CN101867098A - 铝导体端子装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种铝导体端子装置及其制造方法。所述铝导体端子装置包括由铝或者铝合金构成的第一金属材料制成的铝导体,由不同于第一金属材料的第二金属材料所制成的端子构件,和通过熔化铝导体的前端部分的一部分和端子构件的一部分来产生熔融金属并且冷却熔融金属以使所述熔融金属凝固而形成的金属焊件。端子构件成形为围绕铝导体的前端部分并且具有侧壁以限定在其内侧用于积累熔融金属的容纳池。
Description
技术领域
本发明涉及铝导体端子装置,其包括由铝或铝合金制成的铝导体和由不同于铝导体的金属制成且与铝导体结合的端子装置。
背景技术
例如,在日本专利申请特许公开2005-108445(专利文件1)和日本专利申请特许公开2005-108608(专利文件2)中描述了这样的铝导体端子装置。这些文件描述了铝导体结合铜压接端子的结构。上述常规的铝导体端子装置有利地用于例如,如日本专利特许公开2007-181396(专利文件3)中所描述的车辆交流发电机或者汽车旋转电机中的电源线连接。
由于不同的金属接点如铝和铜的接点或者铝和不锈钢的接点相对较脆,所以向不同金属的接点添加金属添加剂来改善接点强度是已知的。将不同的金属结合在一起的技术描述于例如日本专利申请特许公开2003-33865(专利文件4)、2003-211270(专利文件5)、2004-90093(专利文件6)、2004-223548(专利文件7)、2005-59091(专利文件8)和2007-275981(专利文件9)中。
分别在专利文件1和2中描述的铝导体端子装置可以抑制不同金属之间的接触腐蚀。然而,在这些铝导体端子装置中,由于铝导体和端子构件是通过使用电阻焊接机或者超声波焊接机而相互连接的,所以铝导体的熔融量相对小,因此,铝导体和端子构件的材料之间的熔合不充分。这使得铝导体和端子构件之间的接点难以具有足够高的机械强度。此外,这使接点难以具有足够低的电阻。另外,上述铝导体端子装置难以在长时期内将接头的强度和电阻维持它们的初始值。
发明内容
本发明提供一种铝导体端子装置,其包括:
由铝或者铝合金构成的第一金属材料所制成的铝导体;
由不同于第一金属材料的第二金属材料所制成的端子构件;和
通过熔化铝导体的前端部分的一部分和端子构件的一部分来产生熔融金属,并且冷却熔融金属以使熔融金属凝固而形成的金属焊件;
其中端子构件被成形为围绕铝导体的前端部分并且具有侧壁来限定在其内部的容纳池以积累熔融金属。
本发明还提供一种制造铝导体端子装置的方法,该方法包括:
准备步骤,制造由铝或者铝合金构成的第一金属材料所制成的铝导体和由不同于第一金属材料的第二金属材料所制成的端子构件;
组装步骤,布置端子构件使得端子构件围绕铝导体的前端部分来形成环绕前端部分的容纳池,端子构件的内壁作为容纳池的侧壁围绕所述容纳池;和
焊接步骤,通过熔化铝导体的前端部分的一部分和端子构件的一部分产生积累在容纳池中的熔融金属并且冷却熔融金属以使熔融金属在容纳池中凝固而形成金属焊件。
根据本发明,提供一种包括相互焊接的铝导体和端子构件的铝导体端子装置,端子构件的金属材料与铝导体的金属材料不同,焊接部分在长时期内保持足够高的机械强度和足够低的电阻。
从以下的包括附图和权利要求的说明中,本发明的其他优点和特征将变得显而易见。
附图说明
在附图中:
图1是根据本发明第一实施方案的铝导体端子装置的透视图;
图2是根据第一实施方案的铝导体端子装置的分解透视图;
图3是焊接前铝导体端子装置的透视图;
图4是从后侧观察时第一实施方案的铝导体端子装置的透视图;
图5是用于组装第一实施方案的铝导体端子装置的焊接设备的透视图;
图6是显示通过焊接设备进行的焊接步骤的图;
