專利名稱：由金屬構(gòu)成的異種材料的接合方法及其接合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用比如鋼材料、鋁合金材料等的異種金屬材料的電阻焊的 接合技術(shù)和所得的結(jié)構(gòu)。具體而言，本發(fā)明涉及接合結(jié)構(gòu)，其中所述材料通 過層疊三層以上片而形成且具有異種材料界面和同種材料界面。
背景技術(shù)：
當(dāng)接合異種金屬時，如果所用的接合工藝與接合相同材料所使用的接合 工藝相同，則由于形成了脆弱的金屬間化合物，不能獲得足夠的接縫強度。 例如，當(dāng)接合鋁合金和鋼材料時，形成了具有高硬度的脆弱金屬間化合物，比如Fe2八ls或FeAl3。需要控制這樣的金屬間化合物以確保接縫強度。然而，在鋁合金的表面上形成有細致和剛硬的氧化物涂層。為了去除這 樣的涂層，需要在接合操作時提供大量的熱。為此，生長了厚的金屬間化合 物層，因為接合部分的強度變?nèi)醵鴮?dǎo)致問題。由此，當(dāng)使用這樣的異種金屬材料的組合時，異種材料通常通過借助螺 釘、鉚釘?shù)鹊臋C械緊固操作來接合。然而，這導(dǎo)致重量或成本的增加。對于 這樣的異種金屬的接合操作，在某些元件中利用了摩擦壓力。然而這樣的摩 擦壓力接合操作有限地用于具有期望的對稱性的旋轉(zhuǎn)體之間的接合操作等 中。因此，其應(yīng)用是相當(dāng)有限的。比如爆炸接合或熱軋的接合操作是熟知的。 然而，這樣的操作具有設(shè)備和效率問題，使得難于廣泛地將這樣的操作應(yīng)用 于常規(guī)的異種金屬。日本特開平4-127973披露了 一種采用等于或小于10 ms的電流導(dǎo)通時間 進行電阻焊操作的方法。當(dāng)由與異種金屬相同的兩種類型的材料形成的包覆 材料夾置于要被接合的異種金屬材料之間時，進行這樣的方法。這使得同種 材料夂皮此接合。然而，在該方法中，在本來需要兩層板的情形，則需要三層板。當(dāng)考慮 實際的制造時，除了插入包覆材料之外，還需要緊固包覆材料。另外，在建 立的焊接線中應(yīng)當(dāng)組裝新的設(shè)備，由此導(dǎo)致了成本增加。另外，當(dāng)接合鋁和鋼時，因為鋁覆鋼自身通過將異種材料彼此接合而制造，制造條件變得重要。 由此，難于獲得具有穩(wěn)定性能的便宜包覆材料。日本特開平6-39558披露了一種接合材料的方法，所述方法包括在鋼 的表面上鍍覆鋁合金或純鋁，其中鋁合金具有等于或大于20wt。/。的Al含量， 用鋁材料接觸鋼，使得鋁合金或純鋁具有等于或大于2pm的厚度；通過在 鋁材料上層疊這樣的鍍覆表面來傳導(dǎo)電流，優(yōu)選地熔融鍍層且?guī)缀醪蝗廴阡?材料側(cè)。該鋁鍍覆操作需要大量的熱，從而在接合鋁鍍層表面和鋼材料時破壞鋼 的表面上的剛硬的氧化物涂層。由此，在鋁板和鋼之間的界面上形成了脆弱 的金屬間化合物，增加了接合失效的可能性。當(dāng)電阻焊三片或多片異種材料時，異種材料界面和同種材料界面同時存 在。當(dāng)異種材料界面的電阻加熱小于同種材料界面的電阻加熱時，熔核 (nugget)由于電阻加熱的差異而形成于同種材料界面上，而幾乎不形成于 異種材料界面。在這樣的情形，為了在每個界面中獲得足夠的接合強度，需 要對于熔核提供足夠的熱，以使其在異種材料界面?zhèn)染哂衅谕闹睆?。然而?當(dāng)提供所需的熱以在異種材料界面上產(chǎn)生足夠大的熔核時，在相同材料界面 中的電阻加熱變得過度。由此，在低熔點材料側(cè)即在上述的鋁和鋼的接合實 例中的鋁材料側(cè)，由于這樣的電阻加熱而厚度減小。發(fā)明內(nèi)容這里披露了接合由金屬制成的異種材料的方法。 一種這樣的方法包括層 疊多個板材料，其中至少兩個板材料為第一金屬材料，且至少一個板材料為 第二金屬材料，第二金屬材料的熔點低于第一金屬材料，從而形成異種材料 界面和同種材料界面；通過電阻焊操作形成分層的接縫，其中異種材料界面 的接觸電阻小于同種材料界面的接觸電阻；橫跨多個層疊的板材料中的至少 三層傳導(dǎo)第一電流，從而在同種材料界面中形成熔核，且橫跨多個層疊的板 材料中的至少三層傳導(dǎo)第二電流，從而在異種材料界面中形成熔核，其中第 二電流大于第一電流。