CN102035080B - 采用侧面复合金属结构的导电连接片及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用侧面复合金属结构的导电连接片，包括至少两个异质的金属片，该金属片中包含至少一个铜金属片或镍金属片，其余为比铜或镍廉价的金属片，各金属片沿所述导电连接片的长度方向排列，相邻金属片之间在端面紧密结合，且相邻金属片之间无搭接。其制法是，将至少两种金属带通过侧面复合工艺，使相邻金属带之间在相邻侧面牢固结合形成侧面复合板带材；制得的板带材经轧制及过程退火处理，制成与最终导电连接片厚度相同的板带材，然后沿横向冲制成型。其充分利用了侧面复合金属板带材的组合优势，能够理想地满足整体高导电性和过渡焊接部件要求，避免了传统搭接所带来的负面影响，可显著节约稀缺金属，提高废料回收利用价值。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种采用侧面复合金属结构的导电连接片及其生产方法，其导电连接片主要应用于电子、电器、电池、电动交通工具等领域。
背景技术
目前在电子、电器、电池、电动交通工具等领域需大量采用导电连接件，其配对连接的部件材质主要包括钢、镍、铝、铜、不锈钢等，导电连接件本身的材质均为金属，尤其以镍、铜材料居多。铜虽然具有很好导电导热、较好的机械性能、一定的耐蚀性等特点，但在与非铜异质材料的零部件(如钢、镍等)配对连接时，常遇到焊接困难或焊接质量不牢的问题；而镍虽有较好的电学、力学、耐蚀性、焊接性等综合特性，但其稀缺的资源导致其价格一直在常用金属中处于居高地位。另外须指出的是，铜与钢、铝相比，也相对属于较稀缺金属材料。因此节约替代纯镍、纯铜之类稀缺金属和解决异种材料焊接困难一直是导电连接件材料设计中值得关注的问题。
目前在上述导电连接件可达到节约替代稀缺金属效果的实践中，国内外各厂家主要采取叠层复合结构(或称三明治结构)的材料。但从其制备过程、使用性能、回收成本等方面还存在一些至今还很难解决的问题：
1)目前大量采用电镀或化学镀层法(如镀镍钢、镀镍不锈钢)，在制造过程中需要使用和排放大量酸、碱等化学物质，对环境污染十分严重，即使采用了排放处理，间接增加了生产成本。
2)电镀或化学镀法制备的覆材在性能上与单一材料(如纯镍)性能尚存在较大差异。例如，镀镍钢带由于基体层为低碳钢(较纯镍材电导率低)，整体材料的电阻率较纯镍高出40％以上，镀镍不锈钢的电阻率同样原因则高出纯镍6倍以上。这些材料如用于电池部件的连接，都较原使用的纯镍导电连接件大大增加了电池的内阻，不利于提高电池容量和使用寿命。
3)轧制覆层法虽在导电性、力学性能、耐蚀性等方面已十分接近甚至优于单一金属，但存在焊接质量及回收成本等方面的问题使之难以推广。仍以替代纯镍的一种多层复合金属(中国专利申请号200510008602.2)为例，其轧制覆层的设计为外表层纯镍，中间层材料包括不锈钢、铜等，该叠层结构中异种材料的热膨胀系数、熔点温度差易导致焊接表面焊核突起或低熔点材料铜溢出，从而影响外观质量及装配，甚至引起接触电阻增大；另外，轧制覆层法在加工过程中不可避免的边角料，由于边角料中各材料组元间已形成物理冶金结合，且各结合面垂直于板带材厚度方向，很难以机械切削方式实现稀缺金属层(如镍)与贱金属(如不锈钢或铜)层的分离回收，从而大大降低了材料的回收利用价值。
而在解决异种材料焊接困难方面，导电连接件目前基本采用异种材料搭接焊接结构或叠层复合材料结构。
