专利名称：利用反应性多层接合制备大尺寸结合物的方法
技术领域：
本发明涉及利用反应性复合材料，如反应性多层箔在大尺寸结合区域上 的材料主体的接合。
背景技术：
诸如Weihs等人在美国专利6,534,194 B2和美国专利6,736,942上所说 明的反应性复合接合在室温下非常适用于软钎焊、熔接或者硬钎焊材料的工 艺。该工艺包括在两层可熔材料之间夹入反应性复合材料(RCM)。然后， 将RCM和可熔材料放入将被接合的两个部件之间，并引燃RCM。在RCM 内发生的自传播反应使RCM内温度迅速升高。反应释放的热熔化相邻的可 熔材料层，冷却后，可熔材料将两个部件结合在一起。
或者，根据两个部件的成分而不使用可熔材料层，将反应性复合材料直 接放入两个部件之间。通过引燃RCM释;^文的热能熔化相邻部件表面的材料 并由此使部件接合。
现在来看图l,对用于执行两个部件IOA和10B的反应性复合接合工艺 的设备进行说明。将反应性复合材料的薄片或层12放入已被依次夹入部件 10A和10B的吻合表面(不可见)之间的可熔材料14A和14B的两个薄片或层之间。然后例如用图示的老虎钳16将夹层组件压在一起，并用例如火
柴18引燃反应性复合材料。反应通过RCM12迅速传播，熔化可熔层14A 和14B。熔化层冷却而使部件IOA和IOB接合在一起。RCM12通常为反应 性多层箔，可熔材料14A和14B通常为软钎焊料或硬钎焊料。
反应性复合接合工艺与诸如利用熔炉或焊炬等常规接合技术相比，使两 个部件10A和10B的接合过程更迅速。由此，在生产能力上能够实现明显 进步。此外，由于与反应性复合接合工艺相关的非常局部的加热，可以无热 损伤地软钎焊或硬钎焊热敏性部件以及诸如金属和陶资等不同的材料。利用 反应性复合接合工艺可以无晶粒生长地软钎焊或硬钎焊细晶粒金属，而且可 以仅在局部偏离室温的情况下熔接大块非结晶材料，在最小化结晶的同时形 成高强度结合。
用于反应性复合接合工艺的反应性复合材料12通常为Weihs等人在美 国专利6,534,194 B2中所描述的纳米结构材料。反应性复合材料12通常通 过将具有较大的、负的混合热的元素如镍和铝交替蒸镀数以百计的纳米级层 来制造。最近的开发表明，通过改变交替层的厚度可以小心地控制反应热及 反应速度。研究还表明通过改变箔的成分或者在制造后通过低温退火可以控 制反应热。进一 步了解到用于制造纳米结构反应性多层的备选方法包括机械 加工。
通过使用反应性复合材料接合部件有两个关键优点快速以及使接合区 域的加热局域化。增加的速度和局域化是相对常规软钎焊或硬钎焊方法的优 点，尤其是适用于涉及热敏性部件或者诸如发生在金属/陶瓷间结合等在热 膨胀系数上存在较大差异的部件的应用。在常规熔接或硬钎焊中，在加工过 程中可能会毁坏或损坏热敏性部件。在部件内的残余热应力可能会迫使随后 进行诸如退火或热处理等高费用和耗时的操作。相反，用反应性复合进行接 合使部件承受少量热并仅产生非常局部的温度上升。通常，仅充分加热相邻 的可熔层和部件的毗连表面。由此，对部件热毁坏的风险被最小化。此外，反应性复合接合快速并产生具有成本效率、牢固和热传导的接合点。
然而常规反应性复合接合适用于接合长度低于约4英寸、面积低于约 16平方英寸的部件，接合更大的长度和面积则存在极大的挑战。据观察， 对于最佳接合而言，使表面尽可能地均匀和同时被接合和加热的是有利的。 当长度和面积变得更大时，由单一引燃点则更加难于保持所需的反应同时性
和均匀性。此外，更大的接合区域尺寸超出易于制造的RCM的尺寸，需要 多片反应性箔来覆盖接合点表面区域。尽管接合反应通过RCM迅速传播， 但并不是大表面区域接合处的每一部分都可以被同时熔化，由此可能会引起 部件之间的结合不良。而且，增加要被接合的表面积对于在接合工艺中均匀 地应用到部件上的压力提出了更加严格的要求。
因此，有利的是提供一种用于在表面区域上接合部件的反应性复合接合 工艺，该表面区域大于单个反应性复合材料薄片的尺寸，并在部件材料之间 产生牢固和相对均匀的结合。
发明内容
简单地说，本发明提供一种通过在部件材料主体之间放入多个基本接续 的RCM薄片而在大尺寸区域上接合部件材料主体的方法。每一个基本接续 的RCM薄片通过能够将能量反应从一个薄片传递到另一个薄片的桥材料与 至少一个相邻的RCM薄片连接在一起。在一个或多个RCM薄片内引发引 燃反应并通过桥材料传遍所有剩余的薄片，对相邻薄片的材料引起迅速的局 部加热，冷却后形成部件材料主体间的结合。
在本发明的一个实施方式中，在大尺寸区域内的布置在将要被接合的部 件材料主体之间的多个基本接续的RCM薄片通过桥材料被连接在一起。桥 材料可以为反应性箔、金属丝、层、粉末或者其它材料，其能够直接或通过 热传导而将引燃反应从 一 个薄片传递到另 一 个薄片。桥材料具有随着第一 RCM薄片的引燃而引燃第二 RCM薄片的反应性。在本发明的备选的实施方式中，在大尺寸区域内的布置在将被接合的部
