EA020970B1

EA020970B1 - Способ изготовления токосъемника для опорной шины и опорная шина

Info

Publication number: EA020970B1
Application number: EA201100131A
Authority: EA
Inventors: Нико Хагнер
Original assignee: Валвас Оу
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2015-03-31
Also published as: EP2304081A4; CA2729797C; JP5296870B2; US8303793B2; JP2011526650A; EA201100131A1; AU2009265569A1; MX2011000167A; KR20110036926A; US20110180400A1; AU2009265569B2; FI20085686A; CN102084035A; FI121814B; CA2729797A1; WO2010000930A1; KR101638031B1; EP2304081B1; FI20085686A0; EP2304081A1

Abstract

Настоящее изобретение относится к способу изготовления токосъемника (6а, 6b) для опорной шины, выполненного из серебра, обладающего контактной поверхностью с очень высокой электропроводностью в алюминиевой опорной шине (1), используемой в электролизной ванне. Для того чтобы просто, быстро и недорого изготовить опорную шину (1) и токосъемник (6а, 6b), способ включает а) нагревание первого конца опорной шины, подачу на нее припоя, содержащего вещество, имеющее высокое сродство к кислороду, после превышения алюминиевой поверхностью температуры плавления припоя указанный припой в расплавленном состоянии растекается по верхней поверхности, б) разрушение слоя окиси алюминия между алюминием и расплавленным припоем посредством механического воздействия таким образом, что кислород высвобождается из слоя окиси алюминия и взаимодействует с веществом припоя, имеющим высокое сродство к кислороду и образующим совместно с указанным веществом слой окисла на поверхности расплавленного припоя, и в) размещение токосъемника наверху припоя, который затвердевает, при этом токосъемник закрепляется на месте в затвердевшем припое. Изобретение также относится к опорной шине (1).

Description

Настоящее изобретение относится к способу изготовления токосъемника, выполненного из серебра или сплава на основе серебра и обладающего высокой электропроводностью контактной поверхности на первом конце алюминиевой опорной шины, при этом указанная опорная шина посредством токосъемника опирается на общую шину, используемую в электролизной ванне.

Настоящее изобретение также относится к алюминиевой опорной шине, используемой в электролизе, первый конец которой содержит токосъемник из серебра или сплава на основе серебра, обладающий контактной поверхностью с очень высокой электропроводностью, указанная опорная шина посредством токосъемника опирается на общую шину, которая используется в электролизной ванне.

Из патента Финляндии 114926 известен способ, в котором токосъемник из серебра или сплава на основе серебра выполняют на конце опорной шины путем покрытия посредством термального напыления. Токосъемник образует металлургическое соединение с алюминием. Покрытие термальным напылением требует высококвалифицированного персонала. Кроме того, конечный результат не слишком хорош в отношении электропроводности и прочности, так как на практике весьма трудно достичь хорошего металлургического соединения алюминия с серебром с высокой электропроводностью. Перед покрытием покрываемые материалы должны быть очищены от слоя окислов, например, посредством пескоструйной обработки или посредством зачистки щеткой, так как иначе невозможно получить надежное соединение/контакт при осуществлении напыления. Зачистка поверхности довольно трудоемка и не всегда обеспечивает удовлетворительный конечный результат. После покрытия осуществлется кратковременная термическая обработка для упрочнения указанного соединения. Естественно, указанная термическая обработка повышает трудоемкость. В патенте Финляндии 114926 также описано, как алюминиевую шину сначала покрывают медью, после чего окончательное покрытие выполняют с помощью серебра или сплава на основе серебра. Эта последняя операция достаточно сложна.