异种材料搭接焊接结构存在搭接部分接触电阻高的问题。此设计中，首先选取与待连接两部件材质相对应的易焊接材料进行层叠搭接焊接来组成导电连接件，然后将该导电连接件沿长度方向的两端分别与待连接的部件进行配对焊接(大多为同种材料间的焊接)。非常明显，该导电连接件本身的层叠搭接部分存在较大的接触电阻，一方面接触电阻增大会引起局部发热造成阻值不稳定，更严重的是降低了导电连接件的导电能力。另外实际上，异种材料的搭接和接触电阻的增大现象间接意味着材料消耗量增大。
叠层复合材料结构的导电连接件其两外表层则分别选取与待焊接异质部件相对应的易焊接材料，例如要连接镍部件和铜部件，则两者之间的导电连接片应设计成铜/镍叠层复合结构。此种设计虽然导电连接件无搭接部分，从而很大程度地降低了异种材料间的接触电阻，但与前述相同，其与部件焊接后的外观质量及材料制造过程中的回收利用价值仍难以令人满意。
发明内容
鉴于现有导电连接件技术存在的上述缺陷，本发明提供一种采用侧面复合金属结构的导电连接片及其生产方法，以解决电子、电器、电池等领域中产品各不同材质部件之间的可靠过渡连接问题，同时节约稀缺金属及提高废料回收利用价值。
本发明采用侧面复合金属结构的导电连接片，包括至少两个异质的金属片，该异质的金属片中包含至少一个铜金属片或一个镍金属片，其余为比铜或镍廉价的其它金属片，各金属片沿所述导电连接片的长度方向排列，相邻金属片之间在端面紧密结合。
其中，所有金属片的厚度相同，相邻金属片之间的结合部分的材料组织致密，且相邻金属片之间无搭接。
一种用于冲制上述导电连接片的侧面复合金属板带材，包括至少两种金属带，一种是铜带或镍带，其余是比铜带或镍带相对廉价的其它金属带，相邻金属带之间在相邻侧面牢固结合，且相邻金属带之间的结合部分的材料组织致密。
一种上述导电连接片的生产方法，采取以下步骤：
步骤1，将至少两种金属带通过侧面复合工艺，使相邻金属带之间在相邻侧面牢固结合形成侧面复合板带材；所述金属带中，一种是铜带或镍带，其余是比铜带或镍带相对廉价的其它金属带；及，
步骤2，使步骤1制得的侧面复合板带材通过轧机轧制及过程退火处理，制成与最终导电连接片厚度相同的板带材，最后沿横向冲制成导电连接片。
步骤1中，所述侧面复合工艺是电子束焊工艺，通过电子束轰击使相邻金属带的相邻侧面局部熔化结合，然后通过后续的轧制和退火使焊缝部分的材料组织致密化。其中，所述电子束焊接工艺参数可为：加速电压35～100KV、电子束流15～200mA、焊接速度2～15m/min、真空焊接室的真空度10-1～10-2mbar、电子枪真空度10-5～10-6mbar。
所述侧面复合工艺可以是激光焊接工艺，通过激光照射使相邻金属带的相邻侧面局部熔化结合，然后通过后续的轧制和退火使焊缝部分的材料组织致密化。
所述侧面复合工艺也可以是轧制复合工艺，通过轧制使相邻金属带的相邻侧面间互相挤压延伸形成紧密结合。
上述导电连接片由侧面复合金属板带材冲制而成，而侧面复合金属板带材的侧面复合方式可以从电子束焊法、激光焊接法、轧制复合法等几种方法中进行选择。电子束焊及激光焊接法均属于高能束焊接方式，它们是分别利用电子束和激光作为热源，轰击或照射工件，使其局部熔化达到焊接目的，在焊接多种异种金属组合方面已经得到实际应用。当电子束及激光束作用于待焊接的金属带材侧面时，由于聚焦系统将束斑直径控制在10-2-10-1mm左右，其功率密度可达104-108w/cm2，较其它的焊接方法如氩弧焊、缝焊等常规技术，电子束焊及激光焊的焊缝质量显著提高：焊接热影响区窄，材料热变形小，焊缝强度高于或等于母材强度，焊缝平整且光滑。