[發明專利]通過反應冶金的蓄電池接頭的接合

有效

• 申請號: 201110158896.2
• 申請日: 2011-06-14
• 公開（公告）號: CN102310287A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: D.R.西勒;J.G.施羅特
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: B23K28/00
• 分類號: B23K28/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 原紹輝

相關申請的交叉引用

本申請涉及2009年4月9日提交的標題為“Welding?Light?Metal?Workpieces?by?Reaction?Metallurgy”的美國申請No.?12/420,927，該美國申請在此以參考的方式并入。

技術領域

本發明一般涉及焊接工藝，尤其涉及用于接合諸如鋁金屬或合金或者銅金屬或合金之類的金屬或金屬合金的工件的固態焊接工藝。

背景技術

諸如鋁合金或銅合金之類的金屬的接合由于存在快速形成的氧化層以及它們固有的高的電導率和熱導率而復雜化。點焊可能是困難的，并且需要對工件表面的準備、高的電流、高作用力、以及機械對準良好并且穩定的電極。由于鋁工件合金與銅電極之間的反應或者銅工件合金到銅電極的焊接，所以短的電極壽命是普遍的情況。所獲得的鋁工件之間的焊接能夠具有高的強度，但在某些條件下具有差的高周疲勞性能。

用于車輛應用的鋰電池需要將蓄電池的電池單元接合至導體或匯流條的工藝。蓄電池的電池單元通常將薄的鋁片和銅片用作電極襯底。這些電極片結合有延伸部（已知為接頭（tab）），其延伸到電池單元囊（pouch）的外側，并用于在蓄電池的組裝期間將電極片接合至銅導體或匯流條。通常在蓄電池構造中使用兩種類型的接頭材料：鋁和銅。在有些情況下，銅接頭和/或銅導體可涂覆有薄的鎳層以增強耐蝕性和接合性，而鋁接頭則涂覆以陽極氧化層。

由于以下一些原因，所以將薄的接頭材料接合至厚得多的銅導體是困難的。第一，層疊結構需要在一次操作中將若干分開金屬件（例如，三個分開的接頭）接合至一個導體。第二，層疊結構中的一個包括已知形成脆性金屬間化合物的金屬組合，即銅和鋁。第三，導體與接頭之間的厚度比較高，通常為至少大約5:1。

超聲波焊接已經用于該應用并獲得了一定的成功。超聲波焊接使得不同金屬的接合成為可能，并且能夠將具有明顯的片厚度差異的材料接合在一起。然而，因為超聲波能量（即與片表面平行的振動）在橫跨片間界面時傳遞不好，所以在接合包含了超過兩片的層疊結構中存在相當大的困難。由于頂片與超聲波工具或超聲焊極直接接觸，所以頂片令人滿意地耦聯至超聲波能量源。因此，頂片與相鄰的片強烈地進行反應。然而，在層疊結構中位置較低的片（包括導體條）卻沒有接收到同樣多的超聲波能量，因而所得到的焊接可能不會同樣地堅固。

還使用了諸如螺釘或夾具之類的機械緊固件。它們依賴于非常低的接觸電阻以獲得良好的電導率。然而，隨著時間的過去，由于例如氧化物之類的表面污染物的累積、或者由于緊固件的劣化，接觸電阻可能會劣化。

還可使用焊料的接合。然而，具有助熔劑的焊料的使用（尤其對于鋁）可導致腐蝕性焊劑殘渣的形成，該腐蝕性焊劑殘渣如果不通過清潔操作去除則可能隨著時間的過去使周圍材料或接合部劣化。這些操作增加了成本，并且在有些情況下根據組裝順序是不可能進行的。

因此，存在對用于將蓄電池的電池單元焊接至導體或匯流條的工藝的需求。

發明內容

通過反應冶金接合工藝（或加工）來接合諸如鋁和銅之類的金屬或金屬合金的工件。固態焊接通過如下方式形成：為了與表面材料合金化并在原位置形成瞬時的、可運動的含液反應產物（常常為共晶體或近共晶體的混合物），將合適的反應材料層放置在待焊接的表面之間。該含液相的形成用于在預期的焊接界面處去除氧化物及其他障礙以便進行固態焊接。加熱組裝工件的界面區域以形成流動的反應產物，但維持在低于工件的固相線溫度的溫度。在用于其表面準備功能的過程中，從界面擠出反應產物，并將清潔的熱接觸固體表面擠壓到一起，以形成固態焊接。

該工藝可用于將鋁或銅工件（包括鍍鎳的銅之類的金屬或合金）接合至其他鋁或銅工件（包括鍍鎳的銅之類的金屬或合金）。

可將反應冶金接合工藝用于焊接許多不同的工件形式。例如，通過扁平的蓄電池電池單元接頭和具有平坦表面的導體、或者通過成形表面，可提供對向表面。

首先將關于類似金屬合金的工件的接合（例如一個或多個銅合金的蓄電池電池單元接頭到銅合金導體的接合）來描述該反應冶金接合工藝的應用。用于工件的接合表面可首先被清除掉阻止待焊接表面之間的良好接觸的早先處理材料及其他雜質。