CN100502167C - 碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法 - Google Patents

Abstract

碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，它涉及碳平板换向器的成型方法。本发明解决了现有工艺复杂、磨损严重、复合结构成本偏高、电阻率不稳定或添加固定装置的弊端。它的步骤如下：一、钎料中Ti：35%，Zr：12%，Ni：15%，Cu：余量，将钎料加工成所需形态；二、对碳板和铜换向叶片待焊部位表面清理；三、将钎料添加到碳板和铜换向叶片之间并装夹于对心装置中，施加0.0001～1MPa的轴向压力，置于真空加热设备中实施钎焊，焊接成型后，冷却，取出；四、进行后续的铣槽、绕线、点焊、组装后即为成品。本发明采用活性钎料进行直接一步钎焊成型，不需对碳板进行表面金属化处理，本发明的工艺简单，操作方便，生产效率高，质量稳定。

Description

碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法

技术领域

本发明涉及一种碳平板换向器的成型方法。

背景技术

随着科技的进步，目前，无论是从经济性还是从实用性的角度来说，单一材料已经很难满足现代生产技术对材料综合性能的需求，因此，国内外材料科学工作者正致力于研究和开发新材料及异种材料的连接技术。换向器广泛应用于汽车、家用电器等直流电动机上，是电动机中制造工艺最复杂，加工难度最大的结构件，可以说，目前每年换向器的需求是以亿计的，加之由于电刷与换向器接触产生的磨损，几乎使用一年换向器就需要更换一次。所以，从经济角度去看，新型换向器的生产工艺的研究是必须和急迫的。如果采用单一的铜及其合金制造其换向叶片，会带来润滑不足，磨损、腐蚀严重等问题，使换向器性能下降，寿命降低，所以可以采用石墨与铜的复合结构解决上述问题。

国外先进的汽车燃油泵电机采用了碳换向器，我国的碳换向器生产设计还处于空白，目前还没有企业正式生产这种换向器。从目前现有涉及平板换向器的专利的情况看，多采用单一结构材料或者采用复合材料的方式，依然存在工艺复杂、磨损严重、综合性能强烈依赖于石墨或者铜及其合金性能的提高等方面的制约，如果采用材料复合结构，成本偏高。由于具有良好的导电性，铜和石墨都是电器产品常用的材料，换向器原为含少量银的铜，因其频繁与碳刷接触，磨损严重，使用寿命很短，为改善其工作状态，延长使用寿命，可以采用石墨与铜连接的复合结构形式，这必然要涉及到异种材料的连接问题。由于石墨与铜物理性能的差异，用一般的方法很难实现二者之间的可靠连接，所以从现有的专利及文献情况看，几乎没有采用钎焊方法来实现这种新型换向器的连接的。如中国专利号为ZL03239176.5，授权公告号为CN2607682，授权公告日为2004.03.24的平面碳换向器的公开文献采用了胶结结构将碳块和银铜合金镀层连接成型，但是胶结存在涂层不均匀，使得电阻率不稳定等缺点；中国专利号ZL03239176.5的平面碳换向器和ZL99806948.5，公开号为CN1304576，公开日为2001.07.18的碳换向器的公开文献都涉及到碳换向器，但结构单一，需要辅助结构来减少电阻或者添加固定装置。

发明内容

本发明为了解决现有碳平板换向器制造中存在的工艺复杂、磨损严重、综合性能强烈依赖于石墨或者铜及其合金性能的提高等方面的因素缺点，以及采用复合结构，成本偏高，电阻率不稳定，需要辅助结构来减少电阻或者添加固定装置的弊端，而提出一种碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法。

本发明步骤如下：

步骤一：采用成分为Ti、Zr、Ni、Cu四种元素的钎料，钎料中的四种元素的质量百分比为：Ti：35％，Zr：12％，Ni：15％，Cu：余量，将钎料加工成所需形态；

步骤二：对碳板和铜换向叶片待焊部位表面进行清理；

步骤三：将钎料添加到碳板和铜换向叶片之间并装夹于对心装置中，施加0.0001～1MPa的轴向压力，置于真空加热设备中实施钎焊，焊接成型后，冷却，取出；

步骤四：进行后续的铣槽、绕线、点焊、组装后即可为成品。

本发明采用活性钎料进行直接一步钎焊成型，不需对碳板进行表面金属化处理，可以避免金属化技术带来的质量难于控制、技术复杂、成本升高等问题。目前对于碳换向器来说还没有采用钎焊技术进行连接的方法，本发明的工艺简单，操作方便，生产效率高，质量稳定，也易于进行技术改革。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的步骤如下：

步骤一：采用成分为Ti、Zr、Ni、Cu四种元素的钎料，钎料中的四种元素的质量百分比为：Ti：25～50％，Zr：12～35％，Ni：10～15％，Cu：余量，将钎料加工成所需形态；

