CN104668687B - 一种电触头的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电触头的焊接方法，即制备具有材料成分梯度的电触点，其中紧靠工作面的是银基电接触工作层、紧靠焊接面的是紫铜过渡层，以及在触桥表面开出多个槽孔，用铣刀对靠近焊接面处的槽孔进行锥度加工，并将电触点置于触桥底部，再将焊膏填入触桥槽孔底部，然后用激光熔焊方式将电触点和触桥连接在一起，经此加工，可获得比其它方法结合强度好、电性能优良的电触头，在工艺上节省了贵金属材料的消耗，具有显著的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于电触头焊接技术领域，具体来说，涉及的是一种电触头的焊接方法。
背景技术
电触头组件是各种断路器的核心部件。电触头组件中的电触点多为具有良好导电、导热性能的材料。电触点在使用时，常常要求与导电性能更好的铜(或铜合金)连成整体来应用。目前，电触头的连接方式有钎焊、整体液相烧结等。经钎焊连接的电触头，其界面结合强度和电导率均小于母材，焊后触桥(即铜尾端)退火软化，焊接界面成为电触头的薄弱环节，在使用中易发热，开焊脱落；而经钎焊而成的电触头，因受钎料层的制约，其电阻会急剧增加，易导致电触头在工作时温度过高而失效。
中国发明专利CN200610041964，提供了一种高压输变电触头的摩擦焊接方法，该专利技术通过采用摩擦焊接，无需采用钎料，但是由于该技术靠工件旋转实现，焊接非圆截面较困难，盘状工件及薄壁管件因不易夹持也很难焊接，适用范围有限，另外，该技术所用的摩擦焊机一次性投资费很大，仅适用于大批量生产。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种电触头的焊接方法，充分考虑了电触头焊接过程中多目标因素的影响，解决现有技术非圆截面难以焊接、焊后易开焊脱落、焊后电阻急剧增加的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电触头的焊接方法，包括如下步骤：
第一步，制备具有材料成分梯度的电触点，紧靠工作面的是银基电接触工作层，紧靠焊接面的是紫铜过渡层；
第二步，在电触头的触桥金属表面开出多个槽孔；
第三步，将电触点置于触桥下方，再将焊膏填入槽孔底部；
第四步，在保护气氛下采用激光束熔化焊膏，将电触点和触桥紧密连接起来。
优选的，所述制备出具有材料成分梯度的电触点，是指采用粉末冶金等方法制备具有双层材料成分梯度的电触点，即：紧靠工作面的材料是银基电接触材料层(Ag/SnO2等)、紧靠焊接面的材料是紫铜材料层。所述紫铜材料层厚度优选0.2～2.0mm。
优选的，所述在电触头的触桥金属表面开出多个槽孔，是指采用水切割方式等方法在电触头接触面处对触桥进行开槽加工，槽口宽度0.5～2mm，开槽轨迹为连续栅格型、螺旋型、连续‘U’型、连续近方型、‘S’型、‘V’型、‘M’型、或‘Z’型等形状，然后清理槽孔中残留物。
更优选的，用铣刀对经第二步加工的槽孔的槽口进行扫锥度加工，此步骤可使得熔焊的焊膏在毛细作用下深入槽孔的两侧，达到电触点与触桥之间无空气间隙的目的，槽孔的槽口边缘铣出的深度为0.1～0.8mm，并将合成好的电触点置于铜触桥下方。
优选的，所述将焊膏填入槽孔底部，是指：在开槽部位填充焊膏，焊膏中的金属粉体可以是紫铜粉末，也可以是合金焊粉，其余成分是有机载体和钎剂。焊膏沿开槽轨迹在电触点和触桥组件的空槽底部填入，填入的焊膏厚度为0.5～3mm。
优选的，当触桥材料为紫铜时，焊膏的配比：焊膏中紫铜的质量百分含量为60～95％(更优选范围为70～85％)，乙醇、丙三醇等有机载体的质量百分含量为5～35％，钎剂的为0～5％；触桥材料为铜合金时，焊膏的配比：焊膏中铜合金的质量百分含量为65～95％(更优选范围为70～85％)，而乙醇、丙三醇等有机载体的质量百分含量为5～30％，钎剂的为0～5％。该焊膏可有效提高复合粉体对激光的吸收率。