另外电子束及激光焊的焊接速度较快，设备自动化程度高且焊接质量可控性好，这些都非常有利于高效率地获得高质量的侧面复合板带材，以便后续压延加工。而采用轧制复合法则是充分利用材料在轧制过程中会产生宽展，从而在各相邻金属带材的待结合侧面间挤压形成新鲜结合界面，这种结合属于物理冶金键合，无焊接影响区，对减少异种金属间的接触电阻从而提高导电连接片的导电性是十分有利的。总之，上述几种方法可实现各相邻金属板带材间侧面牢固结合，尽量减少焊缝热影响区对整体材料的导电性能影响。
实现相邻侧面牢固结合的侧面复合金属板带接着需要进行必要的轧制和退火工序加工，制备出与最终导电连接片厚度相同的板带材，最后将该板带材冲制成型为导电连接片。电子束焊与激光焊法所得到的侧面复合金属板带的焊缝毕竟还是存在一定孔隙度，轧制过程可使得焊缝附近的材料得到延伸从而不断填充和压合孔隙，再通过退火扩散实现焊缝材料的组织致密化，这样制备出成品厚度的侧面复合金属板带具有优良的综合特性(力学性能和电性能)，因而可以最终通过冲压得到优异性能的导电连接片。而轧制复合得到的侧面复合板带的结合面附近本身就具有致密的材料组织，在一般情况下均需进行进一步的轧制和退火，以获得满足最终导电连接片所需力学状态和尺寸精度的待冲压板带，即此时也能得到优异特性的导电连接片材料。
由于电子束焊、激光焊、轧制复合在目前技术水平和能力下可实现侧面复合金属板带的连续大卷重(焊接)复合生产，这种高效连续化的生产方式得到的板带材料具有性能稳定可靠的特点，这样也有利于后续自动化冲压生产出性能一致性好的导电连接片，从而降低材料生产成本。冲压生产时一般取板带的横向宽度方向作为导电连接片的长度方向，即横向冲压方式。在实际应用时所冲制的导电连接片可以是简单的直条形，也可以其它复杂形状。
本发明优于目前实际已应用的导电连接片，主要是基于以下几方面的有益效果。
1、可显著节约稀缺金属
对于原应用的纯铜导电连接片，可采用较纯铜设计稍厚的铜/铝/铜侧面复合结构的板带材制备出长度尺寸和宽度尺寸与原(纯铜材质)设计一样的节铜型导电连接片，这是由于铝的比重较铜轻很多，可确保实施本发明的节铜型导电连接片在整体导电性接近甚至优于原设计的纯铜导电连接片情况下，实现整体减重，即达到节铜的目的。对于原设计的纯镍导电连接片，可采用完全同样尺寸的镍/铜/镍侧面复合结构的导电连接片替代，从而达到节镍目标。在上述两种应用情况下，只要保证采用本发明的导电连接片沿长度方向的两端留有足够配对焊接部位的铜材或镍材部分，即可保证在不改变或稍调整原焊接工艺情况下实现本发明的导电连接片与待连接部件的牢固焊接。
2、本发明的导电连接片在实现过渡连接功能的同时又最大程度地减少了异种金属间的接触电阻。
本发明的导电连接片在过渡连接不同金属材质部件方面具有独特的优势：该导电连接片的结构组成特点在本身无材料间搭接的情况下(即侧面复合时各材料为同一厚度)，完全可满足配对焊接异种金属的要求。此时选取与相应配对连接材质易焊接的金属进行导电连接片的设计组合，当然如这种组合在焊接过程中容易产生金属间化合物时，可增加一条起中间过渡作用的金属板带进行侧面复合，即过渡作用的金属与其余两种相邻的金属都具有很好的相容性且不生成金属间化合物。即使目前一些薄型的导电连接片直接采用异种金属薄片进行激光焊接一可避免搭接，但此时激光焊缝材料组织的非完全致密性导致异种金属间仍存在较大的接触电阻。实施本发明则可确保各金属间侧面连接牢固且结合面材料组织致密化，因此最终得到的导电连接件在实现过渡连接的功能同时又最大程度地减少了异种金属间的接触电阻，即导电性能得到了保证，较目前所应用的导电连接片性能优异。