還披露了由金屬制成的異種材料的接合結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)例如包括第 一金屬材料的至少兩個板層；第二金屬材料的至少一個板層，第二金屬材料 的熔點低于第一金屬材料；在第一金屬材料的板層和第二金屬材料的板層之間的異種材料界面；相鄰的第一金屬材料的板層之間的同種材料界面，其中 所述異種材料界面中的接觸電阻低于所述同種材料界面中的接觸電阻；形成 于異種材料界面中具有第 一直徑的熔核；以及形成于同種材料界面中具有第 二直徑的熔核，其中第一直徑等于或大于第二直徑。


這里說明書將參考附圖，其中在這幾個附圖中相似的附圖標記指示相似 的部件，且其中圖1A和1B分別為AC電源型的電阻焊設(shè)備和包括接觸電阻的監(jiān)測裝置 的電阻焊設(shè)備的總圖；圖2為顯示Al-Zn系統(tǒng)的二元相圖的曲線圖；圖3A到3F示意性顯示了當(dāng)密封材料插入異種材料界面中時利用共晶熔 接的接合工藝；圖4A和4B為三片包(bundle)的接合工藝的第一、第二和第四實施例的 橫截面說明圖；圖5A和5B為三片包的接合工藝的第三實施例的剖面說明圖，其中密 封材料插入異種材料界面中；圖6A和6B為利用第五實施例的棵鋼板的三片包的接合工藝的剖面說 明圖；以及圖7A和7B為四片包的接合工藝的第六實施例的剖面說明圖。
具體實施方式
在此披露的接合方法能夠在每個界面中充分地保證接合強度，其中期望 的熔核直徑可以形成于每個界面中，同時阻止低熔點側(cè)的材料厚度的減小。 當(dāng)由金屬制成的三片或多片異種材料被層疊且通過電阻焊操作接合時，可以 利用該方法。對于具有同種材料界面和異種材料界面兩者且其中由于兩種界 面直徑的接觸電阻的差異，異種材料界面中的電阻加熱小于同種材料界面的 電阻加熱的材料的組合，可以也利用該方法。還披露了由這樣的接合方法獲 得的接合結(jié)構(gòu)。接合結(jié)構(gòu)例如為車輛的組件，比如門、車蓋等?；谝韵碌膶嵤├?，解釋了本發(fā)明，盡管本發(fā)明不一定限于這些實施例。 這里根據(jù)本發(fā)明的異種金屬的接合方法涉及通過電阻焊操作來層疊接合三片或多片金屬板材料，其中金屬板材料具有異種材料界面和同種材料界 面。異種材料界面中的接觸電阻低于同種材料界面中的接觸電阻。這樣的異 種金屬材料的具體組合例如可以包括鋼_鋼_鋁合金材料和鋼-鋼-鎂合 金材料的組合。如這里所用的，術(shù)語"同種材料"意味著具有相同組分系統(tǒng)或相同金屬 結(jié)構(gòu)的材料。然而，這樣的術(shù)語不限于屬于同一標準的材料。例如，在鋼材 料的情形，雖然材料可以屬于各自的標準，比如碳鋼和合金鋼或軟鋼，拉伸 強度鋼等，它們被認為是相同的材料，只要所述材料具有鐵素體結(jié)構(gòu)。如這里所用的，術(shù)語"同種材料界面"意味著同種材料的接合界面，而 術(shù)語"異種材料界面"意味著異種材料的接合界面。在異種金屬的接合方法的 一個實施例中，使用了 AC電源型的點焊裝置， 如圖1A所示。在圖1A中，通過由焊接電極E1和E2加壓三片板材料A、 B和C (B和C為同種材料)且將電流傳導(dǎo)到這三片板材料A、 B和C (B 和C為同種材料)，進行了層疊焊接操作。在該異種金屬的接合方法中，通過在層疊的材料之間傳導(dǎo)比較低的第一 電流且隨后傳導(dǎo)大于第 一電流的第二電流，在同種材料界面中形成熔核。因為在接合操作的初始工藝導(dǎo)通比較低的電流，熔核形成于具有較大接 觸電阻和電阻加熱的同種材料界面。而且，因為同種材料界面被接合，確保 了電傳導(dǎo)，使得減小了同種材料界面中的電阻。為此，因為在熔核形成于同 種材料界面之后，同種材料界面中的電阻加熱變得足夠，可以在異種材料界 面中形成期望的熔核直徑。在該情形，如圖1B所示，可以進行接合操作，而且監(jiān)測層疊的板材料 中的同種材料界面中的接觸電阻。