优选的，所述在保护气氛下采用激光束熔化焊膏，是指：在保护气氛下，从槽孔打入激光束，利用此激光束沿开槽轨迹熔焊槽孔底部的焊膏，实现电触点与触桥的紧密连接。所述激光束是指激光的能量聚集在0.1～0.3mm的一个点上。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：①本发明电触头的焊接无需钎料层，其电触头的激光熔焊部分为致密冶金结合，可获得比其它方法结合强度更好、电性能更优良的电触头，不会出现开焊脱落。②在工艺上节省了贵金属材料的消耗，具有显著的经济效益。
附图说明
图1为本发明一实施例激光熔焊CJ20-250型电触头槽孔底部的示意图；
图2为本发明一实施例激光熔焊CJ20-250型电触头槽孔剖面示意图，其中1表示激光，2表示触桥，3表示焊膏，4表示电触点；
图3为本发明一实施例铣刀加工槽孔时，槽孔的槽口边缘铣出的深度的示意图；
图4为本发明一实施例工作电流为250A的条件下电触头中焊接面等温线图；
图5为本发明一实施例激光熔焊CJ40-315-500型电触头槽孔底部的示意图；
图6为本发明一实施例工作电流为315A的条件下电触头中焊接面等温线图；其中(a)为激光熔焊法，(b)为常规钎焊方法；
图7为本发明一实施例激光熔焊CJX2-6511型电触头槽孔底部的示意图；
图8为本发明一实施例工作电流为65A的条件下电触头中焊接面等温线图，其中(a)为激光熔焊法，(b)为常规钎焊方法。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：采用本发明所述方法对CJ20-250型电触头进行加工，包括以下步骤：
步骤1，采用粉末冶金法制备包含双层材料的电触点，紧靠工作面的材料是Ag/SnO2银基电接触材料层，紧靠焊接面的是0.4mm紫铜材料层，见图1。当然，在其他实施例中也可以采用其他现有方法来制备包含双层材料的电触点。
步骤2，采用水切割方式在CJ20-250型电触头的触桥上开出宽1mm的连续栅格槽孔，见图1，图2。当然，在其他实施例中也可以采用其他现有方法来开槽孔。
步骤3，用铣刀对经步骤2加工的槽口进行扫锥度加工，槽孔的槽口边缘铣出的深度为0.3mm，见图3，并将合成好的电触点置于铜触桥下方。
步骤4，选用紫铜粉末作为填充主材料，然后将紫铜粉末与丙三醇、钎剂QJ102按常规方法均匀混合制成焊膏(焊膏的配比：紫铜的质量百分含量为84.0％，丙三醇的质量百分含量为13.7％，钎剂QJ102的质量百分含量为2.3％)，该焊膏可有效提高复合粉体对激光的吸收率，接着沿开槽轨迹在电触点和触桥组件的空槽底部填入，焊膏厚度为2mm。
步骤5，在保护气氛下，从槽孔打入激光束，利用此激光束沿着开槽轨迹熔焊槽孔底部的焊膏，实现电触点与触桥的紧密连接，该激光束指激光的能量聚集在0.1mm的一个点上。
采用有限元方法数值分析该电触头处于250A的工作电流下的温升情况。从仿真结果看出，按常规钎焊而成的CJ20-250型电触头稳定工作时最高温度为359.9K，温升为61.9K，而利用红外线测温仪进行测试，可得到电触头稳定工作时的温升为58.2K，仿真与实验结果一致，因此采用有限元方法进行电接触稳态热分析的方法是可信的。
经计算，该电触头处于工作状态下焊接面的温度场分布情况见图4，如图4所示：左半部分为采用本发明所述方法加工而成的CJ20-250型电触头中焊接面等温线图，右半部分为采用常规钎焊方法、添加Ag50CuZn钎料钎焊而成的CJ20-250型电触头中焊接面等温线图，图中温度单位为K。
