PL202272B1 - Sposób wytwarzania złącza elektroprzewodzącego - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania z lacza elektroprze- wodz acego do laczenia szyn przewodz acych wykonanych z miedzi lub stopu miedzi, w któ- rym to sposobie mi edzy elementy szyn przewo- dz acych, które maj a by c laczone, nak lada si e czynnik lutowniczy, po czym podgrzewa si e co najmniej obszar laczenia tak, aby utworzy c z lacze, znamienny tym, ze jako czynnik lutow- niczy stosuje si e warstwow a foli e czynnika lu- towniczego (3), sk ladaj ac a si e z warstw po- wierzchniowych (4, 6) utworzonych z cyny Sn lub innego metalu, który dobrze rozpuszcza si e w miedzi i ma nisk a temperatur e topnienia oraz z umieszczonej mi edzy nimi warstwy po- sredniej (5) maj acej sk lad mieszaniny eutek- tycznej z miedzi a, a obszar po laczenia poddaje sie obróbce termicznej tak, ze tworzy si e z lacze dyfuzyjne. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania złącza elektroprzewodzącego.

W instalacjach wymagają cych wysokich mocy elektrycznych, stosowanymi przewodami zasilania są zwykle szyny przewodzące wykonane z miedzi lub stopu miedzi. Szyny przewodzące są długie i zwykle zawierają złącza zaciskowe utworzone za pomocą elementów mocujących, takich jak śruby. Zwykle złącza te są złączami na zakładkę, a przez łączone elementy przewierca się co najmniej jeden otwór w kierunku poprzecznym. Otwory są tak rozmieszczone, że pasują do siebie i do nich wkłada się element mocujący, taki jak śruba, którą się dokręca za pomocą nakrętki tak, aby powierzchnie łączonych elementów zostały do siebie dociśnięte. Przy zastosowaniu połączenia śrubowego, przewodzenie prądu elektrycznego zależy od styku mechanicznego między łączonymi elementami. Skuteczne i bezpieczne przewodzenie energii jest zapewnione jedynie wtedy, gdy połączenie mechaniczne jest w porządku. Złącza zaciskowe zwykle z czasem utleniają się, a wtedy w połączeniach wytwarzają się rezystancje przenoszenia, które zużywają niepotrzebnie duże ilości energii elektrycznej. Urządzeniami zużywającymi potężne ilości energii elektrycznej, na przykład w przemyśle metalurgicznym są, między innymi, elektrolizernie i elektryczne piece hutnicze. Z powodu zmniejszenia się zdolności elektroprzewodzących połączenia śrubowego oraz wytwarzania się rezystancji przenoszenia, powstają znaczące straty ekonomiczne dzięki zwiększonemu zużyciu energii. Ponadto, naprawa złącz, która musi być powtarzana co 10 lat, powoduje wzrost kosztów.

Celem wynalazku jest realizacja sposobu i złącza, dzięki którym można uniknąć wad znanych ze stanu techniki. Jeszcze jednym celem wynalazku jest realizacja sposobu, dzięki któremu możliwa byłaby, oprócz wykonywania nowych złącz, naprawa starych złącz.

Sposób wytwarzania złącza elektroprzewodzącego do łączenia szyn przewodzących wykonanych z miedzi lub ze stopu miedzi, w którym to sposobie między elementy szyn przewodzących, które mają być łączone, wkłada się czynnik lutowniczy, po czym podgrzewa się co najmniej obszar łączenia tak, aby utworzyć złącze, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że jako czynnik lutowniczy stosuje się warstwową folię czynnika lutowniczego, składającą się z warstw powierzchniowych utworzonych z cyny Sn lub innego metalu, który dobrze rozpuszcza się w miedzi i ma niską temperaturę topnienia oraz z umieszczonej między nimi warstwy pośredniej mającej skład mieszaniny eutektycznej z miedzią, a obszar połączenia poddaje się obróbce termicznej tak, żeby utworzyć złącze dyfuzyjne.