Из патента Финляндии 114927 известен способ, в котором токосъемник из серебра или сплава на основе серебра выполняют на конце опорной шины при помощи покрытия, причем указанное покрытие выполняют поверх медного контактного участка, выполненного на конце опорной шины, и используют промежуточный слой, который образует металлургическое соединение с указанным медным контактом посредством термального напыления. Промежуточный слой выполняют из олова или сплава на основе олова, и он скрепляется с контактом посредством пайки. Токосъемник размещают поверх промежуточного слоя или посредством пайки или посредством термального напыления. Процесс прикрепления медного контакта к алюминиевой шине увеличивает себестоимость изготовления опорной шины. Покрытие токосъемника термальным напылением требует высококвалифицированного персонала.

Из публикации νΟ 2006/117425 известен способ крепления серебряного контакта к алюминиевой опорной шине и далее к токосъемнику. Целью указанного способа является проведение эвтектической реакции между серебряным контактом и алюминием. Крепление серебряного контакта с нижерасположенной алюминиевой поверхностью затруднено. Алюминиевую шину необходимо нагреть в несколько стадий, а после нагрева и перед прикреплением к ней серебряного контакта с нее должен быть удален слой окислов. Удаление слоя окислов, т.е. зачистка, проводится, например, абразивами. Для регулирования реакции окисления целесообразно проводить нагревание в восстановительной среде, создание которой, естественно, включает специальные меры по сравнению с процессом нагревания в окружающем воздухе. Также, при достаточно узком диапазоне температуры нагрева опорной шины, для проведения нагревания требуется участие высококвалифицированного персонала. Кроме того, серебряный контакт необходимо прижать к нагретой алюминиевой поверхности под определенным давлением для достижения соединения. Целесообразно прижатие выполнять точечно и циклично повторять. Такая операция, в целом, требует высококвалифицированного персонала и занимает много времени.

Краткое описание изобретения

Целью настоящего изобретения является создание способа, который исключает вышеперечисленные недостатки, присущие известному уровню техники, или, по крайней мере, существенно их упрощает, и который позволяет просто, быстро и экономично изготавливать опорную шину с соответствующим токосъемником.

Способ согласно настоящему изобретению отличается тем, что

а) нагревают первый конец опорной шины, имеющей алюминиевую поверхность, с припоем, содержащим вещество, имеющее высокое сродство к кислороду после превышения алюминиевой поверхностью температуры плавления припоя, причем припой в расплавленном состоянии растекается по верхней области поверхности на желаемом протяжении таким образом, чтобы указанная поверхность была покрыта припоем в расплавленном состоянии,

б) разрушают слой окиси алюминия между алюминием и расплавленным припоем посредством механического воздействия таким образом, что кислород высвобождается из слоя окиси алюминия и взаимодействует с веществом припоя, имеющим высокое сродство к кислороду и образующим совместно с указанным веществом слой окисла на поверхности расплавленного припоя, и

в) размещают наверху припоя, который находится на указанной поверхности, токосъемник, выполненный из серебра или сплава на основе серебра, позволяют припою затвердеть, при этом токосъемник

- 1 020970 закрепляется на месте в затвердевшем припое.

Вещество, имеющее высокое сродство к кислороду, т.е. склонность к вступлению в реакцию с кислородом, должно иметь более высокое сродство к кислороду, чем алюминий.

Предпочтительно используют припой на основе цинка с содержанием цинка от 85 до 98 вес.% и содержанием алюминия от 1 до 10 вес.%. Припой также предпочтительно содержит от 0,1 до 6 вес.% меди. Возможна замена меди серебром. Предпочтительно, чтобы веществом с высокой предрасположенностью к кислороду был магний, т.к. при осуществлении реакции магния с кислородом выделяется большое количество тепла, которое вызывает плавление алюминия, при этом образуется плотное и прочное соединение между припоем и алюминием, который также обладает высокой электропроводностью. Образующаяся при этом окись магния поднимается на поверхность припоя.

Предпочтительные варианты воплощения способа согласно настоящему изобретению раскрыты в пунктах со 2 по 11 приложенной формулы изобретения.

