用于优化的反应冶金接合的电流排程的制作方法
【专利说明】用于优化的反应冶金接合的电流排程
[0001]相关申请的交叉引用
此申请要求2014年7月8日提交的美国临时申请号62/021，762的权益。该临时申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0002]本公开的技术领域一般涉及金属工件基底的反应冶金接合，并且更具体来说，涉及用于使电流通过金属工件基底和安置于基底之间的反应材料的排程。
【背景技术】
[0003]反应冶金接合是其中将反应材料加热并且压紧在两个金属工件基底之间以促进基底之间的冶金接缝的形成的过程。具体来说，将反应材料制定为具有低于被接合的两个金属工件基底的最低固相线温度的液相线温度，并且额外地，在安置于工件基底的相对的贴合表面之间并且被加热到高于其固相线温度时与那些表面反应。在被加热到高于至少其固相线温度(并且如果需要则预先地)之后，对工件基底施加压紧力，该力使得反应材料(包括任何反应副产物)沿工件基底的贴合表面挤压并横向地展开。贴合表面此时接合在一起从而建立主要由基础工件材料构成的低电阻固态冶金接缝，因为所施加的压紧基本上将反应材料从接缝排出。
[0004]反应材料的反应使得在无需熔化金属工件基底的情况下实现联合。事实上，在反应冶金接合期间，反应材料在被加热到高于其固相线温度时形成移动的液相，同时通常避免面对的工件基底的熔化。此液相分解存在于贴合的金属工件表面上的表面膜和材料(诸如氧化膜)从而暴露贴合表面的清洁部分，并且也可以局部地溶解每个贴合表面的表层以使得它们暂时更易于联合。施加到金属工件基底的压紧力除了排出反应材料和任何反应副产物之外，最终使得相对的贴合表面的清洁的部分在压力下直接接触。最终在相对的贴合表面的接触联合部分之间产生固态冶金接缝。仍存在于贴合表面上的反应材料的任何残留的剩余量简单地再次固化，而不会严重影响接缝性质。
[0005]通过反应冶金接合来接合金属工件基底所需的热量输入与其他接合技术(特别是诸如MIG焊接、TIG焊接、激光焊接以及电阻点焊)相比而言相对低。与意欲产生足以开始基础金属的熔化的热量的那些和其他焊接过程不同，反应冶金接合可以在无需产生这些热量的情况下直接在金属工件基底之间获得固态接缝。如先前所解释，反应冶金接合仅输入足以开始反应材料的熔化的热量，反应材料又与工件基底贴合表面反应以在比工件基底中的任一个将开始熔化的温度低的温度下开始联合。因此，当热敏材料位于紧密靠近要接合的金属工件基底时，反应冶金接合的使用是一个有吸引力的选择。
[0006]反应冶金接合过程可以用多种方式来执行。一种常见的方法使用一对相对的电极来将反应材料电阻地加热到高于其固相线温度并且压紧金属工件基底。具体来说，与电源连通的相对的电极将按压力施加到彼此对准的工件基底的相对面对的表面上。操作相对的电极以使电流通过工件基底并且横跨存在反应材料的其贴合接面。对通过反应材料和横跨贴合接面的电流的流动的阻力产生热量。此热量可以被控制在满足至少以下两个条件的区间内:(1)热量足以开始反应材料的恪化；以及(2)热量不会过高而使得金属工件基底本身开始熔化。相对的电极还可以供应在工件贴合表面的接触联合部分之间产生固态冶金接缝所需的压紧力。
【发明内容】
[0007]披露一种实践反应冶金接合的方法，其中根据可以由可控电源执行的电流排程来使电流通过工件基底并且横跨存在反应材料的贴合界面。所使用的电流排程要求在所施加的电流水平中总体增加的电流脉冲；也就是说，多个电流脉冲的至少75%的最大获得的电流水平包含在根据从电流流动开始到电流流动停止的时间而增加的安培数波段内。此电流排程有助于最大化接缝强度、最小化交换电流的电极的黏着并且最小化在金属工件基底之间的固态冶金接缝的形成期间的过量热量输入。
