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铜业技术用于结合铜导体的方法

2019/04/11 来源:阳江信息港

导读

中国有色技术与设备信息携手从中国铜产业为学者提供铜业技术:用于结合铜导体的方法,供大家参考,希望对广大学者有所帮助。文档编号:B23K1

中国有色技术与设备信息携手从中国铜产业为学者提供铜业技术:用于结合铜导体的方法,供大家参考,希望对广大学者有所帮助。

文档编号:B23K11/18Yk

专利摘要:铜导体构件或其它铜基工件使用能与铜构件的结合表面反应的合适铜合金材料焊接。反应性金属材料可以作为薄金属条应用于组装的面对面结合表面之间。所述构件抵靠反应性材料加压在一起且被加热。压力和热量相结合允许反应性材料与面对面的工件材料反应,液化并去除可能抑制形成焊接界面的氧化物等。含有初始反应性金属和副产物的液体从工件的界面挤出,以允许在它们之间形成固态焊接部,而不熔融未反应的工件铜材料。

权利要求:

1. 一种在铜工件的结合表面和第二铜工件的第二结合表面之间形成固态焊接部的方法;所述方法包括:

制备和第二铜工件的组件,其和第二结合表面处于表面 表面对齐且用反应性铜合金材料夹层分开,铜合金材料的成分被选择以在低于和第二铜工件中任一个的熔点的温度下熔融每个铜工件的表面材料且与每个铜工件的表面材料反应;

加压所述组件,使得和第二结合表面与反应性铜合金材料层接合;

在反应性铜合金材料层由和第二结合表面接合时加热反应性铜合金材料层预定时间,以便反应性铜合金材料与铜工件的结合表面处的材料反应且形成含液体的反应产物;组件上的压力用于从剩余的和第二结合表面之间去除基本上所有这样形成的液体反应产物;以及,之后

将和第二结合表面抵靠彼此保持,直到形成与结合表面共延的固态焊接接头。

2. 根据权利要求1所述的方法,其中,和第二铜工件是电导体,基本上由商业纯铜构成且具有高于1080℃的熔点。

3. 根据权利要求1所述的方法,其中,和第二铜工件由铜合金形成,含有按重量计96%或更高的铜且具有高于大约1000℃的熔点。

4. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料具有低于720℃的固相线温度和低于900℃的液相线温度。

5. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料具有低于660℃的固相线温度和低于850℃的液相线温度。

6. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料是铜基合金,按重量计含有至少85%的铜,其余部分是锑、磷、硅、银和锡中的一种或多种。

7. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料基本上包括按重量计7%的磷,其余部分是铜。

8. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料基本上包括按重量计7%的磷、7%的锡、小于1%的硅,其余部分是铜。

9. 根据权利要求1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料基本上包括按重量计15%的银、5%的磷,其余部分是铜。

10. 一种在用于电动马达的一对铜导体条之间形成固态焊接部的方法,所述铜导体条具有要在固态焊接部中结合的面对面表面区域,所述面对面表面区域形状上基本上相同,用于形成与每个面对面表面区域共延的固态焊接部,且面对面表面区域的轮廓允许其在组装时以基本上完全面对面接触的方式平躺;所述方法包括:

制备和第二铜导体条的组件,其结合表面处于表面 表面对齐但是用反应性铜合金材料层分开,铜合金材料的厚度不大于大约250微米,铜合金材料的成分被选择以在低于铜工件中任一个的熔点的温度下熔融铜工件的表面材料且与铜工件的表面材料反应;

加压所述组件,使得结合表面与反应性铜合金材料层接合;

加热组件中的反应性铜合金材料预定时间,以便反应性铜合金材料与铜工件的结合表面处的材料反应且形成含液体的反应产物;组件上的压力用于从剩余的结合表面之间驱出基本上所有形成的液体反应产物;以及,之后

将所述结合表面抵靠彼此保持,直到形成与结合表面共延的固态焊接接头。

专利说明:用于结合铜导体的方法

本申请要求基于2011年4月29日提交的题为Method of Joining Copper Conductors的临时申请61/480,469的优先权,该临时申请通过参考引入本文。

技术领域:

本发明涉及在铜工件的面对面表面之间形成强焊接部的相对低温、低热量输入方法。焊接部通过在工件之间留下低电阻铜 铜焊接部的冶金反应结合过程形成。在例如在电动马达中的铜导体对之间形成时,这种得到的焊接接头是非常希望的。

背景技术:

