本發(fā)明涉及一種用于制造在由輕金屬組成的第一部件和由鋼材構(gòu)成的第二部件之間整體接頭的方法，還涉及一種根據(jù)權(quán)利要求6的前序所述的結(jié)構(gòu)元件。

背景技術(shù)：

在輕金屬和鋼材之間的釬焊連接在機(jī)動(dòng)車(chē)結(jié)構(gòu)中特別受關(guān)注。輕金屬用于降低重量，而特別是在與穩(wěn)定性相關(guān)的車(chē)身區(qū)域中仍然需要鋼材。

在前言中提到的類(lèi)型的方法及結(jié)構(gòu)件從DE 10 2011 012 939 A1中已知，據(jù)此，由鋼材構(gòu)成的部件被連接至由鋁輕金屬構(gòu)成的部件。在這種情況下，使用釬焊連接，其中鋁部件在接合區(qū)域中被加熱至其熔點(diǎn)以上的溫度，且隨后與由鋼構(gòu)成的部件接觸。整體的釬焊連接部在鋼材和鋁之間形成。此外公開(kāi)，實(shí)施作為連接工藝的冷金屬過(guò)渡焊接工藝(Kaltmetalltransfer-Schweiβprozess)。此外還提出，為了提供耐腐蝕連接，在連接工藝之前對(duì)鋼材部件進(jìn)行鍍鋅。

EP 1 806 200 A1公開(kāi)一種用于將鋁部件與鋼部件整體連接的方法，其中，鋅層在鋁部件和/或鋼部件的連接側(cè)上形成，且兩個(gè)部件被設(shè)置以便與位于兩個(gè)部件之間的鋅層重疊。然后，例如電阻焊接、激光焊接、電子束焊接或電弧焊接可用作連接工藝。鋅與鋁焊接接合，而鋼部件與鋅形成釬焊連接部。

通常，在由鋁或鋁合金構(gòu)成的部件和鋼部件之間的熱連接導(dǎo)致相焊縫的形成，相焊縫包括由鐵和鋁的各種化合物構(gòu)成的一種或多種金屬間相。即使在鋼材中不產(chǎn)生焊接熔池，即在釬焊連接的情況下，在與鋼部件的界面處出現(xiàn)的金屬間相，由于它們的硬度和抗拉強(qiáng)度低具有脆性性能，因此會(huì)損害連接的機(jī)械性能。因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)通過(guò)在連接工藝期間將盡可能小的將熱量引入鋼材中，盡可能地努力抑制金屬間相的形成。為了這個(gè)目的，當(dāng)使用保護(hù)氣體焊接工藝時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)盡可能地努力不使電弧與由鋼材構(gòu)成的部件接觸，其結(jié)果是，特別地針對(duì)焊槍管理和引入能量提供狹窄的工藝窗口。

在文獻(xiàn)中提到在大多數(shù)情況下，作為相焊縫的還可允許的最大厚度的10μm值。如果超過(guò)這個(gè)值，則即使當(dāng)接頭經(jīng)受低的機(jī)械載荷時(shí)，可能會(huì)發(fā)生脆性破壞。因此，形成的金屬間相焊縫的大小對(duì)于在鋼和輕金屬之間制造的接頭的機(jī)械技術(shù)性能至關(guān)重要。因?yàn)榈侥壳叭匀缓茈y控制金屬間相的形成，所以在工業(yè)生產(chǎn)加工中尚未使用鋼材和鋁材的熱連接。相焊縫的厚度只能通過(guò)破壞性的測(cè)試方法來(lái)確定，這使工業(yè)質(zhì)量保證更復(fù)雜。

US 2011/0020666 A1公開(kāi)一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序的用于將由輕金屬特別是鋁構(gòu)成的第一部件和由加入鋅基填充材料的鐵基材料構(gòu)成的第二部件連接的方法，以及根據(jù)權(quán)利要求6的前序所述的結(jié)構(gòu)元件。首先，在其中指定為第一至第三實(shí)施例的變型中，公開(kāi)了為提高鐵基部件和連接層之間的連接部的強(qiáng)度，將鐵基部件加熱至其熔點(diǎn)以上的溫度。在鋅基填充材料不包含任何硅的實(shí)施例中，形式為Al-Fe-Zn系的金屬間連接層應(yīng)在鐵基部件和包括鋅基填充材料的連接層之間的過(guò)渡部處形成。金屬間連接層的層延展性高，因此，鐵基部件和連接層之間的連接部的強(qiáng)度可得到提高。在說(shuō)明的示例性實(shí)施例中，大部分保持緊湊的金屬間連接層在每種情況下直接鄰接鐵基部件。由此，金屬間連接層對(duì)接頭的質(zhì)量繼續(xù)具有顯著的影響。