這通過使用用于監(jiān)測接觸電阻且根據(jù)同種 材料界面中的電阻值的變化將第 一電流轉(zhuǎn)換為更大的第二電流的電流表或 電壓表的接觸電阻監(jiān)測裝置來實現(xiàn)。雖然未示出，可以通過監(jiān)測圖1B中的板材料A和板材料C之間的接觸 電阻，而將第一電流轉(zhuǎn)換為第二電流。因為板材料B和板材料C之間的接 觸電阻大于板材料A和板材料B之間的接觸電阻，通過監(jiān)測板材料A和板 材料C之間的接觸電阻減小，可以減小同種材料界面中的接觸電阻。當(dāng)同種材料界面中的接觸電阻變得等于異種材料界面中的接觸電阻時，第一電流可以被轉(zhuǎn)換為更大的第二電流。在該接合方法實施例中，在導(dǎo)通電流時減小了電阻加熱差異，使得異種 材料界面和同種材料界面中的接觸電阻之間的平衡變得有利。為了實現(xiàn)它， 形成異種材料界面的至少 一個板材料側(cè)中的表面粗糙度可以大于形成同種 材料界面的任一板材料表面的粗糙度?？商娲?，在形成同種材料界面的至 少 一板材料側(cè)中的表面粗糙度細于形成異種材料界面的任一板材料表面。例如，板材料表面的粗糙方法可以包括具有粗糙織構(gòu)的粗銼的摩擦操 作、蝕刻操作和噴丸操作。另外，為了改善表面粗糙度，即使得表面更精細 且更光滑，可以考慮研磨拋光操作或軟皮拋光操作以作為精加工工藝。而且，對于同一物體，可以在異種材料界面中夾置用于增加異種材料界 面的電阻的材料。更具體而言，可以將氧化鋁漿料施加到該界面，或可以夾 置碳材料、陶瓷或?qū)щ姌渲?。在這里教導(dǎo)的接合方法中，密封材料可以被夾置在異種材料界面中。通 過防止由于異種金屬的直接接觸引起的電蝕，可以改善異種材料的抗蝕性。 另外，提高了異種材料界面中的電阻加熱，使得在界面處發(fā)生熔核直徑的擴 展。另外，可以將第三金屬材料夾置在異種材料界面中，其中第三金屬材料 與形成該界面的至少一側(cè)的異種金屬材料共晶熔融，或?qū)е鹿簿劢印Ｍㄟ^ 這樣作，雖然剛硬氧化物涂層形成于接合表面上，這樣的涂層也可以容易地 從接合界面去除。圖2顯示了作為其中發(fā)生共晶反應(yīng)的合金的實例的鋁-鋅(Al-Zn)系 統(tǒng)的二元相圖。如圖2所示，A1-Zn系統(tǒng)中的共晶點Te為665K且在比A1 的熔點933K還要低的溫度發(fā)生共晶反應(yīng)。因而，如果在圖2所示的共晶點發(fā)生Al和Zn的共晶熔接，則可以進行 低溫接合操作，且隨著氧化物涂層的去除或相互擴散等，該共晶熔接被用于 鋁材料的接合操作。由此可以有效地抑制金屬對于比如Fe2Als或FeAl3的金 屬間化合物的接合界面的生長。如這里所用，共晶熔接意味著利用共晶反應(yīng)的熔接。當(dāng)由兩種金屬(或 合金)的相互擴散引起的相互擴散區(qū)的組分為共晶組分時，如果維持溫度等 于或高于共晶溫度，則由共晶反應(yīng)形成了液相。例如，對于鋁和鋅，鋁的熔 點為933K且鋅的熔點為692.5K。另外，共晶金屬在低于鋁和鋅的熔點的655K的溫度熔融。由此，當(dāng)通過在等于或大于655K的溫度加熱，兩種金屬的清潔表面接 觸并保持，發(fā)生共晶熔接反應(yīng)。共晶組分變?yōu)锳1-95%Zn。雖然剛硬的氧化物涂層存在于鋁材料的表面上，通過在電阻焊操作時的 電流導(dǎo)通和加壓操作，物理上破壞了涂層。即，因為材料表面上的微觀突起 部分在加壓操作期間彼此接觸，所以從通過局部破壞一部分氧化物涂層而接 觸的那部分鋁和鋅發(fā)生共晶熔接。因為形成了液相，其周圍的氧化物涂層斷 裂且分解。而且，共晶熔接反應(yīng)被擴展到整個表面，使得提高了氧化物涂層 破壞。完成了經(jīng)由液相的接合操作。因為通過相互擴散自動實現(xiàn)了共晶組分，不必控制組分。共晶反應(yīng)發(fā)生 于兩種類型的金屬或合金之間的低熔點處。在鋁和鋅的共晶熔接的情形，當(dāng) 使用Zn - Al合金來取代鋅時，則該組成包含等于或大于95 %的鋅是有利的。圖3A到3F示意地示出了當(dāng)密封材料夾置于異種材料界面時利用共晶熔 接的接合工藝。首先，如圖3A所示，制備了鍍鋅的鋼板2和鋁合金板1。