Наиболее важными преимуществами способа согласно настоящему изобретению является то, что опорная шина и токосъемник выполняются с контактной поверхностью, обладающей высокой электропроводностью, просто и быстро. Данный способ достаточно прост и его может успешно осуществить любой исполнитель без специальной подготовки. Данный способ может быть внедрен с малыми затратами.

Опорная шина, согласно данному изобретению отличается тем, что между токосъемником и опорной шиной установлен припой из цинка, который выполнен с возможностью скрепления токосъемника с опорной шиной. Предпочтительно, чтобы сплав расплавлялся на алюминии.

Предпочтительно, чтобы токосъемник представлял собой пластинку из серебра или сплава на основе серебра толщиной от 0,4 до 2,2 мм. Предпочтительные варианты воплощения опорной шины согласно настоящему изобретению раскрыты в пунктах с 13 по 15 приложенной формулы изобретения.

Наиболее существенными преимуществами опорной шины согласно настоящему изобретению является то, что она обладает высокой электропроводностью и прочностью при работе с ней, и одновременно ее внедрение весьма недорого.

Краткое описание чертежей

Изобретение более подробно описано ниже со ссылками на приложенные чертежи, где фиг. 1 - вид опорной шины известного уровня техники, фиг. 2-4 иллюстрируют крепление токосъемника на конце опорной шины, фиг. 5 - вид готовой опорной шины, фиг. 6 иллюстрирует другое крепление токосъемника, и фиг. 7 - вид опорной шины, опирающейся сверху на общую шину.

Подробное описание изобретения

На фиг. 1 показана опорная шина 1' известного уровня техники. Первый конец 2', выполненный из алюминия, снабжен медным контактом 3'. Медный контакт 3' скреплен с алюминиевой опорной шиной 1' посредством сварки трением. Контакт 3' образует выемку 4' в опорной шине 1'. Когда опорная шина 1' по фиг. 1 используется в электролизе с цинком, алюминиевая катодная пластина (не показана) прикрепляется к опорной шине (катодной шине), и катодная пластина, удерживаемая своей опорной шиной, опускается в электролизную ванну (не показана) таким образом, чтобы контакт 3' опорной шины разместился сверху общей шины (позиция 8 на фиг. 7), которая выполнена на краях электролизной ванны таким образом, чтобы общая шина разместилась в выемке 4', а второй конец опорной шины разместился сверху изолятора (не показан). Контакт 3' образует токосъемник опорной шины. Контакт контакта 3' с общей шиной, имеющей скос, образован двумя линиями.

Фиг. 2-4 иллюстрируют процесс изготовления опорной шины 1 согласно настоящему изобретению, показанной на фиг. 5, а также изготовление ее токосъемника 3.

На фиг. 2 показана алюминиевая опорная шина 1 в форме, которую можно назвать заготовкой (пустой), т.к. она не содержит токосъемника. Первый конец 2 заготовки снабжен выемкой 4, в которую устанавливается токосъемник с помощью двух наклонных поверхностей 5а, 5Ь выемки заготовки, а также небольшие серебряные пластинки 6а, 6Ь с высокой электропроводностью или небольшие пластинки с высокой электропроводностью из сплава на основе серебра, указанные пластинки можно назвать также листами. Последние на фиг. 2 показаны отдельно от опорной шины 1, а на фиг. 5 они показаны установленными на место. Толщина пластинок 6а, 6Ь составляет предпочтительно от 0,4 до 2,2 мм и наиболее предпочтительно от 0,5 до 2 мм.

На фиг. 3 позиция 7 обозначает пруток припоя, применение которого будет объяснено ниже.