3、提高了废料回收利用价值。
传统的层叠金属轧制覆层法由于各层叠材料之间的结合为物理冶金键合，且结合面平行于板带材外表面，使之边角料无法实现稀缺金属层与较廉价金属间的分离回收，从而大大降低了材料的回收利用价值。而用于制备本发明导电连接片的侧面复合板带在加工过程中形成的各种边角料则非常容易实现组元金属的分类回收，这是由于侧面复合材料的结合面垂直于板带材表面，此时用剪切工具沿结合面剪切分离成不同的材料就变得非常容易了，即有利于材料分类回收。分类回收对提高各材料回用价值、降低回收成本具有重要意义，实际上这也间接意味着达到了节约稀缺金属的目的。
充分利用了侧面复合金属板带材的组合优势，能够满足整体高导电性和过渡焊接部件要求，可显著节约稀缺金属，实现各部件过渡连接功能的同时又避免了搭接所带来的负面影响，提高废料回收利用价值。
附图说明
图1是其节镍导电连接片实施例1示意图；
图2是其节铜导电连接片实施例2示意图；
图3是其铝镍侧面复合的极耳实施例3示意图。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明。
实施例1：
原产品设计为厚度0.4mm、宽度4mm、总长度50mm，硬度状态为1/4硬的直条形纯镍导电连接片。
见图1，采用镍/铜/镍侧面复合金属结构。该节镍导电连接片具有铜质条形导电体2，在铜质条形导电体2的长度方向两端面对称牢固结合有镍质焊接部分1、3，铜质条形导电体2和镍质焊接部分1之间形成紧密接合的一结合面12，铜质条形导电体2和镍质焊接部分3之间形成紧密接合的另一结合面23，铜质条形导电体2的横截面、镍质焊接部分1、3的横截面均为矩形。其中，该结合面12、23的材料组织致密。该镍质焊接部分1、3的厚度、宽度均与铜质条形导电体1的厚度、宽度相同。
图1节镍导电连接片制备过程为：
1、电子束焊制备镍/铜/镍组合的侧面复合带材。待焊接的原材料为：两条1.0mm厚、宽度为6mm的镍带材和一条1.0mm厚、宽度为38mm厚的铜带材，两镍带材对称设置在铜带材两侧。采用真空连续电子束(双枪)焊接机焊接各带材的相邻侧面，通过电子束轰击使相邻金属带材的相邻侧面局部熔化结合，形成侧面复合带材；其中，电子束焊接工艺参数为：加速电压48～50KV，电子束流25～30mA，焊接速度4m/min，真空焊接室的真空度10-1～10-2mbar，电子枪真空度10-5～10-6mbar。
2、复合好的侧面复合带材经后续轧制加工至成品厚度尺寸和状态。具体工艺为：多道轧制，各轧次道次的厚度(mm)依次为1.00、0.75、0.60、0.50，然后对0.5mm厚度的侧面复合带材进行连续退火，退火工艺条件为：退火温度850℃、退火速度4m/min，通NH3保护。退火完成后的带材直接轧制到0.4mm厚度。
3、带材成卷冲压成导电连接片。侧面复合的成品尺寸带材进入高速冲床成卷冲压，即通过横向冲压成图1的直条形导电连接片。整体产品的外形尺寸与原设计完全相同。
最终的本实施1导电连接片厚度0.4mm，宽度4mm，总长度50mm，其长度方向上铜质条形导电体2两端对称的镍质焊接部分1、3外形尺寸可确保与待连接部件的配对焊接，而且完全等同于原设计中与部件配对焊接的纯镍焊接部。本设计较传统设计节约纯镍达到了76％，且由于纯铜条形导电体2的导电性远远优于纯镍，本导电连接片较原设计的导电连接片的沿长度方向的导电能力提高了近60％。
