CN110508958A - 强劲反应冶金接合 - Google Patents

Abstract

公开了一种焊接组件和反应冶金焊接方法。该组件包括通过至少两个重叠的焊接接头附接在一起的第一金属工件和第二金属工件。重叠的焊接接头为反应冶金接合(RMJ)焊接接头，并且每个重叠的焊接接头与另一重叠焊缝重叠10‑75％。焊接的方法包括提供处于第一和第二工件之间并与之接触的反应材料。在第一位置，工件和反应材料被挤压在一起、加热并保持在第一和第二工具之间，以在工件之间形成第一RMJ焊接接头。然后，在第二位置，工件被挤压在一起、加热并保持在工具之间，以形成与第一RMJ焊接接头重叠的第二RMJ焊接接头。

Description

强劲反应冶金接合

技术领域

本公开总体涉及焊接工艺，并且更具体地涉及用于接合金属或金属合金(诸如铝、铜或其合金)的工件的反应冶金焊接工艺。

引言

诸如铝合金或铜合金的金属的接合较复杂，因为快速形成的氧化物层的存在以及它们固有的高导电性和导热性。电阻点焊可能比较困难，并且需要制备工件表面、高电流、高压力，以及以机械上良好对准且稳定的电极。由于铝工件合金与铜电极之间的反应或将铜工件合金焊接到铜电极，短寿命的电极较常见。当焊接薄工件时，这种相互作用最大，因为电极-工件接触点接近接合界面处产生的最高温度。铝工件之间的最终焊接可以具有较高强度，但在某些情况下，具有较差的高周疲劳性能。

用于车辆应用的锂电池需要将电池单元接合到导体或汇流条的过程。电池单元通常使用薄铝板和铜板作为电极基板，也称为集电器。这些电极板包含延伸部(被称为接线片)，其延伸到电池包袋的外部并用于在电池组装期间将电极板接合到铜导体或汇流条。电池结构中常用两种类型接线片材料：铝和铜。在一些情况下，铜接线片和/或铜导体可以涂覆薄镍层，以增强耐腐蚀性和接合，而铝接线片可涂覆阳极氧化层。

由于一些原因，将薄接线片材料接合到更厚的铜导体比较困难。首先，堆叠可能需要将几个分离的金属片一次性完成接合，例如，将三个分离的接线片接合到一个导体上。其次，堆叠中的一个包括已知形成脆性金属间化合物的金属组合物，即铜和铝可形成CuAl₂。第三，导体总线通常比接线片厚得多，诸如两倍厚甚至五倍厚或以上。

超声焊接已经用于该应用并取得了一些成功。它能够接合异种金属，并且能够接合在板厚度方面具有明显差异的材料。然而，在对包含两个以上的板的堆叠进行接合时存在相当大的困难，因为超声波能量(即平行于板表面的振动)不能很好地跨越多个板界面传递。顶板可以与超声波能量源很好地耦合，因为它与超声变幅杆或砧座直接接触。因此，它与相邻的板反应强烈。然而，堆叠中位于较下的板(包括导体棒)不能尽可能多的接收超声能量，并且最终的焊接可能不够牢固。

还使用了诸如螺钉或铆钉等机械紧固件。它们依靠非常低的接触电阻来实现良好的导电性。然而，通过表面污染物(例如氧化物)的堆积或通过紧固件的劣化接触电阻随着时间劣化。

也可以使用钎焊接头。然而，使用具有助熔剂的焊料(特别是对于铝)可能导致形成腐蚀性焊药残余物，如果不通过清洁操作去除，则该残余物随着时间推移使周围材料或接头劣化。这些操作增加了成本，在某些情况下，根据组装顺序可能无法实现。

也可以使用反应冶金接合(RMJ)，即与外部类似于在施加载荷下钎焊的工艺。在典型的RMJ工艺中，通过在待焊接的工件搭接面之间放置一层合适的反应材料来形成接头，以便在原位与搭接面材料合金化并形成瞬态的、可移动的、含液反应产物(通常为共晶或近共晶混合物)。这种含液相的成形成用于去除目标焊接界面处的固态焊接的氧化物和其他阻挡层。对组装的工件的界面区域进行加热以形成可移动的反应产物，但是可以保持在低于一个或两个工件的固相线温度的温度处。在用作其表面制备功能的过程中，反应产物从界面被挤压，并且清洁、加热的接触表面被压在一起以形成焊接接头，该焊接接头包括反应材料界面附近的工件的熔焊。该工艺已被证明在低熔点的反应材料的情况下将铜与铜接合时是有效的，在这种情况下，铜工件保持固态并形成固态焊接接头。该工艺也适用于铜铝接头，但有一些显著差异。由于铝电池接线片的较薄的性质(例如，大约0.2mm的量级)，以及其接近反应材料的低熔化温度(例如600℃)的低熔化温度(660℃)，铝工件被完全熔化，这导致接头中的多孔性和裂纹以及铝液体与铜的相互作用，从而在凝固后形成脆性金属间相。此外，在较高热输入时，与电极接触的整个铜层可能被液态铝溶解，这导致电极和工件之间的粘附。