与采用常规钎焊方法、添加Ag50CuZn钎料加工而成的电触头在同样工作环境下的温度场分布相似，温度值差异为1.1％，说明本发明所述焊接方法不会造成电导率的急剧降低。机械加工成产品待用。
实施例2：采用本发明所述方法对CJ40-315-500型电触头进行加工，包括以下步骤：
步骤1，采用粉末冶金法制备包含两层材料的电触点，紧靠工作面的材料是Ag/ZnO2银基电接触材料层、紧靠焊接面的材料是0.6mm紫铜材料层，见图5。
步骤2，采用水切割方式在CJ40-315-500型电触头的触桥上开出0.4mm宽的螺旋型槽孔，见图5。
步骤3，用铣刀对经步骤2加工的槽口进行扫锥度加工，槽孔的槽口边缘铣出的深度为0.4mm，并将合成好的电触点置于铜触桥下方。
步骤4，在开槽部位填充焊膏：选用紫铜粉末作为填充主材料，然后将紫铜粉末与乙醇、钎剂按常规方法均匀混合制成焊膏(焊膏的配比：紫铜的质量百分含量为71.7％，乙醇的质量百分含量为26.4％，钎剂的质量百分含量为1.9％)，接着沿开槽轨迹在电触点和触桥组件的空槽底部填入，焊膏厚度为1mm。
步骤5，在保护气氛下，从槽孔打入激光束，并利用此激光束沿着开槽轨迹熔焊槽孔底部的焊膏，实现电触点与触桥的紧密连接，该激光束指激光的能量聚集在0.2mm的一个点上。
采用有限元方法数值分析该电触头处于315A的工作电流下的温升情况，经计算，该电触头处于工作状态下焊接面的温度场分布情况见图6，如图6所示：左半部分为采用本发明所述方法加工而成的CJ40-315-500型电触头中焊接面等温线图，右半部分为采用常规钎焊方法、添加Ag25CuZn钎料钎焊而成的CJ40-315-500型电触头中焊接面等温线图，图中温度单位为K。
与采用常规钎焊方法、添加Ag25CuZn钎料加工而成的电触头在同样工作环境下的温度场分布相似，温度值差异为5.6％，且本发明所加工电触头的工作温度更低，说明本发明所述焊接方法不会造成电导率的急剧降低。机械加工成产品待用。
实施例3：采用本发明所述方法对CJX2-6511型电触头进行加工，包括以下步骤：
步骤1，采用粉末冶金法制备包含两层材料的电触点，紧靠工作面的材料是Ag/SnO2银基电接触材料层、紧靠焊接而的材料是0.5mm铜合金材料层，见图7。
步骤2，采用水切割方式在CJX2-6511型电触头的触桥上开出0.8mm宽的连续‘U’型槽孔，见图7。
步骤3，用铣刀对经步骤2加工的槽口进行扫锥度加工，槽孔的槽口边缘铣出的深度为0.35mm，并将合成好的电触点置于铜触桥下方。
步骤4，在开槽部位填充焊膏：选用铜合金粉末作为填充主材料，然后将铜合金粉末与丙三醇、钎剂按常规方法均匀混合制成焊膏(焊膏的配比：铜合金的质量百分含量为93.5％，丙三醇的质量百分含量为5.6％，钎剂的质量百分含量为0.9％)，接着沿开槽轨迹在电触点和触桥组件的空槽底部填入，焊膏厚度为0.8mm。
步骤5，在保护气氛下，从槽孔打入激光束，并利用激光束沿着开槽轨迹熔焊槽孔底部的焊膏，实现电触点与触桥的紧密连接，该激光束指激光的能量聚集在0.2mm的一个点上。
采用有限元方法模拟该电触头处于65A工作电流下的工况。经计算，该电触头处于工作状态下焊接面的温度场分布情况见图8，如图8所示，左半部分为采用本发明所述方法加工而成的CJX2-6511型电触头中焊接面等温线图，右半部分为采用常规钎焊方法、添加Ag25CuZn钎料钎焊而成的CJX2-6511型电触头中焊接面等温线图，图中温度单位为K。
与采用常规钎焊方法、添加Ag25CuZn钎料加工而成的电触头在同样工作环境下的温度场分布相似，温度值差异为2.2％，这说明本发明所述焊接方法不会造成电导率的急剧降低，最后机械加工成产品待用。