鋅鍍層2p提 供在鍍鋅鋼板2上且用作導(dǎo)致與Al共晶反應(yīng)的第三金屬材料。鍍鋅鋼板2 和鋁合金板1被層疊，使得鋅鍍層2p相鄰于鋁合金板2。膏型密封材料S 施加到其界面，且氧化物涂層1C形成于鋁合金板1的表面上。接著，被接合的材料通過如圖3B所示的一對上和下焊接電極加壓，使 得密封材料S從接合部分的中心部分排出到外周部分。在中心部分，鋁合金 板1的表面上的鋅鍍層2p和氧化物涂層lc直接彼此接觸。當(dāng)如圖3C所示由于加壓和電流導(dǎo)通操作而發(fā)生機械或熱沖擊時，氧化 物涂層被局部破壞。結(jié)果，在鋅和鋁彼此接觸之處，由此保持了等于或高于 鋅和鋁的共晶點溫度的溫度，如圖3D所示，然后發(fā)生鋅和鋁的共晶熔接。如圖3E所示，通過進一步加壓電極，氧化物涂層lc或在與共晶熔接金 屬的接合界面中的雜質(zhì)(未顯示)被排出到具有密封材料的接合部分的周圍， 且保證了預(yù)定的接合面積。其后，因為鋁和鋼的新表面彼此直接接合，如圖 3F所示，在鍍鋅鋼板2和鋁合金板1之間可以獲得剛硬的金屬接合。夾置在兩種材料之間的第三金屬材料不被具體限定，只要其與鋁合金形 成了低熔點共晶組分。例如，除了上述的鋅(Zn)之外，第三金屬材料還可 以包括銅(Cu)、錫(Sn)、銀(Ag)或鎳(Ni)。這樣的金屬與Al導(dǎo)致共晶反應(yīng)且在等于或低于基材(即鋁合金材料) 的熔點的溫度熔融。由此，即使對于容易形成脆弱金屬間化合物的鋼和鋁合 金材料的接合操作，可以在低溫去除氧化物涂層。另外，可以抑制接合工藝 過程中在接合界面上金屬間化合物的形成，使得形成了剛硬的接合。雖然這里使用來解釋操作的材料主要為鋼和鋁合金的組合，也可以考慮 鋼和鎂合金材料的組合。當(dāng)接合鋼和鎂合金材料時，通過引起鍍鋅鋼側(cè)和鎂 之間的共晶反應(yīng)，可以進行接合操作。第三金屬材料一定不限于上述的純金屬。然而，因為共晶金屬也包括二 元合金和三元合金，第三金屬材料可以包括合金，該合金包括它們之中的金 屬的任何一種類型。第三金屬材料可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒▕A置。 一個非限制實例包括在要 被接合的材料的接合表面的至少之一上鍍覆第三金屬材料。在期望或要求的 情形，也考慮可以采用材料插入。然而，可以理解通過減小制造工藝的數(shù)量， 鍍覆工藝改善了操作效率。因為不需任何特別的準備，且可以在現(xiàn)場使用可 常規(guī)獲得的為控制腐蝕而鍍鋅的鋼材料，可以容易且便宜地進行異種金屬的 剛硬接合操作。從在此披露的異種金屬的接合方法導(dǎo)致的接合結(jié)構(gòu)具有三片或多片異 種金屬材料。當(dāng)由第 一金屬材料形成的兩片或多片板材料與由具有低于第一 金屬材料的熔點的第二金屬材料形成的 一 片或多片板材料層疊時，形成了異 種材料界面和同種材料界面，且異種材料界面中的接觸電阻變得低于同種材 料界面中的接觸電阻。另外，可以獲得整個接縫結(jié)構(gòu)中所需的強度，這是因為在異種材料界面中形成了具有直徑Dd的熔核，該直徑Dd在4.4# 〈DcK12V^T的范圍內(nèi)，或更優(yōu)選地5.5^T〈D(K12V^的范圍內(nèi)。這里，tl為具有形成異種材料界面的每種材料的每個單位面積中的強度兩倍的板的厚 度，且該板的厚度較小。Dd為異種材料界面上的熔核的直徑。而且，在同 種材料界面中形成了具有直徑Ds的熔核，Ds在4V^〈Ds〈V^的范圍，其 中t2為具有形成同種材料界面的每種材料的每個單位面積中的強度兩倍的 板的厚度，且該板的厚度較小。Ds為同種材料界面上的熔核的直徑。當(dāng)異種材料界面中的熔核直徑Dd和同種材料界面中的熔核直徑Ds分 別等于或小于4.4*和4V^時，各界面中的接合強度可能是弱的。當(dāng)熔核 直徑Dd和Ds分別等于或大于12V^I和7V^時，強度大于所需要的且形成了大于需要的較大的接合邊緣。這可以增加了重量和成本。 其后，詳細解釋了本發(fā)明的具體實施例。接下來描述了如圖4A和4B所述的第一實施例。