根据具体产品设计要求，铜质条形导电体2的宽度和厚度之比、镍质焊接部分1、3的宽度和厚度之比均可为1∶0.05-0.3。
实施例2：
原设计为厚度0.4mm、宽度4mm、长度50mm，半硬态的纯铜导电连接片。
实施例2节铜导电连接片见图2，采用铜/铝/铜侧面复合金属结构。该节铜导电连接片具有铝质条形导电体2，在铝质条形导电体2的长度方向两端面对称牢固结合有铜质焊接部1、3，铝质条形导电体2和铜质焊接部分1之间形成紧密面接合的一结合面12，铝质条形导电体2和铜质焊接部分3之间形成紧密面接合的另一结合面23，铝质条形导电体2的横截面、铜质焊接部分1、3的横截面均为矩形。该铜质焊接部分1、3的厚度、宽度均与铝质条形导电体2的厚度、宽度相同。
其制备过程为：
1、激光束焊制备铜/铝/铜组合的侧面复合带材。待焊接的原材料为：两条0.8mm厚、宽度为6mm的铜带材和一条0.8mm厚、宽度为38mm厚的铝带材，两铜带材对称设置在铝带材两侧。带材侧面间的焊接采用1kw的CO2激光连续焊机，焊接速度为3m/min，不需要真空条件，通过激光照射使相邻金属带材的相邻侧面局部熔化结合，形成侧面复合带材。
2、对0.8mm厚度的侧面复合带材进行连续软化退火，退火工艺为：退火温度500℃、退火速度3m/min，通NH3保护。退火完成后的带材轧制成0.6mm厚度，各轧次道次的厚度(mm)依次为0.75、0.60。
3、带材成卷冲压成导电连接片。侧面复合的成品尺寸带材进入高速冲床成卷冲压，即通过横向冲压成图2的直条形导电连接片。整体产品的外形尺寸与原设计完全相同。
实施本例的导电连接片厚度0.6mm、宽度4mm、总长度50mm，整体产品的除厚度稍有变化外，其余外形尺寸与原设计完全相同。其中该节铜直条形导电连接片长度方向上两端对称的铜质焊接部分1、3外形尺寸可确保与待连接部件的配对焊接，且容易实现。此节铜直条导电连接片整体电导率与原设计相同，且由于纯铝的密度远远低于纯铜，即使新设计的导电连接片较原设计的导电连接片稍加厚，但总重量也只有原设计同样导电能力纯铜片的70％，用铜量则约为原设计的64％。
根据具体产品设计要求，铝质条形导电体2的宽度和厚度之比、铜质焊接部分1、3的宽度和厚度之比均可为1∶0.05-0.3。
实施例3：
一种铝壳锂离子电池所用的极耳(也可理解为导电连接片)为铝镍复合带(相应厚度比例为1∶2)冲成的直条形元件(0.15mm＊3mm＊40mm，厚＊宽＊长)或铝/镍搭接型转焊片(铝带和镍带厚度为0.15mm，宽度为3mm，铝带长度36mm，镍带长度为10mm，两材料搭接重叠长度为6mm)，
实施例3为采用本发明的铝镍侧面复合结构的极耳(或理解为导电连接片)，参考图3。该极耳具有铝质条形导电体2，在铝质条形导电体2的长度方向一个端面牢固结合有镍质焊接部1，铝质条形导电体2和镍质焊接部分1之间形成紧密面接合的一结合面12，铝质条形导电体2的横截面、镍质焊接部分1的横截面均为矩形。该镍质焊接部分1的厚度、宽度均与铝质条形导电体2的厚度、宽度相同。
制备过程为：
1、轧制复合镍/铝组合的侧面复合带材。待复合的原材料为：将一条0.8mm厚、宽度为6mm的镍带材和一条0.8mm厚、宽度为34mm厚的铝带材。
将两带材经过表面(包括侧面)清洗后并排送入轧制复合两辊轧机，轧制复合辊为上下配对的异型辊，其中上辊辊面加工成带凹槽的型辊，槽深3mm，槽宽45.0mm；下辊辊面则加工成带凸台的型辊，凸台高3.5mm，凸台宽44.5mm。在轧制压下率为55％的情况下，特别设计的型辊使得并排喂入辊缝的铝镍带相邻侧面实现金属相互挤压，形成足够多的新鲜表面直至牢固结合，即轧制出口为相邻侧面已复合好且整体厚度一致的成卷带材，其厚度为0.36mm。