图7是第一实施方案的铝导体端子装置的部分剖视图;
图8是根据本发明第二实施方案的铝导体端子装置的透视图;
图9是根据本发明第三实施方案的铝导体端子装置的透视图;
图10是根据本发明第四实施方案的铝导体端子装置的透视图;
图11是根据本发明第五实施方案的铝导体端子装置的分解透视图;
图12是根据本发明第六实施方案的铝导体端子装置的部分剖视图;
图13是根据本发明第七实施方案的铝导体端子装置的部分剖视图;
图14是根据本发明第八实施方案的铝导体端子装置的透视图;
图15是显示组装第八实施方案的铝导体端子装置的焊接步骤的图。
具体实施方式
第一实施方案
图1是根据本发明第一实施方案的铝导体端子装置1的透视图。
端子装置1是接触连接型端子,用于诸如旋转电机等电气设备的电源线的连接。例如,端子装置1可以用来提供车载旋转电机的定子线圈中的电气连接。在这种情形中,端子装置1用于连接定子线圈的多个相绕组。利用端子装置1将多个相绕组相互焊接连接。
此外,端子装置1可以用来将多个相绕组连接到电路。为此,端子装置1包括电极部,电路与电极部接触连接来提供相绕组和电路之间的电气连接。在该实施方案中,端子装置1包括铝导体2、端子构件3以及将铝导体2和端子构件3电连接的金属焊件4。
铝导体2由四根平行的铝或铝合金制成的铝丝构成,作为电动机的定子线圈的相绕组的电线。因此,铝导体2具有基本上矩形的横截面。各根铝线具有基本上方形的横截面,并且涂有绝缘膜。
端子构件3由不同于铝导体2的金属材料制成。在该实施方案中,端子构件3由铜和铜合金制成,其提供良好的电接触连接。端子构件3是通过将板构件切割成预定的形状并且使经切割的板构件弯曲而形成的。端子构件3包括具有椭圆形横截面的管状部3a,以将铝导体2容纳于其中。
铝导体2容纳在管状部3a中,使得其前端在管状部3a的一端3b处(图1中为上端,下文中称为第一端3b)。将铝导体2弯折成L形,使它可以从管状部3a的另一端3c伸出。铝导体2和管状部3a的上述布置使得可以通过下述焊接步骤来固定管状部3a。
管状部3a的第一端3b具有在焊接步骤之后已凝固的金属焊件4。金属焊件4是含有至少部分的铝导体2和端子构件3的合金。金属焊件4可以含有金属添加剂来调节其机械和电学特性。金属焊件4成形为圆拱形以便覆盖管状部3a的整个第一端3b。金属焊件4在管状部3a和容纳在管状部3a中的铝导体2之间形成机械和电气连接。
在管状部3a的第二端3c中提供电极部3d。电极部3d提供电接触连接。电极部3d包括板状部分和紧固螺栓从中穿过的螺栓接收部分。电极部3d从另一端3c的边缘之一延伸形成平坦的开口。电极部3d在管状部3a的轴向上笔直延伸。在管状部3a的第一端3b和第二端3c分别提供金属焊件4和电极部3d,使得可以将它们布置在相距一定距离处。因此,在焊接步骤期间可以使电极部3d避免遭受热和碎片。
管状部3a在其平坦表面之一处形成有固定部分3e,管状部3a的椭圆形横截面在此处变形。铝导体2在固定部分3e处折向管状部3a,由此将铝导体2和管状部3a相互机械地固定。
将管状部3a布置为在其第一端3b围绕铝导体2的外周。因此,管状部3a充当容纳池(holding pool)以将金属焊件4容纳于其中。即,管状部3a构成容纳池的侧壁。熔融状态的金属焊件4积累在提供于管状部3a的第一端3b处的椭圆形容纳池中。其后,在容纳池中积累至期望量的金属焊件4在容纳池中凝固。结果,获得了图中所示形状的金属焊件4。
接下来,参考图2到图6来解释制造具有上述结构的铝导体端子装置的方法。图2是铝导体端子装置在焊接之前的分解透视图。图3是铝导体端子装置在焊接之前的透视图。图4是铝导体端子装置从后侧观察时的透视图。图5是用来形成铝导体端子装置的焊接设备的透视图。图6是示出通过使用焊接设备进行的焊接步骤的图。
