材料的至少一种与该第三种材料之间造成共晶熔化，并将该高熔点和低熔点材料以线形式连接。
本发明的第二个方面是提供连接异种材料的装置，该装置包括照射头，其被设置为相对于要连接的材料移动，该材料包括高熔点材料；低熔点材料，其搭接在该高熔点材料上且熔点低于该高熔点材料的熔点；和该高熔点和低熔点材料之间的第三种材料，该照射头在相对移动的同时将能量束照射到高熔点材料的连接部上；以及压力辊，其设置在沿照射点移动方向在能量束照射点之后，该压力辊向该高熔点材料的被照射的连接部和该低熔点材料的连接部施加压力，以在该高熔点和低熔点材料之中的至少一种与该第三种材料之间引发共晶熔化，并将该高熔点和低熔点材料以线形式连接。
本发明的第三个方面是提供异种材料的连接结构，该结构包括高熔点材料；熔点低于该高熔点材料熔点的低熔点材料，其中利用插在该高熔点材料和该低熔点材料两者之间的第三种材料将该高熔点材料搭接在该低熔点材料上，从而使该高熔点和该低熔点材料相连，该第三种材料不同于该高熔点和该低熔点材料；和将能量束照射在该高熔点材料上，然后对该高熔点和低熔点材料施加压力，以在该高熔点和低熔点材料之中至少一种与该第三种材料之间引发共晶熔化，并使该高熔点和低熔点材料以线形式连接，该高熔点和低熔点材料的新表面相互直接连接或通过反应层连接，该反应层由该第三种材料与高熔点和低熔点材料中的至少一种形成，废料在该高熔点和低熔点材料连接部的周围排出，该废料至少包括第三种材料、源自高熔点和低熔点材料的组分、氧化膜、以及搭接、照射、施压中产生的反应产物中的至少一种。


现将参照附图对本发明进行描述，其中图1为显示Al-Zn二元相图中的共晶点的曲线图；图2为显示根据本发明的连接异种材料工艺的示意图；图3为显示本发明连接装置的一个实例的示意图；
图4为显示本发明的一种连接方法中连接期间的温度分布曲线图；图5为显示本发明连接方法中使用两个压力辊时的温度分布曲线图；图6为显示本发明连接方法中使用具有凸形圆周表面的压力辊时排出废料处的说明图。
图7为显示本发明连接方法中对要连接的材料之一设置排出促进部时排出废料处的状态说明图。
图8为显示本发明连接方法中对要连接的材料之一设置另一具有不同形状的排出促进部时排出废料处的状态说明图。
图9为显示作为本发明连接方法的一个实例的钢制车体构件和铝顶板连接结构的实例的截面示意图；图10为沿图9A-A线的截面示意图；图11为图9主要部分的放大示意图；图12为显示图9所示的连接结构中弯曲部的另一形状的截面示意图；图13为显示钢制车体构件与铝顶板连接结构另一实例的截面示意图；及图14为显示以铆钉方式连接钢制车体构件与铝顶板的连接结构的一个实例的截面示意图。
具体实施例方式
以下将主要以铝合金板和镀锌钢板的连接为例描述本发明。
图1为显示铝(Al)-锌(Zn)体系的二元相图。如图1所示，Al-Zn体系中的共晶点(T1)为655K，共晶反应在远低于铝熔点933K的温度下发生。
本发明中，利用该图中所示的共晶点引发Al和Zn的共晶熔化，并在连接铝材中用于连接作用，如去除氧化膜和互扩散。由此可使连接在低温下进行，因而可极为有效地抑制连接界面中金属间化合物的生长。
在此对共晶熔化进行描述。共晶熔化意指利用共晶反应进行熔化。特别地，在通过两种类型的金属(或合金)互扩散产生的互扩散区的组合物为共晶组合物的情况下，当维持温度等于或高于共晶温度时，通过共晶反应形成液相。例如，在铝和锌的情况下，当铝和锌的熔点分别为933K和692.5K时，以上两种金属的共晶合金在655K熔化，该温度低于以上两种金属的熔点。因而，当两种金属经清洁的表面相连接并持续加热至655K或更高温度时，发生反应，其被称为共晶熔化。在此情况下，共晶组合物包括5％的铝和95％的锌。共晶反应本身是不依赖于合金组成的固定变化。此外，合金组合物仅影响共晶反应的量。