Korzystnie, warstwę pośrednią czynnika lutowniczego wybiera się z grupy zawierającej: mieszaninę srebra i miedzi Ag + Cu, mieszaninę aluminium i miedzi Al + Cu lub mieszaninę cyny i miedzi Sn + Cu.

Korzystnie, warstwa pośrednia czynnika lutowniczego zawiera w procentach wagowo 71% srebra Ag i 29% miedzi Cu.

Korzystnie, warstwa pośrednia czynnika lutowniczego składa się ze srebra Ag.

Korzystnie, warstwą pośrednią czynnika lutowniczego jest aluminium Al.

Korzystnie, warstwowa folia czynnika lutowniczego ma grubość od 10 do 500 μm, a bardziej korzystnie od 20 do 100 μm.

Korzystnie, warstwa pośrednia czynnika lutowniczego ma grubość od 10 do 100 μm, a warstwy powierzchniowe mają grubość od 1 do 20 μm.

Drugi wariant sposobu wytwarzania złącza elektroprzewodzącego do łączenia szyn przewodzących wykonanych z miedzi lub stopu miedzi, w którym to sposobie między elementy szyn przewodzących, które mają być łączone, wkłada się czynnik lutowniczy, po czym podgrzewa się co najmniej obszar połączenia, aby utworzyć złącze, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że przy naprawianiu złącza szyn przewodzących, wprowadza się element przewodzący, który omija naprawiane miejsce złącza tak, że pierwszy koniec elementu przewodzącego łączy się z pierwszą szyną przewodzącą naprawianego złącza, a drugi koniec tego elementu przewodzącego łączy się z drugą szyną przewodzącą naprawianego złącza, przy czym element przewodzący łączy się z obydwoma szynami przewodzącymi za pomocą złącz dyfuzyjnych, utworzonych przez umieszczenie, między łączonymi częściami, warstwowej folii czynnika lutowniczego, składającej się z warstw powierzchniowych utworzonych z cyny Sn lub innego metalu, który dobrze rozpuszcza się w miedzi i ma niską temperaturę topnienia oraz z umieszczonej między nimi warstwy pośredniej mającej skład mieszaniny eutektycznej z miedzią.

Korzystnym skutkiem stosowania rozwiązania według wynalazku jest uzyskanie niezwykle trwałych złącz, których zdolność przewodzenia energii elektrycznej pozostaje znakomita. Sposób według

PL 202 272 B1 wynalazku jest całkiem łatwo stosowany w różnych rozwiązaniach szyn przewodzących. Złącze wykonuje się szybko, a sposób może być stosowany w różnych stanach instalacji. Za pomocą sposobu według wynalazku, można łatwo zreperować istniejące już połączenia mechaniczne, które znajdują się w kiepskim stanie. Przez zastosowanie folii warstwowej jako czynnika lutowniczego, uzyskuje się bardzo korzystne wiązanie czynnika lutowniczego, który jest łatwy w stosowaniu. Gdy sposób według wynalazku zostaje zastosowany do naprawy starych połączeń, stare połączenie śrubowe pozostaje na miejscu, ale jest bocznikowane za pomocą elementu przewodzącego, który jest, na przykład przylutowany lutem twardym po obu stronach starego połączenia.