图2示出焊接之前的铝导体端子装置,即,初步组合件1a的分解透视图。首先,在准备步骤中按如下制造必要的元件。铝导体2的制造方法包括:将多根由铝或铝合金制成的电线束在一起,把它们弯成适合于插到管状部3a中的形状,例如L形。端子构件3是通过切割板构件并将它弯成具有管状部3a和电极部3d的形状而形成的。管状部3a具有通过弯曲板构件形成的接缝3f。将添加金属片5形成为可以从管状部3a的第一端3b插入管状部3a和铝导体2之间的空隙的形状。在该实施方案中,添加金属片5形成为矩形板状。添加金属片5是由弥补金属焊件4的脆性以提高焊接部分的强度并且改善焊接部分的电气特性的材料如银和/或硅形成的。在该实施方案中,添加金属片5是由硅铝合金(A4043)制成的。
在组装步骤中,将铝导体2的前端从管状部3a的第二端3c插入管状部3a的内部中。将添加金属片5插入铝导体2和管状部3a之间的空隙中。
待进行组装步骤的初步组合件1a的形状示于图3中。在组装步骤中,安置铝导体2使得其前端从管状部3a的第一端3b突出预定的突出长度。确定铝导体2的突出长度,使得当铝导体2的前端在下述焊接步骤中熔化时获得足以填充容纳池的熔融量。将添加金属片5与铝导体2的前端并排安置以使它与铝导体2一起熔化。
组装步骤可以包括型锻步骤用以通过使管状部3a变形而使铝导体2和管状部3a临时相互机械固定。在型锻步骤中,将型锻模6压靠在管状部3a的一个平坦表面上。结果,在管状部3a中形成固定部分3e。固定部分3e是在铝导体2的整个宽度上延伸的伸长的凹槽。将管状部3a的内壁在固定部分3e的位置处挤压和压靠在铝导体2上。
固定部分3e位于离管状部3a的第一端3b的预定距离处,使得在管状部3a的内部形成从第一端3b到固定部分3e的较大间隙。至少间隙的上部提供容纳池以在其中容纳熔融态的金属焊件4。因此,固定部分3e也有助于限定容纳池的下端。
图4中示出了完整状态的初步组合件1a。在该状态中,铝导体2和添加金属片5布置为从管状部3a的第一端3b突出,从而在焊接步骤中促进铝导体2和添加金属片5之间的熔接。管状部3a的第一端3b足够宽以提供容纳池。管状部3a围绕铝导体2来提供容纳池。
图5中示出了用于焊接步骤中的焊接设备7。焊接设备7包括焊接机7a、夹具7b、喷枪7c和移动装置7d。在该实施方案中,焊接设备7是TIG(钨惰性气体)焊接设备。然而,多种类型的焊接设备可以用作焊接设备7。焊接机7a包括电力电源和气体供应源。
夹具7b包括用于夹持初步组合件1a的支架、在焊接步骤期间用于冷却初步组合件1a的冷却固定装置和接地电极。夹具7b可包括分别在管状部3a的厚度方向上可移动的两部分。当管状部3a在管状部3a的厚度方向上被夹具夹住时夹具7b接触管状部3a的外表面。夹具7b夹持初步组合件1a以使管状部3a的第一端3b的一部分从夹具7b中突出。夹具7b在从管状部3a的第一端3b稍微往下到第二端3c的附近区域接触管状部3a的外表面。
在管状部3a在第一端3b附近的一部分从夹具7b突出并且夹具7b接触管状部3a的其他部分的上述布置中,夹具7b从第一端3b稍微靠下的部分吸收的热量比从其他部分吸收的热量多。结果,在焊接步骤期间产生的熔融金属在第一端3b的附近保持其高温,然而,在第一端3b稍微靠下处被大幅冷却。该布置防止仅有熔点远低于端子构件3的铝导体2在焊接步骤中熔化。此外,该布置使得熔融金属可以在第一端3b的附近处保持其高温。
设定夹具7b在管状部3a的第一端3b和第二端3c之间延伸。夹具7b在焊接步骤期间充当屏障来保护电极部3d免受在焊接步骤期间出现的热量和碎片。
喷枪7c可以通过移动装置7d在铝导体2的电线排列的方向上移动。喷枪7c设置为指向铝导体2的前端。移动装置7d移动喷枪7c。
