连接基片的放热线的制作方法

专利名称：连接基片的放热线的制作方法
连接基片的放热线 本申请的交叉引用本发明要求申请日为2005年4月4日的第60/667,999号美国临时申请 的优先权。发明领域本发明涉及一种形成可用于各种场合的放热材料并将放热材料用于将气 缸盖永久密封于内燃机中的机体上的改进方法。
背景技术：
反应型多层薄片和涂层广泛用于各种要求在平面区域产生可控量的热的 场合。这种结构通常包括一系列基片支撑层，这些基片支撑层在适当激励之 下，经历扩展在其覆盖区域上的放热化学反应，并因此正好产生可控量的热。 这样的放热化学材料作为专业焊接、锡焊和铜焊操作的热量来源，非常有用。 当然，这些放热化学材料也可用于其他要求产生局部可控热的场合，例如燃 烧装置的引物。反应型多层材料允许进行发热可控且一致的放热反应。这种反应背后的 基本驱动力是原子键能的减少。当点燃该反应型材料，这些截然不同的层原 子混合，局部产生热。该热引燃该结构的相邻区域，从而允许该反应进行至 该结构的整个长度，产生热量直至所有材料都进行了反应。除反应型涂层外，曾尝试通过冷轧发展独立式的反应型涂层。通过冷轧 镍铝双层板以及随后重复的手动折叠和重复的冷轧，形成镍-铝多层反应型薄 片。将第一双层带轧成其初始厚度的一半后，再一次折叠该双层带，以恢复 其初始厚度，并将层数翻倍。这一过程重复数次。这种轧制薄片的制造方法需要耗费大量时间，且操作困难。其轧制道次 引入了润滑油和其他污染物，使得每一道次后都必须清洁轧制材料的表面。而且，板材的手动折叠使其不易进行大批量生产。 一旦轧制许多金属层，这 些层会被反冲，导致层的分隔以及最终得到的薄片的降格。这样的分隔还将 导致通过冷焊进行不需要的夹层表面氧化，并阻止金属层的一致化。因此，需要提供制造反应型多层材料特别是大批量生产应用中所需反应 型多层材料的改进方法。发明内容本发明包括一种制造多线束放热装置的方法，该多线束放热装置用于在 其线束之间蔓延放热反应以响应初始热冲击。该方法包括下列歩骤提供拉 长的第一线和第二线，该第一线和第二线各自的组成金属材料各具有大致圆 形的横截面；在无氧化性环境中通过各自缩径模冷拉所述第一和第二线；在 无氧化性环境中使所述第一和第二线相互接触；以及同时将所述第一和第二 线塑性变形为一整体绳，使得该第一和第二线的表面压接以便于进行持续蔓 延放热反应，来响应初始热冲击。根据本发明的另一方面，提供一种用于在内燃机内将气缸盖密封至气缸 体的一次性垫片。该一次性垫片包括板状本体、至少一个形成于所述本体内 的缸膛开口以及至少一个形成于所述本体内的流体流道。所述流体流道与所 述缸膛开口隔离。所述本体由反应型多线束放热装置构成，该多线束放热装 置用于蔓延放热反应以响应初始热冲击。放热反应过程中产生的热足以将所 述气缸盖和所述气缸体冶金化熔合，同时保持所述缸膛开口和所述流体流道 之间的流体隔离。根据本发明的另一方面，提供一种在相对面之间建立流体紧密封的方法， 该相对面之间形成至少两个离散的流道。所述方法包括下列步骤采用反应 型多线束放热装置形成垫片，所述多线束放热装置用于蔓延放热反应以响应 初始热冲击；在所述垫片上形成至少两个间隔的独立流道，以在所述两相对表面之间传送流体材料;将所述垫片上的开口与所述相对表面上的流道对准； 将所述垫片压縮于所述相对表面之间；启动垫片本体内的蔓延放热反应；响应放热反应过程中产生的热，熔化所述相对表面；以及将所述相对表面冶金 化熔合在一起，同时允许在独立流道之间进行流体交换。本发明，通过上述各种方法和装置的表述，提供一种放热绳、箔、带或布，该放热绳、箔、带或布可以特别益于大批量生产应用的方式生产制造。本发明采用商业可用线产品，可以相对现有放热箔等更低的成本生产^:热装置。本发明方法可充分提高成品的产量。通过控制组件横截面的尺寸比，可 调节放热反应特性的可控程度，由此可针对特定场合调节可控程度。因此， 本发明提供一种成本低、生产率高的制造用于任何已知领域包括焊接、锡焊、 铜焊以及作为燃烧装置的引物的反应型多层装置的技术。


为便于理解本发明的特征、优点以及应用，以下结合附图对本发明进行 详细描述，其中图1是在气缸盖和气缸体之间接口处设有传统垫片的现有内燃机的简化 剖视图；图2是如图1的剖视图，但展示了设于曾设有现有垫片的区域的放热垫 片组件，用以进行可使气缸盖永久连接至气缸体的放热反应；图3是如图2的视图，但展示了放热反应后永久性固定于气缸体的气缸全 皿；图4是展示对散装线进行冷拉操作的过程中形成本发明放热装置的简化 示意图；图5是大致沿图4中的5-5线的单线的剖视图；图5A是单线的可选横截面的剖视图，典型的散装线如阴影所示；图6是沿图4中的6-6线的该绳的剖视图；图7是沿图4中的7-7线的完整放热带的侧视图；图8A和8B是简化图，展示了焊接或连接操作过程中按先后顺序设于两 板之间的放热装置；图9是如图4的简化示意图，但展示了应用于该绳并有益于随后的连接 应用的铜焊或其他涂层材料的可选应用；图10是如图4的示意图，展示了另一种通过扭转操作牢固打包所述线以形成放热绳的方法；图11是另一种通过回转模锻牢固包装所述线的方法的示意图；图12是大致沿图11中的12-12线的模锻模具的示例性剖视图；以及图13是另一种可选的通过超声波摩擦焊接技术牢固结合所述线的方法。 