如圖4A所述，進行了 三片包(bundle)的接合操作，其中依次層疊了具有1.0 mm的厚度的6000系 統(tǒng)鋁合金板1、具有0.8 mm的厚度的鍍鋅鋼板2、和具有1.2 mm的棵鋼板 3。使用了具有如圖1B所示的接觸電阻監(jiān)測裝置的AC電源型的點焊裝置， 以及具有40 mm的前端曲面曲率半徑的R型電極作為電極E1和E2。為了在同種材料界面(即鍍鋅鋼板2和棵鋼板3之間的界面)中形成熔 核Ns,施加300kgf的壓力且導(dǎo)通4000 A的AC電流，同時采用監(jiān)測裝置M 連續(xù)監(jiān)測同種材料界面的接觸電阻。當(dāng)同種材料界面的接觸電阻被減小到以 前測得并存儲的初級接觸電阻值的20%的值時，AC電流被增加到22000A 的值。然后，AC電流被導(dǎo)通0.16秒的總時間段。如圖4B所示，熔核Nd 形成于異種材料界面中，即鋁合金板1和鍍鋅鋼板2之間的界面中。通過進行具有這樣的電流導(dǎo)通模式的電阻焊操作，當(dāng)初始接觸電阻差異 大時，抑制了異種材料界面中的加熱。因為在初始低電流中缺乏熱，熔核沒 有形成于異種材料界面中，而熔核Ns形成于同種材料界面中。當(dāng)電流切換 為大于初始低電流的電流時因為部分的同種材料界面被接合，界面的電阻減 小。由此，在抑制同種材料界面的加熱的同時，可以在異種材料界面中形成 熔核Nd。如此，可以阻止由于同種材料界面的加熱引起的鋁合金板l的厚度減小， 以及可以通過允許在兩種界面中的熔核直徑具有合適的尺寸而獲得有利的 接合接縫。結(jié)果，在同種材料界面中形成了具有直徑Ds二5mm的熔核Ns，而在異 種材料界面中形成了具有直徑Dd二7mm的熔核Nd。另外，在接合界面周圍 擠出包括熔融共晶金屬的雜質(zhì)、氧化物涂層或密封材料之內(nèi)的排出物D。在本實施例中，使用了鍍鋅鋼板2。由此，有效地進行了作為第三金屬 材料的鋅和鋁的共晶熔接。如此，可以在低溫去除鋁合金板1的表面上的氧 化物涂層。這實現(xiàn)了在低溫下異種材料界面的鋅表面的接觸，且獲得了具有 高強度的接合連接，這是因為形成了薄且均勻的Fe-Al擴散反應(yīng)層(化合 物層)。在第二實施例中，如同第一實施例，進行了三片包的接合操作，其中依次層疊了具有1.0 mm的厚度的6000系統(tǒng)鋁合金板1、具有0.8 mm的厚度 的鍍鋅鋼板2、和具有1.2mm的棵鋼板3。在該情形，形成異種材料界面的 鋁合金板1的表面由emery No.80接地，使得其比形成同種材料界面的鍍鋅 鋼板2和棵鋼板3的表面更粗糙。這導(dǎo)致異種材料界面的初始接觸電阻等于 同種材料界面的接觸電阻。除了通過使用圖1B所示的點焊裝置使得初始電流為6000A之外，重復(fù) 了上述的相同操作。在同種材料界面形成了具有直徑Ds = 5 mm的熔核Ns， 且在異種材料界面形成了具有直徑Dd = 7 mm的熔核Nd。通過進一步粗糙化異種材料界面的表面，增加了異種材料界面的接觸電 阻，且增加了異種材料界面中的電阻加熱。這提高了形成于異種材料界面中 的熔核。另外，通過阻止由同種材料界面中的電阻加熱的熱傳導(dǎo)引起的鋁合 金板l的厚度的減小，形成了具有適當(dāng)形狀和尺寸的熔核。而且，除了共晶 熔接的效果之外，還可以獲得有利的接合接縫。在圖5A中顯示了第三實施例。進行了三片包的接合操作，其中依次層 疊了具有1.0 mm的厚度的6000系統(tǒng)鋁合金板1、具有0.8 mm的厚度的鍍 鋅鋼板2、和具有1.2mm的棵鋼板3。另外，由環(huán)氧系統(tǒng)中的熱固性樹脂形 成的密封材料S設(shè)置于鋁合金板1和鍍鋅鋼板2的界面中。除了通過使用圖1B所示的點焊裝置施加450kgf的壓力之外，重復(fù)了與 第一實施例相同的操作。在同種材料界面形成了具有直徑Ds = 5 mm的熔核 Ns，且在異種材料界面形成了具有直徑Dd = 8 mm的熔核Nd。密封材料S被插入且保持在異種材料之前，防止由于異種材料直接接觸 引起的電腐蝕。異種材料界面中的電阻加熱由于密封材料的電阻而增加，由 此增強了異種材料界面中形成的熔核。另外，通過阻止鋁合金板1的厚度的 減小，同時平穩(wěn)地從接合界面排出鋁的氧化物涂層，可以獲得有利的接合接 縫。