用于焊接至少兩個層的方法技術

本發明專利技術的方法涉及一種將第一層(20)與第二層(30)焊接在一起的方法。第二層(30)的第二熔化溫度Tm,2低于第一層(20)的第一熔化溫度Tm,1。在通過將第一層(20)放置在第二層(30)的頂部形成層疊件(50)之后，在第一層(20)的上表面(20u)的至少一個摩擦部分(15)上按壓并平移旋轉工具(70)，從而使得第二層(30)的上表面(30u)的至少一部分所達到的溫度高于第二熔化溫度Tm,2。限制裝置防止熔化的第二材料流出層疊件(50)。從如下的材料中選擇第一層(20)和第二層(30)的材料：金屬、半金屬或半導體。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及在至少第一接合表面上將至少兩個層焊接在一起的方法。
技術介紹
在1991年，焊接研究所研發了被稱為攪拌摩擦焊(FSW)的技術，用于連接難以由常規的熔焊焊接的金屬合金。沿需要連接的兩個夾緊塊之間的對接接頭平移具有栓的旋轉工具。旋轉栓穿透兩個塊，經攪拌的材料(通常是金屬材料)不熔融而軟化。該過程涉及基礎材料的動態再結晶。FSW是固態連接工藝:待連接的兩個塊的兩種材料在該工藝過程中不熔融。 搭接攪拌摩擦焊(FSLW)是FSW的一種應用，用于連接通常是金屬層的至少兩個層(例如，見 R.S.Mishra 等，Mater.Sc1.Eng.R 50(2005), 1-78)。對于 FSW，在該技術中使用具有栓的旋轉工具以機械混合不同層的材料。因此，FSLW也是一種固態連接工藝。如ZhangGuifeng(張貴鋒)等所報告(Metal1.Mater.Trans.A Vol 42, Issue 9，pp.2850-2861),FSLW顯示出幾個缺陷，例如，引起沿連接的不同層之間的交界面的孔隙。旋轉工具的栓必須穿透不同層以在不同層之間機械混合而在該工藝中也會大大損壞。使用不帶栓的旋轉工具可能會防止栓的磨損，但是這樣不同層之間的機械混合會差，從而導致連接強度非常差。 因此，ZhangGuifeng (張貴鋒)等在 Metall.Mater.Trans.A Vol42, Issue9,pp.2850-2861中提出了一種工藝，名為攪拌摩擦釬焊(FSB)。在該工藝中，在頂層的上表面使用并平移不帶栓的旋轉工具。釬焊層放置在待連接的兩個層之間。因為Zn的熔點低，通常選擇Zn箔作為釬焊層。在Zhang Guifeng(張貴鋒)等的公開內容中，Zn箔用來將鋁(Al)層連接到鋼層。Al層是頂層，意味著旋轉工具在Al層的上表面上平移。當在頂層的上表面上按壓并平移旋轉工具(不帶栓)時，通過摩擦在旋轉工具下方產生熱量。該熱量導致Zn箔的熔化，從而連接(該特定情形中的Al和鋼)兩個層。為了使Zn箔在它的整個厚度上完全熔化，Zn箔的厚度必須小(通常約為0.1mm)。如Zhang Guifeng (張貴鋒)等的公開內容所示和說明的那樣(例如，圖3以及段落II1.A，D)，當旋轉工具在頂層的上表面上平移引起Zn箔熔化時，大量Zn被旋轉工具擠出。 FSB需要待連接的兩個層之間存在釬焊層。該釬焊層通常是Zn層。這導致不同的缺陷。首先，因為需要額外的材料，成本增加。其次，釬焊層的存在引起待連接的兩個層的污染，特別是當隨后對多層結構進行熱處理時。 W02010/067796A1描述了將熱塑性聚合物層與金屬層連接的方法。將這兩個部件重疊，從金屬部件側按壓旋轉摩擦攪拌工具，通過摩擦熱連接兩個部件:在聚合物通過摩擦熱熔融后，在溫度下降時樹脂沿接合表面與金屬部件融合，從而形成交界面接合。W02010/067796A1的連接方法顯示出多個缺陷。在兩個層之間的交界面接合表面，沿兩個層的厚度方向的性能(例如，熱導率、電阻)在交界面處呈現明顯間斷性。在很多應用中，這種間斷性的性能是不希望的，因為它導致跨越整個厚度的差的整體性能。而且，兩個層之間的清晰交界面會引起兩個層之間接合的弱的機械阻力。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種連接至少兩個層的方法，在兩個層之間的接合表面產生改進的連續性。