CN104064935A - 碳结构与金属片组合体及其制成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳结构与金属片的焊接方法，包括将硬钎料设置至碳结构的表面、将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊、以及将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面三个步骤。硬钎料与该碳结构进行硬钎焊后，硬钎料中如钛、铬、硅等活性元素会与该碳结构中碳元素发生化学反应，从而增强硬钎料与碳结构的结合强度。另外，由于金属片是在较低温的环境下软钎焊至硬钎料层，金属片不会被破坏而变软，同时也避免了裂纹的产生。本发明还提供一种碳结构与金属片的组合体。
Description
技术领域
本发明涉及焊接方法，尤其涉及一种碳结构与金属片的焊接方法。
背景技术
换向器通常包括多个换向片以及多个与对应的换向片电性连接的挂钩，挂钩用于挂接线圈，以与该线圈电性连接。目前大部分换向器的换向片与挂钩由铜片一体冲压而制成。由于碳刷的硬度与铜的硬度相差较大，碳刷工作过程中磨损较为严重。因此，有一种改进是使用石墨片来代替上述铜换向片，这就涉及到该换向片与上述由铜制成的挂钩的连接问题。现有技术中，通常是在石墨片表面电镀或者离子溅镀一个镍或铜金属层，然后再利用锡等熔点低于450℃的软钎料将具有上述挂钩的铜片软钎焊(Soldering)至该金属层。然而，由于上述金属层与石墨片之间不是通过冶金结合，两者间的连接并不牢固。现有技术中，也有在石墨与具有上述挂钩的铜片之间夹设熔点高于450℃的硬钎料，然后将该石墨、铜片以及硬钎料放置在高温中进行硬钎焊(Brazing)，直接将该铜片固定至该石墨。然而，由于铜与石墨的膨胀系数相差较大，制成后石墨上会出现较多并且较大的裂纹，而且，经过如此高温烘烤过的铜片会变软，不利于线圈的挂设。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种可克服上述技术问题的碳结构与金属片组合体及其制成方法。
一种碳结构与金属片的组合体，包括碳结构、由硬钎料在该碳结构表面硬钎焊后形成的硬钎料层、由软钎料在该硬钎料层表面软钎焊后形成的软钎料层、以及结合至该软钎料层表面金属片。
一种碳结构与金属片的焊接方法，包括以下步骤：将硬钎料设置至碳结构的表面；将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊；以及将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面。
本发明的硬钎料与该碳结构进行硬钎焊后，硬钎料中如钛、铬、硅等活性元素会与该碳结构中碳元素的会发生化学反应，从而增强硬钎料与碳结构的结合强度。另外，由于金属片是在较低温的环境下软钎焊至硬钎料层，金属片不会被破坏而变软，同时也避免了裂纹的产生。
为了能更进一步了解本发明的特征以及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1是本发明较佳实施方式的碳结构与金属片的焊接方法的流程图。
图2是图1的流程图中第三个步骤的详细流程图。
图3是本发明较佳实施方式的碳结构与金属片的组合体的局部剖视结构示意图，值得注意的是实际上各层的比例关系未必如图所示。
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为了便于清晰描述，而并不限定比例关系。
本发明第一实施方式的碳结构与金属片的焊接方法包括以下步骤：
步骤1：将银铜钛(Ag,Cu,Ti)硬钎料，比如69%的银，27%的铜，4%的钛的银铜钛硬钎料，通过网版丝印的方式印刷至该碳结构的表面，网版丝印过程中优选厚度为0.5毫米以下的聚脂丝网，以使得丝网在印刷钎料的过程中具有较佳的弹性。上述碳结构可以是石墨、碳和石墨粉末的混合物等。