件材料主体之间的多个基本接续的RCM薄片通过可熔材料的结构支撑接头 连接在一起，以能够易于安装、运输和固定要被接合的部件材料主体之间的 多个RCM薄片。
在本发明的一个变体中，多个基本接续的RCM薄片被放置在大尺寸区 域内将被接合的部件材料主体之间，直接邻接将被接合的部件主体表面。
在本发明的备选的实施方式中，多个基本接续的RCM薄片被布置在大 尺寸区域内将被接合的部件材料主体之间。诸如软钎焊料或者硬钎焊料等可 熔材料的薄片接近于RCM薄片和部件材料主体而放置。可熔材料薄片可以 在反应性复合材料的薄片之上、之下或者夹入反应性复合材料的薄片之中。 可熔材料薄片可以连续跨过相接续的R C M薄片的边界，并且可选择地充当 连结材料以便使RCM薄片连在一起。
本发明用于在大尺寸区域上接合部件材料主体的方法为在部件材料主 体之间布置至少一个RCM薄片。在RCM薄片周围布置的多个引燃点引发 引燃反应，对相邻所述薄片的材料引起迅速的局部加热，经过冷却在部件材 料主体之间形成结合。
部件材料主体之间布置至少一个RCM薄片。在外部压力源和部件主体之间 放置至少一个隔板。由外部压力源对排布施加压力，促使部件主体;fe此相向 压紧，以便在RCM薄片内引发引燃反应后控制部件主体之间形成结合。RCM 薄片内的引燃反应对相邻薄片的材料引起迅速的局部加热，经过冷却在部件 材料主体之间形成结合。
结合附图，基于将被详细描述的示例性实施方式的说明，将更充分地展示 本发明的优点、特性和各种附加特征。在附图中图1为图示用于执行两个部件的常规反应性复合接合的现有技术设备
的示意图2为表示通过根据本发明的大尺寸接合点来接合两个主体所涉及步 骤的框图3为通过在用于两个部件主体之间形成大面积结合的结合区域内的 结构支撑接头和引燃桥来有效连接的多个接续的反应性复合材料薄片的俯 视图4为通过在用于两个部件主体之间形成大面积结合的结合区域内的 结构支撑接头和结合区域外的引燃桥来有效连接的多个接续的反应性复合 材料薄片的俯视图5为图示通过用于在薄片到薄片间传播引燃反应的结合区域外的引 燃桥来有效连接若干接续的反应性复合材料薄片的示意图6为夹入两层可熔材料中的一对接续的反应性复合材料薄片的横截 面图7为表示用于实施本发明接合方法的部件和层的排布框图； 图8图示了在根据本发明的方法形成结合点的过程中，用于同时引燃多 个反应性复合材料薄片的示例性排布；
图10为用于说明边缘空隙的根据本发明的方法形成的大尺寸接合的俯 视声像图11为根据本发明最优负荷的接合方法形成的大尺寸接合的俯视声像
图12图示了接续的反应性复合材料薄片、可熔材料支撑接头、引燃桥
和引燃点的示例性排布；
图13为根据图12的排布而形成的大尺寸接合的俯视声像图14图示了接续的反应性复合材料薄片、可熔材料支撑接头、引燃桥和引燃点的示例性排布；
图15为根据图14的排布而形成的大尺寸接合的俯视声像图； 图16为表示用于实施本发明接合方法的部件和层的第一示例性排布的 框图；和
图17为表示用于实施本发明接合方法的部件和层的第二示例性排布的框图。
在附图的各图中，相同的附图标记指代相应的部件。应该理解的是，附 图仅用于说明本发明的概念，并没有按照比例制作。
具体实施例方式
以下具体描述通过实施例来说明本发明，但不是为了限制本发明。所述 描述能够使本领域技术人员制造和使用本发明，并描述了若干实施方式、修 改、变更、以及本发明的应用，包括目前认为是实施本发明的最佳方式。
在此使用的短语"大尺寸"用于描述接合处或结合区域，并理解为是指 接合处或结合区域的面积或长度超出应用在接合过程的 一个反应性复合材 料薄片的面积或长度，该尺寸大到在一个反应性复合材料薄片内的引燃反应 引起的单一传播的波阵面不能在整个结合区域内实现所需的结合特性，或者
在接合处或结合区域的中心和边缘之间出现负荷变化。例如，当所用的反应 性复合材料的薄片的面积低于16.0平方英寸、最长尺寸低于4.0英寸时，面 积至少为16.0平方英寸、长度至少为4.0英寸被认为是大尺寸。
本领域普通技术人员应该理解的是，在此使用的用语"反应性复合材料" 或"RCM"是指诸如反应性多层箔之类的结构，包括以受控方式间隔布置的 两部分或更多部分的材料，以便基于适当的激发或放热反应引发，在整个复 合材料结构中使放热化学反应传开而使所述材料进行放热反应。这些放热反 应可以在一个或多个引燃点对反应性复合材料进行电阻加热、电感加热、激 光脉冲、微波能或超声搅动来引发。参照附图，图2为说明涉及利用至少两个接续的反应性复合材料的薄片 12在具有大尺寸(大面积或长的度长)的接合处或结合区域上将两个部件
主体IOA和IOB接合在一起的步骤的概括流程图。最初，如框A所示，提 供在基本相适合的大尺寸吻合表面上将要进行接合的两个部件主体10A和 IOB。事先可以用一层或多层的诸如软钎焊料或硬钎焊合金等可熔材料14A 和14B来涂敷两个部件主体10A和10B,或者可以将可熔材料14A和14B 的一个或多个薄片放在部件主体10A和10B之间。部件主体10A和10B可 以包括相同类型的材料，如黄铜，或者可以为不同类型的材料，如镍和黄铜、 铝和4太、-友化硼和钢、减/ft硼和铜、；友^b硅和铝、以及鵠-4太合金和铜4各合 金。