另一方面，在铝材表面上有氧化膜。铝材中发生的塑性形变将对该氧化膜造成物理破坏。通过高能束照射加热并在加热后立即在预定温度下加压，造成铝材的塑性形变。此外，将氧化膜通过电和热冲击破坏。
在本发明中，通过以下原理获得要连接的连接材料。首先，通过加热和加压，使要连接材料表面中的微观凸起在高温下相互摩擦。因而部分氧化膜被物理破坏。在该被破坏的部分中，从使得铝和锌相互接触的部分开始发生共晶熔化。在其周围，通过由于共晶熔化产生的液相使得氧化膜破坏、分解。此外，反应进一步发生，共晶熔化在整个界面蔓延。以此方式促进氧化膜的破坏和通过液相的连接。
通过互扩散自动获得共晶组合物，无需对其进行控制。基本条件是具有低熔点的共晶反应在两种类型的金属或合金之间发生。在铝和锌发生共晶反应的情况下，当采用Zn-Al合金代替锌时，合金中需要含有至少95％的锌。
作为连接异种材料的方法，图2显示连接镀锌钢板(高熔点材料)和铝合金板(低熔点材料)的一个实例。
首先，如图2(a)所示，准备镀锌钢板1和铝合金板2。镀锌钢板1至少在连接界面侧的表面中包括镀锌层1p。该镀锌层1p起到与Al一起形成共晶的第三种金属材料的作用。
接着，如图2(b)所示，使镀锌钢板1和铝合金板2相互搭接，镀锌层1p处于内侧。在铝合金板2表面上产生氧化膜2c。另外，采用高能束如电子束或激光束照射该镀锌钢板1，当连接界面达到预定温度范围时，施加压力以对连接表面加压。如图2(c)所示，然后，由于受压、热冲击等产生的塑性形变，局部破坏要连接材料的表面中微观接触部分处的氧化膜2c，氧化膜2c被局部破坏产生破坏部分2d。
氧化膜2c的破坏导致锌和铝之间的局部接触。根据此时的温度状况，如图2(d)所示，发生锌和铝的共晶熔化。因此废料将从连接部中排出(沿箭头方向)。该废料包括锌、源自要连接材料的组分、氧化膜2c、连接过程中产生的共晶熔化合金3中的至少一种。杂质的排出使预定的连接面积得到保证。因而，如图2(e)所示，铝合金板和钢板的新表面通过极薄的反应层4直接相连，从而为钢板1和铝合金板2提供了一种强金属连接。在某些情况下，在反应层4和钢板1之间产生薄的锌扩散层，取决于材料和连接条件。然而，该扩散层对连接强度基本没有影响，且不会产生实际问题。
在本发明连接异种材料的方法中，要连接材料的特定组合可为钢板和铝合金板的组合。此时，对插入该两种材料之间的第三种材料并无特殊限制，只要此第三种材料与铝合金一起形成低熔点共晶即可。第三种材料的实例可为锌(Zn)、铜(Cu)、锡(Sn)、银(Ag)和镍(Ni)。这些金属和铝的共晶合金在等于或低于铝合金基材熔点的温度下熔化。因而，在更可能产生脆性金属间化合物的钢板和铝合金板的连接中，可在低温下去除氧化膜，并可抑制连接界面中金属间化合物的产生，因而提供强的连接。
此外，当假定本发明的连接方法应用于车体装配时，大多数要连接材料的组合为钢材和铝材的组合。然而，未来可认为要连接材料的组合包括钢材和镁材的组合以及铝材和镁材的组合。
类似稍后描述的实例，可通过在镁和钢上的镀锌之间引发共晶反应来进行钢材和镁材的连接。此外，在连接铝材和镁材的情况下，锌或银也可用作第三种材料。
本发明中，无需将第三种材料限定为上述纯金属。存在二元合金和三元合金的共晶金属，并且第三材料可为包含至少一种上述金属的合金。
在本发明连接异种材料的方法中，如上所述，将与要连接的材料一起引发共晶反应的第三种材料插入将要连接的异种材料之间，以在连接时引发共晶熔化。在要连接的材料之间插入第三种材料的具体方法是期望将第三种材料镀在要连接材料的至少一种上。由此可去掉将第三种材料作为插入材料插入被连接材料之间的工艺过程，从而提高工作效率。此外，在将通过共晶反应熔化的镀层和表面的杂质一起排至连接部的外围后，从镀层下面露出极为洁净的新表面。由此可提供强连接。
在铝或镁合金材料与钢材之间的异种材料的上述连接中，钢材可为镀锌钢板，在其表面中含有镀锌。锌可与铝或镁一起形成低熔点共晶。在此情况下，无需进行新的电镀和专门的准备，可直接采用可商购的普通的防锈镀锌钢材。因而可能很容易以低成本提供异种材料的强连接。
本发明连接异种材料的方法是沿预定的连接线线形连接要连接材料的连接部。术语“线形”在此不必仅指实线也指间断线(虚线)。
对于这种线形连接，将高能束如电子束或激光束在移动的同时连续或间断地照射在高熔点材料上。此外，期望通过压力辊在能量束的移动方向中在能量束照射点之后将压力连续或间断地施加至连接部。压力辊置于跟随高能束的位置。除了通过高能束精确控温以外，利用压力辊施加压力，从而使要连接的材料牢固地相互粘结。换句话说，上述操作导致要连接的材料表面中的氧化膜局部破坏，由此促进了共晶反应。此后，在低温下通过共晶反应将氧化膜去除，使新表面连续或非连续地彼此相连。此时高能束的移动为相对运动。可移动能量束的照射头和压力辊，或可移动要连接的材料。在某些情况下，照射头和压力辊以及要连接的材料均可移动。
值得注意的是沿移动方向可放置多个压力辊。从而，共晶反应的作用、反应产物排出以及扩散焊接的作用可分配给不同的压力辊。由此可使焊接高速进行并提高工作效率。
图3显示用于上述异种材料连接的装置的实例。图3所示的用于异种材料的连接装置10包括照射头11和压力辊13。照射头11发射YAG激光束，即一种高能束。压力辊13与照射头11通过插入两者之间的导向器连接，使其可垂直移动。导向器12包括气缸。可通过调节充入上述气缸的气压控制压力辊13向材料1和2施加的压力。
如上所述，压力辊13连接至照射头11，并随激光束B的移动而移动。具体地，在离激光束B一定距离的位置对要连接的材料1和2加压的同时，压力辊13可移动。当要连接的材料为平面的、甚至当要连接的材料如车体为三维的时，压力辊13可跟随激光照射的位置。连接装置10通过相对于镀锌钢板1和铝合金板2沿图中箭头方向移动，可连续或非连续地以线形式连接镀锌钢板1和铝合金板2。
除了图中所示组件，连接装置10还包括各种控制器和调节器，其可调整照射角、激光束B的位置及照射位置和受压位置之间的距离。
图4显示激光束B和压力辊13的构型，以及按照激光束B和压力辊13的位置，在连接界面中的温度分布。在图4中，首先将镀锌钢板1搭接在铝合金板2上，两者之间通常可产生微小的间隙。然后，以散焦，即在材料表面之前聚焦的激光束B照射作为高熔点材料的镀锌钢板1。具体地，激光束B在连接界面中的温度处于如下温度范围的条件下进行照射在该温度范围内，钢板1不熔化且作为表面镀层的锌不蒸发，即该温度范围不高于锌的沸点T2。其后，通过压力辊13施加预定压力，使得铝合金板2和镀锌钢板1发生塑性形变，并牢固地相互粘结。此时，通过高温下镀锌钢板1的热量传递，提高了连接表面中铝合金板2的温度。为了焊接，控制激光束B和压力辊13的移动速度，使施压处的温度达到铝和锌的共晶温度T1或比此更高的温度。
图5显示包括多个压力辊(图5中为两个压力辊)的构型，以及按照激光束B和压力辊13a、13b的位置，在连接界面中的温度分布。将镀锌钢板1搭接在铝合金板2上，两者之间通常产生微小的间隙。然后，以散焦激光束B照射作为高熔点材料的镀锌钢板1。此时，以与图4所示装置相似的方式，激光束B在这样的条件下进行照射在该条件下，连接界面中的温度在不高于锌沸点T2的温度范围内，在此温度范围内，该钢板1不熔化，表面镀层中的锌不蒸发。其后，由第一个压力辊13a施加预定的压力，使铝合金板2和镀锌钢板1发生塑性形变，并牢固地相互粘结。然后，通过由镀锌钢板1的热量传递提高连接表面中铝合金板2的温度。此时，控制激光束B和第一压力辊13a、第二压力辊13b的移动速度，使连接界面中的温度达到铝和锌的共晶温度T1或比此更高的温度。铝和锌因此发生共晶反应，通过用第一压力辊13a施压，使得共晶熔化合金、氧化膜、连接界面中的杂质从连接界面排至连接部的外围。