步骤2：将上述设置有银铜钛硬钎料的碳结构放入真空度在1.0×10-1帕至4.0×10-2帕并且温度在800℃至900℃的真空炉中保温13至17分钟，然后冷却，以使银铜钛硬钎料硬钎焊至碳结构。优选地，上述真空度在6.0×10-2帕，上述温度为850℃，上述保温时间为15分钟。在上述设置有银铜钛硬钎料的碳结构放入真空炉后，优选地，真空炉从室温以每分钟10℃的速度上升至850℃，然后再在该850℃的环境中保温15分钟。
步骤3：将锡膏通过网版丝印的方式设置至由硬钎焊后的银铜钛硬钎料的表面，即由银铜钛硬钎料硬钎焊后所形成的硬钎焊层的表面，网版丝印过程中优选厚度为1毫米以下的不锈钢丝网，以保证丝网在印刷钎料的过程中的弹性。
步骤4：将纯铜片覆盖至上述锡膏表面。
步骤5：将该硬钎焊后的碳结构、锡膏以及纯铜片放置在250℃至300℃的环境中2至4分钟后冷却，以使纯铜片通过以锡膏为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊后的银铜钛硬钎料的表面。
本发明第二实施方式的碳结构与金属片的焊接方法包括以下步骤：
步骤1：将美国焊接协会(American Welding Society，AWS)规定的BNi2型硬钎料通过喷射的方式均匀喷射至该碳结构的表面。上述碳结构可以是石墨、碳和石墨粉末的混合物等。
步骤2：将上述设置有BNi2硬钎料的碳结构放入真空度在2.0×10-2帕至8×10-3帕并且温度为1050℃至1150℃的真空炉中保温25至35分钟，然后冷却，以使BNi2硬钎料硬钎焊至碳结构。优选地，上述真空度在1.0×10-2帕，上述温度为1100℃，上述保温时间为30分钟。在上述设置有BNi2硬钎料的碳结构放入真空炉后，优选地，真空炉从室温以每分钟15℃的速度上升至1100℃，然后再在该1100℃的环境中保温30分钟。
步骤3：将锡铋(Sn，Bi)浆料，比如含42%的锡及58%的铋的锡铋浆料(Sn-58Bi)，通过网版丝印的方式设置至由BNi2硬钎料硬钎焊后所形成的硬钎焊层的表面，网版丝印过程中优选孔径为1毫米以下的不锈钢丝网，以保证丝网在印刷钎料的过程中的弹性。
步骤4：将青铜片覆盖至上述锡铋浆料表面。
步骤5：将该硬钎焊后的碳结构、锡铋浆料以及青铜片放置在150℃至250℃的环境中4至6分钟后冷却，以使青铜片通过以锡铋浆料为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊后的BNi2硬钎料的表面。
本发明第三实施方式的碳结构与金属片的焊接方法包括以下步骤：
步骤1：将钛锆铜镍(Ti,Zr,Cu,Ni)硬钎料，比如含40%的钛，20%的锆，20%的铜，20%的镍的钛锆铜镍硬钎料，均匀晒在该碳结构的表面。该碳结构可为环状的石墨片。
步骤2：将上述设置有钛锆铜镍硬钎料的碳结构放入真空度在1.0×10-2帕至3×10-3帕并且温度为900℃至1000℃的真空炉中保温20至30分钟，然后冷却，以使钛锆铜镍钎料硬钎焊至碳结构。优选地，上述真空度在8×10-3帕，上述温度为950℃，上述保温时间为20分钟。在上述设置有钛锆铜镍钎料的碳结构放入真空炉后，优选地，真空炉从室温以每分钟15℃的速度上升至950℃，然后再在该950℃的环境中保温20分钟。
步骤3：将同为环状的锡铜(Sn，Cu)焊片，比如含98%的锡及2%的铜的锡铜焊片(Sn-2Cu)，覆盖至由钛锆铜镍硬钎料硬钎焊后所形成的硬钎焊层的表面。
步骤4：将银片覆盖至上述锡铜焊片表面。
步骤5：将该硬钎焊后的碳结构、锡铜焊片以及银片放置在300℃至350℃的环境中7至10分钟后冷却，以使银片通过以锡铜片焊片为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊后的钛锆铜镍硬钎料的表面。
本发明第四实施方式的碳结构与金属片的焊接方法包括以下步骤：
步骤1：将AWS规定的BNi5硬钎料通过网版丝印的方式印刷至该碳结构的表面，网版丝印过程中优选0.5毫米以下的聚脂丝网，以使得丝网在印刷钎料的过程中具有较佳的弹性。
步骤2：将上述设置有BNi5硬钎料的碳结构放入真空度在3.0×10-3帕至1.0×10-3帕并且温度为1100℃至1200℃的真空炉中保温15至20分钟，然后冷却，以使BNi5硬钎料硬钎焊至碳结构。优选地，上述真空度在1×10-3帕，上述温度为1200℃，上述保温时间为20分钟。在上述设置有银铜钛硬钎料的碳结构放入真空炉后，优选地，真空炉从室温以每分钟20℃的速度上升至1200℃，然后再在该1200℃的环境中保温20分钟。