虽然存在用于结合许多金属成分的工件的许多焊接实践,但是仍需要在小变形和热量输入的情况下在两个铜工件之间形成完好的低电阻焊接接头的方法。特别是需要用于在车辆的电牵引马达的定子构件中、在许多这种铜导体对的组件中、在铜导体条的独立对之间形成焊接连接的这种结合方法。

发明内容:

本发明使用冶金反应结合过程在组装铜工件的面对面表面之间形成完好的低电阻强焊接部。在本发明的一个实施例的说明中,具有小矩形截面的线或条形式且与触头的面对面表面类似的两个铜导体构件放置且加压在一起且在焊接界面中结合套丝机价格
。因而,本发明的该实施例中,铜工件是基本上纯的高导电率铜金属。在冶金反应过程中,反应性金属或合金薄层放置在铜工件的面对面表面之间,且在加热时,反应性金属用于清洁和平滑表面,以允许在宽区域上的紧密接触和形成固态焊接部。

反应性金属或金属合金被选择以提供作为焊接过程的一部分的重要功能。这种冶金反应性金属成分必须通过在施加的热量的影响下与来自于面对面铜工件表面中的每个的少量材料反应而形成可流动液相。液相必须具有比工件金属的熔点更低的固相线温度。所形成的可流动相必须能够去除在要结合的铜工件表面上初始存在的氧化物膜。可流动相的预期功能是去除妨碍铜表面 铜表面焊接的这种膜。在反应过程期间实现表面平滑效果,即,通过溶解铜工件的一部分和在压力下驱出反应金属混凝土增强剂
,消除每个工件表面上的非常薄层。这用于形成低电阻焊接接头,通常在高导电率铜工件之间。

在本发明的许多实施例中,期望接头取决于在铜工件的小侵蚀的情况下将反应性金属驱出接头。在这些实施例中,要结合的面对面铜工件表面的区域优选应当具有类似的配合几何形状,即,平坦 平坦,固定凸半径 固定凹半径等,且得到的表面粗糙度必须足够平滑,使得可以在保留少填料金属的情况下形成完好接头。由于反应性材料大部分从接头驱出,因而终接头具有的电阻与自焊(autogenously)形成的接头几乎相同。

在本发明的说明性实施例中,按重量计大约7%的磷和其余部分是铜的合金薄金属条是结合基本上纯的铜工件的合适反应性金属。铜具有1084 ℃的熔点,而铜 7wt.%磷合金具有710 ℃的熔点。该铜 磷合金能够溶解或熔化在铜 铜工件界面处存在的表面氧化物以及与铜工件的一部分反应并溶解铜工件的一部分。用于焊接铜的另一种合适反应性金属成分是铜与按重量计6%的磷、6%的锡和0.4%的硅的合金。用于焊接铜的另一种合适反应性金属成分铜与按重量计15%的银和5%的磷的合金。该过程通过将薄(例如,50至250微米厚)反应性金属部段放置在要结合的铜工件的面对面表面之间进行。夹层接头然后被压缩且加热至远高于金属/反应性金属合金系统的固相线温度(即,在使用铜 7%磷合金时,高于710 ℃)但是远低于铜的熔点(即,低于1084 ℃)的温度。

在加热时压缩的常规方法使用电阻加热,这通过将面对面工件的外表面与商业点焊机的相对电极接合来提供。点焊机的夹持力提供使两个铜工件的配合表面与反应性金属夹层接触的所需压力。电阻加热电流传送至电极之间且通过工件和薄反应性金属条的界面。一旦充分加热,冶金反应就开始且反应性金属将液化并去除界面处的基体铜合金上的任何自然氧化物,且进一步与铜反应以形成含液体的相。电极施加的压力与铜工件的平滑配对或配合表面相结合还将可流动液体驱出到接头之外。在一些情况下,将存在具有足够低有效粘度的半固相,其可以从接头驱出,如纯液体的情况下那样。被驱出的该材料随之夹带任何熔化的氧化物或其它先前表面杂质,以留下清洁的平滑铜表面。通过该过程形成非常清洁的铜 铜焊接部。所形成的接头不主要是钎焊接头。这样形成的接头部段的详细显微照片表明,几乎所有的反应性金属从终的铜工件 铜工件焊接接头驱出。该方法是相对低能量的方法和相对低温度的方法,这可以使得结合过程对铜工件或其它附近物品上的任何附近隔离的影响小化。