接下来，如框B所示，将两个或更多反应性复合材料薄片12以基本接 续布置的方式放入两个部件主体10A和10B的吻合表面之间。本领域普通 技术人员应该理解的是，在此使用的术语"接续"是指反应性复合材料薄片 12的任何相邻边缘被安排得尽可能靠在一起，以形成基本无空隙的结合和 至少足够接近以使相邻的反应性复合材料的薄片12能够有效地连在一起而 成为单一组件。接续的RCM薄片无须彼此实体接触。
为了有效地连接相邻的RCM薄片12,在薄片12之间(如图3和图4 所示)形成若干结构支撑桥或接头20。桥或接头可以由在部件主体IOA和 10B之间形成部分结合的可熔材料20形成，或者可以由能够在相邻的RCM 薄片之间传递引燃反应的反应性材料22形成。通过使用桥或接头20、 22, 两个或更多相邻的RCM薄片12在组件24内^^固定在一起，这样在安装、 运输期间，以及在大尺寸结合区域内放置在部件主体10A和10B的配合表 面之间时，维持彼此之间的相对位置。
结构支撑桥或接头20可以为在组件24内将接续的RCM薄片12固定 在一起的几种形式中的任何一种。在一个示例性实施方式中，结构支撑桥或 接头20为软金属或可熔材料薄片的形式，例如被冷压或辊压到RCM薄片12上的铟。
优选由反应性材料形成结构支撑桥或接头20,这样就能在相邻的薄片
12之间的引燃或传导热能以使在第一薄片12A内引发的反应通过桥或接头 而在相邻的薄片12B中继续。引燃桥或接头22的配置可以为有助于在接续 的RCM薄片12之间传递反应的几种形式中的任何一种。例如，引燃桥或接 头22可以为反应性多层箔，与用于RCM薄片12的材料相似或相同，或者 包含具有较大负混合热的区域或层的材料的细金属线的形式。这些引燃桥或 接头22的配置可以用少量的胶或用小片可熔焊料粘附到一个或两个接续的 薄片12上。除了传递引发的反应，引燃桥或接头22可以为实际结构，也就 是对RCM薄片12的布置提供结构支撑，或者可以是实际上的非结构支撑。 例如非结构支撑引燃桥22可以为具有较大的负混合热的材料的松散或压紧 的粉末混合物的形式。
有利的是，不同形式的桥和接头20、 22与RCM薄片12的尺寸相比很 小，并不妨碍位于结合区域的任何可熔材料的流动，或者在接合过程中具有 部件主体吻合表面的平整度。
现在看图3，其中显示了多个接续RCM薄片12的示例性排布，其中多 个接续RCM薄片12由焊料装配接头20和可燃桥22布置并连接以在两个部 件主体(未图示)之间形成覆盖大面积结合区域26的反应性复合材料薄片 组件24。在图3所示的布置中，焊料装配接头20和可燃桥22都被包含在 大面积结合区域26内。布置在组件24周围的箭头指示与组件24相关的多 个引燃或反应引发点。
图4说明了由焊料装配接头20和可燃桥22布置并连接多个接触RCM 薄片12以在两个部件主体(未图示)之间形成覆盖大面积结合区域26的反 应性复合材料薄片組件24的第二示例性排布。在图4所示的排布中，软钎 焊料装配接头20被包含在大面积结合区域26内，而可燃桥22被放置在大 面积结合区域26外。通过在大面积结合区域26外放置可燃桥22，可燃桥22可以用胶带或其它不能位于大面积结合区域内的方式附着到组件24的薄 片12上。因此桥可用于固定组件24内的薄片12，以及用于引燃结合反应， 如布置在组件24周围的箭头指示的多个引燃或反应引发点。
在大面积结合区域26内，通过压制或者使用最少量的胶可以将焊料接 头20固定到组件24的薄片12上。如果由于担心合金化而不希望采用与接 合点内用作可熔材料的焊料不同的用于接头20的焊料，则可以将所需焊料 的小的接头用胶粘到反应性薄片上，优选最小量的胶。
图5说明了由焊料装配接头20和可燃桥22布置并连接多个接续RCM 薄片12以在两个部件主体(未图示)之间形成覆盖大线性尺寸结合区域30 的RCM薄片组件24的第三示例性排布。如果可燃桥22放置在接合区域内 可以用胶或小片软钎焊料将可燃桥22附着到反应性薄片12上，或者如果可 燃桥22放置在接合区域外，则可用胶带。
本领域普通技术人员将知道，构成图3、 4和5所示的不同组件24的 RCM薄片12的数量可以依据大面积结合区域26或大线性尺寸结合区域30 的尺寸和外形的不同而不同。较佳地，将RCM薄片12布置在组件24内， 以使在相邻薄片12之间的间隙G尽可能远离结合区域的内部，尤其是与结 合区域的边缘平行的间隙G。同样应认识到，接头20和引燃桥22的位置和 数量可以依据组件24的特定应用和几何形状的不同而不同，可提供在结合 区域内布置过程中将組件24以稳定的构造固定，并且在组件24的薄片12 之间可以以大体迅速和均匀的方式传递反应。