步骤3：将形状对应的锡片覆盖至由BNi5硬钎料硬钎焊后所形成的硬钎焊层的表面。采用上述固体的锡片可方便组装。
步骤4：将铝片覆盖至上述锡片表面。
步骤5：将该硬钎焊后的碳结构、锡片以及铝片放置在270℃至300℃的环境中3至5分钟后冷却，以使铝片通过以锡片为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊后的BNi5硬钎料的表面。
本发明第五实施方式的碳结构与金属片的焊接方法包括以下步骤：
步骤1：将BNi7硬钎料通过网版丝印的方式印刷至该碳结构的表面，网版丝印过程中优选0.5毫米以下的聚脂丝网，以使得丝网在印刷钎料的过程中具有较佳的弹性。
步骤2：将上述设置有BNi7硬钎料的碳结构放入氨分解网带炉(Mesh BeltFurnace)中，带速设定0.1-0.8m/s，最高钎焊温度设定为800℃至1100℃，然后冷却，以使BNi7硬钎料硬钎焊至碳结构。优选地，上述带速设定0.4m/s，最高钎焊温度设定为1000℃。实际上，上述氨分解网带炉就是一个气氛保护炉，其中的气体还可以是氮气、氢气、氩气、氦气、一氧化碳、二氧化碳、或其混合气体等，不同气体对应不同温度。因此温度范围不限于上述范围。
步骤3：将形状对应的锡铟（Sn，In)焊片，比如含49%的锡以及51%的铟的锡铟焊片(Sn-51In)，覆盖至由BNi7硬钎料硬钎焊后所形成的硬钎焊层的表面。采用上述固体的锡铟焊片可方便组装。
步骤4：将铜片覆盖至上述锡铟焊片表面。
步骤5：将该硬钎焊后的碳结构、锡铟焊片以及铜片放置在130℃至230℃的环境中3至5分钟后冷却，以使铜片通过以锡铟焊片为软钎料的软钎焊方式结合至硬钎焊后的BNi7硬钎料的表面。
可以理解，上述各实施方式中，在步骤1之前，还可打磨碳结构用于与该硬钎料接触的表面，并将该碳结构放置在设置有超声波产生装置的酒精中清洗，再取出浸泡在丙酮中，然后取出晾干，以去除粉尘杂质。
请结合图1，通过以上多个实施方式可看出，本发明的碳结构与金属片的焊接方法实际上主要包括以下三个步骤：
S10：将硬钎料设置至碳结构的表面；
S20：将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊；以及
S30：将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面。
其中，步骤S20中硬钎料及碳结构被放置在真空度在1.0×10-1帕以上(即真空度大于等于1.0×10-1帕，比如1.0×10-3帕)，温度为800℃以上(即大于等于800℃)的环境中10至30分钟而进行硬钎焊。也可以理解，硬钎焊所持续的时间也可不限于上述时间方位，比如，在上述第三实施方式中，时间也可超过30分钟。而步骤S30又可分解为S31：将软钎料设置至硬钎焊后的硬钎料的表面、S32：将该金属片覆盖至该软钎料、S33：将该硬钎焊后的碳结构、软钎料以及金属片放置在130℃至350℃的环境中2至10分钟这三个步骤，如图2所示。然而可以理解，步骤S30除了可通过上述S31至S33来完成以外，还可通过电烙铁进行手工焊接等其它方式来实现。
请结合图3，在上述的焊接方法中，硬钎料与该碳结构10进行硬钎焊后，硬钎料中如钛、铬、锆、硅等活性元素会与该碳结构中的碳元素发生化学反应。如此，硬钎料在该碳结构表面硬钎焊后形成的硬钎料层20实际包括了两个层，一个是靠近该碳结构10的由该硬钎料与该碳结构10化学反应而成的反应层22，另一个是靠近该软钎料层30的由该硬钎料自身的组份反应而成的结合层24。由于发生了冶金反应，该反应层22与该碳结构10高度结合的同时还与该结合层24高度结合。因此，主要由金属元素构成的结合层24牢固地结合至该碳结构10。既是说，硬钎料硬钎焊至该碳结构10后在该碳结构10表面形成了一个牢固的金属层，从而有利于后续与软钎料30的结合。而正是因为金属片40是在较低温的环境下软钎焊至硬钎料层20的，金属片的质地不会被破坏而变软，同时也避免了因膨胀系数相差较大而导致的裂纹的产生。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (18)