在此，由第二压力辊13b对连接界面进一步施压。因而，在有效进行扩散焊接的预定压力和温度T3下，去除了杂质的活性新表面牢固地相互粘结，由此可提供强焊接。
在本实施方案中，提供了主要在共晶反应和排出中起作用的第一压力辊13a，和主要在排出和压力接触中起作用的第二压力辊13b，以分担职责。由此使得焊接可高速进行，从而提高了工作效率。
在本发明连接异种材料的方法中，如图2所示，首先，发生共晶反应。其后，氧化膜、连接界面中的杂质等和共晶熔化金属一起从连接界面处排至连接部的外围。由此使得要连接的材料的新表面可直接发生反应，从而提供强连接。因而，在连接过程中，重要的是如何确保氧化膜等在短时间内从连接界面处排出。例如，压力辊的表面配置具有在中央部凸起的截面，该压力辊与其中一种要连接的材料接触。由此更易于排出共晶熔化合金、氧化膜、杂质等，从而在新表面间提供强连接。
图6显示压力辊13的外周面具有具有曲率的凸曲面P的压力辊13，其凸曲面为与要连接的材料之一接触的表面。如图6(a)所示，镀锌钢板1和铝合金板2相互搭接，散焦激光束B照射于其上。如图6(b)所示，然后，通过具有凸表面的压力辊13对激光束B照射部分施加压力。因此在连接界面发生共晶熔化，包含氧化膜和连接界面中杂质的废料6很容易地从连接部排出。因而，异种材料1和2通过新表面直接相连，从而可获得强金属连接。
优选至少在激光束照射位置之后，提供外周部具有这种凸曲面P的压力辊，使其作为用于共晶反应和排出的辊。特别地，这种辊优选用作如图5所示的第一压力辊13a。
此外，出于与如上所述相同的观点，优选为要连接材料的一方或双方的连接部设置排出促进部，以便于排出废料。
作为这种排出促进部的实例，图7所示的实例中，在镀锌钢板1的连接部中预先形成在连接界面侧隆起的凸起E。凸起E可由沿焊接线连续提供的凸起或多个非连续的凸起构成。
特别地，如图7(a)所示，首先，镀锌钢板1搭接在铝合金板2上，该镀锌钢板1包含向铝合金板2凸出的凸起E。其后，散焦激光束B照射到凸起E上。之后，立刻由压力辊13施加预定的压力，使两种材料1和2发生塑性形变并牢固地相互粘结。此时，由于在镀锌钢板1中形成凸起E，通过压力辊13施加压力，包含氧化膜、连接表面中的杂质的废料6和共晶熔化合金一起可很容易从连接界面排出到连接部的外围。因而，铝合金和钢的新表面直接相连，从而提供强金属连接。
甚至在此情况下压力辊为普通圆筒压力辊时，也和具有凸曲面P的压力辊一样，可获得良好的排出性能。如图所示的实例中，为镀锌钢板1提供凸起E，但可能在铝合金板2或在该材料1和2的每一种中均形成凸起E。
作为排出促进部的另一实例，图8所示的该实例中，在镀锌钢板1的连接末端形成向远离铝合金板2的方向弯曲的弯曲部C。如图8(a)所示，在镀锌钢板1连接部的末端预先形成弯曲部C。然后将镀锌钢板1搭接在铝合金板2上。散焦激光束B照射在弯曲部C上，通过压力辊13使两种材料立即牢固地相互连接。这样有利于废料6从连接界面排出至连接末端，从而提供强金属连接。
此外，本发明的连接方法可以如下方式进行。在低熔点材料的连接末端形成弯曲部，然后通过高能束经由弯曲部形成的间隙对高熔点材料进行照射。因此，高能束可从低熔点材料一侧照射到高熔点材料上，从而大大扩展了焊接工作中的灵活性。
为了通过减小车体重量来降低燃料消耗并提高驱动性能，需要采用轻合金如铝合金作为车体板的车体结构。此外，用轻合金制成顶板可使车体的重心更低，由此提高动力性能。在用轻合金制成顶板的情况下，由铝合金制成的顶板搭接在构成车底架的钢构件上。其后，激光束只得从车体外侧，即从铝合金一侧进行照射。因而，对其无法应用上述连接异种材料的方法。
因而，实际上，通过从铝合金一侧插入的铆钉进行装置固定，将铝合金制成的顶板连接到钢制的车架构件上。然而，该方法可能提高重量或成本，或在某些情况下限定了外部设计的灵活性。
