[发明专利]通过冶金反应焊接轻金属工件

说明书

技术领域

本发明涉及用于结合例如铝合金或镁合金的金属合金工件的固态焊接工艺。包括流动低熔点含液体材料的反应产物暂时性地形成在结合表面之间。该流动材料被形成和用来制备清洁的、无氧化物的铝或镁表面。然后，清洁表面压靠在一起以将反应产物驱出且在不熔化衬面(facing surface)的情况下形成金属-金属结合。该工艺被实施以管理工件的衬面的消耗和变形。

背景技术

由于存在快速成形的氧化物层以及轻金属固有的高导电性和导热性，结合例如铝合金或镁合金的轻金属是复杂的。这两种类型的合金的点焊通常是困难的，且需要准备工件表面、高电流、大的力和适当地机械对齐且稳定的电极。由于在工件合金与铜电极之间的反应，电极寿命通常短。得到的焊接件可具有高强度但是在一些情形中(尤其对于镁合金)具有较差的高循环疲劳性能。

获得由本发明所形成的具有大表面面积的强且刚性的接头的替代方式是结构性粘结结合。该结合技术需要使用昂贵的粘结剂以及特定涂覆的基底，以防止接头的环境降级。粘结剂被设计成在用于固化油漆的炉中固化，但是，例如铆接或点焊的固接方法必须与粘结剂结合使用，以在粘结剂固化之前暂时性地紧固该结构以及在固化之后提供附加的结构性能。这些技术需要另外的结合设备。对于铆接，需要大量库存的昂贵铆钉来结合结构中遇到的各种量表组合。对于点焊，涂层和粘结剂必须与焊接工艺相容。

仍需要形成铝合金工件或镁合金工件的大面积焊接件的工艺。这种焊接工艺可用于例如在制造机动车辆中结合轻质车身板或车身结构部件。这种焊接工艺还可用于将镀锌钢部件或涂覆铝的钢部件结合到铝或镁部件。

发明内容

例如铝合金和镁合金的金属合金工件通过冶金反应(reactionmetallurgy)结合工艺来结合。通过将合适的反应材料层放置在要焊接的表面之间以便与表面材料形成合金和在现场形成瞬态流动含液体反应产物(通常是共晶混合物)，从而形成固态焊接件。该液相的形成用于在预期焊接表面处从固态焊接件移除氧化物和其它障碍物。装配工件的界面区域被加热以形成流动反应产物但是仍维持在低于工件固相线温度的温度处。在起到其表面制备功能之后，该反应产物从界面挤出，且清洁的受热接触固态表面被压靠在一起以形成固态焊接件。

该工艺还可用来将涂覆铝的钢工件或涂覆锌的钢工件结合到例如铝合金工件或镁合金工件的轻质材料上。

冶金反应结合工艺可用来焊接许多不同的工件形式。可由例如片材、其它锻造形状(例如挤出件(管或杆))和/或铸件提供衬面。例如片材金属板可彼此结合以制成封闭面板。且在车辆结构的制造中，管状车身框架构件可结合到铸造角部或基部构件。可以看出，该工艺可用于生产机动车辆构件和其它制造物品。

该冶金反应结合工艺的应用首先将关于结合类似轻金属合金的工件来说明，例如将铝合金片材结合到另一铝合金片材。工件的结合表面可首先清除先前工艺材料以及妨碍要焊接表面之间良好接触的其它异物。

本冶金反应结合工艺包括在铝合金片材材料之间放置反应材料层，反应材料可包括金属元素或合金。放置在结合表面之间且抵靠结合表面的该材料将被加热并用来与工件衬面起反应(典型地，分散到工件元素中且与工件元素形成合金)，从而形成包括合适量的低熔点液体(即，在低于任一面对面的工件的固相线下形成液体)的反应产物。该反应产物被形成以将氧化物和其它化学障碍物从工件的铝基(或镁基)材料之间的焊接件去除。除了液体之外，反应产物可包括形成的固体或夹带的固体等，但是低熔点液体是反应产物的必要部分。预先确定放入的反应材料的成分和数量，以形成合适量的液体及其合适流动性，从而液体使表面清洁并然后从界面被挤出(与所具有的任何固体一起)。这在低于工件的固相线温度的温度下完成。因此，放入的反应材料与工件表面的反应将材料从工件去除。这可改变工件的关键尺寸。因此，放入的反应材料的量是预先确定的，例如通过计算、凭经验或通过实验来预先确定，以在不会过度去除工件材料的情况下制备工件表面。