实施例4：采用本发明所述方法对CJX2-6511型电触头进行加工，不同于实施例3之处在于：步骤4，在开槽部位填充焊膏：选用紫铜粉末作为填充主材料，然后将紫铜粉末与丙三醇、钎剂按常规方法均匀混合制成焊膏(焊膏的配比：紫铜的质量百分含量为62.0％，丙三醇的质量百分含量为33.5％，钎剂的质量百分含量为4.5％。本实施例所述焊接方法不会造成电导率的急剧降低。
实施例5：采用本发明所述方法对CJX2-6511型电触头进行加工，不同于实施例3之处在于：步骤4，在开槽部位填充焊膏：选用铜合金作为填充主材料，然后将铜合金与乙醇、钎剂按常规方法均匀混合制成焊膏(焊膏中铜合金的质量百分含量为70％，而乙醇的质量百分含量为25％，钎剂的为5％。本实施例所述焊接方法不会造成电导率的急剧降低。
应当理解的是，以上实施例中涉及的各个参数均可以在本发明范围内进行调整，比如焊膏中紫铜的质量百分含量可以在60～95％中任意选择；或焊膏中铜合金的质量百分含量可以在为65～95％任意选择等等，又如有机载体、钎剂可以采用现有技术中的其他物质，并不局限于上述实施例中的记载；这对于本领域技术人员来说，在本发明说明书的记载的基础上很容易实现的，因此不再赘述。
以上所述仅为本发明的部分实施例而已，并非对本发明的技术范围做任何限制，凡在本发明的精神和原则之内做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电触头的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，制备具有材料成分梯度的电触点，紧靠工作面的是银基电接触工作层，紧靠焊接面的是紫铜过渡层；
第二步，在电触头的触桥金属表面开出多个槽孔；
所述在电触头的触桥金属表面开出多个槽孔，是指在电触头接触面处对触桥进行开槽加工，槽口宽度0.3～2mm，然后清理槽孔中残留物；
用铣刀对经第二步加工的槽孔的槽口进行锥度加工，使得熔焊的焊膏在毛细作用下深入槽孔的两侧，达到电触点与触桥之间无空气间隙的目的；
第三步，将电触点置于触桥下方，再在开槽部位填充焊膏；
第四步，在保护气氛下采用激光束熔化焊膏，将电触点和触桥紧密连接起来。
2.根据权利要求1所述的电触头的焊接方法，其特征在于：所述制备出具有材料成分梯度的电触点，是指制备具有双层材料成分梯度的电触点：紧靠工作面的材料是银基电接触材料层、紧靠焊接面的材料是0.2～2.0mm紫铜材料层。
3.根据权利要求1所述的电触头的焊接方法，其特征在于：所述开槽轨迹为连续栅格型、螺旋型、连续‘U’型、‘S’型、‘V’型、‘M’型、‘Z’型、或近方型形状。
4.根据权利要求1所述的电触头的焊接方法，其特征在于：槽孔的槽口边缘铣出的深度为0.1～0.8mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的电触头的焊接方法，其特征在于：所述在开槽部位填充焊膏，其中焊膏中的金属粉体是紫铜粉末或合金焊粉，其余成分是有机载体和钎剂，沿开槽轨迹在电触点和触桥组件的空槽底部填入。
6.根据权利要求5所述的电触头的焊接方法，其特征在于：当触桥材料为紫铜时，焊膏的配比：焊膏中紫铜的质量百分含量为60～95％，有机载体的质量百分含量为5～35％，钎剂的质量百分含量0～5％；当触桥材料为铜合金时，焊膏的配比：焊膏中铜合金的质量百分含量为65～95％，而有机载体的质量百分含量为5～30％，钎剂的质量百分含量为0～5％。
7.根据权利要求5所述的电触头的焊接方法，其特征在于：填入空槽底部 的所述焊膏的厚度为0.5～3mm。
8.根据权利要求1-4任一项所述的电触头的焊接方法，其特征在于：所述在保护气氛下采用激光束熔化焊膏，是指：在保护气氛下，从槽孔打入激光束，利用此激光束沿开槽轨迹熔焊槽孔底部的焊膏，实现电触点与触桥的无缝连接。
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