[发明专利]用于铜导体的反应冶金结合的自动化

说明书

本申请要求基于2011年9月7日提交的题为“Automation of Reaction Metallurgical Joining for Copper Conductors”的临时申请61/531,648的优先权，该临时申请通过参考引入本文。

技术领域

本发明涉及在铜工件的面对面表面之间形成强焊接部的相对低温方法。焊接部通过在工件之间留下低电阻铜-铜焊接部的冶金反应结合过程形成。当在电动马达中的铜导体对之间形成时，这种得到的焊接接头是非常希望的。在焊接这种铜导体对时，薄金属合金箔放置在导体的面对面表面之间且导体使用例如电阻焊接电极抵靠箔压到一起，所述电阻焊接电极然后将焊接电流引导通过导体和箔，从而形成焊接部。本发明的实践提供使得薄金属箔的形式和形状适合于将反应性材料放置在导体的面对面表面之间的方法。还提供使得焊接电极的使用适合于结合例如电动马达的定子中的许多导体对的实践。

背景技术

虽然存在用于结合许多金属成分的工件的许多焊接实践，但是仍需要在最小变形的情况下在两个铜工件之间形成完好的低电阻焊接接头的方法。特别是需要用于在车辆的电牵引马达的定子构件中、在许多这种铜导体对的组件中、在铜导体条的独立对之间形成焊接连接的这种结合方法。还需要线结合过程，所述线结合过程要求产生最少的热量，从而接头附近的聚合物线绝缘不会受到热暴露而降级。

发明内容

作为进一步的背景技术，本发明使用冶金反应结合过程在组装铜工件的面对面表面之间形成完好的低电阻强焊接部。在本发明的一个实施例的说明中，具有小矩形截面的线或条形式和类似面对面表面的两个铜导体构件放置且加压在一起且在焊接界面处结合。因而，在本发明的该实施例中，铜工件是基本上纯的高导电率铜金属。在冶金反应过程中，反应性金属或合金薄层放置在铜工件的面对面表面之间，且用于清洁表面，以允许在宽区域上的紧密接触和形成固态焊接部。

反应性金属或金属合金被选择以提供作为焊接过程的一部分的重要功能。这种冶金反应性金属成分必须通过在施加的热量的影响下与来自于面对面铜工件表面中的每个的少量材料反应而形成可流动液相。液相必须具有比工件金属的熔点更低的固相线温度。所形成的可流动相必须能够去除在要结合的铜工件表面上初始存在的氧化物膜。在反应过程期间实现表面氧化物去除，即，通过溶解铜工件的一部分和在压力下驱出已反应金属相结合，消除每个工件表面上的层。

在本发明的优选实施例中，按重量计大约7％的磷和其余部分是铜的合金薄金属条是结合基本上纯的铜工件的合适反应性金属。铜具有1084 ℃的熔点，而铜-7wt.％磷合金具有710 ℃的熔点。该铜-磷合金能够溶解或熔化在铜-铜工件界面或结合界面处存在的表面氧化物以及与铜工件的一部分反应并溶解铜工件的一部分。用于焊接铜的另一种合适反应性金属成分是铜与按重量计6％的磷、6％的锡和0.4％的硅的合金。该过程通过将薄（例如，50至250微米厚）反应性金属段放置在要结合的铜工件的面对面表面之间进行。夹层接头然后被压缩且加热至远高于金属/反应性金属合金系统的固相线温度（即，在使用铜-7％磷合金时，高于710 ℃）但是远低于铜的熔点（即，低于1084 ℃）的温度。有益地，这种降低的温度有效地最小化接头附近的聚合物线绝缘的降级。

在加热时压缩的常规方法使用电阻加热，这通过将面对面工件的外表面与商业点焊机的相对电极接合来提供。在一些情况下，电极表面可具有带有局部特征的表面几何形状，所述局部特征接合或凹压（indent）工件的外表面且趋于防止它们在施加焊接电流期间横向滑动，即，垂直于夹持方向。在电阻加热电流传送至电极之间且通过工件和薄反应性金属条的界面时，点焊机的夹持力提供所需压力。一旦充分加热，冶金反应就开始且反应性金属将液化并去除结合界面处的基体金属铜表面上的任何自然氧化物，且进一步与铜反应以形成含液体的相。电极施加的增加压力还将可流动液体驱出到铜-铜接头之外。在一些情况下，将存在具有足够低有效粘度的半固相，其可以从接头驱出，如纯液体的情况下那样。该被驱出的该材料随之夹带任何熔化的氧化物或其它先前表面杂质，以留下清洁的铜表面。通过该过程形成非常清洁的铜-铜焊接部。所形成的接头不主要是钎焊接头。这样形成的接头部段的详细显微照片表明，几乎所有的反应性金属从最终的铜工件-铜工件焊接接头驱出。该方法是相对低能量的方法和相对低温度的方法，这可以使得结合过程对铜工件或其它附近物品上的任何附近绝缘的影响最小化。