2、侧面复合好的带材经后续加工至成品厚度尺寸和状态。具体工艺为：对0.36mm厚度的侧面复合带材进行连续软化退火，退火工艺条件为：退火温度600℃、退火速度4m/min，通NH3保护；退火完成后的带材按下列道次厚度(mm)轧制0.36、0.29、0.23、0.20；然后对0.20mm厚的侧面复合带材进行成品轧制前的软化退火，退火工艺条件为：退火温度600℃、退火速度5m/min，通NH3保护；最后退火后的带材直接轧制成0.15mm。
3、带材成卷冲压成极耳(或直条导电连接片)。侧面复合的0.15mm厚的带材进入高速冲床成卷冲压，即通过横向冲压成图3极耳，其厚度0.15mm、宽度3mm、总长度40mm。
该极耳镍质焊接部分1和铝质条形导电体2分别与镍部件和铝壳对应焊接，因而焊接质量十分牢固且稳定。此设计的导电能力沿带材长度方向较原铝镍复合带极耳提高了15％以上，而较搭接型转焊片提高20％以上；从节镍效果来看，新设计较铝镍复合带极耳节省纯镍77％(尚未计算铝镍复合带回收镍的损失)，较搭接型节省镍40％。
根据具体产品设计要求，铝质条形导电体2的宽度和厚度之比、镍质焊接部分1的宽度和厚度之比均为1∶0.03-0.15。
根据以上实施例，本发明还披露了一种用于冲制上述导电连接片的侧面复合金属板带材，该侧面复合金属板带材包括至少两种金属带，一种是铜带或镍带，其余是比铜带或镍带相对廉价的其它金属带，相邻金属带之间在相邻侧面牢固结合，且相邻金属带之间的结合部分的材料组织致密。其中，所有金属带的厚度相同。
Claims (4)
1.一种采用侧面复合金属结构的导电连接片，其特征是：该导电连接片由侧面复合金属板带材沿其横向冲制而成，包括至少两个异质的金属片，该异质的金属片中包含至少一个铜金属片或一个镍金属片，其余为比铜或镍廉价的其它金属片，各金属片沿所述导电连接片的长度方向排列，相邻金属片之间在端面紧密结合；
其中，所有金属片的厚度相同，相邻金属片之间的结合部分的材料组织致密，且相邻金属片之间无搭接。
2.权利要求1所述导电连接片的生产方法，其特征是采取以下步骤：
步骤1，将至少两种金属带通过侧面复合工艺，使相邻金属带之间在相邻侧面牢固结合形成侧面复合板带材；所述金属带中，一种是铜带或镍带，其余是比铜带或镍带相对廉价的其它金属带；其中，所述侧面复合工艺采用电子束焊工艺通过电子束轰击使相邻金属带的相邻侧面局部熔化结合，或采用轧制复合工艺通过轧制使相邻金属带的相邻侧面间互相挤压延伸形成紧密结合，或采用激光焊接工艺通过激光照射使相邻金属带的相邻侧面局部熔化结合；
步骤2，使步骤1制得的侧面复合板带材通过轧机轧制及过程退火处理，制成与最终导电连接片厚度相同的板带材，最后沿横向冲制成导电连接片。
3.如权利要求2所述的生产方法，其特征是：其中，所述电子束焊接工艺参数为，加速电压35～100KV、电子束流15～200mA、焊接速度2～15m/min、真空焊接室的真空度10-1～10-2mbar、电子枪真空度10-5～10-6mbar。
4.一种用于冲制权利要求1所述导电连接片的侧面复合金属板带材，其特征是：包括至少两种金属带，一种是铜带或镍带，其余是比铜带或镍带相对廉价的其它金属带，相邻金属带之间在相邻侧面牢固结合，且相邻金属带之间的结合部分的材料组织致密；其中，所有金属带的厚度相同。
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