发明内容

部分重叠的RMJ焊接接头允许铝层重新熔化和重组，以减少接头中的缺陷。该工艺可以用于将铝或铜工件(包括镀镍铜的金属或合金)接合到其他铝或铜工件。

在可以与本文公开的其它形式结合或分离的一种形式中，提供了一种反应冶金焊接的方法。该方法包括提供金属第一工件，提供金属第二工件，以及提供处于在第一和第二工件之间并与其接触的反应材料。在堆叠中可以使用任何期望数量的工件，其中反应材料设置在每个工件之间。该方法进一步包括在工具和工件的第一相对位置，在第一工具和第二工具之间将第一和第二工件(以及堆叠中的任何附加工件)和反应材料挤压在一起。在工具和工件的第一相对位置，该方法包括通过工具加热工件和反应材料以形成包括相邻工件和反应材料的一部分的反应产物，并在压力下将工件保持在一起，直到接头冷却以及在各工件之间形成第一反应冶金接合(RMJ)焊接接头。在工具和工件的第一相对位置加热工件和反应材料之后，该方法包括在工具和工件的第二相对位置，在第一工具和第二工具之间将工件和反应材料挤压在一起。工具和工件之间的第二相对位置不同于工具和工件之间的第一相对位置。在工具和工件的第二相对位置，该方法包括通过工具加热工件，并将工件保持在一起，直到在每个工件之间形成第二RMJ焊接接头，其中第二RMJ焊接接头与第一RMJ焊接接头重叠。

在可以与本文公开的其他形式结合或分离的另一形式中，提供了接合的堆叠组件，其至少包括金属第一工件和金属第二工件，并且可以包括任何期望数量的附加工件。第二工件通过多个重叠的RMJ焊接接头附接到第一工件。如果包括附加的工件，则它们分别附接到相邻的工件。重叠的焊接接头是反应冶金接合(RMJ)焊接接头。每个重叠的RMJ焊接接头与另一重叠的RMJ焊接接头重叠10-75％。

在可以与本文公开的其他形式结合或分离的又一形式中，提供了一种电池组组件，其包括由第一金属材料形成的汇流条和由第二金属材料形成的电池接线片。电池接线片通过多个重叠的反应冶金接合(RMJ)焊接接头附接到汇流条。重叠的RMJ焊接接头中的每一个与另一重叠的RMJ焊接接头重叠10-75％。

在可以与本文公开的其他形式结合或分离的又一形式中，包括第一和第二电极的悬臂电极系统。第一电极被配置为接触工件堆叠的第一侧，并且第二电极配置未接触工件堆叠的与第一电极对齐的第二侧。第一电极具有第一远端接触部分。第一远端接触部分具有第一主体和支撑在第一主体的远端端部上的第一焊接面。第一近端部分从第一远端接触部分延伸。第二电极具有第二远端接触部分，第二远端接触部分具有第二主体和支撑在第二主体的远端端部上的第二焊接面。第二近端部分从第二远端接触部分延伸。第一和第二电极被配置为具有沿着偏移轴线施加到第一和第二近端部分中的至少一个的力，该偏移轴线偏移远端接触部分中的每一个。

可以提供附加的特征，其单独或以组合的形式包括但不限于以下特征：将第一RMJ焊接接头与第二RMJ焊接接头重叠10-75％；将第一RMJ焊接接头与第二RMJ焊接接头重叠10-50％；第一工具为第一电极；第二工具为第二电极；加热的步骤包括将第一和第二电极通电；第一电极具有基本平坦的端面；使第一工件的第一区域与第一电极的基本平坦的端面接触，同时在第一相对位置执行加热第一工件和第二工件以及反应材料的步骤；使第一工件的第二区域与第一电极接触，同时在第二相对位置通过工具执行加热第一工件和第二工件的步骤；第一区域和第二区域重叠；第一工件由第一材料形成；第二工件由第二材料形成；第一材料不同于第二材料；第一材料是铜或铜合金；第二材料是铝或铝合金；第一工件具有设置在第一工件的外表面上的镀镍；在加热第一和第二工件之前，将反应材料附接到第一和第二工件的中一个的搭接面上；提供金属的第三工件；并且第三工件由铜或铜合金制成。

可以提供进一步的附加特征，其包括但不限于以下特征：提供处于第二工件和第三工件之间并与其接触的第二反应材料层；每个反应材料层的熔点低于第一、第二和第三工件中的一个或多个的熔点；在工具和工件的第一相对位置，在第一工具和第二工具之间将第二和第三工件和以及第二反应材料层挤压在一起；通过工具加热第二反应材料层和第三工件以形成包括第二和第三工件以及第二反应材料层的一部分的第二反应产物；并将第二和第三工件保持在一起，直至第二和第三工件之间形成第三RMJ焊接接头；在工具和工件的第二相对位置，在第一工具和第二工具之间将第二和第三工件挤压在一起；通过工具加热第三工件，并将第二和第三工件保持在一起，直至第二和第三工件之间形成第四RMJ焊接接头；第四RMJ焊接接头与第三RMJ焊接接头重叠；在加热工件的步骤中的至少一个期间，将第二工件完全熔化；第一工件是第一汇流条；第二工件包括至少一个电池接线片；第三工件是第二汇流条；提供具有悬臂构型的第一和第二电极中的每一个，其中每个电极具有远端接触部分和从远端接触部分延伸的近端接触部分；在第一电极的远端接触部分和第一工件的第一区域之间形成接触；沿着偏移轴线向第一和第二电极中的至少一个的近端部分施加力，该偏移轴线偏移远端接触部分中的每一个；反应材料具有比第二工件的电阻率大至少十倍的电阻率；反应材料包括铝、硅、铜、磷、银、锡、镍和/或锌；第三金属工件通过重叠的RMJ焊接接头附接到第二工件上；电池接线片具有附接到第一汇流条的第一搭接面；电池组组件进一步包括附接到第二搭接面的第二汇流条，第二搭接面是第一电池接线片和附加电池接线片的中的一个的一部分；并且第二汇流条通过重叠的RMJ焊接接头附接到第二搭接面。