具体实施例参照附图，其中相似数字始终指代相似或相应零部件，现有内燃^l组件如图1所示，包括通过缸盖螺栓14附于气缸体12上的气缸盖10。垫片16 设于气缸盖10和气缸体12之间，在缸盖螺栓14的压力下被夹紧。垫片16 密封缸膛内的内压和流体循环，以防止泄漏并最大化燃烧效率。在一些内燃机应用中，希望在没有垫片16的情况下，将气缸盖10永久 性地密封于气缸体12。回想现有固定缸盖式内燃机，气缸盖和气缸体形成不 可分割的整体，由此形成的内燃机具有节省垫片16的费用、避免其随时间成 为泄漏路径的优点。然而，不采用垫片16而将气缸盖IO密封于气缸体12， 是很难实现的，因为许多流道17必须被密封。例如，在气缸盖10和气缸体 12之间的各通道流道中传送液体冷却剂和液态油，以适当润滑和冷却。有时 还为气阀机构元件提供通道。甚至缸膛本身可被看作流道。如果这些通道未 独立密封以彼此隔离，那么内燃机会漏流体，各流体和通道之间会被污染。本发明以图2、 3所示的方式解决了这些问题，图中，放热装置18战略 上围绕所有通道和燃烧室设置。该战略性设置的放热装置18可采用按一线路 布置的连续的、蛇形带材料的形式，或者形成外表上类似现代垫片体的板状、 布状体元件。随着按箭头所示方向以压縮形式牢固固定气缸盖IO，放热装置 18被点燃以实现气缸盖10至气缸体12的焊接，并因此形成完全密封的、一 体的内燃机装置，而无需采用垫片16。虽然图2未显示缸盖螺栓14的连续 使用，但可保留一些或所有缸盖螺栓14，以增强完整性。能量来源，例如图2所示的代表性的火柴20，点燃放热装置18外露的 灯芯部分21，由此启动在其间隙层之间的蔓延放热反应。作为火柴20的替 代装置，可使用电火花装置、激光束或其他可产生必要热冲击的装置。因为 放热装置18在其组成材料(典型地，镍和铝)的交替层之间设有很大的界面 区域，火焰源20的点火导致组成材料的原子和分子在高放热反应中快速混合 并结合。 一旦在点火点局部产生热，其将沿该放热装置18传导，并启动其他 原子和分子的混合，从而维持该反应。反应前沿进行的速度取决于组成材料的物理性能及其组合方式。反应前沿导致原子正常扩散至这些交替层，热与 这些交替层平行地进行传导。
除采用放热装置18将气缸盖10连接至气缸体12之外，使用这些技术永 久地将其他元件密封于内燃机中也是可能的。例如，可将该内燃机排气口永 久性地密封至排气歧管，可将进气口永久性地密封至进气歧管，或者可将各 种盖或壳体固定于永久性密封状态下。无论过去垫片用于何处，甚至非汽车
领域，均可采用放热装置18和这里所描述的技术将零部件改为永久性固定和密封。
因此，用于永久性密封内燃机元件的放热装置18可采用现有类型的放热 材料实现。然而，本发明还提供一种采用组成材料的散装线制造放热装置18 的新技术，如图4所示。如上所提及，组成材料可为镍和铝或者其合金，但 也可采用其他材料，包括钛铝化合物等。实际上，用于反应型多层箔场合中 的任何当前已知、可用的材料均可用于本发明上下文中。
例如，图4中的工业品级镍22和铝24的散装线易从多种商业来源获得。 这些散装线22、 24典型地具有大致圆形的横截面。这些商业可用线22、 24 首先通过各自的縮径模26冷拉(低于10(TC)。该散装线22、 24可采用任何 有效尺寸，但已经证实当其直径在50微米范围时，可以获得满意效果。该第 一次拉长操作在覆盖气体(例如氮或氩)环境下进行，去除了来自线22、 24 的所有氧化物和其他污染，因此提供了适于放热反应的干净表面。
如图5所示，第一拉长模具26可仅减小散装线的初始直径，由此产生更 小的圆形横截面。然而，模具26可选地向线22、 24提供全部或部分几何形 状，例如图5A所示。在该实例中，第一模具26为线22、 24提供六边形横 截面，有助于更好地嵌套并增加表面接触，如阴影相邻线所表示。当然，其 他线形状也是可能的。
一旦经第一拉长模具26拉长，线22、 24由第二模具28合并并作为一束 被拉长，该第二模具28将线22、 24挤入绳30。该绳30采用的典型横截面 如图6所示，举例说明了该线22、 24的表面通过塑性变形彼此实质接触，以 在各线22、 24之间建立大块界面间表面区域。本领域的普通技术人员易于得 知线22、 24的线束数完全可变，图中所示的5线束仅为举例说明。这样的线 22、 24最少必须有两根，但并没有最大量的限制。可采用10倍或100倍线束数的线束。