在前述的美國(guó)文件中，在第二至第四實(shí)施例中提出的可能填充材料是鋅-硅基金屬，在這種情況下，據(jù)說(shuō)不形成金屬間連接層。在第四實(shí)施例中，鐵基部件以及鋁基部件都未被熔化。這顯然避免了對(duì)鐵基部件進(jìn)行激光輻射。此外，在這種情況下，均勻的金屬間連接層在鐵基部件和設(shè)置在部件之間的連接層之間形成。然而，如果硅作為添加劑在鋅基填充材料中使用，則不會(huì)形成這種類(lèi)型的金屬間連接層。

對(duì)于能量的引入，US 201 1/0020666 A1公開(kāi)了激光輻射的使用。它僅涉及使用包括硅的鋅基填充材料的第二實(shí)施例，其中沒(méi)有形成金屬間連接層，尤其提出使用TIG方法或MIG方法作為激光輻射的替換物。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的是提供一種有可能實(shí)現(xiàn)接頭的可靠性提高的前言中提到類(lèi)型的的方法。另一目的是提供一種具有可靠接頭的前言中提到類(lèi)型的結(jié)構(gòu)元件。

關(guān)于方法，這個(gè)目的通過(guò)權(quán)利要求1表征特征實(shí)現(xiàn)。本方法的有利實(shí)施例從從屬權(quán)利要求2至5變得顯而易見(jiàn)。

令人驚訝地已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，考慮到在保護(hù)氣連接工藝中，在由鋼材構(gòu)成的部件中引入較高的熱量，相焊縫破碎并被填充材料的熔融鋅熔體或含鋅熔體滲透。因此，電弧還必須被引導(dǎo)至鋼材。甚至有利的是，電弧的攻擊表面主要設(shè)置在鋼材上。盡管如此，純釬焊連接部應(yīng)利用鋼材形成，然而，在US 2011/0020666 A1給出的現(xiàn)有技術(shù)中，每個(gè)示例性實(shí)施例提供焊接連接部在填充材料和鐵基部件之間產(chǎn)生，因?yàn)楦鶕?jù)教導(dǎo)，熔化對(duì)鐵基部件有影響。在US 2011/0020666 A1中公開(kāi)的第四實(shí)施例的情況下，雖然在鐵基部件未熔化的情況下實(shí)現(xiàn)行連接工藝，但是在這種情況下，激光束明顯未指向鐵基部件。

在這種情況下，熱引入以摻入至少主要由鋅組成的下面被稱(chēng)為釬焊基體的延展性基體中這種方式實(shí)現(xiàn)。在熱連接工藝期間，在金屬間相中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋被避免或包含于延展性的基體熔化物中并可被封閉。這引起由金屬間相造成的對(duì)接頭強(qiáng)度的損害的急劇地下降。同時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，工藝窗口明顯擴(kuò)大，這確保可再現(xiàn)性程度高。與現(xiàn)有技術(shù)的各種方法相反，根據(jù)本發(fā)明的方法，電弧可以和應(yīng)當(dāng)直接作用在由鋼材構(gòu)成的第二部件上。因此，為了避免電弧和鋼材之間的接觸，炬(Brenner)不必再精確地引導(dǎo)至輕金屬部件的邊緣(如在現(xiàn)有技術(shù)中是常見(jiàn)和普遍的問(wèn)題)。另外，為了盡最大可能地避免形成金屬間相，在現(xiàn)有技術(shù)中，盡可能對(duì)引入到工藝區(qū)能量的數(shù)量進(jìn)行限制，而對(duì)于本發(fā)明的方法則不需要進(jìn)行限制。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法允許增加在連接工藝中使用的電流和電壓的余地。因此，本方法有可能用于大量生產(chǎn)。有可能無(wú)需通過(guò)破壞性測(cè)試確定金屬間相焊縫的厚度，這使得在工業(yè)生產(chǎn)中有可能使用由鋼材和輕金屬構(gòu)成的部件的熱連接。

對(duì)于鋅基填充材料，有可能無(wú)需鋼材的鍍鋅層。然而，根據(jù)本發(fā)明的方法也可用于與由鍍鋅鋼材構(gòu)成的部件的接頭的情況中，這可促進(jìn)熔化物對(duì)鋼材的潤(rùn)濕性能

對(duì)于連接工藝，有可能采用保護(hù)氣焊接工藝，諸如例如MAG或MIG，特別是低能量短弧工藝。填充材料來(lái)源于方法的絲電極。不管這被指定為焊接方法的事實(shí)，不必形成焊接接頭。釬焊連接部總是被設(shè)置在與鋼材的邊界處。輕金屬可與釬焊材料釬焊連接，也可選地焊接連接。通常期望的是釬焊連接。