通过以下具体实施方式和附图，以上和其他优点和特征对本领域技术人员而言将显而易见。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明的目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1示出了根据本公开的原理的反应冶金焊接的过程中的某一阶段的示意性剖视图，包括在施加热量之前，将反应材料设置在多个工件之间并将工具和工件相对于彼此定位于第一相对位置。工件和反应材料的尺寸并不一定按比例绘制。

图2示出了根据本公开的原理的反应冶金焊接的过程中的另一阶段的示意性剖视图，包括通过施加热量在多个工件之间形成反应材料。工件和反应材料的尺寸并不一定按比例绘制。

图2A示出了根据本公开的原理的用于与图1-2中所示的反应冶金焊接工艺一起使用的电极的一部分的侧视图。

图3示出了根据本公开的原理的反应冶金焊接的过程中的又一阶段的示意性剖视图，包括在施加热量持续第二时间之前，将工具和工件相对于彼此定位于第二相对位置。工件和反应材料的尺寸并不一定按比例绘制。

图4示出了根据本公开的原理的反应冶金焊接的过程中的又一阶段的示意性剖视图，包括通过施加热量持续第二时间在多个工件之间形成反应材料，从而生成重叠的焊接接头。工件和反应材料的尺寸并不一定按比例绘制。

图5示出了根据本公开的原理在执行反应冶金焊接的过程之后的组件的平面图。

图6是根据本公开的原理的在电池接线片和导体总线之间形成的多个重叠的RMJ合焊接接头的透视图。

图7是根据本公开的原理的在至少一个电池接线片和多个导体总线之间形成的多个重叠的RMJ合焊接接头的透视图。

图8是根据本公开的原理的用于向多个工件施加热量以形成RMJ焊接接头的多个悬臂工具的透视图，这些焊接接头可以结包含图2A中所示的电极的部分。

具体实施方式

本公开提供了用于接合金属或金属合金工件的反应冶金焊接工艺。通过利用一个或多个工具施加热量，在接合表面之间暂时形成包括可移动的低熔点温度含液材料的反应产物。可移动材料形成为待接合的表面和预置材料之间的反应产物，该预置材料是针对其与贱金属合金反应的能力特别选择的。在所施加的力的作用下，反应产物从接头排出，并留下清洁的、基本上不含氧化物的铝或铜表面，这些表面在持续的压力下，通过反应表面处的熔融粘合形成金属对金属的粘合。这种接头被称为反应冶金接合(RMJ)焊接接头。然后将(多个)工具和工件之间的相对位置调节到第二位置，并且形成与第一RMJ焊接接头重叠10-75％的第二RMJ焊接接头。对第二接头施加热量可能导致接头的再熔化和重组，这使孔隙和裂纹最小化并且因此改善接头。

现在参考图1，提供了组件20，其包括金属第一工件22、金属第二工件24和金属的第三工件26，其中反应材料层28设置在第一和第二工件22、24之间并与其接触，并且另一反应材料层30设置在第二和第三工件24、26之间并与其接触。反应材料28、30位于待RMJ焊接的工件22、24、26的预期粘合表面或搭接面40、42、44、46之间。

在一些示例中，第一和第三工件22、26由铜或铜合金制成，并且第二工件24由铝或铝合金制成。例如，铝合金可以具有至少85重量％的铝含量。然而，在替代方案中，第一或第三工件22、26可以由铝、铝合金、钢或任何其他合适的金属材料制成。类似地，第二工件24可以由铜、铜合金、钢或任何其他合适的金属材料制成。在一些变型中，第一工件22可以在外表面36和/或内表面40上镀镍；第三工件26可以在外表面38和/或内表面46上镀镍，也可以不镀镍。在一些实例中，第二工件24可以包含多个金属板，例如三个铝或铝合金薄板。镀镍也可以被设置在第二工件24的表面42、44上。

反应材料28、30可以是例如元素铜、镁、铝、锡、镍、银、金和/或锌，并且可以包括其他元素，例如硅和/或磷。这些元素的混合物或包含这些元素的合金可以用作反应材料28、30。反应材料28、30优选地具有比工件22、24、26更低的熔点和较高的电阻率。取决于材料的成分的电阻率是材料固有电阻的量度。施加电压以在电极之间以及工件与反应材料28、30之间产生预编程电流，产生通过其中的电流以及通过焦耳加热生成的能量(即E＝I²Rt，其中E、I、R和t分别是能量、电流、电阻和时间)，或者可以通过选择反应材料28、30的所期望的电阻率和/或选择反应材料28、30的所期望的几何形状来优化反应材料。例如，具有低电阻率的反应材料28、30将比具有高电阻率的反应材料28、30生成更少的能量。进一步，具有较大厚度的反应材料28、30将比具小厚度的反应材料28、30生成更多的能量。更进一步，具有粗糙表面纹理的反应材料28、30可以提供总体上较低的接触面积，并且因此在接触点处提供比具有总体上光滑表面纹理同时总的电接触面积较大的类似形状的反应材料28、30总体上更高的电流强度。

在一些示例中，反应材料28、30的电阻率可以是铝或工件22、24、26之一的电阻率的至少十倍，或者是工件22、24、26被RMJ焊接在一起之后形成在他们之间的接头的组合电阻率的至少五倍。在一个示例中，反应层28、30中的每一个的电阻率可以至少为15ωcm，或者在一些情况下，至少为26.5μΩcm。反应层的厚度可以例如比工件22、24、26的中一个的厚度小十分之一。