如图6所示，代替装配接头20,可以将具有引燃桥22的两个或更多个 RCM薄片12的组件24封装在诸如软钎焊料或硬钎焊料等可熔材料层32A 和32B之间。这种封装允许将要被处理的可熔材料层32A和32B以及RCM 薄片12的组件24作为一个单元，便于在结合区域内进行布置。RCM薄片 12可以通过辊压、挤压或者其它适当方式结合到可熔材料层32A和32B上 以确保封装保持结构牢固。一旦形成组件24,无论是否有可熔层32A和32B，则放入将被接合的 部件IOA和10B之间的结合区域26内。如图2的框C所示，将要接合的部 件IOA和10B压在一起以在结合区域26上提供大体均匀的压力。可以使用 各种设备和技术来在结合区域26上实现部件IOA和IOB之间的大体均匀的 压力，例如液压机或机械压力机。如图7所示，具有适宜隔板34的部件10A 和10B可以放入一对压板36A和36B之间。以下更详细地描述隔板34的选 择以及隔板34对形成在结合区域26内的得到的结合的效果。可以将橡胶片 等可选择放入的适应层38放入在部件排布中的部件1 OA或10B和相邻的压 板之间以在接合过程中调节在部件10A和10B的外表面与压板36A和36B 的表面上的任何缺陷。可以通过任何适当方式将压力施加到压板36A和36B 上，例如通过具有自动压力控制的液压机。
如图2的框D所示，最后一步是引燃构成组件24的RCM薄片12。当 结合大面积时，在组件24的周围边缘的多个点上对称地引燃RCM薄片12 是有利的，如图3和4中由引燃点箭头所示的点。如之前所述，不具有在结 合区域26外的边缘的内部薄片12随后通过跨过组件24中的引燃桥22传播 的反应引燃。通过同时应用如图8所示的电脉冲、或者通过激光脉冲、电感、 微波辐射或超声能量可以方便地实施组件24内薄片12的同时引燃。
本领域普通技术人员应知道，可以使用各种能够向引燃点同时传递引燃 能的设备。例如，可以使用由与每一个引燃点相连的电容器和开关组成的电 路。所有的开关由总开关控制，以使电容器同时充电和放电。来自电容器的 电脉沖通过开关传到RCM薄片12上的引燃点，并通过压板36A和36B电 接地，引燃在组件24内的薄片12，最终在部件IOA和IOB之间形成结合。 或者，可以将单独的大电容器和开关并联连接到所有的引燃点，以使电容器 放电产生的能量同时到达组件24周围的所有引燃点以引燃每一个薄片12。
在结合过程中，已知随着引燃组件24内的薄片12，在部件主体10A和 IOB之间的不均匀的负荷分布将会引起品质低劣的具有间隙(空隙)存在的
16结合。在加荷机件的压板36A和36B与结合区域26的尺寸相比明显过大或 过小时，通常会产生不均匀的负荷分布。在要被接合的一个或两个部件10A 和10B相对较薄时，可能会加重此问题。当压板36A和36B与结合区域26 的尺寸相比过大时，在结合区域26的周围边缘附近的压力大于在结合区域 26的中心附近的压力，由此在结合区域26的中心附近可能会产生空隙。这 已被图9所示的结合区域26的俯视超声波声像图或C-扫描的中心附近的白 色可见区域说明。
相反，当压板36A和36B与结合区域26相比尺寸过小时，在结合区域 26的中心附近的压力大于在结合区域26的周围边缘附近的压力，由此在结 合区域26的周围边缘出现空隙，如图10所示的结合区域26的俯视超声波 声像图或C-扫描的周围边缘的白色可见区域所显示的空隙。
为了对结合区域26以均勻的方式分布压板36A和36B的负荷，将一个 或多个与结合区域26尺寸匹配的隔板34放入部件IOA、 10B与一个或两个 压板36A、 36B之间。通过不j吏用一个或两个隔^反34而最初形成的一企测结 合的结果处理可以确定一个或两个隔板34的理想厚度。评价在部件IOA和 10B之间得到的结合以证实空隙的存在。至于压板36A和36B大于结合区 域26的应用，可以通过在结合区域26的中心区的空隙面积与结合区域26 的总面积的比率来表征结合质量。为了减少空隙面积，对厚度逐渐增加的隔 板34在部件IOA和IOB之间进行另外的结合检测过程，直到获得对于结合 过程的理想的空隙面积与结合区域面积的比率。较佳地，在每一个结合^r测 过程间使隔板34的厚度加倍，直至获得所需比率。
对于只能容忍没有或仅少量的边缘空隙的大面积接合应用可以改进结 合过程。对于这些应用，由在结合区域26的外部区的空隙面积与总接合面 积的比率所定义的边缘空隙百分比可以用上述方法得到。如果使隔板厚度加 倍的方法产生了可接受的中心空隙的百分比且没有边缘空隙，则得到最佳的 隔板厚度。另一方面，如果该方法产生了可接受的中心空隙的百分比，但测到边缘具有 一些空隙百分比，则隔板厚度应该减少至当前和前一个隔板厚度 的平均厚度。重复此方法直至具有确定厚度的隔板34产生了最少量的中心
空隙和理想的边缘空隙。这已被图11所示的结合区域26的俯视超声波声像 图或C-扫描的中心附近的小的白色区域和周围边缘附近普遍缺乏的任何白 色可见区域说明。
至于压板36A和36B与结合区域26相比过小的应用，可以通过在结合 区域26的外部区的空隙面积与结合区域的总面积的比率来表征结合质量。 为了減少空隙面积，对厚度逐渐增加的隔板34在部件IOA和IOB之间进行 另外的结合检测过程，直到获得用于结合过程的空隙面积与结合区域面积的 理想比率。较佳地，在每一个结合检测过程之间使隔板34的厚度加倍，直 至获得所需比率。