在焊接步骤中,首先将初步组合件1a固定到夹具7b。固定管状部3a的第一端3b以相对于重力向上指。接着,将喷枪7c置于铝导体2上。其后,从焊接机7a供应焊接气体以及接着供应焊接电流来进行TIG焊接。因此,金属焊件4形成为第一端3b相对于重力向上指的状态。
喷枪7c产生主要朝向铝导体2的电弧放电。当喷枪7c移动时,电弧放电在整个铝导体2上移动。由于电弧放电产生的热量,铝导体2和添加金属片5熔化。
熔融金属在第一端3b上保持液滴的状态。随着铝导体2的熔化,熔融金属覆盖第一端3b,并且积累在管状部3a的内部。熔融金属在第一端3b中与端子构件3直接接触。与铝导体2的熔点相比,端子构件3的材料的熔点足够高。然而,端子构件3至少通过腐蚀溶解而熔化。端子构件3的腐蚀溶解是从铝导体2和添加金属片5相互接触的部分进行的。此外,端子构件3的一部分通过电弧放电而熔化。因此,熔融金属含有铝导体2、添加金属片5和端子构件3的材料。
防止熔融金属往下流到管状部3a的内部超过固定部分3e的位置,这是因为间隙是在该处受到挤压。而且,夹具7的冷却效果防止熔融金属往下流到管状部3a的内部。因此,熔融金属仅仅积累在第一端3b附近。
当电弧放电变弱时,熔融金属凝固形成金属焊件4。金属焊件4以液滴的状态积累在由管状部3a所提供的侧壁所围绕的容纳池中。金属焊件4在其一部分处连续邻接铝导体2。金属焊件4在其另一部分连续邻接管状部3a。
图6示出表示在焊接步骤中焊接电流随时间变化的图和表。如图6所示,在电弧放电的初始段Tin期间,焊接电流保持初始电流值Iin。在随后的上坡段Tup期间,焊接电流逐渐从初始值Iin升至基本电流值Ibs。在基本段Tbs期间,焊接电流保持基本电流值Ibs。在该基本段Tbs期间,熔融金属的量增加,并形成金属合金。在基本段Tbs之后的下坡段Tdw期间,焊接电流从基本电流值Ibs逐渐下降到焊口流动电流值Icr。在焊口流动段Tcr期间,焊接电流保持在焊口流动电流值Icr。
确定焊接电流值和焊接电流供给时间的长度以使熔融金属在容纳池中积累预定的时间段。将该预定时间段设定为用于铝导体2、添加金属片5和端子构件3熔化并彼此混合充分长的值。而且,将上述焊接电流和预定时间段设定为使端子构件3通过与铝导体2的熔融金属接触而被腐蚀和溶解的值。因此,上坡段Tup、基本段Tbs和下坡段Tdw的总时间长度大于数秒钟。在该实施方案中,基本段Tbs的长度设定为数秒。焊接电流设定为使熔融金属以液滴状态积累而不被电弧放电溅射。
图7是该实施方案的铝导体端子装置的部分剖视图。初步组合件1a在焊接之前的形状1示于图7的右半部分。已焊接后的初步组合件的形状示于图7的左半部分。
在焊接步骤中,铝导体2和添加金属片5深度熔化。另一方面,管状部3a仅仅浅度熔化。铝导体2和添加金属片5熔化深入到管状部3a的内部。管状部3a防止熔融金属外溢。
管状部3a的内部构成容纳池的一部分,熔融金属积累在容纳池中。因此,腐蚀溶解也是在管状部3a的内表面上进行的。熔融金属在从管状部3a的端面(第一端3b)到内表面的大面积上接触管状部3a。
金属焊件4填充容纳池。此外,由于表面张力金属焊件4以圆拱形从管状部3a的第一端3b隆起。结果,金属焊件4和管状部3a在包括管状部3a的内表面的大面积上相互连接。金属焊件4同样连接铝导体2的端面。
金属焊件4主要是由铝导体2的熔融部分构成的。金属焊件4还含有添加金属片5和端子构件3的材料。添加金属片5的材料与端子构件3的材料一起扩散进入金属焊件4。添加金属片5的材料向金属焊件4的扩散弥补了金属焊件4的脆性。另外,金属焊件4和铝导体2之间的接头部分以及金属焊件4和管状部3a之间的接头部分可以处于良好的连接状态。在金属焊件4和管状部3a之间的接头部分中,形成扩散层3g,其结果是它们彼此连接,具有高机械强度和低电阻。第二实施方案