為此，專利技術人提出了如下的方法。一種在至少第一接合表面上將至少兩個層焊接在一起的方法，其包括如下步驟: (a)提供第一材料的第一層，所述第一材料具有第一熔化溫度Tnu，所述第一層具有由第一層的厚度h隔開的上表面和下表面； (b)提供第二材料的第二層，所述第二材料具有第二熔化溫度Tm，2，Tm，2低于第一熔化溫度Tnu，所述第二層具有由第二層的厚度t2隔開的上表面和下表面； (C)通過堆疊第一層和第二層形成層疊件，使得第一層的下表面接觸并至少部分地與第二層的上表面重疊以形成交界面； (d)在第一層的上表面的至少一個摩擦部分上按壓和平移，其中，與所述摩擦部分對應的交界面的部分限定了第一接合表面，旋轉工具通過摩擦提升第一層的上表面的所述至少一個摩擦部分的溫度，并通過第一層的厚度將熱量傳到第二層，從而使得包含在所述第一接合表面中的第二層的上表面的至少一部分所達到的溫度高于第二熔化溫度Tm，2 ； (e)提供限制裝置，用于防止熔化的第二材料流出層疊件。 本專利技術的方法的特征在于:所述第一層和所述第二層所述第一材料和所述第二材料選自如下材料:金屬、半金屬或半導體。 術語金屬、半金屬和半導體為本領域技術人員所知的，且可根據電子能帶理論定義。金屬的電子能帶結構的特征在于部分地填充導帶CB，且在費米能級具有大的態密度。半金屬的電子能帶結構的特征在于導帶CB的底部與價帶VB的頂部之間小的重疊。半金屬沒有帶隙Eg，以及微不足道的費米能級態密度。在半金屬中，導帶CB的底部一般位于與價帶VB的頂部不同的動量空間部分(不同的k向量)。半金屬具有兩種類型的電荷載體:空穴和電子。半導體在OK具有填充的價帶VB，其通過相當窄的帶隙Eg(Eg —般小于4eV)與空的導帶CB隔開。 因為從金屬、半金屬或半導體中選擇第一材料和第二材料，采用根據本專利技術的方法連接它們時，在第一層和第二層之間形成界面相。在保持固態的第一層和至少沿第二層的上表面部分熔化的第二層之間發生的反應產生該界面相:第一層的原子或分子擴散到第二層的液相中，當溫度下降時形成“化學”界面相。同時或可替換地，晶體可能從一層跨越交界面生長并滲入第二層，從而形成“物理”界面相。可替換地，第一層和第二層的原子或分子均擴散到另外一層形成界面相。這種界面相因此具有不同于第一層和第二層的化學成分，和/或具有不同于這兩個層的物理結構。所以，不同于采用W02010/067796A1的方法所獲得的組件(其僅包括兩個相)，本專利技術的方法最后獲得三個不同區的組件:一個區對應第一層的相、一個區對應第二層的相、一個區對應界面相。優選地，這三個不同的區是三個不同的相。該界面相獲得該屬性組件中的漸變，而不是采用界面接合獲得的明顯間斷性。也可以獲得化學成分的漸變。最后，在兩個層之間的第一接合表面獲得的改進的連續性導致組件的整體性能的改進。特別地，由于在第一層和第二層之間出現界面相，第一接合表面的機械阻力更高。 在本專利技術的方法中，沒有使用釬焊層來連接第一層和第二層。由于由旋轉工具產生的熱量，第二層熔化從而將其焊接到第一層。由于本專利技術的方法使用防止熔化的第二材料流出層疊件的限制裝置，在連接過程(或本專利技術的方法)結束時所述第二材料仍保持存在。如果不使用限制裝置，如同FSB中Zn層的情形，大量的第二層的第二材料將會在連接過程中被擠出。使用限制裝置也能有力控制不同層的厚度。 本專利技術的方法具有其他優點。不同于FSW或FSLW，本專利技術的方法不要求旋轉工具穿透到第二層。僅要求旋轉工具下摩擦產生的熱量通過傳導經由第一層的厚度^傳輸到第二層。因此，與FSW或FSLW相比，本專利技術的方法可以使用不那么復雜的旋轉工具。由于本專利技術的方法中的旋轉工具更簡單，該技術比FSW或FSLW成本更低。