Gdy wymagane dla złącza dyfuzyjnego materiały łączące stosuje się dostatecznie cienkie i w zoptymalizowanych warstwach, możliwe jest uzyskanie za pomocą mechanizmów dyfuzji, nawet przy niskich temperaturach pracy, w strukturze złącza finalnego takich faz stałych, które maja temperaturę topnienia nawet setki stopni wyższą niż temperatura topnienia oryginalnego materiału połączenia. Zatem złącze jest w jakiś sposób samokorygującym się, ponieważ wytrzymuje ono wyższe temperatury niż wytrzymałyby czysty materiał złącza. Ciepło wymagane przez mechanizmy dyfuzji, między materiałem złącza a łączonymi obiektami, może być dostarczone do procesu za pomocą ogrzewania przez urządzenie grzewcze, na przykład palnik na ciekły gaz. Do ogrzewania obszaru łączenia możliwe jest także stosowanie innych odpowiednich urządzeń grzewczych, takich jak ogrzewanie indukcyjne. Na powierzchni folii czynnika lutowniczego i/lub co najmniej na powierzchniach łączonych, przed wykonaniem połączenia, nakłada się warstwę cyny Sn. Nałożenie cyny obniża temperaturę wymaganą do wykonania połączenia. Ponadto, unika się w ten sposób utleniania łączonych powierzchni i nie jest potrzebne żadne przygotowanie gazu osłonowego, podczas tworzenia połączenia. Aby zapoczątkować reakcje przemiany fazowej i aby osiągnąć optymalną strukturę w spoinie połączenia, wystarczy mieć warstwę cyny o grubości kilku mikrometrów jako warstwę powierzchniową czynnika lutowniczego, między warstwą centralną Ag + Cu a obiektem łączonym. Technika według sposobu nie dotyczy wyłącznie mieszanek Ag + Cu, możliwe jest tu zastosowanie nawet czystej folii Ag. Tworzenie połączenia zachodzi szybko w wyniku stopienia i dyfuzji materiału stałego i kolejnych reakcji przejścia fazowego, nawet w stosunkowo niskich temperaturach. Przez zastosowanie korzystnego przykładu wykonania sposobu według wynalazku, zostały stworzone czynniki lutownicze odporne na bardzo różne warunki utlenienia. W przypadku korozji występującej w warunkach roboczych, cyna w utworzonym złocie mozaikowym nie jest szkodliwa, ponieważ nie podlega ona zasiarczeniu w takim stopniu jak cynk i miedź. Co do srebra, które jest rozpuszczone w fazach spoiny połączenia, pomaga ono poprawić odporność na korozję złota mozaikowego. Stosując ten sposób uzyskano niezwykle dobre złącza, które utrzymują zdolność przewodzenia elektrycznego i bardzo dobrze nadają się do szyn przewodzących w instalacjach, które zużywają szczególnie dużo energii elektrycznej.

Sposób wytwarzania złącza elektroprzewodzącego, według wynalazku, został bliżej objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia złącze dyfuzyjne, w przekroju poprzecznym, przed obróbką cieplną, zaś fig. 2 przedstawia stare połączenie mechaniczne naprawione za pomocą złączy dyfuzyjnych, wykonanych sposobem według wynalazku.

Jak pokazano na fig. 1, pierwsza szyna przewodząca 1, zasadniczo wykonana z miedzi, jest połączona z drugą szyną przewodzącą 2, również wykonaną z miedzi. Według wynalazku, między powierzchnie połączenia szyn przewodzących, wprowadza się warstwową folię czynnika lutowniczego 3 o temperaturze topnienia, która jest niższa niż temperatura topnienia pierwszej i drugiej szyny przewodzącej 1, 2, a następnie podgrzewa się co najmniej obszar złącza przynajmniej do temperatury topnienia czynnika lutowniczego 3 lub do temperatury bliskiej tej temperaturze, po czym obszar połączenia ochładza się. Za pomocą sposobu według wynalazku uzyskuje się złącze dyfuzyjne. Temperatura może zostać podniesiona do opisanego wcześniej wysokiego poziomu tak, że w obszarze połączenia chwilowo powstaje faza stopiona. Zastosowanym czynnikiem lutowniczym jest warstwowa folia czynnika lutowniczego 3, która zawiera warstwy powierzchniowe 4, 6 oraz znajdującą się między nimi warstwę pośrednią 5. W sposobie według wynalazku obszar połączenia jest podgrzewany tak, że powstaje złącze dyfuzyjne.

Czynnik lutowniczy 3 jest łatwy w użyciu w postaci arkuszy, które są odpowiednio szerokie i mogą być przycięte na właściwą długość. Można je nakładać uprzednio dokładnie na żądane punkty w złączu, uzyskując niezwykle dobre złącza na całym obszarze powierzchni połączenia. Folia czynnika lutowniczego 3 jest umieszczana między pierwszą i drugą szyną przewodzącą 1, 2 w celu ich połączenia tak, że czynnik lutowniczy 3 z częściami łączonymi tworzy strukturę warstwową. W przypadku

PL 202 272 B1 z fig. 1, proporcje został y dobrane ze wzglę du na przejrzystość rysunku tak, ż eby folia czynnika lutowniczego 3 została przedstawiona jako znacznie grubsza niż w rzeczywistości.