图14显示通过这种铆接固定的异种金属板的连接结构的实例。通过焊接内钢轨51和外钢轨52制成车体构件50。由轻合金制成的顶板53搭接在车体构件50上。然后，从顶板一侧将多个铆钉R插入车体构件50的连接凸缘(flange)55，由此以点形式连接顶板53和车体构件50。这种铆钉R的插入需要来自车内部的支撑(沿图中箭头方向)。这样降低了设计连接凸缘55位置的灵活性。此外，使凸缘宽度W0宽于铆钉R的直径，并且外部设计被劣化。
另一方面，在本发明的连接方法中，在低熔点材料的连接未端形成弯曲部，通过由弯曲部形成的间隙，将高能束照射到高熔点材料上。因而，可通过从低熔点材料一侧用高能束照射来进行采用共晶熔化的本发明的连接方法。
图9显示本发明中将钢制车体构件和轻合金制顶板连接的实例。通过焊接内钢轨21、外钢轨22及钢质外侧面23制成车体构件20。铝合金制成的顶板25搭接在车体构件20上。车体构件20包括用于连接的倾斜面23a。外侧面23由表面镀锌的镀锌钢板制成。其它钢构件当然可由镀锌钢板制成。
另一方面，在铝合金制成的顶板25中凸缘的末端形成弯曲部25a。散焦激光束B可从弯曲部25a的敞开侧照射到外侧面23的倾斜面23a上。
设置压力辊13，以向着被激光束B加热的倾斜面对弯曲部25a施压。
图10为沿图9A-A线的截面图。设置激光束B和压力辊13，以使其相对车体构件20移动。图11为图9主要部分的放大图。首先，如图11(a)所示，激光束B通过弯曲部25a末端和倾斜面23a之间形成的间隙，从顶板25一侧照射到倾斜面23a上。然后将倾斜面23a的连接部附近加热到预定温度。刚好在激光束后，如图11(b)所示，通过压力辊13的加压向着倾斜面23a对顶板25的翘曲25a施加压力。这样弯曲部25a牢固地粘结到外侧面23的倾斜面23a上。然后，通过来自外侧面25的热量传递，将连接界面保持在发生共晶反应的温度下，并通过压力辊13对其进一步施加压力。以这样的方式，将顶板25连接到车体构件20的外侧面23上。
在此，钢结构构件的车体构件20的刚性远高于铝合金制成的顶板25的弯曲部25a的刚性。因而，无需从车内部提供支撑来抵抗由压力辊13施加的压力。因而，可比较自由地设定顶板25和车体构件20的连接位置和连接结构。从而，可提高设计的灵活性，并可使连接凸缘的宽度变窄(W1)。
此时，顶板25的弯曲部25a的形状不仅仅局限于图11所示的具有曲率的弯曲形。例如，如图12所示，顶板25可包括各种形状的弯曲部，如凸向外侧面23一侧的凸起弯曲部25b。
图13显示钢制车体构件和轻合金制顶板连接的另一实例。通过焊接内钢轨21和外钢轨22制成车体20。铝合金制成的顶板25从车体构件20上面延伸至车体构件20末端附近。以与上述说明相似的方式，将顶板25连接到外轨道22中形成的倾斜面22a上。
此后，将基于实施例具体描述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
(实施例1)如图3所示，将厚度为0.55mm的镀锌钢板1(高熔点材料，镀锌厚度约5μm)搭接到厚度为1.0mm的6000系列铝合金板2上(低熔点材料)。其后，通过照射头11从钢板1一侧，将YAG激光束B照射到钢板1上，同时通过压力辊1 3刚好在激光束B后施加压力。此时，照射头11和压力辊13相对于材料1和2沿图中箭头方向移动，从而以线形式连续连接材料1和2。
连接条件如下采用最大功率为3kW的YAG激光振荡器和具有焦距为150mm的透镜；且激光束B被散焦，以使镀锌钢板1表面上的光斑直径为3.5mm。此外，利用输出为1.0kW的YAG激光进行焊接；移动速度为1.0m/min；压力辊13施加的压力为100MPa。此外，在激光照射过程中，氩气(惰性气体)从喷嘴以25L/min的流速流动，此喷嘴与激光束B同轴，以保护连接区域。