Пруток припоя 7 представляет собой сплав на основе цинка с содержанием цинка от 80 до 98 вес.%, содержанием алюминия от 1 до 20 вес.% и содержанием меди от 0,1 до 6 вес.%. Дополнительно пруток припоя содержит небольшое количество марганца и магния. В качестве припоя можно использовать широко доступный припой, поставляемый фирмой ТесЬио \Уей ЬЙ (адрес: Άδΐοη ХУогкх, \Уе51 Εηά, Άδΐοη, ОхГогйхПге 0X18 2ΝΡ, Огеа! ΒπΙαίη). Припой продается в форме прутков (называемых прутки Тесйпо \Уей). Возможна замена меди, содержащейся в прутках, серебром. Как альтернатива продукции фирмы Тесйпо ^ей можно использовать продукцию фирмы №ν Тесйпо1оду Ргобис18 (адрес: 1330 Рох! Оак Βίνά., 8ш1е 1600, Нои51оп, Техах 77056-3017, И8Л) в форме проволоки под коммерческим названием НТ8-2000, причем следует пользоваться инструкциями, прилагаемыми к каждому продукту. Содержание

- 2 020970 цинка в указанной проволоке составляет 80 вес.%, содержание алюминия составляет 16 вес.%, содержание меди составляет 3 весовых процента. Дополнительно указанная проволока содержит небольшое количество магния, содержание магния может составлять, например, 0,2 весовых процента. Предположительно предпочтительно содержание цинка в указанной проволоке составляет от 80 до 90 вес.%, содержание алюминия составляет от 1 до 20 вес.%.

Пластинки 6а, 6Ь закреплены в выемке 4 сначала путем нагрева первого конца опорной шины 1 (пока еще заготовки по фиг. 2) до температуры около 450°С. Благодаря тому, что опорная шина выполнена из алюминия, а алюминий охотно вступает в реакцию с окружающим кислородом, то поверхность опорной шины, включая пятно на выемке 4, становится окисью алюминия. Известно, что очень трудно соединить другие металлы с окисью алюминия. Тем не менее в способе, согласно настоящему изобретению выемку на опорной шине 1 не нужно зачищать от окислов. Температура нагрева не критична, она предпочтительно находится в диапазоне от 370 до 550°С, но она также может быть в пределах от 300 до 600°С. Если диапазон температуры выходит за пределы от 260 до 620°С, то можно ожидать, что желаемый результат не будет достигнут. Опасность нагрева до очень высокой температуры заключается в том, что алюминиевая шина расплавится (точка плавления алюминия составляет примерно 660°С). Температура нагрева может предпочтительно сопровождаться измерением температуры поверхности конца 2. Однако, нет необходимости в измерении температуры, если известно поведение проволоки припоя 7 на поверхности нагретого конца 2 опорной шины. Предпочтительно нагревание проводится газовым пламенем (пропановой, бутановой или ацетиленовой горелкой), в этом случае трубка 10 горелки продолжает движение, чтобы не вызвать слишком высокий локальный разогрев. Также целесообразно проводить нагрев способами электромагнитной индукции или электрического сопротивления. Недостатком нагрева с помощью электромагнитной индукции является то, что алюминий плавится довольно быстро. В свою очередь, нагрев с помощью электрического сопротивления происходит медленно. Однако, нагрев с помощью электромагнитной индукции и электрического сопротивления может быть использован в качестве так называемого основного нагрева. Целью основного нагрева является обеспечение предварительного нагрева, который ускоряет изготовление опорных шин, когда объемы производства велики: нагрев опорных шин до рабочей температуры с помощью пламени, предварительно разогретых электричеством, требует малого времени. После того как токосъемник прикреплен к только что изготовленной опорной шине, процесс переходит к соединению следующей опорной шины с токосъемником, которая уже предварительно нагрета.

Периодично проволоку припоя 7 располагают напротив разогретой поверхности и проверяют, как он прикрепился к материалу, расположенному под ним. После того как температура повысилась достаточно высоко для расплавления проволоки, разогретой материалом, расположенным под ней, расплавленный припой растекается по наклонным поверхностям 5а, 5Ь выемки, слегка передвигая проволоку припоя по наклонным поверхностям, в то время как припой растекается по наклонным поверхностям 5а, 5Ь. Нужно отметить, что припой 7 должен расплавиться материалом, расположенным под ним, а не от нагрева трубкой горелки 10.