根據(jù)本發(fā)明的方法以這種方式執(zhí)行：熱量引入以在連接工藝期間，固化金屬間相的至少一部分從第二部件的鋼材分離的方式實(shí)現(xiàn)。分離在利用填充材料形成焊料基體的熔化物中實(shí)現(xiàn)。這不僅導(dǎo)致金屬間相的破裂，而且導(dǎo)致從鋼材分離，使得金屬間相可至少部分通過(guò)焊料基體的基體材料滲入，其結(jié)果是接頭的機(jī)械性能得到進(jìn)一步提高。分離過(guò)程還可以重復(fù)地實(shí)現(xiàn)。因此，在分離一種或多種固化金屬間相的第一層之后，有可能形成金屬間相的另外層，然后這層以固化的形式再次分離并通過(guò)鋅熔化物滲入。

另外，已經(jīng)確定，金屬間相可以越來(lái)越小的結(jié)構(gòu)分布在焊料基體內(nèi)，這導(dǎo)致進(jìn)一步提高連接部的拉伸強(qiáng)度。金屬間相在焊料基體中的分布結(jié)構(gòu)大概取決于由填充材料及如果有的話(huà)，第一部件的輕金屬材料構(gòu)成的熔池的存在持續(xù)時(shí)間。隨著持續(xù)時(shí)間的增加，金屬間相具有更長(zhǎng)的破裂時(shí)間，且例如由于熔化池運(yùn)動(dòng)和/或通過(guò)擴(kuò)散工藝分布在焊料基體中。熔池在接頭的具體位置處的存在持續(xù)時(shí)間可例如受到連接工藝參數(shù)例如連接速度、電流值和電壓值的影響。

對(duì)于金屬間相的破裂和分離的重要因素是鋼材的膨脹系數(shù)與金屬間相的膨脹系數(shù)不同。

輕金屬優(yōu)選為鋁或鋁合金。同樣可想到其它輕金屬，諸如例如鎂。

如果鋅基填充材料包括鋁，則是有利的。例如，有可能使用ZnAl4,ZnAl15或者ZnAl5Cu3,5。

此外，根據(jù)本發(fā)明的方法可以第二部件通過(guò)附加熱源例如利用電阻加熱或通過(guò)感應(yīng)加熱這種方式來(lái)實(shí)施。鋼材的膨脹系數(shù)通常明顯大于脆性金屬間相的膨脹系數(shù)。這種差異隨著由鋼材構(gòu)成的第二部件的溫度升高會(huì)更明顯，這是額外加熱第二部件是有利的原因。通過(guò)額外熱源加熱還可避免通過(guò)連接工藝引入到接頭位置的熱量快速地分布在第二部件中并從連接區(qū)域移除。

特別地，根據(jù)本發(fā)明的方法可以熱量從第二部件遠(yuǎn)離連接工藝的側(cè)面引入的方式實(shí)施。

對(duì)于在引言中提到類(lèi)型的結(jié)構(gòu)元件，前述目的通過(guò)權(quán)利要求6的表征特征實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選的方案從從屬權(quán)利7和8變得顯而易見(jiàn)。

利用嵌入在焊料基體中的金屬間相，結(jié)構(gòu)元件的機(jī)械技術(shù)性能得到提高?？赡苄纬稍诮饘匍g相中的裂紋包含于是鋅或主要是鋅的焊料材料中及在理想狀態(tài)下填充。在連接工藝期間，仍然熔融的焊料材料流入形成在金屬間相中的裂紋中，從而滲透在金屬間相中。優(yōu)選地，結(jié)構(gòu)元件通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的前述方法制造。

有利的是，如果在覆蓋有釬焊連接部的第二部件的連接表面的至少部分區(qū)域中，焊料基體的一部分形成至少一個(gè)內(nèi)聚分離層，其設(shè)置在鋼材和位于連接表面的部分區(qū)域上方的金屬間相的至少主要部分之間。這種分離層在連接工藝期間形成是金屬間相的至少一部分從鋼材分離，例如，考慮到金屬間相和鋼材的不同膨脹行為的結(jié)果，并且是仍然熔融焊料材料對(duì)分離部分滲入的結(jié)果。

分離層直接位于鋼材上或離鋼材很近，使得在遠(yuǎn)離鋼材的隔離層的側(cè)面的金屬間相的厚度大于在隔離層和鋼材之間的厚度。因此，金屬間相的主要部分從第二部件的鋼材分離。

也可能有利的是，如果金屬間相被劃分為至少兩層，在兩層之間存在依次主要由焊料基體的材料構(gòu)成的中間層。以這種方式，焊料基體可包含以特別有效的方式在金屬間相中出現(xiàn)的微小裂紋，并在理想狀態(tài)下封閉它們。

附圖說(shuō)明

下文參照附圖解釋根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)選實(shí)施方式以及結(jié)構(gòu)元件。