然后，从所得连接产品上切割一个大的样品。根据连接的宏观组织的观察，铝合金和钢的新表面直接相连。此外，发现由氧化膜和反应产物如共晶熔化合金组成的废料排至连接的每一侧。
(实施例2)如图9所示，对钢制车体构件20(高熔点材料)和铝合金制成的顶板25(低熔点材料)进行连接。
构成车体构件20的内轨21、外轨22以及外侧面23均由镀锌钢板制成，厚度分别为1.2mm、1.4mm和0.55mm。其锌镀层的厚度约为5μm。
另一方面，铝合金制成的顶板25由厚度为1.0mm的6000系列铝合金板组成。在凸缘末端形成曲率为12mm的弯曲部25a。因此，当顶板25搭接在车体构件20上时，在顶板25和外侧面23之间形成5μm的间隙。
如图10和11所示，在通过由弯曲部25a形成的间隙由位于铝合金顶板25侧的照射头照射到倾斜面23a上的同时，移动Nd:YAG激光束。此外，通过压力辊13施加压力，将顶板25的弯曲部25a压向倾斜面23a。从而，顶板25凸缘的末端和外侧面23以连续的线形式连接。
此时，采用最大输出为3kW的YAG激光振荡器和焦距为150mm的透镜。此外，激光照射后，通过压力辊13，使得弯曲部25a牢固地粘结到外侧面23上。激光输出、进料速度和压力辊的压力分别设定为0.8kW、0.7至1.0m/min和120MPa，使得连接界面处的温度达到引发共晶熔化的温度。激光束B为散焦照射，使得外侧面23表面上的光斑直径为3.5mm。此外，在激光辐射过程中，氩气以25L/min的流速流动，以保护连接部。
然后，从所得连接产品上切割一个大的样品。与以上实例相似，连接组织的观察显示可获得良好的连接结构。
这里将申请日为2005年12月6日的日本专利申请No.P2005-351851的全部内容引入作为参考。
尽管通过参照本发明的某些实施方案对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述实施方案，根据本文的教导，对这些实施方案的改进是本领域熟练技术人员显而易见的。本发明的范围参考以下权利要求限定。
权利要求
1.一种连接异种材料的方法，其包括利用插入高熔点材料和低熔点材料两者之间的第三种材料将所述高熔点材料搭接到所述低熔点材料上，所述低熔点材料的熔点低于所述高熔点材料的熔点，所述第三种材料不同于所述高熔点材料和所述低熔点材料；且将能量束照射在所述高熔点材料上，然后向所述高熔点材料和所述低熔点材料施加压力，以在所述高熔点材料和所述低熔点材料的至少一种与所述第三种材料之间引发共晶熔化，并使所述高熔点材料和所述低熔点材料以线形式连接。
2.根据权利要求1所述的连接异种材料的方法，其中，用所述第三种材料对所述高熔点材料和所述低熔点材料中的至少一种进行镀覆。
3.根据权利要求2所述的连接异种材料的方法，其中，所述高熔点材料和所述低熔点材料之一为钢板，所述第三种材料为钢板上的镀锌。
4.根据权利要求1所述的连接异种材料的方法，其中，所述能量束在相对于所述高熔点材料和所述低熔点材料移动的同时进行照射，并通过压力辊对所述高熔点材料和所述低熔点材料施加压力，所述压力辊沿照射点移动的方向设置在能量束照射点后。
5.根据权利要求4所述的连接异种材料的方法，其中，采用多个所述压力辊对所述高熔点材料和所述低熔点材料施加压力。
6.根据权利要求4所述的连接异种材料的方法，其中，与所述高熔点材料和所述低熔点材料之一接触的压力辊的表面为凸曲面。
7.根据权利要求1所述的连接异种材料的方法，其中，在所述高熔点材料的连接部和所述低熔点材料的连接部的至少一种的周围设置排出促进部，此排出促进部将便于废料的排出，所述废料包括所述第三种材料、源自所述高熔点材料和所述低熔点材料的组分、氧化膜、以及搭接、照射、施压中产生的反应产物中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的连接异种材料的方法，其中，将所述低熔点材料的连接部弯曲，以沿远离所述高熔点材料的方向形成弯曲部，通过由此弯曲部形成的间隙，将能量束照射在所述高熔点材料上。