通过以下6个实施例进一步说明本发明用于在大尺寸结合区域26上接 合部件主体IOA和10B的方法。 实施例1
在此实施例中，如图3所示，将反应性或引燃桥22和装配接头20布置 位于在结合区域26的周围边缘内部的组件24上。如图7的总体排布所示， 将在镍圓盘部件10A (厚度为0.2英寸)和黄铜圆盘部件10B (厚度为0.6 英寸)之间形成的结合区域26中的各部件安装在压板36A和36B之间。结 合区域26是外径为17.7英寸、面积为246平方英寸的圆形。将例如锡铅焊 料等可熔材料层32A和32B预施加到镍和黄铜主体IOA和IOB上。为了覆 盖结合区域26,通过跨过间隙G压入总数为12个的铟焊料接头20使总共 16个RCM薄片12(Ni-Al, 8(Vm厚，反应速度7m/s )被预组装作为如图3 所示的组件24。为了确保反应跨过间隙G传播，将6个反应性箔引燃桥22 跨过间隙G附着在结合区域26内。使用额外的小块铟焊料以使反应性箔引 燃桥22附着在RCM薄片12上。
将黄铜圓盘10B放置在平面上，使具有锡铅焊料的预施加层32B的一面朝上。将组件24的各部分以最小间隔的间隙G相邻放置在黄铜圓盘10B 的上面，以便完全覆盖结合区域26。将镍圆盘10A以具有锡铅焊料的预施 加层32A面朝下放置在反应性多层箔上，与组件24中的RCM薄片12( Ni-Al, 80(im厚，反应速度7m/s)接触。将0.75英寸厚、17.7英寸直径的铝隔板 34放置在镍圆盘IOA上并与其对齐。用上述方法通过用尺寸不同的隔板制 造的若干接合来预先确定隔板厚度。将表面积匹配的硬橡胶薄层38放置在 铝隔板34上以在接合过程中调节在黄铜和镍圓盘10A和10B外表面与用于 施加负荷的压力机36A、 36B的压板表面上的任何缺陷。整个排布被转移到 液压机上，对该排布施加负荷107,000Ibs。然后同时在图3中箭头标示的环 绕圆周的12个引燃点上电引燃组件24内的薄片12,使部件主体10A和10B 彼此结合。 实施例2
在此实施例中，如图4所示，将装配接头20布置在结合区域26的周围 边缘内部的组件24上，而将反应性或引燃桥22放置在结合区域26的周围 边缘外部。如图7的总体排布所示，将在镍圆盘部件10A(厚度为0.2英寸) 和黄铜圆盘部件10B(厚度为0.6英寸)之间形成的结合区域26中各部件被 安装在压板36A和36B之间。结合区域26是外径为17.7英寸、面积为246 平方英寸的圆形。同以上实施例1 一样，将诸如锡铅焊料等可熔材料的层 32A和32B预施加到4臬和黄铜主体10A和10B上。为了覆盖结合区域26, 通过跨过间隙G压入总数为3个的铟焊料接头20使总数为8个的RCM薄 片12预组装作为如图4所示的组件24。为了确保反应跨过间隙G传播，将 8个反应性箔引燃桥22跨过间隙G附着在结合区域26外部。使用小片高温 胶带(Kapton⑧)以提供引燃桥22和RCM薄片12之间的附着力，并进而用于 对组件24提供结构支撑。
接下来，将黄铜圆盘10B放置在平面上，使具有锡铅焊料的预施加层 32B的一面朝上。将组件24的各部分以最小间隔间隙G相邻放置在黄铜圓盘10B的上面，以便完全覆盖结合区域26。将镍圓盘IOA放置在反应性多 层箔上，使具有锡铅焊料的预应用层32A的一面朝下，与组件24的RCM 薄片12接触。将0.75英寸厚、17.7英寸直径的铝隔板34放在镍圆盘10A
定隔板厚度。将表面积匹配的硬橡胶的薄层38放置在铝隔板34上以在接合 过程中调节在黄铜和镍圆盘10A和10B外表面与用于施加负荷的压力机 36A、 36B的压板表面上的任何缺陷。整个排布被转移到液压机上，对该排 布施加负荷107000Ibs。然后同时在图4内箭头标示的环绕圓周的16个引燃 点上电引燃组件24内的薄片12,使部件主体IOA和IOB彼此结合。 实施例3
在此实施例中，如图12所示，将装配接头20和引燃桥22放置在组件 24上，即有在结合区域26周围边缘的内部的也有在外部的。根据图7所示 的总体排布，由0.3英寸厚的铜合金圆盘U0A)和0.5英寸厚的铜合金圓 盘(10B)构成的部件主体10A和10B与所述组件一起被布置在结合区域 26内。结合区域26是直径为13英寸、面积为133平方英寸的圆形。将锡 铅焊料用作可熔材料层32A和32B。通过跨过薄片间隙G压入4个铟焊料 接头20使9个RCM薄片12预组装为图12所示的组件布置24。为了确保 反应跨过间隙G传播，在重要边界上附着10个反应性引燃桥22， 2个在结 合区域26内部，8个在结合区域26外部。各部件如图7所示进行排布，0.5 英寸厚的铜圆盘IOB在底部，但铜圆盘10B下没有可选择放置的隔板34， 然后将组件24放置在结合区域26内，再之后将0.3英寸的铜圆盘IOA放置 在上面。将铝隔板34固定在0.3英寸的铜圆盘10A上并与其对齐。表面积 尺寸匹配的硬泡沫薄层充当适应层78。整个布置被转移到液压机上，并由 液压机对该设备施加57，850Ibs的负荷。然后同时在图12中箭头标示的均匀 环绕圆周布置的12个引燃点上电引燃薄片12以引发结合形成反应。