在同種材料界面和異種材料界面中形成具有適當(dāng)形狀和尺寸的熔核。在第四實施例中，如第一實施例中，進行了三片包的接合操作，其中依 次層疊了具有1.0 mm的厚度的6000系統(tǒng)鋁合金板1、具有0.8 mm的厚度 的鍍鋅鋼板2、和具有1.2mm的棵鋼板3。此時，為了增加異種材料界面的 接觸電阻，氧化鋁漿料被薄地施加到鋁合金板1的接合表面上。除了通過使用圖1B所示的點焊裝置使得初始電流為6000A之外，重復(fù) 了與第 一實施例相同的操作。在同種材料界面形成了具有直徑Ds = 5 mm的熔核Ns,且在異種材料界面形成了具有直徑Dd = 7 mm的熔核Nd。因為在該實施例中氧化鋁被夾置在異種材料界面中，鋁合金板1和鍍鋅 鋼板2之間的電阻與電阻加熱一起增加。如此，這增強了該界面中形成的熔 核。而且，如每個實施例中，氧化物涂層可以基于鍍鋅層2p的夾置而被平 穩(wěn)地通過共晶熔接的操作排出，且可以獲得有利的接合接縫。為了例舉異種材料的改善接合，描述了第一比較例。如第一實施例中， 進行了三片包的接合操作，其中依次層疊了具有l(wèi).Omm厚度的6000系統(tǒng)鋁 合金板l、具有0.8mm厚度的鍍鋅鋼板2、和具有1.2 mm厚度的棵鋼板3。通過使用圖1A所示的AC電源型點焊裝置和如以上的相同電極El和 E2，進行了接合操作，使得同種材料界面中的熔核成為適當(dāng)?shù)某叽纭＞哂?12000 A的AC電流導(dǎo)通了 0.16秒，同時施加240 kfg的壓力。結(jié)果，在同種材料界面形成了具有直徑Ds-6mm的熔核Ns,且在異種 材料界面形成了具有直徑Dd = 3 mm的熔核Nd。為了進一步比較，描述了第二比較例。當(dāng)如第一比較例進行了三片包的 接合操作時，除了以下之外，重復(fù)了如第一比較例的相同操作。為了在異種 材料界面中的熔核具有適當(dāng)?shù)某叽?，具?2000 A的AC電流導(dǎo)通了 0.16秒， 而且施加240 kfg的壓力。這使得獲得了本例的異種金屬接合接縫。結(jié)果，在同種材料界面形成了具有直徑Ds-8mm的熔核Ns。然而，在 異種材料界面中，熔核形成于一端。于是，因為在鋁合金板1中發(fā)生厚度減 小，所以鋁合金板1被沉積在電極E1上。另外，在鋁合金板l中形成了開 孔，使得在異種材料界面中沒有形成適當(dāng)?shù)娜酆?。對于?一到第四實施例以及第 一和第二比較例，在每個界面中的形成熔 核狀態(tài)或被接合的材料的厚度減小狀態(tài)的比較結(jié)果顯示于下表1中。如結(jié)果所示，在第一到第四實施例中，在同種材料界面和異種材料界面 中的熔核的尺寸適當(dāng)，且沒有厚度減小發(fā)生。另一方面，在第一比較例中， 雖然在同種材料界面中形成了適當(dāng)?shù)娜酆耍怯捎谌狈訜?，在異種材料 界面中沒有形成具有適當(dāng)尺寸的熔核。另外，在第二比較例中，證實了如果的厚度減小，使得不能獲得有利的接合接縫。表1分類材料組合電流 變化熔核產(chǎn)生狀態(tài)厚度 減小 狀態(tài)異種 材料界面同種 材料界面第一比較例6000系統(tǒng)Al合金 +鍍鋅鋼板 +棵鋼板沒有少適當(dāng)適當(dāng)?shù)诙容^例6000系統(tǒng)Al合金 +鍍鋅鋼板 +棵鋼板沒有 (高電流)—過度顯著第一實施例6000系統(tǒng)Al合金 +鍍鋅鋼板 +棵鋼板有適當(dāng)適當(dāng)適當(dāng)?shù)诙嵤├?000系統(tǒng)Al合金 +鍍鋅鋼板 +棵鋼板 (粗糙化Al合金)有適當(dāng)適當(dāng)適當(dāng)?shù)谌龑嵤├?000系統(tǒng)Al合金 +鍍鋅鋼板 +棵鋼板 (設(shè)置密封材料)有適當(dāng)適當(dāng)適當(dāng)?shù)谒膶嵤├?000系統(tǒng)Al合金 +鍍鋅鋼板 +棵鋼板 (施加氧化鋁漿料)有適當(dāng)適當(dāng)適當(dāng)在圖6A中顯示了第五實施例。進行了三片包的接合操作，其中依次層 疊了具有1.0 mm的厚度的6000系統(tǒng)鋁合金板1、具有1.0 mm的厚度的棵 鋼板4、和具有1.2 mm的凈果4岡一反3。