作为示例，反应材料层28、30可以具有颗粒形式，或者可以由箔、丝、网或织物形成。反应材料28、30可以作为固体主体被手动或机械地输送到接头区域，或者特别对于颗粒形式，作为分散体或糊状物夹带在可分配的流体中，该可分配流体对工艺是良性的或者在加工期间将蒸发。在一些情况下，在进行接头的反应冶金焊接之前，可以将反应材料28、30预置或附接接到工件22、24、26中一个的搭接面40、42、44、46中的一个上。在一个示例中，在工件22、24、26的RMJ焊接之前，反应材料28、30被超声焊接到工件22、24、26中一个的搭接面40、42、44、46中的一个上。

为了将工件22、24、26RMJ焊接在一起，工件22、24、26可以通过夹具、支撑块或其他物体(未示出)，或者通过第一和第二工具32、34被压在一起，其中反应材料28、30在其间。工件22、24、26可能承受通过支撑块、工具32、34或将工件22、24、26挤压在一起的任何其他物体施加的压力。施加在工件22、24、26上的压力足以在接触的工件表面40、42、44、46和相邻的相应反应材料层28、30之间建立至少良好的机械接触。

第一工具32可以放置为邻近第一工件22的外表面36，并且第二工具34可以放置为邻近第三工件26的外表面38。第一工具32被配置为通过第一工件22的区域48施加电流，并且第二工具34被配置为在电流已经通过中间层22、28、24、30、26之后使电流通过第三工件26的区域50。

参考图2，工具32、34被用于向反应材料28、30施加电流，从而产生高达工艺温度的热量，这导致反应材料28、30扩散到工件22、24、26的相邻搭接面40、42、44、46的金属成分中或者以其他方式与其相互作用，以在与区域48、50对齐的区域中在第一和第二工件22、24之间以及第二和第三工件24、26之间形成反应产物52。反应产物52包括低熔点液体，其结合了原始反应材料28、30和通过与工件22、24、26的搭接面40、42、44、46的反应和部分溶解而引入的附加元素组分。该低熔点温度液体还可以包括从工件搭接面40、42、44、46去除的固体氧化物等。电流的施加也可以完全熔化铝工件24，诸如24’所示。

应当理解的是，反应材料28、30可以被选择为具有这样的初始成分，即从工件22、24、26添加合金元素不会将反应产物52的固相线温度升高到大于最大工艺温度的温度。然而，反应材料具有优选地低于工艺温度的液相线温度。更优选地，向反应材料28、30中添加另外的元素以形成反应产物52将导致反应产物52的熔点进一步降低，诸如在三元、四元或更高组分共晶合金中观察到的那样。因此，在施加热量的工艺温度下，优选地至少外部工件22、26保持未熔化，而反应材料28、30变成液体。由于内部工件24薄且熔化温度低，因此在施加热量时，内部工件24可以完全熔化。

可以选择反应材料28、30的成分和形状(诸如颗粒、线、筛网、板、薄膜)，以破坏工件22、24、26的面对的表面40、42、44、46上的氧化物薄膜和其他表面成分，从而形成流体含液反应产物52。反应产物52的更快速形成可以通过在经组装的面对的表面40、42、44、46和插入的反应材料28、30之间形成附加的氧化物膜机械破裂来促进，例如通过在搭接面40、42、44、46上的反应材料28、30的预置期间加热。

作为工具32、34或其他结构施加压力的结果，含液反应产物52可以部分地从反应区域54、56排出和挤出，并且搭接面40、42、44、46处的氧化物将通过反应材料28、30中的自熔元素(磷)的氧还原反应(即，P+CuO/Cu₂O->Cu+P₂O₅)通过反应产物52的置换而被移除。熔融反应产物52的薄层仍将存在于无氧化物工件表面40、42、44、46之间，并且因此在固化期间在反应区域54、56中生成粘合。然而，在变型中，反应产物52基本上不会排出，直到形成另一重叠焊接接头之后，这将在下面进一步详细描述。

可替换地，接头构型可以承受一个施加的压力，在该压力下发生反应，并且该压力基本上完全排出反应产物52。或者，代替施加压力，可以施加足以实现期望的RMJ焊接但旨在限制或最小化接头变薄的位移。在一些变型中，诸如凹陷或凹部的特征可以形成在工件22、24、26的搭接面40、42、44、46中，并且活性材料28、30的离散颗粒可以嵌入到这些凹陷或其它特征中。这充当提供反应材料28、30的均匀分布的一种方式，在这种情况下具有光滑、无特征的表面可能更困难。当该工件被组装抵靠第二工件上时，这些表面最初可与相对的接合表面啮合。当组装工件的接合表面被挤压在一起并且表面被加热时，反应材料可以与两个工件表面反应，以形成具有其低熔点液体含量的反应产物。工件表面40、42、44、46将在该反应中均匀消耗，从而为要在工件22、24、26之间将形成的焊接提供更多的表面积。

以上描述旨在描述适用于各种工件的工艺。反应材料的金属元素或合金成分是基于构成各个工件的接合表面的铝或铜金属或(多个)合金的(多个)成分来确定的，并且可以被选择为使得其满足某些标准。例如，引入工件22、24、26之间间隙的反应材料28、30(或多组分颗粒混合物的单个组分颗粒)的固相线温度可以高于或低于工件22、24、26的固相线温度，但是当与工件22、24、26反应或合金化时，反应材料28、30可以被选择以生成固相线温度低于工件22、24、26中的一个或多个的固相线温度的合金(反应产物)，使得用于形成反应产物52的工艺温度不会导致过度的工件软化。此外，当熔化时，反应材料52可以在清洁工件的搭接面40、42、44、46的氧化物和其他阻碍物时将它们润湿，以在清洁表面40、42、44、46之间形成RMJ焊接。更优选地，反应材料52还将润湿氧化的工件表面40、42、44、46，使得熔融合金可以分散在整个加压接合区域上并与工件22、24、26相互作用。另外，当工件24、22、26的最大部分已经溶解、并且当合金可以包含预先存在的工件氧化物的颗粒时，在工艺结束时形成的合金可以具有粘度，使得其可以基本上完全从工件22、24、26之间的间隙中排出。

