CN101499601B - 将换向器中碳板与铜基面焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种将换向器中碳板与铜基面焊接的方法，属于换向器加工领域，其特征在于采用粉状或箔状的活性钎料作为焊接钎料，其成分重量比例为Cu：5-20％，P：5-15％，Sn：3-10％，Cr：5-20％，Ti和Si微量，其余为Ni；将碳板基面清理干净，同时将铜基面清洗干净，并晾干备用，用工装夹具由下至上按铜基面一焊接钎料一碳材料的顺序组装定位好，然后放置于真空炉内；最后采用一定的工艺参数进行真空钎焊。采用这种方法发将换向器的碳板与铜基面焊接在一起，其结合强度高，使用寿命长，成本低，焊接质量完全满足碳换向器的制作要求和性能指标。
Description
技术领域
本发明属于换向器的加工方法，尤其涉及的是换向器中碳板与铜基面的焊接方法。
背景技术
目前国内外直流电机的换向器，大都采用无氧铜或银铜合金制造，这种换向器使用寿命较短。采用碳(石墨)来制造直流电机的换向器可以延长使用寿命，遇到最大的难题是如何将碳片与铜可靠连接问题。最早是由德国科学家开始研究，企图用于军事，二次大战德国战败后，德国科学家被美军俘虏，进入美国继续进行研究。已制成碳换向器，但由于成本太高不能推广应用，后来各国有很多专利，都用机械镶嵌式结构解决碳与铜的连接问题，也制成了碳换向器，由于制造工艺复杂成本较高，不能广泛应用。后由于无刷电机问世，无刷电机以长寿命赢得关注。对碳换向器的研究工作，被耽搁了一段时间。汽车采用电喷装置后，燃油泵由于体积限制，不能够采用无刷电机，再由于直流电机以其特有的生产成本低、体积小、功率大，又被得到重视。再则，由于世界各国政府为控制汽车排放污染，同时为节省石油使用其它燃料，执行新的能源政策，在汽油中规定添加乙醇等醇类物质。乙醇中所含的弱酸，对金属换向器造成腐蚀，使普通换向器的使用寿命在2000-3000小时左右，不能满足汽车燃油泵的使用要求，为此开发新型的碳换向器又成为世界各国关心的课题。碳换向器以其化学稳定及其自润滑的的优越特性，使得汽车燃油泵得以长寿命。碳换向器制造的关键技术在于碳片和铜壳的可靠焊接。由于碳是非金属材料，一般钎料很难润湿碳片表面，必需用碳片表面金属化或活性钎料的方法，才能实现与铜两种材料的钎焊，表面金属化的方法用一般钎料钎焊，制造工艺复杂，接头强度低较少采用。近十几年来一些新材料对焊接技术提出了更高的要求，特别是各种新型陶瓷、金刚石、碳复合材料等都要求进行可靠连接，为适应这一要求钎焊技术近年来也得到飞快发展，活性钎料就是适应这一要求发展起来的，这些钎料也可以铜和碳片可靠连接。这给碳换向器低成本制造提供了可能。活性钎料就是在一般钎料中含有Ti、Zr、Al、Cr、P等活化物质，它可以实现陶瓷、金刚石、碳复合材料等自身或与其它材料的可靠连接。常用的活性钎料为Ag-Cu-Ti钎料，这种钎料由于含有较多的银，再加上含钛钎料冶炼困难价格非常贵，很难大量应用。同时由于碳和铜两种材料物化性能差别较大，在钎焊接头容易产生较大的内应力。有时会造成接头破坏，这些都是本研究要解决地问题。本专利使用Cr、P作为活化元素，用高温加热循环减少和消除铜壳与碳片间的内应力，较好地解决了低成本制造碳换向器的难题。碳换向器使用领域相当广阔，除可以涵盖所有的直流电机外，还可以在航空、航天、军工等领域推广应用。目前，美国、德国、日本、墨西哥等国已成功生产了碳换向器，碳换向器已在国际上，被广泛采用在汽车燃油泵生产中，但这项技术一直被国外保密、垄断。根本见不到公开报道。
发明内容
鉴于背景技术存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种低成本的钎料，使得换向器焊接后其使用寿命长碳板与铜基面的焊接方法。
为此，本发明是采用以下技术方案来实现的：一种将换向器中碳板与铜基面焊接的方法，其特征在于：
a、钎料成分：采用粉状或箔状的活性钎料作为焊接钎料，其成分重量比例为Cu：5-20％，P：5-15％，Sn：3-10％，Cr：5-20％，Ti和Si微量，其余为Ni；
b、焊前准备：将碳板基面清理干净，同时将铜基面清洗干净，并晾干备用，用工装夹具由下至上按铜基面-焊接钎料-碳材料的顺序组装定位好，然后放置于真空炉内；