本发明的方法可例如在用于驱动机动车辆的一个或多个车轮的电牵引马达的定子的组装和制造期间焊接铜线或条的许多对端部中的每一对。铜线可例如在其表面上具有薄氧化物涂层。在制造牵引马达定子时,从线圈切割的导体线部段成形为U或开口环形,用于放置和组装在叠层含铁金属定子芯板的环状堆叠体的内周边上的槽中。线或条可以例如具有矩形截面且具有宽度若干毫米左右的平坦侧面。环形线,通常在所形成形状的同一侧处具有切割端部,装配到定子盘的环形堆叠体的整个内周边上和周围的衬有绝缘体的槽中。定子导体线的每端焊接到另一个线的端部,以提供例如封闭电路,用于在铁电定子芯中产生三相电磁场,以在牵引马达的操作时驱动轴向位于终定子内的转子构件。本发明可以有利地应用于许多结合情况,包括母线条之间、变压器部件之间、以及电阻焊枪部件之间的接头。虽然许多这种组件通常主要包括几乎纯铜,但是本发明同样适用于所谓的高铜(96% Cu)合金,具有独立地或结合添加的0 4%焊接成分,例如Cd、Cr、Zr、Mg、Fe、P、Be、Co、S、Te和Pb,以获得改进机械属性、可加工性或其它特性。

但是不管使用结合过程的组件如何,具有带有合适平滑紧密配合形状的共延面对面表面的铜工件都被压靠反应性金属材料薄层,例如厚度高达大约250微米且与面对面表面共延(extensive中国化工公司
,范围相同)。如上所述,组件通过任何合适手段加热以熔融要结合的面对面表面之间的反应性材料。与工件表面接触的流体反应性材料用于冶金地清洁和平滑面对面的铜表面。当压力施加到已加热界面时,可流动液化反应材料和反应产物(也包括在反应期间溶解的少部分铜工件)从清洁铜表面之间基本上完全挤出。界面处的压力和热量在铜表面之间产生强的清洁低电阻焊接结合部。

方案1. 一种在铜工件的结合表面和第二铜工件的第二结合表面之间形成固态焊接部的方法;所述方法包括:

制备和第二铜工件的组件,其和第二结合表面处于表面 表面对齐且用反应性铜合金材料夹层分开,铜合金材料的成分被选择以在低于和第二铜工件中任一个的熔点的温度下熔融每个铜工件的表面材料且与每个铜工件的表面材料反应;

加压所述组件,使得和第二结合表面与反应性铜合金材料层接合;

在反应性铜合金材料层由和第二结合表面接合时加热反应性铜合金材料层预定时间,以便反应性铜合金材料与铜工件的结合表面处的材料反应且形成含液体的反应产物;组件上的压力用于从剩余的和第二结合表面之间去除基本上所有这样形成的液体反应产物;以及,之后

将和第二结合表面抵靠彼此保持,直到形成与结合表面共延的固态焊接接头。

方案2. 根据方案1所述的方法,其中,和第二铜工件是电导体,基本上由商业纯铜构成且具有高于1080℃的熔点。

方案3. 根据方案1所述的方法,其中,和第二铜工件由铜合金形成,含有按重量计96%或更高的铜且具有高于大约1000℃的熔点。

方案4. 根据方案1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料具有低于720℃的固相线温度和低于900℃的液相线温度。

方案5. 根据方案1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料具有低于660℃的固相线温度和低于850℃的液相线温度。

方案6. 根据方案1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料是铜基合金,按重量计含有至少85%的铜,其余部分是锑、磷、硅、银和锡中的一种或多种。

方案7. 根据方案1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料基本上包括按重量计7%的磷,其余部分是铜。

方案8. 根据方案1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料基本上包括按重量计7%的磷、7%的锡、小于1%的硅,其余部分是铜。

方案9. 根据方案1所述的方法,其中,所述反应性铜合金材料基本上包括按重量计15%的银、5%的磷,其余部分是铜。

方案10. 根据方案1所述的方法,其中,夹置在和第二铜工件的面对面表面之间的反应性铜合金材料夹层是反应性铜合金材料片材,具有不大于大约250微米的厚度,且一个或多个这样的片材被夹置以覆盖铜工件的面对面的和第二结合表面。

方案11. 根据方案1所述的方法,其中,相对的电阻加热电极构件应用于和第二铜工件,用于抵靠反应性铜合金材料加压和第二结合表面且用于通过使电流流经工件和工件的和第二结合表面处的反应性材料而电阻加热反应性铜合金材料。

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