经第二拉长模具28处理的绳30可立即以由此产生的形式用于放热反应，
或者，可进一步由级进轧模具32成形，产生类似于图7所示的带状物。可选 地，绳30可成形为其他式样或结构，不限于图7所示的平面带状。同样地， 最终得到的横截面也不必是连续的。因此，绳30可通过本领域普通技术人员 己知的任何方法成形，包括冲压，进一步拉长，锻造，等等。
图8A和8B以简化的方式举例说明了采用由火焰源20点燃的放热装置 18焊接上板34和下板36的顺序。 一旦在灯芯21处点燃，放热反应沿装置 18蔓延，沿该路径同时熔化相对表面。
图9举例说明本发明成形过程的补充应用技术。其结果是得到稍作改变 的放热装置118。在此，组成散装线122、 124通过如前述实施例中所述的第 一拉长模具126拉伸，而后合并，再通过如图4所示的第二拉长模具128拉 伸。然后，对经第二拉长模具后制成的绳130进行涂渍操作，将漏斗140中 所设悬浮液状或粉末状铜焊材料138应用于绳130的外表面，从而包住放热 装置ll'以便于进行后续连接操作。也可采用其他涂层代替铜焊材料138，例 如焊料、焊剂或其他有益材料。 一旦喷射的材料138充分凝固或干燥，放热 装置118即可用于任何可能的应用中(也就是，不限于内燃机)。
图10还举例说明了另一种可选的放热装置218成形技术。在这种情况下， 通过第一套模具226拉长散装线222、 224，而后将其一同带入扭转装置242。 扭转装置242包括通过电机248由齿轮246驱动的领部244。扭转操作代替 图4和9中所示的第二拉长模具228，有效地将线222和224紧密结合在一 起以形成组成线222和224之间具有良好面间接触的散装放热曲线。得到的 具扭转结构的绳230即可用于放热反应中，或可涂覆铜焊材料，如前述例子 中所描述。可选地，所得到的具扭转结构的绳230可采用级进滚筒轧制或成 形，像图4中所示，或者采用其他二次成形技术，以获得希望形状的最终放 热装置218。在与放热材料板一起使用是有利的情况下，，布易于通过编织或 毡结许多放热线形成。
图11举例说明采用回转模锻装配反应物。在该例中，第二模具328由多 个部件350形成，该多个部件350可单独启动以"锤打"线束322、 324，使 其形成紧密包裹的状态，如图12所示。可同时旋转模锻模具328以为制成的绳330提供扭力或仅允许线保持平行。
图13举例说明采用超声波焊接结合反应物。此时，第二模具428高频震 动以将单独的线422、 424表面焊接在一起。可旋转模具428使所得到的绳 430呈螺旋状，如前述例子中所述。
可混用各种装配技术使得最终得到的放热装置产生各种附加变化，使其 用于现有反应型多层箔和涂层所应用的任何场合中。因此，当采用举例说明 的方式描述本发明时，可以理解，文中所采用的术语用于描述本发明，而非 限制本发明。
很明显，根据以上描述可以对本发明做各种改变和修改。因此，可以理 解，除上述特定实施例外，本发明可以其他方式实施，而不限于上述说明书 中所描述。
ii
权利要求
1、一种制造多线束放热装置的方法，该多线束放热装置用于在其线束之间蔓延放热反应以响应初始热冲击，该方法包括下列步骤提供拉长的第一线，该第一线的组成金属材料具有大致圆形的横截面；提供拉长的第二线，该第二线的组成金属材料不同于所述第一线的组成金属材料并具有大致圆形的横截面；在无氧化性环境中通过缩径模冷拉所述第一线；在无氧化性环境中通过缩径模冷拉所述第二线；在无氧化性环境中使所述第一和第二线相互接触；以及使所述第一和第二线同时塑性变形为一整体绳，使得所述第一和第二线的表面压接以便于进行持续蔓延放热反应，来响应初始热冲击。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，所述使第一和第二线塑性变形 的步骤包括通过缩径模冷拉所述第一和第二线。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使第一和第二线同时塑性 变形的步骤包括以大致螺旋的方式一同扭转所述第一和第二线。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使第一和第二线同时塑性 变形的步骤包括同时冷拉和扭转所述第一和第二线。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使第一和第二线同时塑性 变形的步骤包括模锻。
6、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述使第一和第二线同时塑性 变形的步骤进一步包括将所述线扭转为大致螺旋构型。