因為重復(fù)了與第一實施例中相同的操作，在同種材料界面形成了具有直徑Ds-5 mm的熔核Ns，且在異種材料界面形成了具有直徑Dd = 7 mm的 熔核Nd，如圖6B所示。對于與鋁合金板1接合的鋼材料，在該實施例中使用了棵鋼板4來取代了鍍鋅鋼板2。因此，共晶熔接不發(fā)生，且鋁合金板的表面上的氧化物涂層變得難于去除。由此，氧化鋁保留在熔核中，少量地惡化了接合強度。在圖7A中顯示了第六實施例。進行了四片包的接合操作，其中依次層 疊了具有1.0 mm的厚度的6000系統(tǒng)鋁合金板1、具有0.8 mm的厚度的熔 接的鍍鋅鋼板2、具有0.8 mm的厚度的棵鋼板5、和具有1.2 mm厚度的棵 鋼板3。首先傳導(dǎo)4000 A的AC電流，且通過使用圖IB所示的點焊裝置來施加 450kfg的壓力，且通過監(jiān)測裝置M來監(jiān)測同種材料界面的接觸電阻。這里， 監(jiān)測的接觸電阻為熔接的鍍鋅鋼板2和棵鋼板3之間的接觸電阻。如在每個 實施例中，當(dāng)監(jiān)測的電阻值被減小到初級接觸電阻值的20%的值時，AC電 流被增加到22000A的值，且然后進行了總共0.16秒的總時間段。通過這樣作，如圖7B所示，在鍍鋅鋼板2的同種材料界面中形成了具 有直徑Dsl = 5mm的熔核Nsl。另外，在棵鋼板5和棵鋼板3的同種材料界 面中形成了具有直徑Ds2-5mm的熔核Ns2。而且，在由鋁合金板1和鍍鋅 鋼板2形成的異種材料界面中形成了具有直徑Nd = 7 mm的熔核Nd。如此，即使在四片包的接合操作的情形下，通過使用鍍鋅鋼板將鋁的氧 化物膜從接合表面穩(wěn)定地排出，可以獲得有利的接合接縫，同時抑制鋁合金 板1的厚度減小且在同種材料界面和異種材料界面兩者中均形成具有適當(dāng)尺 寸和形狀的熔核。已經(jīng)描述了上述實施例以允許容易理解本發(fā)明且上述實施例不限制本 發(fā)明。相反，本發(fā)明旨在覆蓋包括在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的各種修改和等 同設(shè)置，權(quán)利要求的范圍根據(jù)最廣的解釋從而包括在法律允許下的所有這樣 的修改和等同結(jié)構(gòu)。本申請要求于2007年3月30日提交的日本專利申請No. 2007-092461 和于2007年11月28日提交的日本專利申請No. 2007-307345的優(yōu)先權(quán)，其 全部內(nèi)容通過引用的方式引入于此。
權(quán)利要求
1、一種由金屬制成的異種材料的接合方法，所述方法包括層疊多個板材料，其中至少兩個板材料為第一金屬材料，且至少一個板材料為第二金屬材料，所述第二金屬材料的熔點低于所述第一金屬材料的熔點，從而形成異種材料界面和同種材料界面；通過電阻焊操作形成分層的接縫，其中所述異種材料界面的接觸電阻小于所述同種材料界面的接觸電阻；橫跨所述多個層疊的板材料中的至少三層傳導(dǎo)第一電流，從而在所述同種材料界面中形成熔核，且橫跨所述多個層疊的板材料中的至少三層傳導(dǎo)第二電流，從而在所述異種材料界面中形成熔核，其中所述第二電流大于所述第一電流。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括 監(jiān)測所述同種材料界面的接觸電阻，同時導(dǎo)通第一電流；而且根據(jù)所述同種材料界面的接觸電阻的減小來將所述第 一 電流切換為所 述第二電流。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在傳導(dǎo)所述第一電流和第二電流之前，粗糙化形成所述異種材料界面的 至少一個板材料的表面，其中所述表面的粗糙度大于形成所述同種材料界面 的至少 一個板材料的表面粗糙度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在傳導(dǎo)所述第一電流和第二電流之前，平滑形成所述同種材料界面的至 少一個板材料的表面，其中所述表面的粗糙度細于形成所述異種材料界面的 至少 一個板材料的表面粗糙度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在傳導(dǎo)所述第一電流和第二電流之前，在所述異種材料界面中夾置增加 所述異種材料界面的電阻的材料。