步骤二：对碳板和铜换向叶片待焊部位表面进行清理；

步骤三：将钎料添加到碳板和铜换向叶片之间并装夹于对心装置中，施加0.0001～1MPa的轴向压力，置于真空加热设备中实施钎焊，焊接成型后，冷却，取出；

步骤四：进行后续的铣槽、绕线、点焊、组装后即为成品。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤一中的钎料形态为非晶态或晶态的钎料箔或粉末钎料，其它步骤与具体实施方式一相同。非晶态的钎焊箔是采用快速凝固技术制成。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点在于步骤一中的钎料按配比制成非晶态或晶态的钎料箔，钎料箔的厚度为10～50μm，钎料箔冲剪成与焊接接头相同的形状，钎料箔的内孔径与铜换向叶片和碳板的内孔径相同，钎料箔的外径比铜换向叶片或者碳板中的最大外径大0～2mm。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点在于钎料箔的厚度为15～40μm，钎料箔的外径比铜换向叶片或者碳板中的最大外径大0.5～1.5mm。其它步骤与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点在于钎料箔的厚度为20μm，钎料箔的外径比铜换向叶片或者碳板中的最大外径大1mm。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五的不同点在于步骤三中钎料箔清洗后直接置于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间；其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二不同点在于步骤一中的钎料制成粉末的形态，钎料是按配比配制后，装入球磨机中，在氩气保护下或者空气中球磨2～24小时，制成粉末形态的钎料。其它步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同点在于在氩气保护下或者空气中球磨5～20小时。其它步骤与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同点在于在氩气保护下或者空气中球磨15小时。其它步骤与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同点在于步骤三中的粉末形态的钎料，经黏结剂混合成膏体后涂抹于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间或粉末压坯成形置于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间部位，钎料厚度都不大于2mm。其它步骤与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤三中采用真空加热设备以30℃/min的速率将焊件加热到钎料熔点温度保温2～10min，然后以20℃/min的速率升温到高于钎料熔点20～100℃的温度保温1～20min，然后停止加热，待钎料凝固后撤去压力。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一的不同点在于真空加热设备以30℃/min的速率将焊件加热到钎料熔点温度保温4～8min，然后以20℃/min的速率升温到高于钎料熔点40～80℃的温度保温3～18min。其它步骤与具体实施方式十一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十二的不同点在于真空加热设备以30℃/min的速率将焊件加热到钎料熔点温度保温5min，然后以20℃/min的速率升温到高于钎料熔点50℃的温度保温15min。其它步骤与具体实施方式十二相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式十三不同点在于步骤三进行粉末形态的钎料钎焊时，加热至黏结剂挥发温度时，增加一段保温时间，保温时间为10～20min，促进上述反应的发生充分。其它步骤与具体实施方式十三相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同点在于钎料的质量百分比为：Ti：30～40％，Zr：12～30％，Ni：12～15％，Cu：余量，其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式十五不同点在于钎料的质量百分比为：Ti：32～38％，Zr：12～20％，Ni：14～15％，Cu：余量。其它步骤与具体实施方式十五相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式十六不同点在于Ti：35％，Zr：12％，Ni：15％，Cu：余量。其它步骤与具体实施方式十六相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于步骤四中在轴向方向上施加0.05～0.8MPa的压力。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式十八的不同点在于步骤四中在轴向方向上施加0.1～0.6MPa的压力。其它与具体实施方式十八相同。

具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十九的不同点在于步骤四中在轴向方向上施加0.2MPa的压力。其它与具体实施方式十九相同。

本发明由于铜经焊接热循环后硬度会显著下降，所以必须选用钎焊温度在实现焊接的条件下尽量低的熔点的钎料，与目前研究的一些钎料相比，本发明选用的钎料Zr的含量可以降低，而增加Ni及Cu元素的含量。其中Zr元素是为了提高钎料的非晶形成能力，如果采用粉末或者压坯的形式，Zr元素含量可以进一步降低，而且能够降低接头的电阻率。该方法适合生产的换向器的尺寸范围为：换向器外径为3～360mm。

Claims (9)

1、碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于它的步骤如下：

步骤一：采用成分为Ti、Zr、Ni、Cu四种元素的钎料，钎料中的四种元素的质量百分比为：Ti：35％，Zr：12％，Ni：15％，Cu：余量，将钎料加工成所需形态；

步骤二：对碳板和铜换向叶片待焊部位表面进行清理；

步骤三：将钎料添加到碳板和铜换向叶片之间并装夹于对心装置中，施加0.0001～1MPa的轴向压力，置于真空加热设备中实施钎焊，焊接成型后，冷却，取出；

步骤四：进行后续的铣槽、绕线、点焊、组装后即为成品。

2、根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于步骤一中的钎料形态为非晶态或晶态的钎料箔或粉末钎料。

3、根据权利要求2所述的碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于步骤一中的钎料按配比制成非晶态或晶态的钎料箔，钎料箔的厚度为10～50μm，钎料箔冲剪成与焊接接头相同的形状，钎料箔的内孔径与铜换向叶片和碳板的内孔径相同，钎料箔的外径比铜换向叶片或者碳板中的最大外径大0～2mm。

4、根据权利要求3所述的碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于步骤三中钎料箔清洗后直接置于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间。

5、根据权利要求2所述的碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于步骤一中的钎料制成粉末的形态，钎料是按配比配制后，装入球磨机中，在氩气保护下或者空气中球磨2～24小时，制成粉末形态的钎料。

6、根据权利要求5所述的碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于步骤三中的粉末形态的钎料，经黏结剂混合成膏体后涂抹于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间或粉末压坯成形置于铜换向叶片和碳板的待焊表面之间部位，钎料厚度都不大于2mm。

7、根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于步骤三中采用真空加热设备以30℃/min的速率将焊件加热到钎料熔点温度保温2～10min，然后以20℃/min的速率升温到高于钎料熔点温度20～100℃的温度保温1～20min，然后停止加热，待钎料凝固后撤去压力。

8、根据权利要求7所述的碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于步骤三进行粉末形态的钎料钎焊时，加热至黏结剂挥发温度时，增加一段保温时间，保温时间为10～20min。

9、根据权利要求1所述的碳铜复合结构换向器钎焊一次成型方法，其特征在于步骤三中在轴向方向上施加0.2MPa的压力。