对于涂覆材料，可以选择反应材料28、30的数量和成分，以去除所有涂层，包括在涂层和工件22、24、26的基材之间形成的任何反应产物。在某些情况下，如果涂层足够厚或者如果在粘合时期望有益的涂层效果，则可以仅去除一部分涂层。当然可以理解的是，基材和涂层之间的粘合本身必须能够进行反应冶金焊接。例如，对于铝上的阳极氧化涂层，期望完全去除涂层以实现RMJ焊接。

可以使用各种方法完成加热。例如，电阻加热可以与支撑垫一起使用，以使预定电流通过加压区域达到预定时间。可替换地，可以对支撑垫进行外部加热，例如通过结合筒式加热器(未示出)，其中依靠传导将热量从输送到工件界面40、42、44、46，即传导加热。包含感应线圈以使用感应加热可能是可行的。对于这些替代加热方法，反应材料的电阻率对于工艺不再是关键的。

在一个示例中，第一和第二工具32、34中的每一个都被提供为电极。工件22、24、26和反应材料28、30的加热是通过给第一和第二电极32、34通电以使电流通过工件22、24、26并通过反应材料28、30来实现的，这被称为电阻加热。参考图2A，并继续参考图1-2，在一个示例中，一个或两个电极32、34可以被提供为具有基本平坦的端面58。端面58(也可以被称为焊接面)是相应电极32、34的一部分，其被压靠并压入工件22、26的外侧36、38中的接触区域(诸如，图4所示的48或50，或62、64)中，以在操作电极32、34以进行RMJ焊接的每种情况下传递电流。端面58可以完全平坦，或者其可以具有轻微曲率，作为示例，诸如高达2毫米的曲率半径。基本平坦的端面58可以具有沿着电极32的运动轴线M设置的平坦部分59。如上所述，平坦部分59可以具有较小的曲率半径。弯曲表面57可以从平坦端面58朝向电极32的圆柱形主体部分63延伸。在替代方案中，截头圆锥形(锥形)过渡鼻部将基本平坦端面58连接到圆柱形主体部分63。

基本平坦端面58在外部工件22、26之一具有镀镍的应用中特别有用，因为基本平坦端面58抗粘附。因此，在一些实例中，电极32、34在区域48、50处与各个工件22、26接触，然后可以将这些区域称为接触区域48、50。电极32、34中的一个或多个可以替代地具有多环圆顶(“MRD”)构型(诸如在美国专利申请公开号2017/0297138中示出和描述的构型那样，该美国专利申请通过引用整体结合于此)，或者电极32、34可以具有任何其他期望的端面58。每个电极32、34可以由导电材料形成，例如铜合金或难熔金属。

总之，参考图3，通过以下步骤形成第一组RMJ焊接接头60、61：在工具32、34和工件22、24、26的第一相对位置在第一和第二工具32、34之间将工件22、24、26和反应材料28、30挤压在一起；通过工具32、34加热工件22、24、26和反应材料28、30以形成反应产物52，该反应产物包括相应相邻工件22、24、26和反应材料28、30的一部分；并将工件22、24、26保持在一起，直到在相应工件22、24、26的搭接面40、42、44、46之间形成第一组RMJ焊接接头60、61。更具体地，第一RMJ焊接接头60中的一个形成在第一工件22的内表面40和第二工件24的相邻表面42处，并且第一RMJ焊接接头61中的另一个形成在第三工件26的内表面46和第二工件24的相邻表面44处。

参考图3，如图1-2所示在工具32、34和工件22、24、26的第一相对位置加热工件22、24、26和反应材料28、30之后，工具32、34和工件22、24、26被放置在相对彼此的第二相对位置。为此，工具32、34可以移动到第二位置，同时工件22、24、26保持在固定位置，或者工件22、24、26可以移动到第二位置，同时工具32、34保持在固定位置，或者工件22、24、26和工具32、34两者都可以移动。在一个示例中，在第二相对位置，第一工具32然后被布置为邻近(并且在一些情况下接触)第一工件22的第二区域62，并且第二工具34然后被布置为邻近(并且在一些情况下接触)第三工件26的第二区域64。第一工件22的第二区域62与第一工件22的第一区域48部分重叠；类似地，第三工件26的第二区域64与第三工件26的第一区域50部分重叠。在一些情况下，在替换方案中，第三工件26可以省略，并且由第二工具34接触的区域50、64可以位于第二工件24上。

工具32、34和工件22、24、26之间的第二相对位置在图3中示出，同时工具32、34用实线画出，并且工具32、34和工件22、24、26之间的第一相对位置在图3中示出，同时工具用虚线画出并且以32’和34’表示。因此，工具32、34和工件22、24、26之间的第二相对位置不同于工具32、34和工件32、34之间的第一相对位置。在第一位置，第一工具32’与第一区域48对齐并且可以接触第一区域48，并且第二焊接工具34’与第一区域50对齐并且可以接触第一区域50；而在第二相对位置，第一工具32与第二区域62对齐并且可以接触第二区域62，并且第二焊接工具34与第二区域64对齐并且可以接触第二区域64。第一工件22上的第一和第二区域48、62彼此重叠，并且第三工件26上的第一和第二区域50、64彼此重叠。