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在傳導(dǎo)所述第一電流和第二電流之前，在所述異種材料界面中夾置密封 材料。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬材料為鋼，而所述第二金屬材料為鋁合金。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一金屬材料為鋼，而所述 第二金屬材料為鎂合金。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括在傳導(dǎo)所述第 一電流和第二電流之前，在所述異種材料界面中夾置與形 成所述異種材料界面的至少 一個板材料共晶熔融的材料。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在傳導(dǎo)所述第一電流和第二電流之前，在所述夾置的材料和形成所述異 種材料界面的另 一個板材料之間引入密封材料。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述夾置的材料為鍍覆在形成所 述異種材料界面的所述第一金屬材料的表面上的材料。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述鍍覆的材料為銅、錫、銀、 鎳和鋅中的至少一種。
13、 一種由權(quán)利要求11的方法獲得的由金屬制成的異種材料的接合結(jié)構(gòu)。
14、 一種由金屬制成的異種材料的接合結(jié)構(gòu)，包括 第 一金屬材料的至少兩個板層；第二金屬材料的至少一個板層，所述第二金屬材料的熔點低于所述第一 金屬材料的熔點；所述第 一金屬材料的板層和所述第二金屬材料的板層之間的異種材料 界面；所述第一金屬材料的相鄰板層之間的同種材料界面，其中所述異種材料界面中的接觸電阻低于所述同種材料界面中的接觸電阻；形成于所述異種材料界面中的具有第一直徑的熔核；以及 形成于所述同種材料界面中的具有第二直徑的熔核，其中所述第一直徑等于或大于所述第二直徑。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的接合結(jié)構(gòu)，其中所述第一金屬材料的至少 兩個板層的厚度為tl，所述第二金屬材料的至少一板層的厚度為t2，所述第 一直徑Dd在4.4 V^T <Dd<12 V^T的范圍內(nèi)，且所述第二直徑Ds在 4 V^" <Dd<7 的范圍內(nèi)。
16、 一種包括權(quán)利要求15所述的接合結(jié)構(gòu)的車輛組件。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種由金屬制成的異種材料的接合方法及其所得的結(jié)構(gòu)。通過層疊三層或三層以上的片來形成所要接合的材料，從而形成了異種材料界面和同種材料界面。第一電流在三片層疊材料之間導(dǎo)通，在該層疊材料中例如依次層疊了鋁合金板、鍍鋅鋼板和裸鋼板。熔核形成于為同種材料的鍍鋅鋼板和裸鋼板之間的界面中。然后，導(dǎo)通大于第一電流的第二電流，且熔核形成于鋁合金板和鍍鋅鋼板之間的界面中。根據(jù)本發(fā)明，在同種材料界面和異種材料界面兩者中均形成具有適當(dāng)尺寸和形狀的熔核。
文檔編號B23K11/10GK101274387SQ200810087229
公開日2008年10月1日 申請日期2008年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者中川成幸, 宮本健二 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社