对所得的接合组件进行超声(声学)扫描以测定结合质量。图13示出了典型的声学扫描图，具有包括残存空气的结合质量差的区域，所述残存空 气已知为空隙，显示为结合区域26的周围边缘相邻的亮白色区域。空隙量
以总结合面积百分比测定低于1%，表明是高质量的结合。图13中的暗线表
示在接合过程中已被熔融焊料填充的单个薄片之间的裂隙或间隙。非直线的 暗线是由于在接合过程中发生的反应性复合材料的单个薄片由于反应中的 体积收缩而产生的破裂而形成。在反应性多层箔的单片之间的被填充的间隙 为直线，揭示了在接合之前已将反应性复合材料的单个薄片的图案预組装到
组件24中。 实施例4
在此实施例中，如图14所示，将具有装配接头20的RCM薄片12的 组件24布置在方形结合区域26内，并且在方形结合区域26周围边缘的外 部具有引燃桥22。将被结合的部件IOA和10B由0.5英寸厚的铝制方形板 10A和0.5英寸厚的钛-铝-钒合金方形板10B构成。结合区域26规定了边长 为12英寸、面积为144平方英寸的方形。锡银焊料被用于提供在两个部件 主体IOA、 10B上的可熔材料层32A和32B。通过跨过薄片12间的间隙G 压入2个铟焊料接头20使6个尺寸相等的RCM薄片12预组装为图14所示 的样式。为了确保反应跨过间隙G传播，在结合区域26外部的重要边界上 附着6个反应性多层箔引燃桥22。如图7的总体排布所示，将0.5英寸厚、 边长为12英寸的铝制方形隔板34放置在平面上。然后将钛合金部件主体 IOB、反应性多层箔组件24和铝部件主体IOA放置在隔板34的上面。将与 第一隔板尺寸相同的第二方形铝隔板34放置在铝部件主体10A的上面并与 其对齐。放置在第二隔板34上面的硬橡胶薄层充当适应层38。整个组装的 排布^^转移到液压纟几上，并通过压纟反36A和36B对该组装的排布施加 62640Ibs的负荷。然后同时在图14的箭头标示的均匀地环绕圆周布置的10 个引燃点上电引燃薄片12,在部件主体IOA和IOB之间引发结合反应。
对所得的在部件主体IOA和10B之间的接合进行超声扫描以测定结合质量。图15示出了声学扫描图。以总结合面积百分比测定的空隙量低于1%, 表明是高质量结合。图15中水平和垂直的暗线表示在接合过程中已被熔融 焊料填满的单个薄片之间的间隙。由此根据超声C-扫描图能够清楚地观察
到，6个反应性复合材料的薄片有效地接合了两个部件主体IOA和IOB。 实施例5
在此实施例中，如图16的示意图所示，利用RCM薄片12的组件24 同时使一组分立部件砖40A 40F与单一的基础部件主体42相接合。每个 分立部件砖40A 40F由碳化硼(B4C)构成，并具有长为6.25英寸、宽为 6英寸、厚为0.25英寸的尺寸规格。单一的基础部件主体42包括总尺寸为 26.25英寸长、7.25英寸宽、0.31英寸厚的铜板。结合区域26具有长为25 英寸、宽为6英寸、面积为150平方英寸的矩形形状。预施加到铜板42和 每个碳化硼砖40A 40F上的锡4艮焊料充当可熔材料层32A和32B。如图5 所示，在结合区域26的外部通过用胶带粘接10个反应性多层箔引燃桥22 跨过薄片12之间的间隙G使6个RCM薄片12预组装为组件24,增加了所 有薄片12同时引燃的可能性。将铜板42放置在平面上，使具有锡银焊料的 层32B的一面朝上。组件24被放置在铜板42的上面，以便完全覆盖结合区 域26。将每个碳化硼砖40A-40F以所需配置放置在组件24的上面，使具 有锡银焊料的层32A的一面朝下，与组件24内的RCM薄片12接触。在本 实施例中，将碳化硼砖40A~ 40F首尾相连放置，彼此接触并与矩形结合区 域26对齐，如图16所示。与结合区域26的配置匹配的由硬橡胶薄层组成 的适应层38被放在碳化硼砖40A 40F上，并与结合区域26对齐。铝制隔 板34放在适应层38上并与结合区域26对齐。整个排布被转移到液压机上， 并通过压板36A和36B对该排布施加65，250Ibs的负荷。然后同时在与每个 引燃桥22和组件24的每一端对应的12个均匀布置的点上电引燃RCM薄片 12，在铜板42和碳化硼砖40A - 40F之间引起结合反应。
实施例6在此实施例中，如图17所示，利用RCM薄片12的组件24在匹配的 非平面(弯曲)表面上结合两个弯曲部件主体44A和44B。特别地，将包括 厚度为0.015英寸的弯曲钢薄片的部件主体44A结合到包括弯曲碳化硼瓦的 部件主体44B上。结合区域没有局限于规则形状，并具有约lll平方英寸的 表面积。锡银焊料的可熔层32A和32B被预施加到薄片钢和碳化硼瓦上。 在不规则弯曲结合区域26的外部通过跨过间隙G用胶带粘附6个反应性多 层箔引燃桥22,并压入2个铟焊料接头在结合区域26内跨过间隙G使6个 RCM薄片12预组装为组件24。将碳化硼瓦放置在外形配合模46上，使具 有锡银焊料的可熔层32B的面朝上。外形配合模46上排列橡胶的适应层38 以调节表面缺陷。由包括每片宽为3英寸的4片银-锡-钛焊料(S-Bond⑧"0) 组成的自立可熔层48被放置在碳化硼瓦44B上。然后将RCM组件24放置 在自立可熔层48的上面，以便完全覆盖不规则弯曲结合区域26。接下来将 钢薄片44A放置在组件24的上面，使具有锡银焊料的可熔层32B的面朝下， 与RCM薄片12接触。将外形配合模50放在钢薄片44A上，并将整个排布 转移到液压机上。通过压板36A和36B对组件施加32,000Ibs的负荷，并同 时在环绕结合区域26的周围边缘均匀布置的10个点上电引燃反^性复合材