接下来,说明本发明的第二实施方案。在下述实施方案中,与前面图中所示的那些相同的部分给出相同的附图标记并且不再进行说明,除非对于理解实施方案是必要的。图8是第二实施方案的铝导体端子装置的透视图。如图8所示,第二实施方案的铝导体端子装置1包括具有电极部23d的端子构件23。电极部23d相对于管状部3a的轴向弯曲90度。电极部23d在与铝导体2所延伸的方向的相反方向上延伸。电极部23d的平坦部分垂直于管状部3a的轴扩展。
第三实施方案
接下,说明本发明的第三实施方案。图9是第三实施方案的铝导体端子装置的透视图。如图9所示,第三实施方案的铝导体端子装置1包括具有电极部33d的端子构件33。电极部33d相对于管状部3a的轴向弯曲90度,并且扭转90度。电极部33d在与铝导体2所延伸的方向的相反方向上延伸。电极部33d的平坦部分垂直于管状部3a的轴而扩展。
第四实施方案
接下来,说明本发明的第四实施方案。图10是第四实施方案的铝导体端子装置的透视图。
如图10所示,第四实施方案的铝导体端子装置1包括端子构件43。端子构件43包括用于容纳铝导体42的管状部43a。铝导体42是由束在一起的四根电线构成的。构成被容纳于管状部43a中的铝导体42的电线部分束成图10中的虚线所示的方形。管状部43a基本上为圆筒形以容纳束成方形的电线。管状部43a在其一端形成有金属焊件44。使电极部43d相对于管状部43a的轴向弯曲90度。电极部43d在与铝导体42所延伸的方向的相反方向上延伸。电极部43d的平坦部分垂直于管状部43a的轴而扩展。管状部43a形成为具有固定部分43e。固定部分43e用于将铝导体42固定在管状部43a的内部。管状部43a可以具有方筒形。
第五实施方案
接下来,说明本发明的第五实施方案。图11是第五实施方案的铝导体端子装置的分解透视图,其使用添加金属片55来代替上述实施方案中所使用的添加金属片5。添加金属片55为U-形板构件,具有彼此连接的两个板构件,分别位于管状部3a的相对内壁上。使用具有这样的形状的添加金属片56有助于初步组合件1a的组装工作。此外,由于在焊接步骤期间电弧放电通过添加金属片55的部分,因此添加金属片55的材料易于扩散进熔融金属中。
第六实施方案
接下来,说明本发明的第六实施方案。图12是第六实施方案的铝导体端子装置的部分剖视图。第六实施方案的铝导体端子装置1包括在其端子构件63中所形成的添加金属层65,而不使用添加金属片5。添加金属层65至少提供在端子构件63的管状部63a中。添加金属层65的材料在焊接步骤期间熔化并且混入金属焊件4中。此外,在该实施方案中,由于金属焊件4含有铝导体2、端子构件63和添加金属层65的材料,可以弥补金属焊件4的脆性。此外,在该实施方案中,在管状部63a的一端63b形成扩散区63g。
第七实施方案
接下来,说明本发明的第七实施方案。图13是第七实施方案的铝导体端子装置的部分剖视图。第七实施方案的铝导体端子装置1包括具有管状部73a的端子构件73,所述管状部73a具有保护层76。保护层76可以是镀锡层。在该实施方案中,保护层76熔化并流动以覆盖金属焊件4的表面。结果,金属焊件4的表面至少在金属焊件4的外周边缘处形成有由保护层76的材料所构成的镀锡层76a。根据该实施方案,金属焊件4的表面受保护层76a保护。
第八实施方案
接下来,说明本发明的第八实施方案。图14是第八实施方案的铝导体端子装置的透视图。图15是示出用于制造第八实施方案的铝导体端子装置1的焊接步骤的图。
该实施方案的铝导体端子装置1包括由不锈钢(SUS304)制成的端子构件83。金属焊件84含有端子构件83的材料(不锈钢)和铝导体2的材料。金属焊件84还含有添加金属片的材料。添加金属片的材料可以是银和/或硅。在该实施方案中,使用硅铝合金(A4043)。