c、焊接：采用钎焊工艺进行真空钎焊，工艺参数为：真空度不低于5×10-3Pa，由室温升温到300℃-500℃，升温时间30-50分钟，保温10-20分钟，继续升温到650℃-850℃，升温时间30-50分钟，再保温10-20分钟，再继续升温到900℃-1000℃，升温时间10-20分钟，又保温15-30分钟，然后稳步降至常温，钎焊时施加一定的压力，范围在0.01-0.1Mpa之间。
所述将铜基面清洗时，采用丙酮清洗。
本发明中，采用这种配方作为碳板与铜基面的焊接钎料，其成本比银-铜-钛为主要成分的钎料降低了20倍左右，而且其焊接后，换向器的使用寿命可达10000小时以上，钎焊的质量完全满足碳换向器的制作要求及性能指标。
具体实施方式
实施例1：这种将换向器中碳板与铜基面焊接的方法，先对钎料进行配比制作，钎料成分采用粉状的活性钎料作为焊接钎料，每份钎料按100克计，其中Cu含10克，P含10克，Sn含5克，Cr含15克，Ti和Si分别为0.003克，其余为Ni；称取上述成分进行混合，即成粉状钎料，然后作焊前准备，也即是将碳板基面采用丙酮清洗清理干净，同时将铜基面清洗干净，并晾干备用，用工装夹具由下至上按铜基面-焊接钎料-碳材料的顺序组装定位好，然后放置于真空炉内；接下来就是焊接工艺，焊接时采用钎焊工艺进行真空钎焊，工艺参数为：真空度为4×10-3Pa，由室温升温到400℃，升温时间45分钟，保温15分钟，继续升温到700℃，升温时间40分钟，再保温15分钟，再继续升温到950℃，升温时间15分钟，又保温20分钟，然后稳步降至常温，钎焊时施加一定的压力，压力为范围在0.05Mpa。
按照上述工艺对碳板和铜基面进行焊接后，制成的换向器经过测试，其焊接强度为5Mpa，连接电阻为2.1毫欧，绝缘电阻为110.6MΩ，耐高温和低温性能均超过9小时，其成本下降了21倍，使用寿命达到10500小时。完全满足碳换向器的制作要求及性能指标。
实施例2：本实施例同样是先对钎料进行配比制作，钎料成分采用粉状的活性钎料作为焊接钎料，每份钎料也按100克计，其中Cu含5克，P含10克，Sn含7克，Cr含13克，Ti和Si分别为0.002克，其余为Ni；称取上述成分进行混合，即成粉状钎料，将粉状钎料进行压注，就可成为箔状钎料，本实施例采用的是箔状钎料，然后作焊前准备，也即是将碳板基面采用丙酮清洗清理干净，同时将铜基面清洗干净，并晾干备用，用工装夹具由下至上按铜基面-焊接钎料-碳材料的顺序组装定位好，然后放置于真空炉内；接下来就是焊接工艺，焊接时采用钎焊工艺进行真空钎焊，工艺参数为：真空度为5×10-3Pa，由室温升温到500℃，升温时间50分钟，保温18分钟，继续升温到800℃，升温时间45分钟，再保温18分钟，再继续升温到1000℃，升温时间18分钟，又保温25分钟，然后稳步降至常温，钎焊时施加一定的压力，压力为范围在0.08Mpa。
按照上述工艺对碳板和铜基面进行焊接后，制成的换向器经过测试，其焊接强度为6.2Mpa，连接电阻为1.6毫欧，绝缘电阻为115.4MΩ，耐高温和低温性能均超过10小时，其成本下降了23倍，使用寿命达到10100小时。也完全满足碳换向器的制作要求及性能指标。
综上所述，可见，本发明的方法对于焊接碳板和铜基面来说，具有很好的效果，并极大地降低了成本，提高了换向器的使用寿命，必将给制作换向器行业带来积极的效果。
Claims (2)
1.一种将换向器中碳板与铜基面焊接的方法，其特征在于：a、钎料成分：采用粉状或箔状的活性钎料作为焊接钎料，其成分重量比例为Cu：5-20％，P：5-15％，Sn：3-10％，Cr：5-20％，Ti和Si微量，其余为Ni；
b、焊前准备：将碳板基面清理干净，同时将铜基面清洗干净，并晾干备用，用工装夹具由下至上按铜基面-焊接钎料-碳材料的顺序组装定位好，然后放置于真空炉内；
c、焊接：采用钎焊工艺进行真空钎焊，工艺参数为：真空度不低于5x10-3Pa，由室温升温到300℃-500℃，升温时间30-50分钟，保温10-20分钟，继续升温到650℃-850℃，升温时间30-50分钟，再保温10-20分钟，再继续升温到900℃-1000℃，升温时间10-20分钟，又保温15-30分钟，然后稳步降至常温，钎焊时施加一定的压力，范围在0.01-0.1Mpa之间。
2.根据权利要求1所述的将换向器中碳板与铜基面的焊接方法，其特征在于所述将铜基面清洗时，采用丙酮清洗。
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