由于旋轉工具無需穿透第一層的厚度h，與FSW或FSLW相比，本本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種在至少第一接合表面(10)上將至少兩個層焊接在一起的方法，其包括如下步驟：(a)提供第一材料的第一層(20)，所述第一材料具有第一熔化溫度Tm,1，所述第一層(20)具有由第一層(20)的厚度t1隔開的上表面(20u)和下表面(20b)；(b)提供第二材料的第二層(30)，所述第二材料具有第二熔化溫度Tm,2，Tm,2低于第一熔化溫度Tm,1，所述第二層(30)具有由第二層(30)的厚度t2隔開的上表面(30u)和下表面(30b)；(c)通過堆疊第一層和第二層(20,30)形成層疊件(50)，使得第一層(20)的下表面(20b)接觸并至少部分地與第二層(30)的上表面(30u)重疊以形成交界面(17)；(d)在第一層(20)的上表面(20u)的至少一個摩擦部分(15)上按壓和平移，其中，與所述摩擦部分(15)對應的交界面(17)的部分限定了第一接合表面(10)，旋轉工具(70)通過摩擦提升第一層(20)的上表面(20u)的所述至少一個摩擦部分(15)的溫度，并通過第一層(20)的厚度t1將熱量傳到第二層(30)，從而使得包含在所述第一接合表面(10)中的第二層(30)的上表面(30u)的至少一部分所達到的溫度高于第二熔化溫度Tm,2；(e)提供限制裝置，用于防止熔化的第二材料流出層疊件(50)；其特征在于：第一層(20)和第二層(30)的所述第一材料和所述第二材料選自如下材料：金屬、半金屬或半導體。...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2012.04.30 EP 12166124.31.一種在至少第一接合表面(10)上將至少兩個層焊接在一起的方法，其包括如下步驟: (a)提供第一材料的第一層(20)，所述第一材料具有第一熔化溫度Tnu，所述第一層(20)具有由第一層(20)的厚度h隔開的上表面(20u)和下表面(20b)； (b)提供第二材料的第二層(30)，所述第二材料具有第二熔化溫度1^2，Tm，2低于第一熔化溫度Tnu，所述第二層(30)具有由第二層(30)的厚度t2隔開的上表面(30u)和下表面(30b)； (c)通過堆疊第一層和第二層(20，30)形成層疊件(50)，使得第一層(20)的下表面(20b)接觸并至少部分地與第二層(30)的上表面(30u)重疊以形成交界面(17)； (d)在第一層(20)的上表面(20u)的至少一個摩擦部分(15)上按壓和平移，其中，與所述摩擦部分(15)對應的交界面(17)的部分限定了第一接合表面(10)，旋轉工具(70)通過摩擦提升第一層(20)的上表面(20u)的所述至少一個摩擦部分(15)的溫度，并通過第一層(20)的厚度^將熱量傳到第二層(30)，從而使得包含在所述第一接合表面(10)中的第二層(30)的上表面(30u)的至少一部分所達到的溫度高于第二熔化溫度！^; (e)提供限制裝置，用于防止熔化的第二材料流出層疊件(50)； 其特征在于: 第一層(20)和第二層(30)的所述第一材料和所述第二材料選自如下材料:金屬、半金屬或半導體。2.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述限制裝置包括具有側壁(95)的腔(90)，其中緊密放置有所述層疊件(50)。3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于:所述限制裝置防止旋轉工具(70)到達沿第一層(20)的上表面(20u)的周界(20p)的至少一部分延伸的邊緣。4.如前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于:所述限制裝置包括第二層(30)的固態下表面(30b) ο5.如前述權利要求中任意一項所述的方法，其特征在于:在第一層(20)和第二層(30)之間形成界面相，這種界面相具有不同于第一層(20)和第二層(30)的化學組分和/或不同于第一層(20)和第二層(30)的物理結構。...

【專利技術屬性】
技術研發人員：帕斯卡·雅克，卡米爾·萬德瑞斯特，奧德·斯馬爾，
申請(專利權)人：魯汶大學，
類型：發明
國別省市：比利時;BE