9.根据权利要求1所述的连接异种材料的方法，其中，在所述低熔点材料和所述第三种材料之间发生共晶熔化。
10.根据权利要求9所述的连接异种材料的方法，其中，所述能量束将所述高熔点材料加热到所述高熔点材料不熔化、所述第三种材料不蒸发并且在所述低熔点材料和第三种材料之间发生共晶熔化的温度。
11.一种连接异种材料的装置，其包括照射头，其被设置为相对于要连接的材料移动，所述材料包括高熔点材料；低熔点材料，其搭接在所述高熔点材料上且熔点低于所述高熔点材料的熔点；和在所述高熔点材料和所述低熔点材料之间的第三种材料，所述照射头在相对移动的同时将能量束照射到高熔点材料连接部上；以及压力辊，其设置在沿照射点移动方向在能量束照射点之后，所述压力辊对所述高熔点材料的被照射的连接部和所述低熔点材料的连接部施加压力，以在所述高熔点材料和所述低熔点材料的至少一种与所述第三种材料之间引发共晶熔化，并将所述高熔点材料和所述低熔点材料以线形式连接。
12.根据权利要求11所述的连接异种材料的装置，其中，沿移动方向设置多个压力辊。
13.根据权利要求11所述的连接异种材料的装置，其中，与所述高熔点材料和所述低熔点材料之一接触的压力辊表面为凸曲面。
14.根据权利要求11所述的连接异种材料的装置，其中，所述能量束将所述高熔点材料加热到所述高熔点材料不熔化、所述第三种材料不蒸发并且在所述低熔点材料和所述第三种材料之间发生共晶熔化的温度。
15.一种异种材料的连接结构，其包括高熔点材料；和具有熔点低于所述高熔点材料熔点的低熔点材料，其中利用插在所述高熔点材料和所述低熔点材料两者之间的第三种材料将所述高熔点材料搭接在所述低熔点材料上，从而使所述高熔点材料和所述低熔点材料相连，所述第三种材料不同于所述高熔点材料和所述低熔点材料；和将能量束照射在所述高熔点材料上，然后对所述高熔点材料和所述低熔点材料施加压力，以在所述高熔点材料和所述低熔点材料的至少一种与所述第三种材料之间引发共晶熔化，并将所述高熔点材料和所述低熔点材料以线形式连接，所述高熔点材料和所述低熔点材料的新表面相互直接连接或通过反应层连接，所述反应层由所述第三种材料与所述高熔点材料和所述低熔点材料中的至少一种形成，废料在所述高熔点材料连接部和所述低熔点材料连接部周围排出，所述废料包括所述第三种材料、源自所述高熔点材料和所述低熔点材料的组分、氧化膜、以及搭接、照射、施压中产生的反应产物中的至少一种。
16.根据权利要求15所述的异种材料的连接结构，其中，所述低熔点材料为轻合金板，所述高熔点材料为钢板构成的车体构件，所述第三种材料为钢板上的镀锌。
17.根据权利要求16所述的异种材料的连接结构，其中，通过弯曲所述低熔点材料的连接部，使其在远离所述高熔点材料的方向形成弯曲部，并经由所述弯曲部形成的间隙将所述能量束照射在所述高熔点材料上，将所述高熔点材料和所述低熔点材料相连。
全文摘要
本发明的连接异种材料的方法具有利用插在高熔点材料和低熔点材料两者之间的第三种材料将高熔点材料搭接在低熔点材料上的步骤。第三种材料不同于高熔点和低熔点材料。此外，该方法具有将能量束照射在高熔点材料上的步骤，和对高熔点和低熔点材料施压的步骤，以在高熔点和低熔点材料之中的至少一种和第三种材料之间引发共晶熔化，并使高熔点和低熔点材料以线形式连接。
文档编号B23K20/24GK1978119SQ20061016097
公开日2007年6月13日 申请日期2006年12月6日 优先权日2005年12月6日
发明者中川成幸, 粕川实, 宫本健二, 井上雅之 申请人:日产自动车株式会社