专利名称：复合传导部件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及制造复合传导部件的方法，由该方法生产的复合传导部件，和由该复合材料制成的电触点或连接件。本发明还涉及包括该复合材料带材的电和热器件。
背景技术：
有许多工业应用在其中需要铜对铝的接合。例如，在其中要将铝导体连接于铜导体的设备中传导电流的情况中，通常使用一侧包含铜合金而另一侧包含铝合金的连接件。在这种连接件中，连接件的铜侧与铜导体匹配或结合，而连接件的铝侧与铝导体匹配或结合。连接件的铜部分和铝部分通常通过固态焊接方法接合，例如摩擦焊接或热压焊接，参见例如CA 1016255 (Al)和GB 1331468。其它固态焊接技术诸如爆炸焊接或冷轧接合也产生良好的铝一铜接头。在电力输送中，使用大的连接件，因此焊接材料的相对成本不那么重 要。然而，在电力输送和其它应用如汽车应用中都期望用铝导体替换铜导体。在这种情况中，需要大量的铝-铜连接件。此外，在由许多单独的蓄电池单元组成的锂离子蓄电池中，需要铜板和铝板之间的电连接。这种蓄电池是重要的，特别是对于电动车辆而言。由两种相异的金属组成的电连接件典型地是通过接合小块的相异的金属材料来制造的。通过摩擦焊接(对于铝-铜电连接件而言是最常用的技术)，每个连接件需要单独的焊接操作。同样，对于热传导应用，将铜和铝组合起来的器件是重要的，并且已经在TW429191中有所提及，其中借助摩擦焊接将铜盘连接于挤出的铝散热片，以便使材料在要被冷却或加热的场所的直接附近产生最大可能的热传导。在上述提及的摩擦和爆炸焊接的焊接工艺中，需要使要被结合的部分自己移动，这是不利的且是成本高的，并且对于大型部件来说有时是不可能的。热压焊接或扩散焊接因需要将所要结合的部分加热而也有类似的缺点。在太高温度进行的热压焊接或扩散焊接以及熔焊方法不适合于将铝与铜接合，因为在接头处形成大量的脆性金属间相并使其机械性质变差。还可以通过摩擦搅拌焊接来结合相异的金属如铜和铝，这在例如EP 0615480中有所描述。然而，这种摩擦搅拌焊接是不利的，在于它们经常包含缺陷如砂眼并且总是包含少量的金属间相，二者都可以降低接头的静态机械强度。还预期缺陷和金属间相都严重地降低疲劳强度，因为它们起到使应力局部集中的作用并由此缩短出现疲劳裂纹的时间。另夕卜，用于铝-铜的摩擦搅拌焊接的焊接工具目前由于工具的污染而具有短的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供制造复合传导部件的方法，所述复合传导部件克服了现有技术的缺点并可以廉价的方式形成电或热传导体。这是通过本发明的方法实现的，本发明提供一种可以获得具有改善的接合品质的复合材料的方法，并且可以实现高品质复合传导部件的有效制造。
本发明的制造复合传导的部件的方法包括如下步骤提供至少两个金属材料的坯体，所述坯体由相异的金属材料组成；将所述坯体以彼此边接边或部分重叠的关系放置，通过轧制或焊接使所述坯体彼此固态接合，以便形成复合本体，沿着接头在复合本体的整个宽度轧制所述复合本体以降低其厚度，和跨过接头切割经过轧制的复合本体以生产至少两个复合传导部件，每个包含所述至少两个坯体的金属材料且在所述至少两种不同的金属材料之间具有接头。该方法允许接合由在高温下彼此结合时倾向于形成脆性化合物的金属材料制成的坯体。特别感兴趣的情况是，所述至少两个坯体分别由铜或铜合金和铝或铝合金组成，并且优选在轧制之前通过摩擦搅拌焊接接合。可以沿着每个坯体的纵边提供延长部，所述延长部的厚度小于坯体的厚度，且坯体处于匹配重叠关系以便形成搭接接头。如果需要，该方法可以包括如下步骤生产第一复合本体和第二复合本体，和将所述第二复合本体置于所述第一复合本体上；和轧制所述第一和第二复合本体以降低其厚度。有利地，将复合本体置于重叠位置，使得接头互相错位(displacement)。还可以于在轧制之前将复合本体与金属或金属合金的板材或坯体组合。轧制步骤可以包括进行热轧随后进行冷轧，或者分两个步骤进行冷轧，在两个冷轧步骤之间进行退火。
本发明还涉及包含第一金属材料的第一部分和第二金属材料的第二部分的复合传导部件，所述第一和第二金属材料彼此相异，其中所述部件是通过上述方法生产的。所述第一和第二部分可由在高温将彼此结合时表现出强烈的形成脆性化合物倾向的金属材料制成，例如至少一个部分由铜或其合金制成，且至少一个其它部分由铝或其一种合金制成。本发明还涉及包括上述复合传导部件的电连接件，涉及包括所述复合传导部件的电导体，和涉及包括所述复合传导部件的用于传热的器件。附图
简述图I示出了在跨过接头进行轧制之后被彼此焊接在一起的两种相异材料的片材。图2示出了通过本发明的方法获得的由两种相异的金属材料组成的复合传导部件。图3示出了轧制之前的复合材料，其中两个复合本体已经被叠置为在接头处相互错位。图4示出了具有适合于形成搭接接头的延长部并以重叠关系布置的两个坯体。图5示出了适合于形成搭接接头的延长部且以重叠关系布置的两个坯体，其中延长部具有啮合匹配形状。图6示出了在焊接之后但在轧制之前的铝板和铜板之间的摩擦搅拌焊接接头的光学显微图。图7示出了图6的接头在将接头冷轧之后的光学显微图。发明详述本发明提供了生产通过将至少两个相异的金属材料的坯体接合形成的复合传导部件的方法。本发明还提供了通过上述方法生产的复合材料，以及包括根据本发明方法生产的复合传导部件的电导体、电接头、和用于传热的器件。所述方法包括以下步骤a)提供至少两个金属材料的坯体，所述坯体由相异的金属材料组成，b)将所述坯体以彼此边接边或部分重叠的关系放置，c)通过轧制或焊接将所述坯体彼此固态接合，以形成复合本体，
d)沿着接头在复合本体的整个宽度上轧制所述复合本体以降低其厚度，e)跨过接头切割经过轧制的复合本体以生产至少两个复合部件，每个包含所述至少两个坯体的金属材料且在所述至少两种不同的金属材料之间具有由至少两种不同的金属材料组成的接头。图I示出了焊接于铝2的铜片材1，其然后被跨过接头进行轧制。箭头指示用于形成铜铝复合带材的切割的位置。图2示出了本发明的由两种相异的金属材料组成的复合传导部件。将所述坯体放置为彼此相邻，使得它们可以通过形成对接接头而边接边地结合，或者可以将它们部分重叠放置使得形成搭接接头。在形成搭接接头的情况中，优选每个坯体具有沿着其纵边的延长部，所述延长部的厚度小于坯体的厚度，且坯体在步骤b)中处于匹配重叠关系，如图4和5所示。通过提供彼此相反(inversely)对应的延长部,形成单平面叠接接头，这在通过轧制接合坯体时是有利的。各坯体的延长部的厚度可相同或不同。通过提供具有啮合匹配形状的延长部，例如如图5中所示的那种，坯体可以被临时保持在一 起，由此促进通过轧制或焊接进行接头的接合。上述方法尤其适合于接合在高温下彼此接合时表现出形成脆性化合物倾向的相异金属材料制成的坯体，例如铜或铜合金的坯体与铝或铝合金的坯体的接合。坯体在形式上可以为方坯或板材或带材。在一些应用中，可以在接合之前将坯体轧制。坯体也可以是方坯或厚板的形式。在使用厚的坯体时，接头在轧制之前的长度会相对较短。从经济的角度而言这是有利的，特别是在通过焊接接合坯体时，因为焊接是相对昂贵的过程。然后将坯体轧制到最终厚度，由此拉长焊接接头。已经发现焊接接头的轧制产生更结实的接头。此外，在不经焊接通过轧制接合坯体时，通过轧制到显著的厚度压下率来接合方坯或厚板形式的坯体会产生与通过进一步轧制接合已经轧制的坯体相比得以改善的接头。在步骤c)中通过轧制形成复合本体的情况中，步骤c)和d)的轧制可以在彼此之后直接进行或者作为一个操作进行。通过使用固态焊接方法和在如此形成的复合本体的整个宽度进行冷轧来接合坯体，获得了改善的接头品质，即使在相异的金属具有在高温接合时形成脆性金属间化合物的倾向时，包括材料部分熔化(这可以在使用熔焊技术时发生)或至少非常接近它们各自的熔化温度，使得通过所述相异金属之间的界面的扩散显著增强。通过使用本发明的方法，相异金属之间的界面品质非常高，界面基本上没有孔，且即使有任何金属间相存在，其数量也少且分散，使得焊接接头表现出高的静态机械强度和高的疲劳强度。除了提供改善的接头品质之外，与现用的方法相比，生产成本也显著降低。为了获得高品质的接头，优选通过焊接方法接合坯体，所述焊接方法形成充分延展性的焊接以允许对焊接接头进行轧制。在本发明中，优选通过摩擦搅拌焊接将相异金属的板材焊接在一起。摩擦搅拌焊接接头比通过在高温形成脆性金属间相的金属之间的熔焊技术所获得的接头显著更结实，例如在如铜或铜合金和铝或铝合金之间形成的接头。然而，摩擦搅拌焊接接头仍可能包含缺陷，并且在力学方面比母体材料弱。金属材料的摩擦搅拌焊接方法描述在例如EP 0615480中。已经发现，摩擦搅拌焊接的强度和延展性允许强烈的冷轧压下而接头不会裂开。事实上，通过铜对铝合金的摩擦搅拌焊接和冷轧如此形成的复合本体，接头甚至会具有比一种母体材料具有更大的延展性。在轧制过程中，基本上消除了存在于摩擦搅拌焊接接头中的任何孔，且任何金属间相变得小且分散开，由此显著提高接头的品质。对于在高温时具有形成脆性金属间化合物的强烈倾向的相异金属材料的组合，例如铜或铜合金和铝或铝合金，需要不形成比复合材料的其余部分脆性更大的接头的焊接方法，因为这种焊接接头在轧制过程中有破裂的风险。大多数其它焊接方法不会形成允许跨过接头进行轧制以降低厚度到薄带材的足够结实和延展性的接头。在冷轧过程中，通过变形硬化使接头强化，在摩擦搅拌焊接之后存在的孔被弥合，且可能存在的金属间相的薄层被破坏和分散。由于冷轧过程中的变形硬化，复合传导部件在冷轧之后的拉伸强度可以比两种单独的材料在摩擦搅拌焊接和冷轧之前的拉伸强度高得多。在许多情况中，生产成本由在相异金属之间形成接头的成本决定，尤其是在摩擦搅拌焊接工具的寿命非常短的情况中。通过在摩擦搅拌焊接之后的冷轧，可以使接头的长度增加到10倍或更多，使得所生产的每米接头的摩擦搅拌焊接工具的磨损得以降低，这显著地降低了复合材料带材的生产成本。如果在冷轧之前在适当温度(在铜或铜合金与铝或铝合金的情况中优选低于3500C )进行热轧，或者如果在冷轧步骤之间对材料进行退火，则可以甚至进一步提高长度的增加，即，在步骤c)的固态接合过程之后降低材料的厚度。通过在各冷轧步骤之间在适当温度(在铜或铜合金和铝或铝合金的情况中优选低于350°C)进行中间退火，可以使延展性得到恢复，使得可以实现大幅度的轧制变形。在轧制到期望的最终厚度之后，可以跨过接头切割经过轧制的复合本体，以便形成包含两种相异的金属材料的部分以及在这些材料之间的接头的复合传导部件。切割可以垂直于经轧制的复合本体的接头进行，或者以与之形成任何期望角度进行。还可能期望获得包含彼此叠置于顶部的两层或更多层金属材料的复合传导材料。因此，制造复合传导部件的方法可以包括通过执行上述的步骤a)到c)来形成第一复合本体，和通过执行上述的步骤a)到c)来形成第二复合本体，和将所述第二复合本体置于所述第一复合本体上；随后根据步骤d)轧制所述第一和第二复合本体，以降低其厚度。图3示出了轧制之前的复合材料，其中两个复合本体已经被叠置为在接头处相互错位。在图3中，显不接头为对接接头，但是当然也可以为彳合接接头。在期望的最终厚度所需的初始坯体厚度比通过摩擦搅拌焊接可以焊接的最大厚度更大时，复合本体的堆叠可能是有利的。因此，可以通过例如在轧制步骤之前将两个或更多经过焊接的复合本体堆叠来进行组合。如果界面是干净的，则堆叠的板材在轧制过程中彼此接合。如有必要，可以包括清洁复合本体的表面的步骤。通过将复合本体布置为使得相异金属材料之间的接头互相错位，将会在轧制之后得到更结实的材料。在轧制之前将板材或复合本体堆叠(其中至少一种板材包括摩擦搅拌焊接)也可能是有利的，因为这允许生产新的复合材料。还可以在轧制之前将复合本体与可置于所述复合本体之上或之下的金属或金属合金板材组合，并由此通过轧制组合成复合本体。另外，可以将几个复合本体和/或金属板 堆叠，优选使得接头互相错位以使焊线不重叠，这样在轧制之后会得到更结实的材料。或者，该方法的轧制步骤d)可以包括热轧随后进行冷轧，或者分两个步骤进行冷车L在两个冷轧步骤之间进行退火。由此，增加总的可能厚度压下率，因为与冷轧相比，在热轧过程中延展性更高。中间退火使延展性得到恢复，使得可以进行另外的轧制。在接合和轧制之后，将经过轧制的复合本体跨过接头进行切割以生产至少两个复合部件，每个包含所述至少两个坯体的金属材料且在所述至少两种不同金属材料之间具有由至少两种不同金属材料组成的接头。例如，可以从经过轧制的复合本体切割作为具有目标最终部件的宽度的带材形式的复合部件，或者可以从经过轧制的复合本体或从其较小的部分冲压出复合部件。因此，通过接合和轧制相异金属的坯体并切割经过轧制的复合本体，可以实现改进的制造传导复合部件的方法，所述部件还具有在相异金属之间的得以改善的接头品质。所获得的复合传导部件可用于电器应用中的电连接件或导体，或用于汽车应用，例如线缆或磁线圈的电接头，或用于电动汽车的蓄电池单元。尤其对于电连接件而言，可能需要用改进接触电阻和降低例如由于摩损引起的接触不良风险的不同材料例如锡、银、或另一种金属的薄层覆盖复合传导部件的至少一部分。 这在电连接件的生产中是常见的，且优选在步骤d)所述的轧制之后进行。所获得的复合传导部件还可以用于基于热传导的器件，例如用于冷却动力电子设备的系统。在电子设备例如汽车电子设备的冷却，例如位于压力模制的铝壳体内部的印刷电路板上的单个高功率集成电路的冷却中，可以采用带材或片材形式的铝铜复合材料。然后，使铜与集成电路接触，而铝材料被接合于壳体。还可以考虑其它应用。
实施例通过摩擦搅拌焊接接合由Aluminium AA6063-T6和含磷的脱氧铜(高的剩余磷含量)制成的板材。图6示出了铝和铜板材之间的摩擦搅拌焊接接头。虽然获得了优质的接头，但它仍然包含孔，如图6中的箭头所示。从3mm厚的板材开始,所述Al-Cu复合片材被冷轧至0. 3mm厚。图7示出了在将接头冷轧之后的图4的接头。孔被完全弥合，如图7至所示的，且与片材厚度相比Al-Cu界面面积非常大，这样产生了结实的接合。同时，接头的表面光洁度是优异的，具有从铝到铜的清晰的线状转变。复合材料的拉伸强度比摩擦搅拌焊接和冷轧之前的母体材料的拉伸强度更大，参见下表。