在以上结构和过程中可以进行各种变化而不背离本发明的范围，以上描 述或附图所示的所有内容用于说明性解释，而非限制的意思。
权利要求
1、一种在大尺寸结合区域中使第一部件主体与至少一个另外的部件主体结合的方法，包括以下步骤在第一部件主体和每个另外的部件主体之间布置至少一个反应性复合材料薄片；和在所述反应性复合材料薄片中引发放热反应，所述放热反应在大尺寸结合区域上使所述第一部件主体和所述至少一个另外的部件主体之间形成结合。
2、 根据权利要求1所述的方法，其中所述大尺寸结合区域的表面积大 于单个反应性复合材料薄片的表面积。
3、 根据权利要求1所述的方法，其中所述大尺寸结合区域的至少一维 尺寸大于单个反应性复合材料薄片的相应尺寸，所述至少一维尺寸相应于长 度或宽度中的至少一个。
4、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过第一部件主体和每个另外的部件主体在至少一个所述反应性复合 材料薄片上施加压力，所述压力在引发所述放热反应之前和过程中施加。
5、 根据权利要求4所述的方法，进一步包括在施加所述压力之前，靠近部件主体放置至少一个隔板，所述隔板在所 述结合形成中改变空隙的形成。
6、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第一部件主体和所述至少一个反应性复合材料薄片之间布置可 熔材料层。
7、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述至少一个反应性复合材料薄片和每个所述至少一个另外的部件 主体之间布置可熔材料层。
8、 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在第一部件主体和每个另外的部件主体之间布置所述至少一个反应性 复合材料薄片的步骤之前，在至少两层可熔材料之间封装所述至少一个反应 性复合材料薄片。
9、 根据权利要求1所述的方法，其中所述布置的步骤包括在第一部件 主体和每个另外的部件主体之间放置多个相邻的反应性复合材料薄片；和其中在所述多个相邻薄片的每一个中引发所述放热反应。
10、 根据权利要求9所述的方法，其中在多个所述相邻的反应性复合材 料薄片中的所述放热反应基本同时被引发。
11、 根据权利要求9所述的方法，进一步包括在所述多个相邻的反应性复合材料薄片之间布置至少一个引燃桥，其中 所述引燃桥在所述相邻的反应性复合材料薄片之间传递引发的放热反应。
12、 根据权利要求11所述的方法，其中所述引燃桥包括反应性复合材 料、多层金属丝、反应性化合物的松散混合物和反应性化合物的紧密混合物 中的至少一种。
13、 根据权利要求9所述的方法，进一步包括使所述多个相邻的反应性复合材料薄片的每一个固定在反应性复合材 料组件内。
14、 根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述多个相邻的反应性复合材料薄片之间固定至少 一 个结构支撑接头。
15、 根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个结构支撑接头由 可熔材料构成。
16、 根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个结构支撑接头在 所述相邻的反应性复合材料薄片之间传递引发的放热反应。
17、 根据权利要求13所述的方法，进一步包括使相邻的反应性复合材料薄片的接续的边缘结合以形成所述组件。
18、 根据权利要求17所述的方法，其中所述接续的边缘用有机粘合剂结合。
19、 根据权利要求17所述的方法，其中所述接续的边缘用可熔材料结合。
20、 根据权利要求1所述的方法，其中所述放热反应通过电流引发。
21、 根据权利要求1所述的方法，其中所述放热反应通过电阻加热引发。
22、 根据权利要求1所述的方法，其中所述放热反应通过至少一个激光 脉冲引发。
23、 根据权利要求1所述的方法，其中所述放热反应通过电感加热引发。
24、 根据权利要求1所述的方法，其中所述放热反应通过微波能引发。
25、 根据权利要求1所述的方法，其中所述放热反应通过超声搅动引发。