圖1示出在彼此連接的兩個(gè)部件上使用電弧工藝，

圖2示出帶有相焊縫的接頭的顯微照片；

圖3示出關(guān)于在相焊縫的區(qū)域內(nèi)的接頭的成分的簡(jiǎn)圖；及

圖4示出帶有相焊縫的另外接頭的另外顯微照片。

具體實(shí)施方式

圖1示意性地示出使用在由鋁構(gòu)成的第一部件1和由鋼材構(gòu)成的第二部件2之間制造整體接頭的電弧工藝。絲電極3用于產(chǎn)生電弧4，電弧利用其攻擊表面主要撞擊在由鋼材構(gòu)成的第二部件2上。絲電極3為鋅基且可以包含如鋁的其它組成部分。例如，附加合金成分可以是鎂和/或銅。

圖2示出通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法制造的結(jié)構(gòu)元件的釬焊連接部的區(qū)域的微觀顯微切片19。第二部件2的鋼材層5可在顯微切片19的最下部處剛好看出。在鋼材層5的上部已形成大約20μm厚的包括金屬間相7(在此示出為深色部分)的相焊縫6。相焊縫6上方連接的是由焊料基體8構(gòu)成的層，其至少主要由絲電極3的焊料材料組成，即至少主要由鋅組成。相焊縫6通過(guò)在顯微切片19中示出為淺色部分的焊料基體8滲透。已經(jīng)固化的金屬間相7在連接工藝期間從鋼材5分離，因此，可通過(guò)焊料基體8的材料滲入。分離的原因是在有針對(duì)性將熱引入第二部件2時(shí)，金屬間相7和鋼材之間不同的膨脹性能。滲入產(chǎn)生由焊料基體8的材料形成的分離層20，并且在分離層固化后，在至少在特定區(qū)域中，確保存在鋼材層5從金屬間相7的至少主要部分永久的分離。此外，在金屬間相7中的裂紋已經(jīng)發(fā)生作用，使得金屬間相不僅被焊料基體8滲入，而且還被滲透。

在如圖2所示的顯微切片19中，在大約居中(參見(jiàn)虛線(xiàn)部分)的相焊縫6內(nèi)可看出焊料基體8部分增加。這有可能得出結(jié)論：首先形成相焊縫6的第一相區(qū)域10(在虛線(xiàn)上方)，然后，在形成相焊縫6的第二相區(qū)域11(在虛線(xiàn)下方)之前，第一相區(qū)域10被分離，并被焊料基體8的材料滲入，再次被分離，及同樣被焊料基體8的材料滲入，形成分離層20。

圖2中豎直示出的矩形12象征性地表示分析其組成的結(jié)構(gòu)元件的樣品。

圖3在圖表的下部同樣示出另一結(jié)構(gòu)元件的樣品14的顯微切片。沿著中央延伸的測(cè)量線(xiàn)13通過(guò)能量色散(energiedispersiven)x射線(xiàn)顯微分析測(cè)量樣品14的濃度分布。簡(jiǎn)圖示出鐵含量的Fe曲線(xiàn)圖15、鋁含量的Al曲線(xiàn)圖16、鋅含量的Zn曲線(xiàn)圖17，以及(在此意義不大)氧含量的O曲線(xiàn)圖18?？擅黠@看到，在沿簡(jiǎn)圖的橫坐標(biāo)的路徑上，鋁含量從大約2μm在雖然非常狹窄的區(qū)域出現(xiàn)短時(shí)間的升高，但是然后明顯變平滑，使得在3μm至4.5μm之間，鋅占主要成份。從大約5μm至大約14.5μm主要由鐵和鋁組成的金屬間相的區(qū)域占據(jù)主導(dǎo)地位，其中，從樣品14的顯微切片中還可明顯識(shí)別鋅的滲透。在相焊縫的上部，從大約14.5μm開(kāi)始，在鋁含量提高之前，可再次識(shí)別鋅占主導(dǎo)地位的區(qū)域，鋁含量可從焊絲3或可從第一部件1的熔化鋁材中獲得。

圖4示出另一顯微照片，其驗(yàn)證金屬間相7形成非常細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，在本文示出為更淺色并且分布在示為較暗顏色的鋅基焊料基體8的周?chē)?。利用晶粒逐漸變細(xì)的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低金屬間相7對(duì)在焊料基體8和鋼材層5之間的釬焊連接部的強(qiáng)度的影響。

附圖標(biāo)記說(shuō)明

1 第一部件

2 第二部件

3 絲電極

4 電弧

5 鋼材層

6 相焊縫

7 金屬間相

8 焊料基體

10 第一相區(qū)域

11 第二相區(qū)域

12 矩形

13 測(cè)量線(xiàn)

14 樣品

15 Fe曲線(xiàn)圖

16 Al曲線(xiàn)圖

17 Zn曲線(xiàn)圖

18 O曲線(xiàn)圖

19 顯微切片

20 分離層