1.碳结构与金属片的焊接方法，包括以下步骤：
将硬钎料设置至碳结构的表面；
将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊；以及
将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选用石墨为该碳结构。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将硬钎料设置至碳结构的表面之前，还包括步骤：清洗该碳结构与该硬钎料接触的表面。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将硬钎料设置至碳结构的表面包括通过网版丝印的方式将该硬钎料设置至该碳结构的表面。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将硬钎料设置至碳结构的表面包括采用厚度在0.5毫米以下的聚脂丝网进行网版丝印。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将硬钎料设置至碳结构的表面包括通过喷射或喷晒的方式将该硬钎料设置至该碳结构的表面。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊包括将该硬钎料及该碳结构被放置在真空度在1.0×10-1帕以上，温度为800℃以上的环境中而进行硬钎焊。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊包括将该硬钎料及该碳结构所处的环境以每分钟10至20度上升至所需的温度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将该硬钎料及该碳结构进行硬钎焊包括将该硬钎料及该碳结构被放置在温度为800℃以上的气氛保护炉中进行硬钎焊。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该气氛保护炉包括氮气、氢气、氩气、氦气、一氧化碳、二氧化碳、氨分解气或其混合气体。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将金属片软钎焊至硬钎焊后的硬钎料的表面包括以下步骤：
将软钎料设置至硬钎焊后的硬钎料的表面；
将该金属片覆盖至该软钎料；以及
将该硬钎焊后的碳结构、软钎料以及金属片放置在130℃至350℃的环境中2至10分钟。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该软钎料呈与该碳结构形状对应的固体片状。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，该软钎料呈膏状或粉状。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，将软钎料设置至硬钎焊后的硬钎料的表面包括通过网版丝印方式将软钎料设置至该硬钎焊后的硬钎料的表面。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，将软钎料设置至硬钎焊后的硬钎料的表面包括采用厚度在1毫米以下的不锈钢丝网进行网版丝印。
16.一种碳结构与金属片的组合体，包括：
碳结构；
由硬钎料在该碳结构表面硬钎焊后形成的硬钎料层；
由软钎料在该硬钎料层表面软钎焊后形成的软钎料层；以及
结合至该软钎料层表面的金属片。
17.如权利要求16所述的组合体，其特征在于，该碳结构为石墨。
18.如权利要求16所述的组合体，其特征在于，该硬钎料层包括靠近该碳结构的反应层以及靠近该软钎料层的结合层，该反应层由该硬钎料与该碳结构化学反应而成，该结合层由该硬钎料自身的组份反应而成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140924 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |