[发明专利]用于焊接至少两个层的方法

说明书

技术领域

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

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。

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.Sci.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Zhang Guifeng(张贵锋)等所报告(Metall.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。

因此，Zhang Guifeng(张贵锋)等在Metall.Mater.Trans.A Vol 42,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III.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。

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。

WO2010/067796A1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。WO2010/067796A1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

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：

(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T_m,1，所述第一层具有由第一层的厚度t₁隔开的上表面和下表面；

(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T_m,2，T_m,2低于第一熔化温度T_m,1，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；

(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；

(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t₁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T_m,2；