在该示例中，在第二相对位置，在施加电流之前，区域62与由第一RMJ焊接形成的未反应的反应材料28的一部分和反应材料52的一部分重叠，并且区域64与由上述第一焊接操作形成的未反应的反应材料30的一部分和反应材料52的一部分重叠。像在第一相对位置的操作一样，在第二相对位置，第一、第二和第三工件22、24、26以及任何剩余的反应材料28、30在第一工具和第二工具32、34之间被挤压在一起。在工具32、34和工件22、24、26的第二相对位置，工件22、24、26经由工具32、34通过区域62、64被加热。由此，反应产物(像反应产物52一样)在搭接面40、42、44、46的与电极32、34的第二位置对齐的部分处，将如上所述进一步形成在工件22、24、26之间。

参考图4，在加热后的第二相对位置，工件22、24、26然后可以保持在一起，直到在第一和第二工件22、24之间形成第二RMJ焊接接头66，其中第二RMJ焊接接头66在重叠的接头部分68处与第一RMJ焊接接头60重叠。类似地，在加热后的第二相对位置，工件22、24、26保持在一起，直到在第二和第三工件24、26之间形成第二RMJ焊接接头67，其中第二RMJ焊接接头67在重叠的接头部分69处与第一RMJ焊接接头61重叠。

由于工具32、34或其他结构施加的压力，含液反应产物52可以部分或全部从反应区域排出。因此，在图4中，反应材料52未示出，因为它和未反应的反应材料28、30已经被压出搭接面40、42、44、46之间的界面。然而，在变型中，反应产物52可以不被完全排出。

第一和第二工件22、24之间的第一RMJ焊接接头60可以与第一和第二工件22、24之间的第二RMJ焊接接头66重叠10-75％，或者更优选地重叠10-50％。类似地，第二和第三工件24、26之间的第一RMJ焊接接头61可以与第二和第三工件24、26之间的第二RMJ焊接接头67重叠10-75％，或者更优选地重叠10-50％。

因此，在图示的示例中，第一工具(其是第一电极32)将第一工件22的第一区域48与第一电极32的基本平坦的端面58接触同时在第一相对位置通过工具32、34执行加热工件22、24、26和反应材料28、30的步骤。然后，在第二相对位置，第一电极32接触第一工件22的第二区域62，同时在第二相对位置通过工具32、34执行加热工件22、24、26的步骤。

第二电极34可以接触第三工件26的第一区域50(或者如果省略了第三工件26，则接触第二工件24的第一区域)，同时在第一相对位置执行加热工件22、24、26和反应材料28、30的步骤。然后，在第二相对位置，第二电极34可以接触第三工件26的第二区域64，同时在第二相对位置通过工具32、34执行加热工件22、24、26的步骤。工件22、24、26的堆叠不一定只需要具有两个或三个工件，并且在替代方案中，可以根据需要堆叠四个或更多个工件22、24、26并进行反应冶金焊接。在某些情况下，铜/铜合金层与铝/铝合金层交错。在其他情况下，几个铝/铝合金接线片被提供为第二工件24，该第二工件在每一端上是铜/铜合金工件。

在施加电流和压力以实现第二RMJ焊接接头66、67之后，含液反应产物52可以部分或全部从反应区域54、56排出，从而使得无氧化物的工件表面40、42、44、46能够在仍然处于工作温度时实现紧密接触，并因此在反应区域54、56中生成熔融粘合同时残余反应产物52处于其周边。

在一些情况下，在工具32、34加热工件22、24、26的同时，第二工件24可以完全熔化。在一些示例中，铝/铝合金第二工件24在铜/铜合金工件22、26之间完全熔化，因为第二工件24的厚度在大约0.15mm至大约0.4mm的范围内，其可以等于或大约等于0.2mm。完全熔化的部分用24’表示。

因此，在执行第一和第二重叠RMJ焊接步骤之后，产生组件20，其包括通过多个重叠的RMJ焊接接头60、66、61、67附接在一起的至少两个金属的工件22、24(在这种情况下，三个金属的工件22、24、26)，其中每个重叠的RMJ焊接接头60、66、61、67是反应冶金接合(RMJ)RMJ焊接接头。如上所述，每个重叠的RMJ焊接接头60、62与重叠的RMJ焊接接头61、67中的另一个重叠10-75％，或重叠10-50％。

参照图5，示出了组件20的外表面36。电极32(如图1-4所示)已经在外表面36中形成了对应于工件22和电极32之间的第一和第二相对位置的焊接标记70。电极32在第一区域48周围压印了第一环70a，并且在第二区域62周围压印了第二环70b。如图5所见，第一和第二区域48、62重叠。在一个示例中，像RMJ焊接接头本身一样，第一和第二区域48、62重叠10-75％，或者重叠10-50％。

图6-7示出了由铝或铜或其合金制成的多个板层(例如，电池单元接线片)到更厚的铜片(例如，导体)的接合。现在参考图6，示意性地示出了电池组组件的一部分，并且其总体以120表示。电池组组件120具有多个电池单元121(其中一个在图6中示出)，并且每个电池单元121具有从电池单元121延伸的铝或铝合金电池1接线片24。在一些示例中，多个电池接线片24可以从电池单元121延伸。汇流条122设置在电池接线片124旁边。作为示例，汇流条122可以由铜、铜合金、铝或铝合金形成。电池接线片124通过多个重叠的焊接接头160、166附接到汇流条122，通过重叠区域148、162示出了其证据，这些重叠区域分别被第一和第二焊接环170a、170b包围。如上所述，每个焊接接头160、166是通过反应冶金接合形成的焊接接头。重叠的焊接接头160、166彼此重叠10-75％，或者在某些情况下重叠10-50％。电极接触的区域148、162也可以重叠10-75％或重叠10-50％。重叠的焊接接头160、166优选地是通过将反应材料放置在汇流条122和电池接线片124的搭接面之间而形成的RMJ焊接接头。