图15中所示的随时间变化的焊接电流是由焊接机7a提供的。同样在该实施方案中,熔融金属在容纳池中至少积累数秒钟,所述容纳池是由铝导体端子装置1的管状部83a提供的。因此,由熔点高于铝导体2的材料熔点的材料制成的端子构件83熔化,同时被腐蚀溶解。结果,形成连接铝导体2和端子构件83的金属焊件4。金属焊件4提供与铝导体2和管状部83a的良好连接状态。
顺便提及,在上述实施方案中可以使用由不锈钢制成的端子构件83。可以用钢或合金钢代替不锈钢来制成端子构件83。
当然,可以对上述实施方案进行下述的各种变化方案。
例如,在焊接步骤期间可以作为填料金属加入添加金属。添加金属可以由改善合金的抗冲击性和合金的电学特性中至少之一的任意金属制成,所述合金主要含有铝导体和端子构件的材料。焊接设备7的焊接机不限于TIG焊接机。例如,它可以是MIG焊接机。
以上所说明的优选实施方案是本申请发明的示例,本申请发明仅仅由下面所附的权利要求进行描述。应当理解,如本领域技术人员将想到的那样,可以进行优选实施方案的变更。
Claims (14)
1.一种铝导体端子装置,其包括:
由铝或者铝合金所构成的第一金属材料制成的铝导体;
由不同于所述第一金属材料的第二金属材料制成的端子构件;和
金属焊件,其通过熔化所述铝导体的前端部分的一部分和所述端子构件的一部分产生熔融金属和冷却所述熔融金属以使所述熔融金属凝固而形成;
其中所述端子构件成形为围绕所述铝导体的前端部分并且具有在其内侧限定积累所述熔融金属的容纳池的侧壁。
2.根据权利要求1所述的铝导体端子装置,其中所述端子构件包括提供侧壁并且在其一端设置有所述金属焊件的管状部和从所述管状部的另一端延伸的电极部。
3.根据权利要求2所述的铝导体端子装置,其中所述金属焊件连接到所述管状部的内表面和所述铝导体的前端部分。
4.根据权利要求2所述的铝导体端子装置,其中所述金属焊件除了所述第一和第二金属材料之外还含有添加金属。
5.根据权利要求1所述的铝导体端子装置,其中所述第二金属材料的熔点高于所述第一金属材料的熔点。
6.根据权利要求5所述的铝导体端子装置,其中所述第二金属材料由铜、铜合金、钢和钢合金中的一种构成。
7.一种制造铝导体端子装置的方法,其包括:
准备步骤,制备由铝或者铝合金所构成的第一金属材料所制成的铝导体和由不同于所述第一金属材料的第二金属材料制成的端子构件;
组装步骤,将所述端子构件设置为使所述端子构件围绕所述铝导体的前端部分以在所述前端部分周围形成容纳池,所述端子构件的内壁作为所述容纳池的侧壁围绕所述容纳池;和
焊接步骤,通过熔化所述铝导体的前端部分的一部分和所述端子构件的一部分产生积累在所述容纳池中的熔融金属并且冷却所述熔融金属以使所述熔融金属在所述容纳池中凝固形成金属焊件。
8.根据权利要求7所述的方法,其中所述端子构件包括管状部和电极部,在所述组装步骤中,所述铝导体的前端部分的一部分位于所述管状部的一端并且所述电极部位于所述管状部的另一端,以使所述金属焊件在所述管状部的一端形成。
9.根据权利要求8所述的方法,其中在所述焊接步骤期间所述金属焊件形成为其中所述管状部的一端指向相对于重力的上方的状态。
10.根据权利要求8所述的方法,其中在所述组装步骤中所述铝导体布置为使所述前端部分从所述管状部的一端突出。
11.根据权利要求8所述的方法,其中在所述焊接步骤期间所述铝导体的前端部分熔化到用作容纳池的所述管状部的内部,使得所述熔融金属接触所述管状部的内表面和所述铝导体。
12.根据权利要求7所述的方法,其中在所述焊接步骤期间除所述第一和第二金属材料之外,添加金属也被熔化,使得所述金属焊件含有所述添加金属的材料。
13.根据权利要求7所述的方法,其中所述第二金属材料的熔点高于所述第一金属材料的熔点。
14.根据权利要求7所述的方法,其中所述第二金属材料由铜、铜合金、钢和钢合金中的一种构成。
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