26、 根据权利要求1所述的方法，其中在所述至少一个反应性复合材料 薄片中引发所述放热反应的步骤包括在多个引燃点同时引发在所述至少一 个反应性复合材料薄片内的所述放热反应。
27、 根据权利要求26所述的方法，其中所述》文热反应以基本对称的方 式从所述大尺寸结合区域的外部向中心传播。
28、 一种通过权利要求1所述的方法在第一部件主体和至少一个另外的 部件主体之间形成的接合。
29、 一种结合结构，包括 至少两个部件主体；和布置在所述至少两个部件主体之间的在结合区域内的多个反应性复合 材料薄片的残余物。
30、 根据权利要求29所述的结合结构，其中所述多个反应性复合材料 薄片的每一个的所述残余物被所述结合区域内的均匀间隙隔开。
31、 根据权利要求29所述的结合结构，其中所述多个反应性复合材料 薄片的所述残余物显示从结合区域的外部向结合区域的中心基本对称的反 应波阵面传播模式。
32、 一种用于在多个反应性复合材料薄片的组件内引发放热反应的方法，包括在组件内的每个相邻的反应性复合材料薄片之间连接至少 一 个引燃桥，用于在所述多个反应性复合材料薄片的每一个之间提供引燃通道； 在组件内的至少第 一反应性复合材料薄片上引发放热反应；和 在组件内相邻的反应性复合材料薄片之间通过所述引燃桥传导放热反应。
33、 根据权利要求32所述的方法，其中从连接到所述第一反应性复合 材料薄片的引燃桥的引燃引发在所述第 一反应性复合材料薄片内的所述放 热反应。
34、 根据权利要求32所述的方法，其中所述引燃桥的每一个包括反应 性复合材料、多层金属丝、反应性化合物的松散混合物和反应性化合物的紧 密混合物中的至少一种。
35、 根据权利要求32所述的方法，其中所述引发放热反应包括在多个 所述反应性复合材料薄片内基本同时引发放热反应。
36、 根据权利要求32所述的方法，其中所述引发放热反应的步骤包括 在反应性复合材料薄片内的多个点上基本同时引发放热反应。
37、 一种组件，包括通过至少一种连接方式相互连接的至少两个相邻的 反应性复合材料薄片。
38、 根据权利要求37所述的组件，其中所述连接方式为结构支撑接头。
39、 根据权利要求38所述的组件，其中所述结构支撑接头由可熔材料 构成。
40、 根据权利要求37所述的组件，其中所述连接方式被配置为在所述 相邻的反应性复合材料薄片之间传递引发的放热反应。
41、 根据权利要求37所述的组件，其中所述连接方式是在所述相邻的 反应性复合材料薄片的接续边缘之间的结合。
42、 根据权利要求41所述的组件，其中所述结合通过有机粘合剂形成。
43、 根据权利要求41所述的组件，其中所述结合包含可熔材料。
44、 一种通过权利要求1所述的方法制造的结合结构。
45、 根据权利要求44所述的结合结构，其中大尺寸结合区域具有大于 16平方英寸的面积。
46、 根据权利要求44所述的结合结构，其中大尺寸结合区域具有大于 4英寸的长度。
47、 一种在大尺寸结合区域上使第一部件主体和至少一个另外的部件主 体结合的方法，包括在第一部件主体和每一个另外的部件主体之间布置至少一个反应性复 合材料薄片；和在所述薄片上的多个引燃点同时引发在所述反应性复合材料薄片内的 放热反应，所述放热反应在大尺寸结合区域上使在所述第一部件主体和所述 至少 一 个另外的部件主体之间形成结合。
48、 一种在大尺寸结合区域上使第一部件主体和至少一个另外的部件主 体结合的方法，包括在第一部件主体和每一个另外的部件主体之间布置至少一个反应性复 合材料薄片；在至少一个所述部件主体和外部压力源之间布置至少一个隔板； 由所述外部压力源对大尺寸结合区域施加压力；和 在所述反应性复合材料薄片内引发放热反应，所述放热反应在大尺寸结 合区域上使在所述第一部件主体和所述至少一个另外的部件主体之间形成结合。
49、 根据权利要求48所述的方法，其中选择所述至少一个隔板以改变 所述结合的特性。
50、根据权利要求49所述的方法，其中选择所述至少一个隔板以改变所 述结合的内部的空隙分布。
全文摘要
本发明提供一种在大尺寸结合区域上接合材料的部件主体(10A、10B)的方法，该方法通过在所述主体和相邻的可熔材料(14A、14B)薄片之间放置多个基本接续的反应性复合材料薄片(12)使所述主体结合。通过引燃桥材料(22)有效地连接接续的反应性复合材料薄片(12)，使在一个薄片(12)内的引燃反应引起其它薄片内的引燃反应。均匀压力的施加和一个或多个接续的反应性复合材料薄片(12)的引燃引起放热反应以传播到整个结合区域，熔合任何相邻的可熔材料薄片(14A、14B)并在部件主体(10A、10B)之间形成结合。
文档编号B23K20/08GK101448600SQ200680054675
公开日2009年6月3日 申请日期2006年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者埃伦·M·海扬, 奥马尔·M·克尼奥, 杰西·E·纽森, 艾伦·杜克汉姆, 蒂莫西·莱恩·鲁德, 贾伊·S·苏布拉马尼亚姆, 迈克尔·V·布朗 申请人:反应性纳米技术有限公司