尽管单个汇流条122被示出为被反应冶金焊接到电池接线片124的一个搭接面，但是应当理解的是，如果需要的话，汇流条可以设置在电池接线片124的每一侧上，其中电池接线片124焊接在两个汇流条之间。例如，参考图7，示意性地示出了另一电池组组件的一部分，并且总体上以220表示。电池组组件220具有多个电池单元221(其中一个在图7中示出)，并且每个电池单元221具有从电池单元221延伸的电池接线片224(其可以由铝或铝合金形成)。第一和第二汇流条222、226设置在电池接线片224的相对侧旁边。举例来说，汇流条222、226可以由铜、铜合金、铝或铝合金形成。

电池接线片224具有附接到第一汇流条222的第一搭接面223，并且电池接线片224具有附接到第二汇流条226的第二搭接面225，其中第二搭接面225与第一搭接面223相对。在其他变型中，电池221具有多个电池接线片224(诸如彼此相邻的三个电池接线片224)，使得三个相邻电池接线片224中的一个具有附接到第一汇流条222的搭接面223，并且三个相邻电池接线片224中的另一个具有附接到第二汇流条226的搭接面225。

电池接线片(或多个接线片)224通过多个重叠的焊接接头附接到汇流条222、226。例如，分别被第一和第二焊接环270a、270b包围的重叠区域248、262将第一汇流条222附接到电池接线片224。区域248、262可以是实现接线片224和汇流条222、226中的每一个之间的RMJ焊接接头的电极或其他加热工具(图1-4中示出的电极32、34)中的一个的接触点。

如上所述，汇流条222、226中的一个和电池接线片224之间的每个焊接接头是通过反应冶金接合形成的RMJ焊接接头。汇流条222、226中的每一个和电池接线片224之间的重叠焊接接头彼此重叠10-75％，或者在某些情况下重叠10-50％。区域248、262也可以重叠10-75％或重叠10-50％。重叠焊接接头160、166优选地是通过将反应材料放置在汇流条222、226和电池接线片224的搭接面之间而形成的RMJ焊接接头。

现在参考图8，在一种构型中，电极32、34中的一个或两个可以具有悬臂构型，其中电极32、34形成悬臂电极系统。第一电极32被配置为接触工件叠层220的第一侧236，并且第二电极34被配置未接触工件叠层220的与第一电极32对准的第二侧238。

每个电极32、34具有远端接触部分72和从远端接触部分72延伸的近端部分74。远端接触部分72可以与工件接触(在这种情况下，工件是汇流条222、226，但是可替换方案中，可以使用其他工件22、24、26、122、124、126)。例如，第一电极32与第一工件的第一区域248或汇流条222接触，并且第二电极34与第三工件的第一区域249或汇流条226接触。在一个示例中，远端端部部分72中的一个或两个可以包含具有如图2A所示的基本平坦端面58的圆柱形主体63，和/或远端端部部分72中的一个或两个可以包含MRD端面(未示出)。因此，远端接触部分72可以具有主体63和支撑在主体63远端端部上的焊接面58。第一和第二电极32、34被配置为具有沿着偏移轴线O施加到第一和第二近端部分74中的至少一个的力F，该偏移轴线偏移远端接触部分74中的每一个。因此，为了执行RMJ焊接，力F沿着偏移轴线O施加到第一和第二电极32、34中的一个或两个的近端部分74。因此，远端接触部分72可以制造为比其它部分小，这允许它们装配在相邻的汇流条之间。

可以采用在工件22、24、26、122、124、126、222、224、226之间形成接头后冷却这些工件的多种方法。尽管反应产物52在工艺结束时仍可能被熔化，但它总体上对接头强度没有贡献，该接头强度总体上完全归因于在基本上无氧化物的搭接面40、42、44、46之间形成的RMJ焊接。因此，最简单的程序是在接合的工件22、24、26、122、124、126、222、224、226仍然热的同时移除这些接合的工件，并允许它们在工具外空气冷却。如果工艺温度过高以至于热接头无法支撑搬运或零件上的重力载荷，则这就不可能了。在这种情况下，零件可以保留在工具32、34中并空气冷却，直到接头足够坚固。可替换地，支撑板(未示出)可以用于将工件22、24、26、122、124、126、222、224、226保持在一起，其中支撑板包含冷却盘管以循环冷却水，从而更有效地从接头抽取热量。该零件也可以或可替换地通过鼓风或喷水/喷雾冷却，或通过电极32、34的水冷却来进行增强冷却。

详细描述和附图或图是对本公开的许多方面的支持和描述。本文描述的元件可以在各种示例之间组合或交换。例如，关于图1-5描述的细节可以应用于图6或图7所示的示例。虽然已经详细描述了某些方面，但是存在用于实践如所附权利要求中限定的本发明的各种可替代的方面。

Claims (10)

1.一种反应冶金焊接的方法，所述方法包括：

提供金属第一工件；

提供金属的第二工件；

提供处于所述第一工件和所述第二工件之间并与之接触的反应材料；

在工具和所述工件的第一相对位置，在第一工具和第二工具之间将所述第一工件和所述第二工件以及所述反应材料挤压在一起；

在所述工具和所述工件的第一相对位置，通过所述工具加热所述第一工件和所述第二工件以及所述反应材料以形成包括所述第一工件和所述第二工件以及所述反应材料的一部分的反应产物，并将所述第一工件和所述第二工件保持在一起，直到在所述第一工件和所述第二工件之间形成第一反应冶金接合(RMJ)焊接接头；