Warstwa pośrednia 5 czynnika lutowniczego 3 została wybrana z grupy zawierającej: mieszaninę srebra i miedzi Ag + Cu, mieszaninę aluminium i miedzi Al + Cu lub mieszaninę cyny i miedzi Sn + Cu. Co się tyczy ich zachowania się podczas topnienia, składniki czynnika lutowniczego 3, korzystnie tworzą z miedzią mieszaniny eutektyczne. Przykładowo, w przypadku czynnika lutowniczego 3 ze srebra i miedzi, mieszanina eutektyczna zawiera w procentach wagowo 71% srebra Ag i 29% miedzi Cu. Czynnikami lutowniczymi 3 mogą być także czyste srebro Ag lub aluminium Al.

Warstwy powierzchniowe 4, 6 warstwowej folii czynnika lutowniczego 3 zawierają cynę Sn lub inny metal, który łatwo rozpuszcza się w miedzi i ma niską temperaturę topnienia, dzięki czemu temperatura wymagana do operacji lutowania może być obniżona. Warstwy powierzchniowe 4, 6 mogą być uformowane na przykład przez zanurzenie w roztopionej cynie czynnika lutowniczego złożonego z warstwy pośredniej 5 folii, a gdy to konieczne, wygładzanie folii przez walcowanie.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku uzyskano złącza niezwykle wysokiej jakości, stosując warstwową folię czynnika lutowniczego 3 z warstwą pośrednią 5 składającą się ze srebra i miedzi Ag + Cu o grubości około 50 μl oraz z warstwami powierzchniowymi 4, 6 składającymi się z cyny Sn o grubości przykładowo 5 do 10 μ^ι. Grubość warstwowej folii czynnika lutowniczego 3 zwykle wynosi 10 do 500 μm, korzystnie 20 do 100 μm. Gdy na powierzchni nakładane są warstwy cyny, grubość warstwy pośredniej 5 folii wynosi 10 do 100 μm, a grubość warstw powierzchniowych 4, 6 wynosi 1 do 20 μm.

Gdy jako materiał warstw powierzchniowych 4, 6 jest zastosowana cyna, w związku z lutowaniem, możliwe jest także zastosowanie warstwy pośredniej o zawartości miedzi, która jest mniejsza niż w mieszaninie eutektycznej. Przykładowo, zawartość miedzi czynnika lutowniczego 3 Ag + Cu, może także wynosić 0 do 29% wagowo. Gdy zastosowano warstwy cyny, mieszanina nie jest krytyczna dla sposobu.

Na figurze 2 rysunku przedstawiono inny przykład wykonania sposobu według wynalazku. Obok starego złącza śrubowego 8 wykonano nowe złącze, które ma zasadniczo lepszą zdolność przewodzenia elektrycznego niż stare złącze. W tym przykładzie wykonania wykorzystano element przewodzący 7, którego pierwszy koniec łączy się z pierwszą szyną przewodzącą 1 naprawianego złącza, a drugi kraniec łączy się z drugą szyną przewodzącą 2 naprawianego złącza. Element przewodzący 7 jest połączony z pierwszą szyną przewodzącą 1 i/lub drugą szyną przewodzącą 2 za pomocą złącza dyfuzyjnego wykonanego z warstwowej folii czynnika lutowniczego 3. Element przewodzący 7 jest zaprojektowany w sposób, który jest odpowiedni dla złącza. Zwykle złącze jest wykonywane za pomocą twardego lutowania, z wykorzystaniem warstwowej folii czynnika lutowniczego 3.