7、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使第一和第二线同时塑性 变形的步骤包括将所述第一和第二线相互超声波焊接。
8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述使第一和第二线同时塑性 变形的步骤进一步包括将所述线扭转为螺旋构型。
9、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述使第一和第二线同时塑 性变形的步骤之后，进一步包括将材料涂层施加到所述整体绳上的歩骤。
10、 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述应用材料涂层的步骤包括涂渍所述整体绳。
11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括将多个所述绳编 织为布的步骤。
12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述使第一和第二线同时 塑性变形的步骤之后，进一歩包括整平所述整体绳的步骤。
13、 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述整平步骤进一步包括使 所述整体绳通过轧机。
14、 用于在内燃机内将气缸盖密封至气缸体的一次性垫片，包括 板状本体；至少一个形成于所述本体内的缸膛开口 ；至少一个形成于所述本体内的流体流道，所述流体流道与所述缸膛开口 隔离；以及所述本体由反应型多线束放热装置构成，该多线束放热装置用于蔓延放 热反应以响应初始热冲击，放热反应过程中产生的热足以将所述气缸盖和所 述气缸体冶金化熔合，同时保持所述缸膛开口和所述流体流道之间的流体隔离。
15、 根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述本体包括突出导火线。
16、 根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述多线束放热装置本质上 由第一组成金属材料和第二组成金属材料的交错线组成，所述第二组成金属 材料与所述第一组成金属材料不同。
17、 根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一组成金属材茅斗本质 上由铝基合金组成。
18、 根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第二组成金属材^f本质 上由镍基合金组成。
19、 一种在相对面之间建立流体紧密封的方法，该相对面之间形成至少两个 离散的流道，所述方法包括下列步骤采用反应型多线束放热装置形成垫片，所述多线束放热装置用于蔓延放 热反应以响应初始热冲击；在所述垫片上形成至少两个间隔的独立流道，以在所述两相对表面之间 传送流体材料；将所述垫片上的开口与所述相对表面上的流道对准；将所述垫片压縮于所述相对表面之间； 启动垫片本体内的蔓延放热反应；响应放热反应过程中产生的热，熔化所述相对表面；以及 将所述相对表面冶金化熔合于所述流道周围区域，以将该相对表面永久 性地密封在一起，同时允许在独立流道之间进行流体交换。
20、根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述形成垫片的步骤包括提 供拉长的第一线，该第一线的组成金属材料具有大致圆形的横截面；提^^拉 长的第二线，该第二线的组成金属材料不同于所述第一线的组成金属并具有 大致圆形的横截面；在无氧化性环境中通过縮径模冷拉所述第一线；在无氧 化性环境中通过縮径模冷拉所述第二线；在无氧化性环境中使所述第一和第 二线相互接触；以及使所述第一和第二线同时塑性变形为一整体绳。
全文摘要
首先通过在覆盖气体环境下冷拉组成材料的单个圆线制造发热绳、箔或带。该冷拉操作产生没有氧化物和其他污染的干净表面。其次，将组成线放在一起并扭转、冷拉、模锻和/或摩擦焊接，以产生组成材料密切接触的整体绳。然后可直接应用该整体绳或将其进一步成形为一定形状和/或厚度。通过控制组件横截面的尺寸比，可调节放热反应特性的可控程度。整体绳一旦形成，即可涂一层铜焊和/或熔融材料，以便于进行后续操作。可将多个绳编织在一起形成布结构。该放热装置可用于永久性地连接相对表面的垫片的领域，例如将气缸盖于操作位置附于气缸体上。
文档编号C22F1/00GK101218366SQ200680014692
公开日2008年7月9日 申请日期2006年4月4日 优先权日2005年4月4日
发明者威廉·J·兹德布利克, 菲利普·金尼, 迈伦·施门克 申请人:费德罗-莫格尔公司;威廉·J·兹德布利克