在所述工具和所述工件的第一相对位置加热所述第一工件和所述第二工件以及所述反应材料之后，在所述工具和所述工件的第二相对位置在所述第一工具和所述第二工具之间将所述第一工件和所述第二工件挤压在一起，所述工具和所述工件之间的第二相对位置不同于所述工具和所述工件之间的第一相对位置；以及

在所述工具和所述工件的第二相对位置，通过所述工具加热所述第一工件和所述第二工件，并将所述第一工件和所述第二工件保持在一起，直到在所述第一工件和所述第二工件之间形成第二RMJ焊接接头，所述第二RMJ焊接接头与所述第一RMJ焊接接头重叠。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述第一RMJ焊接接头与所述第二RMJ焊接接头重叠10-75％。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

将所述第一工具提供为具有基本平坦端面的第一电极；

将所述第二工具提供为第二电极，所述加热步骤包括将所述第一电极和所述第二电极通电以使电流通过所述第一工件和所述第二工件和所述反应材料；

使所述第一工件的第一区域与第一电极的基本平坦的端面接触，同时在第二相对位置执行加热所述第一工件和所述第二工件以及所述反应材料的步骤；以及

使第所述第一工件的第二区域与第一电极接触，同时在所述第二相对位置通过工具执行加热所述第一工件和所述第二工件的步骤，所述第一区域和所述第二区域重叠；

将所述第一工件提供为由第一材料形成；

将所述第二工件提供为由第二材料形成，所述第一材料不同于所述第二材料。

4.根据权利要求3所述的方法，所述第一材料是铜和铜合金中的一种，所述第二材料是铝和铝合金中的一种，所述方法进一步包括提供具有设置在所述第一工件的外表面上的镀镍的所述第一工件。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

在加热所述第一工件和所述第二工件之前，将反应材料附接到所述第一工件和所述第二工件中的一个的搭接面上；以及

提供具有比所述第二工件的电阻率至少大十倍的电阻率的反应材料，所述方法进一步包括提供包括铝、硅、铜、磷、锌、银、锡和镍中至少一种的反应材料。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述反应材料是第一反应材料层，并且所述反应产物是第一反应产物，所述方法进一步包括：

提供金属第三工件，所述第三工件由铜和铜合金中的一个形成；

提供处于所述第二工件和所述第三工件之间并与其接触第二反应材料层，每个反应材料层的熔点低于所述第一工件的熔点，每个反应材料层的熔点低于所述第二工件的熔点，并且每个反应材料层的熔点低于所述第三工件的熔点；

在所述工具和所述工件的第一相对位置，在所述第一工具和所述第二工具之间将所述第二工件和所述第三工件和以及所述第二反应材料层挤压在一起；通过所述工具加热所述第二反应材料层和所述第三工件以形成包括所述第二工件和所述第三工件和以及所述第二反应材料层的一部分的第二反应产物；并将所述第二工件和所述第三工件保持在一起，直至在所述第二工件和所述第三工件之间形成第三RMJ焊接接头；

在所述工具和所述工件的第二相对位置，在所述第一工具和所述第二工具之间将所述第二工件和所述第三工件挤压在一起；通过所述工具加热所述第三工件，并将所述第二工件和所述第三工件保持在一起，直到在所述第二工件和所述第三工件之间形成第四RMJ焊接接头，所述第四RMJ焊接接头与所述第三RMJ焊接接头重叠；以及

在加热所述工件的步骤中的至少一个期间，将所述第二工件完全熔化。

7.根据权利要求3所述的方法，进一步包括：

提供具有悬臂配置的所述第一电极和所述第二电极中的每一个，其中每个电极具有远端接触部分和从所述远端接触部分延伸的近端接触部分；

在所述第一电极的远端接触部分和所述第一工件的第一区域之间形成接触；以及

沿着从所述远端接触部分中的每一个偏移的偏移轴线向所述第一电极和所述第二电极中的至少一个的近端部分施加力。

8.一种组件，包括：

金属第一工件；以及

金属第二工件，所述金属第二工件通过多个重叠的焊接接头附接到所述第一工件，每个重叠的焊接接头是反应冶金接合(RMJ)焊接接头，每个重叠焊接接头与多个焊接接头中的另一重叠焊接接头重叠10-75％。

9.根据权利要求8所述的组件，所述第一工件由铜和铜合金中的一种形成，所述第二工件由铝和铝合金中的一种形成，其中所述第一工件是第一汇流条，而所述第二工件是电池接线片，所述第一汇流条由铜和铜合金中的一种形成，所述第二工件由铝和铝合金中的一种形成，所述电池接线片具有附接到所述第一汇流条的第一搭接面，所述电池组组件进一步包括附接到第二搭接面的第二汇流条，所述第二搭接面是第一电池接线片和附加的电池接线片中的一个的一部分，所述第二汇流条通过所述多个重叠的RMJ焊接接头附接到所述第二搭接面。

10.一种悬臂电极系统，包括：

第一电极，所述第一电极被配置为接触工件堆叠的第一侧，所述第一电极具有：

第一远端接触部分，所述第一远端接触部分具有第一主体和支撑在所述第一主体的远端端部上的第一焊接面；以及

从所述第一远端接触部分延伸的第一近端部分；以及

第二电极，所述第二电极被配置为接触所述工件堆叠的与所述第一电极对准的第二侧，所述第二电极具有：

第二远端接触部分，所述第二远端接触部分具有第二主体和支撑在所述第二主体的远端端部上的第二焊接面；以及

从所述第二远端接触部分延伸的第二近端部分，

其中所述第一电极和所述第二电极被配置为具有沿着偏移轴线施加到所述第一近端部分和所述第二近端部分中的至少一个的力，所述偏移轴线偏移所述远端接触部分中的每一个。