权利要求
1.制造复合传导部件的方法，包括以下步骤 a)提供至少两个金属材料的坯体，所述坯体由相异的金属材料组成， b)将所述坯体以彼此边接边或部分重叠的关系放置， c)通过轧制或焊接将所述坯体彼此固态接合，以形成复合本体， d)沿着接头在复合本体的整个宽度轧制所述复合本体以降低其厚度， e)跨过接头切割经过轧制的复合本体以生产至少两个复合传导部件，每个包含所述至少两个坯体的金属材料且在所述至少两种不同的金属材料之间具有接头。
2.权利要求I的方法，其中所述至少两个坯体由相异的金属材料组成，所述相异的金 属材料在高温彼此接合时表现出形成脆性化合物强烈倾向。
3.权利要求2的方法，其中所述至少两个坯体分别由铜或铜合金和铝或铝合金组成。
4.权利要求1-3中任一项的方法，其中在步骤c)中通过摩擦搅拌焊接来接合坯体。
5.权利要求1-4中任一项的方法，其中每个坯体具有沿着其纵边提供的延长部，所述延长部的厚度小于坯体的厚度，且坯体在步骤b)中处于匹配重叠关系以便形成搭接接头。
6.权利要求1-5中任一项的方法，包括通过执行上述的步骤a)到c)来形成第一复合本体，和通过执行上述的步骤a)到c)来形成第二复合本体，和将所述第二复合本体置于所述第一复合本体上；并根据步骤d)轧制所述第一和第二复合本体，以降低其厚度。
7.权利要求6的方法，其中将复合本体放置在重叠的位置，使得接头互相错位。
8.权利要求1-5中任一项的方法，其中在根据步骤d)轧制之前将在步骤c)中生产的复合本体与金属或金属合金的板材或坯体组合。
9.权利要求1-8中任一项的方法，其中轧制步骤d)包括热轧随后冷轧，或分两个步骤进行的冷轧，在两个冷轧步骤之间进行退火。
10.复合传导部件，包含第一金属材料的至少第一部分和第二金属材料的至少第二部分，所述第一和第二金属材料彼此相异，特征在于所述部件是通过权利要求1-9中任一项的方法生产的。
11.权利要求10的复合传导部件，其中所述至少第一和第二部分由金属材料组成，所述金属材料在高温彼此接合时表现出形成脆性化合物的强烈倾向。
12.权利要求10-11中任一项的复合传导部件，其中至少一个部分由铜或其一种合金制成，而至少一个其它部分由铝或其一种合金制成。
13.电连接件，包括权利要求10-12中任一项的复合传导部件。
14.电导体，包括权利要求10-12中任一项的复合传导部件。
15.用于热传导的器件，包括权利要求10-12中任一项的复合传导部件。
全文摘要
制造复合传导的部件的方法，包括如下步骤提供至少两个金属材料的坯体，所述坯体由相异的金属材料组成；将所述坯体以彼此边接边或部分重叠的关系放置，通过卷边或焊接使所述坯体彼此固态接合，以便形成复合本体，沿着接头在复合本体的整个宽度轧制所述复合本体以降低其厚度，和跨过接头切割经过轧制的复合本体以生产至少两个复合传导部件，每个包含所述至少两个坯体的金属材料且在所述至少两种相异的金属材料之间有接头。通过该方法生产复合传导部件，其包括第一金属材料的至少第一部分和第二金属材料的至少第二部分，所述第一和第二金属材料彼此相异。包括该复合传导部件的电连接件或导体或用于热传导的器件。
文档编号H01R43/16GK102725094SQ201080062393
公开日2012年10月10日 申请日期2010年12月3日 优先权日2009年12月16日
发明者S·卡赫 申请人:Sapa股份公司