После этого расплавленную металлическую поверхность зачищают щеткой из нержавеющей стали или латуни. Процесс зачистки весьма кратковременен и прост. Обычно достаточно зачистки в течение 2 или 3 с. Благодаря зачистке слой окисла алюминия под припоем разрушается и он преобразуется в алюминий и кислород. Магний вступает в реакцию с кислородом более охотно, чем алюминий, поэтому можно утверждать, что указанный магний лишает алюминий кислорода. Это важно для того, чтобы удалить кислород из алюминия. Когда магний вступает в реакцию с кислородом, происходит экзотермическая реакция, при которой выделяется тепло. Благодаря выделенному теплу локально растет температура выше точки плавления алюминия, в результате чего припой хорошо прилипает к нижележащей алюминиевой поверхности. Плотность окиси магния очень низкая по сравнению с плотностью припоя, поэтому он поднимается к поверхности припоя, что приводит к образованию очень хорошего соединения между припоем и нижележащим алюминием. Предпочтительно припой содержит по крайней мере 0,01 вес.% магния, причем предпочтительная величина составляет от 0,05 до 0,3 вес.%. Вместо магния возможно использовать какое-либо другое вещество, имеющее более высокое сродство к кислороду, выше, чем предрасположенность алюминия, и оно образует окисел, чья плотность ниже плотности припоя, для того, чтобы он поднимался к поверхности припоя. Вместо вышеуказанной зачистки щеткой можно использовать другой механический способ зачистки, такой как обдирка. Пока припой находится в расплавленном состоянии, серебряные пластинки 6а, 6Ь размещают поверх него, при этом серебряные пластинки 6а, 6Ь немедленно соединяются с расплавленным припоем и создают с ним жесткое соединение по мере затвердевания припоя, как показано на фиг. 5, где серебряные пластинки размещены на своих местах. После того как припой затвердеет, образуется жесткое соединение с высокой электропроводностью. Целесообразно, чтобы на серебряные пластинки 6а, 6Ь заранее наносилось покрытие припоем до того, как их размещают на припое, который находится поверх алюминия. Если вместо серебряных пластинок используются пластинки из сплава на основе серебра, то этот серебряный сплав содержит небольшое количество меди. Количество меди может составлять, например, 5 вес.% и может варьироваться, например, в пределах от 1 до 10 вес.%. Благодаря меди механическая прочность пластинок 6а, 6Ь выше, чем пластинок

- 3 020970 из чистого серебра. С другой стороны, медь в пластинках 6а, 6Ь несколько снижает коррозионную стойкость и электропроводность контактной поверхности и токосъемника.

Настоящее изобретение описано выше на примерах, следовательно, оно может быть воплощено различным образом в объеме формулы изобретения. Таким образом, не обязательно использовать пластинки из серебра или сплава на основе серебра, но возможно, чтобы вместо них использовался токосъемник с нанесенным на припой термическим распылением серебра или сплава на основе серебра, при этом припой должен затвердеть перед распылением. Процесс распыления показан на фиг. 6. В указанном случае вместо пластинок из серебра или сплава на основе серебра используется токосъемник, верхняя поверхность которого обрабатывается распылением. Термическое распыление может осуществляться, например, с помощью технологии, основанной на использовании газовой горелки. При высокоскоростном кислородно-горючем распылении материал покрытия (серебро или сплав на основе серебра) подают в форме порошка посредством несущего газа через распылительный пистолет 9. Материал покрытия расплавляется в камере сгорания распылительного пистолета, при этом распыляемое покрытие подается в расплавленном состоянии к поверхности, на которую оно наносится. При стандартном распылении горелкой по мере горения смесь из горючего газа и кислорода расплавляет материал покрытия, который изначально находится в форме порошка или проволоки. Расплавленный материал покрытия направляется на свою цель посредством сжатого воздуха. Процесс термического распыления не рассматривается здесь подробно, так как указанный способ известен как таковой специалисту в данной области. Недостатком термического распыления по сравнению с использованием пластинок из серебра или сплава на основе серебра является то, что при термическом распылении очень трудно достичь хорошего конечного результата. Преимуществом термического распыления является то, что его можно использовать для нанесения покрытия на поверхности практически любой геометрической формы.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ изготовления токосъемника для опорной шины (6а, 6Ь), выполненного из серебра или сплава на основе серебра, обладающего высокой электропроводностью контактной поверхности на первом конце (2) алюминиевой опорной шины (1), при этом указанная опорная шина посредством токосъемника опирается на общую шину (8), используемую в электролизной ванне, отличающийся тем, что:

а) нагревают первый конец (2) опорной шины (1), имеющей алюминиевую поверхность, подают на нагретую алюминиевую поверхность припой (7) на основе цинка, содержащий вещество, имеющее высокое сродство к кислороду, после превышения алюминиевой поверхностью температуры плавления припоя указанный припой (7) в расплавленном состоянии растекается по верхней поверхности на желаемой площади таким образом, чтобы указанная поверхность была покрыта припоем в расплавленном состоянии,

б) разрушают слой окиси алюминия между алюминием и расплавленным припоем посредством механического воздействия таким образом, что кислород высвобождается из слоя окиси алюминия и взаимодействует с веществом припоя (7), имеющим высокое сродство к кислороду и образующим совместно с указанным веществом слой окисла на поверхности расплавленного припоя, и

в) размещают токосъемник (6а, 6Ь), выполненный из серебра или сплава на основе серебра, наверху припоя (7), который находится на указанной площади поверхности, и позволяют припою затвердеть, при этом токосъемник закрепляется на месте в затвердевшем припое.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют припой (7) на основе цинка с содержанием цинка от 85 до 98 вес.% и содержанием алюминия от 1 до 10 вес.%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют припой (7) на основе цинка с содержанием цинка от 80 до 98 вес.%, содержанием алюминия от 1 до 20 вес.% и содержанием меди от 0,1 до 6 вес.%.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что используют припой (7), в котором веществом, имеющим высокое сродство к кислороду, является магний.
5. Способ по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что используют припой (7), содержащий марганец.
6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что первый конец (2) опорной шины (1), имеющей алюминиевую поверхность, нагревают на этапе а) до температуры от 370 до 550°С.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что разрушают слой окиси алюминия между алюминием и припоем (7) посредством зачистки щеткой.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что размещают токосъемник (6а, 6Ь) на поверхности, обработанной припоем (7), когда припой находится в расплавленном состоянии.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве токосъемника (6а, 6Ь) используют пластинку из серебра или сплава на основе серебра толщиной от 0,4 до 2,2 мм.
10. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что токосъемник (6а, 6Ь) размещают на поверхности, обработанной припоем (7), посредством термического напыления.
11. Алюминиевая опорная шина (1), первый конец (2) которой содержит токосъемник (6а, 6Ь), выполненный из серебра или сплава на основе серебра, с контактной поверхностью, обладающей высокой

- 4 020970 электропроводностью, при этом опорная шина посредством токосъемника опирается на общую шину (8), используемую в электролизной ванне, отличающаяся тем, что между токосъемником (6а , 6Ь) и опорной шиной (1) для их скрепления между собой размещен припой из цинка, содержащий вещество, имеющее высокое сродство к кислороду.
12. Опорная шина по п.11, отличающаяся тем, что содержание цинка в припое составляет от 80 до 98 вес.%, а содержание алюминия составляет от 1 до 20 вес.%.
13. Опорная шина по п.12, отличающаяся тем, что припой содержит магний.
14. Опорная шина по п.11, отличающаяся тем, что токосъемник (6а, 6Ь) выполнен в виде пластинки из серебра или сплава на основе серебра толщиной от 0,4 до 2,2 мм.