P r z y k ł a d 1

W tym przykładzie obiekt miedziany połączono z innym obiektem miedzianym za pomocą czynnika lutowniczego Ag + Cu zawierającego w procentach wagowo 71% Ag i 29% Cu. Czynnik lutowniczy został nałożony w postaci folii o grubości 50 μm, ponadto na powierzchni folii została wykonana warstwa cyny o grubości rzędu 5 do 10 μm. Temperatura została podniesiona do około 600°C. Czas dociskania wynosił 5 minut. Połączenie, według przykładu, zostało wykonane doskonale. Uzyskano zwarte i gładkie złącze, w którym cyna, która początkowo znajdowała się tam w postaci czystej, utworzyła z miedzią spoinę w kolorze złota mozaikowego.

Za pomocą sposobu według wynalazku możliwe jest łączenie szyn przewodzących o powierzchniach łączenia wykonanych z miedzi i/lub stopów miedzi, zwykle o zawartości miedzi co najmniej 50%.

Claims (8)

1. Sposób wytwarzania złącza elektroprzewodzącego do łączenia szyn przewodzących wykonanych z miedzi lub stopu miedzi, w którym to sposobie między elementy szyn przewodzących, które mają być łączone, nakłada się czynnik lutowniczy, po czym podgrzewa się co najmniej obszar łączenia tak, aby utworzyć złącze, znamienny tym, że jako czynnik lutowniczy stosuje się warstwową folię czynnika lutowniczego (3), składającą się z warstw powierzchniowych (4, 6) utworzonych z cyny Sn lub innego metalu, który dobrze rozpuszcza się w miedzi i ma niską temperaturę topnienia oraz

PL 202 272 B1 z umieszczonej między nimi warstwy pośredniej (5) mającej skład mieszaniny eutektycznej z miedzią, a obszar połączenia poddaje się obróbce termicznej tak, że tworzy się złącze dyfuzyjne.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwę pośrednią (5) czynnika lutowniczego (3) wybiera się z grupy zawierającej: mieszaninę srebra i miedzi Ag + Cu, mieszaninę aluminium i miedzi Al + Cu lub mieszaninę cyny i miedzi Sn + Cu.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że warstwa pośrednia (5) czynnika lutowniczego (3) zawiera w procentach wagowo 71% srebra Ag i 29% miedzi Cu.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa pośrednia (5) czynnika lutowniczego (3) składa się ze srebra Ag.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwą pośrednią (5) czynnika lutowniczego (3) jest aluminium Al.

6. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że warstwowa folia czynnika lutowniczego (3) ma grubość od 10 do 500 μm, korzystnie od 20 do 100 μm.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że warstwa pośrednia (5) czynnika lutowniczego (3) ma grubość od 10 do 100 μm, a warstwy powierzchniowe (4, 6) mają grubość od 1 do 20 μm.

8. Sposób wytwarzania złącza elektroprzewodzącego do łączenia szyn przewodzących wykonanych z miedzi lub stopu miedzi, w którym to sposobie między elementy szyn przewodzących, które mają być łączone nakłada się czynnik lutowniczy, po czym podgrzewa się co najmniej obszar połączenia, aby utworzyć złącze, znamienny tym, że przy naprawianiu złącza szyn przewodzących (1, 2), wprowadza się element przewodzący (7), który omija naprawiane miejsce złącza tak, że pierwszy koniec elementu przewodzącego (7) łączy się z pierwszą szyną przewodzącą (1) naprawianego złącza, a drugi koniec elementu przewodzącego (7) łączy się z drugą szyną przewodzącą (2) naprawianego złącza, przy czym element przewodzący (7) łączy się z szynami przewodzącymi (1, 2) za pomocą złącz dyfuzyjnych, utworzonych przez umieszczenie, między łączonymi częściami, warstwowej folii czynnika lutowniczego (3), składającej się z warstw powierzchniowych (4, 6) utworzonych z cyny Sn lub innego metalu, który dobrze rozpuszcza się w miedzi i ma niską temperaturę topnienia oraz z umieszczonej między nimi warstwy pośredniej (5) mającej skład mieszaniny eutektycznej z miedzią.