[0008]本发明包括以下方案:
1.一种通过反应冶金接合来接合第一金属工件基底和第二金属工件基底的方法，所述方法包括:
提供第一金属工件基底和第二金属工件基底，第一和第二金属工件基底以重叠方式堆叠以使得第一金属工件基底的贴合表面面对第二金属工件基底的贴合表面，并且其中在第一金属工件基底的贴合表面与第二金属工件基底的贴合表面之间在接合位置处安置反应材料，反应材料具有低于第一金属工件基底的固相线温度和第二金属工件基底的固相线温度的液相线温度；
使脉动直流电流通过反应材料以电阻地加热反应材料，并且使得反应材料至少部分地熔化成接触第一金属工件基底的贴合表面和第二金属工件基底的贴合表面的熔化的反应材料，第一金属工件基底和第二金属工件基底在脉动直流电流的通过期间都不被熔化；以及
在熔化的反应材料存在于第一和第二金属工件基底的贴合表面之间时，将第一和第二金属工件基底按压在一起，脉动直流电流的通过和将第一和第二金属工件基底按压在一起导致在第一和第二金属工件基底的贴合表面之间形成固态冶金接缝。
[0009]2.如方案1所述的方法，其中第一金属工件基底由铜或铜合金组成，并且其中第二金属工件基底由铜或铜合金组成。
[0010]3.如方案2所述的方法，其中反应材料是自熔性基于铜的反应材料合金。
[0011]4.如方案3所述的方法，其中反应材料包括Cu-Ag-P反应材料合金。
[0012]5.如方案1所述的方法，其中将第一和第二金属工件基底按压在一起的步骤包括:
使第一金属工件基底与第一电极接触并且使第二金属工件基底与第二电极接触，第一和第二电极在接合位置处彼此轴向地面对地对准；以及
通过第一电极和第二电极分别在第一金属工件基底和第二金属工件基底上的压力的施加，对第一和第二金属工件基底施加压紧力。
[0013]6.如方案1所述的方法，其中脉动直流电流包括多个电流脉冲，多个电流脉冲中的每一个具有最大获得的电流水平，并且其中在施加的电流水平中多个电流脉冲总体增加，以使得最大获得的电流水平的至少75%包含在由安培数上限和安培数下限限定的安培数波段内，安培数上限和安培数下限具有正线性斜率并且彼此平行以提供具有2 kA与6 kA之间的带宽的安培数波段。
[0014]7.如方案6所述的方法，其中最大获得的电流水平的100%包含在安培数波段内。
[0015]8.如方案7所述的方法，其中多个电流脉冲中的每一个具有开始电流水平和结束电流水平，并且其中每个电流脉冲的开始电流水平和结束电流水平低于安培数波段。
[0016]9.如方案6所述的方法，其中多个电流脉冲中的每一个具有振幅，并且多个电流脉冲的振幅随时间总体增加。
[0017]10.一种通过反应冶金接合来接合第一金属工件基底和第二金属工件基底的方法，所述方法包括:
将第一金属工件基底和第二金属工件基底堆叠以使得第一金属工件基底的贴合表面面对第二金属工件基底的贴合表面，并且其中在第一和第二金属工件基底的贴合表面之间安置反应材料，反应材料具有低于第一金属工件基底的固相线温度和第二金属工件基底的固相线温度的液相线温度；
使脉动直流电流通过反应材料以将反应材料电阻地加热到高于反应材料的固相线温度但低于第一金属工件基底的固相线温度和第二金属工件基底的固相线温度的温度，脉动直流电流包括多个电流脉冲，多个电流脉冲中的每一个具有最大获得的电流水平，并且其中在施加的电流水平中多个电流脉冲总体增加，以使得最大获得的电流水平的至少75%包含在由安培数上限和安培数下限限定的安培数波段内，安培数上限和安培数下限具有正线性斜率并且彼此平行以提供具有2 kA与6 kA之间的带宽的安培数波段；以及
至少在脉动直流电流的通过期间将第一和第二金属工件基底按压在一起，以在第一金属工件基底的贴合表面与第二金属工件基底的贴合表面之间形成固态冶金接缝。
[0018]11.如方案